超高層建筑消防探測與報警

高翱，潘剛，徐放

(公安部沈陽消防研究所)

1 引言

隨著我國城市化進程的加快，投資建設高樓大廈的熱潮在各地持續(xù)升溫。建筑物向著高層、大規(guī)模、綜合性方向發(fā)展己成為世界性趨勢，超高層建筑也越來越多。國際上對高層建筑的分類在是1972年8月在美國賓夕法尼亞洲的伯利恒市召開的國際高層建筑會議上專門討論確定的，大致按照高度分為四類。第一類高層建筑：9～16層（高度到50m）；第二類高層建筑：17～25層（高度到75m）；第三類高層建筑：26～40層（最高到100m）；第四類超高層建筑：40層以上（高度100m以上）。在我國，高度超過100m的建筑稱為超高層建筑[1]。

由于超高層建筑物層數(shù)多、空間大，且多是融辦公、商貿(mào)、娛樂為一體的綜合性大樓，公眾人員密集，一旦發(fā)生火災，情況錯綜復雜，撲救難度大，極易引發(fā)群死群傷的惡性事故，因此，其消防安全問題非常突出，主要表現(xiàn)為：功能復雜，起火因素多；火勢蔓延快；火勢蔓延途徑多、危害大；疏散人員多、路徑長等[2～3]。消防探測與報警系統(tǒng)用于盡早探測初期火災并發(fā)出報警[4]，以便采取相應措施（例如疏散人員、呼叫消防隊、操作防排煙設備、啟動滅火系統(tǒng)等），防止和減少火災危害，保護人身和財產(chǎn)安全。

2 消防探測報警技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

火災探測技術(shù)的目的就是要在火災發(fā)生的早期，準確地判斷火警、預報火警，從而保障人民的生命財產(chǎn)安全。為了實現(xiàn)這一目標，自18世紀末，人們就開始了火災探測方面的研究工作。1890年，英國利用金屬受熱膨脹原理發(fā)明了感溫火災探測器，并且作為一種主要的火災探測報警器件在一些場所應用。20世紀中期，瑞士研發(fā)出離子感煙火災探測器，人類首次實現(xiàn)了對陰燃火災的早期探測報警。20世紀70年代，我國第一個感煙火災探測報警系統(tǒng)問世；80年代末，火災自動報警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)開始以微型計算機為核心，從多線制系統(tǒng)連接過渡到了總線制數(shù)據(jù)傳輸，進而逐步完善和成熟起來。90年代中后期，單片機技術(shù)的日臻完善及低成本化，使火災探測器具有了火災判斷算法程序，并使系統(tǒng)數(shù)字通訊能力得到同步發(fā)展和提高，初步形成了智能化火災自動報警系統(tǒng)。進入21世紀，隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、通信與信息技術(shù)等在火災自動報警技術(shù)領域廣泛應用，火災探測與自動報警技術(shù)、消防設備聯(lián)動控制技術(shù)、建筑消防設施遠程監(jiān)控技術(shù)取得了突飛猛進的發(fā)展，逐步形成了以火災自動探測與報警為基本內(nèi)容、以計算機協(xié)調(diào)控制和管理各類消防設備為基本手段、具有較強火災識別能力的智能化火災自動報警系統(tǒng)[5～8]。

3 現(xiàn)有的火災探測報警體系在超高層建筑中的使用

高層建筑的防火設計遵循“預防為主， 防消結(jié)合”的消防工作方針，針對高層建筑發(fā)生火災的特點，立足自防自救，采用可靠的防火措施，做到安全適用、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理?！陡邔用裼媒ㄖO計防火規(guī)范》中明確指出[1]，當高層建筑的高度超過250m時，建筑設計防火應對特殊的防火措施進行專題研究，并應提交國家消防主管部門組織專題研究論證。超高層建筑一般是包括商業(yè)、酒店、辦公等多種使用功能的綜合體。業(yè)主往往從運營管理角度出發(fā)，提出了不同使用功能區(qū)域由不同的物業(yè)管理公司獨立管理的需求。在此前提下，火災自動報警系統(tǒng)及控制室的設置應滿足運營管理的需要，其控制形式可采用分散和集中相結(jié)合的方式，即在不同的功能區(qū)域內(nèi)設置消防分控室和功能相對獨立的報警系統(tǒng)；同時為了確保整體功能的完善，確定某一個消防分控室作為控制中心，通過設置在消防控制中心火災報警系統(tǒng)與其他區(qū)域設置的火災報警系統(tǒng)互聯(lián)，構(gòu)成統(tǒng)一的技術(shù)平臺，能夠集中顯示、監(jiān)視和記錄各類報警信息和設備運行狀態(tài)。其中，消防聯(lián)動系統(tǒng)的設置應根據(jù)消防滅火設備的劃分情況來確定，當各類消防滅火設施能夠按照不同使用區(qū)域分開時，其相關(guān)區(qū)域的消防聯(lián)動系統(tǒng)可設置于各消防分控室內(nèi)。當不能劃分時，應由消防控制中心統(tǒng)一設置。超高層建筑在進行火災自動報警系統(tǒng)設計時應遵循以下幾條原則。

1）設計人員應掌握易發(fā)生火災的因素及地點、火災蔓延途徑，了解安全疏散路徑、其他消防設施(如消火栓和滅火器)布置地點等情況。應熟悉火災自動報警系統(tǒng)的基本知識、有關(guān)報警設備的性能、使用條件與使用方法等。在此基礎上、針對具體保護對象的特點，結(jié)合消防總體設計對報警系統(tǒng)的要求，綜合考慮，確定總體方案。

2）系統(tǒng)設計應嚴格執(zhí)行《火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》、《火災報警系統(tǒng)施工及驗收規(guī)范》、《高層民用建筑設計防火規(guī)范》、《建筑設計防火規(guī)范》、《工業(yè)與民用建筑供電系統(tǒng)設計規(guī)范》，以及一些專用建筑的防火規(guī)范如《人民防空工程防火設計規(guī)范》、《汽車庫設計防火規(guī)范》等有關(guān)規(guī)定。

3）在滿足系統(tǒng)基本要求的前提下，應做到“安全可靠、使用方便、經(jīng)濟合理”。必須保證系統(tǒng)本身是安全可靠的，能有效發(fā)揮其對超高層建筑的保護作用。系統(tǒng)應便于管理人員控制、操作、維護，提高系統(tǒng)可靠性。應采用科學設計計算方法及行之有效的技術(shù)和設備。在滿足使用要求的前提下，力求簡單實用，節(jié)省投資。

4）設計過程自始至終要和當?shù)叵辣O(jiān)督機構(gòu)密切協(xié)商，從實際出發(fā)，正確、合理地確定設計方案。

圖1 火災預警與傳統(tǒng)火災探測報警示意圖

4 火災探測報警與火災預警技術(shù)

火災探測報警技術(shù)已經(jīng)被人們普遍認可和接受，在火災防控方面發(fā)揮了重要作用。然而，對于火災防控（尤其是超高層建筑火災防控）工作來說，僅局限于針對火災發(fā)生后進行探測報警的技術(shù)手段是不夠的，迫切需要在火災的孕育期即實現(xiàn)對火災的預警?；馂念A警的基本含義就是通過探測表征火災孕育階段的物理量，來實現(xiàn)對火災孕育階段的報警。它與火災探測報警的最大區(qū)別是在火災成災前報警，以及報警后的處置方式。它是對火災形成過程中尚未成災時的探測報警，能夠在成災前提供幾秒、幾分甚至幾小時的寶貴時間，針對不同情況進行有效處置，避免火災的發(fā)生，最大程度地減少火災損失。因此，與火災預警相對應的有效處置方法也是十分重要的?；馂念A警與傳統(tǒng)火災探測報警示意圖如圖1所示。

公安部沈陽消防研究所長期致力于火災探測報警及火災預警技術(shù)的研究與探索，并以國家科技支撐項目課題《電氣火災原因調(diào)查與防范關(guān)鍵技術(shù)研究》和《基于物聯(lián)網(wǎng)的火災征兆探測與消防設施綜合信息平臺技術(shù)研究與應用示范》等科研項目為平臺，在火災預警實用技術(shù)領域進行了開拓性的研究工作并取得了實質(zhì)性進展。

5 適用于超高層建筑消防探測報警的新技術(shù)

5.1 電氣火災預防技術(shù)

電氣火災預防技術(shù)一直是國內(nèi)外研究的重點領域，尤其是電弧型和過熱型電氣火災故障預防技術(shù)的開發(fā)和應用，一直受到國際上消防和低壓電器領域的普遍關(guān)注。目前，許多國家都在組織制訂相應標準，積極開發(fā)新型防護產(chǎn)品，并把它作為當前低壓電器防火的一個重要方向。在我國，供電和電氣產(chǎn)品特點的故障模式及特征量的基礎研究數(shù)據(jù)缺乏，防護產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，故障早期識別和預警技術(shù)與智能型防護產(chǎn)品欠缺，檢驗與評價技術(shù)指標不健全，部分種類產(chǎn)品的檢驗與評價技術(shù)不完善，沒有建立健全合理有效的火災預防工程應用方法等；因此，亟需完善我國的電氣電弧故障火災模式和特征量數(shù)據(jù)，研制開發(fā)適合我國特點的、針對電氣電弧火災、過電流、接觸不良等電氣火災的智能型預警產(chǎn)品，并通過完善產(chǎn)品檢驗與工程適用性驗證，解決電氣火災預警技術(shù)與產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展的瓶頸問題，有效遏制電氣火災的上升勢頭。為此，沈陽消防研究所正在就此方面開展研究工作；在電網(wǎng)波動、電氣設備正常電弧和各種故障電弧方面，通過大量實驗，建立了幾十萬個以實驗數(shù)據(jù)為基礎的數(shù)據(jù)庫（因電弧的重復率低），引領開展適合我國國情的電弧型和過熱型電氣火災故障預防技術(shù)及產(chǎn)品的研發(fā)。在產(chǎn)品檢測技術(shù)方面，開發(fā)了串聯(lián)、并聯(lián)短路實驗裝置和電弧故障特性模擬發(fā)生裝置。也在該類產(chǎn)品的檢驗標準方面做了大量工作。

5.2 風管火災探測技術(shù)

超高層建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)中的風管組成了一個復雜的管道系統(tǒng)，主要用于將調(diào)制后的適宜空氣按設計流量高效率地輸送和分配，但在火災發(fā)生的時候，火災煙霧、有毒氣體和火焰由于空調(diào)系統(tǒng)的氣流影響，極有可能沿著風管蔓延，從而使火勢擴大，引發(fā)更大的火災。因此，對暖通空調(diào)風管系統(tǒng)中火災的有效探測和報警，具有重要的現(xiàn)實意義。在此方面，沈陽消防研究所自主研發(fā)出了風管火災探測器。風管感煙火災探測的基本原理：風管中的氣流由于壓差通過采樣孔經(jīng)總壓管進入盒體,在盒體內(nèi)流過感煙探測單元,由靜壓管（即排氣管）重新排出到風管中。如果氣流中有煙霧,就會觸發(fā)探測器報警,并按預設邏輯聯(lián)動相關(guān)設備（風機、閥等）動作。由于探測器安裝在風管外部,因而具有使用簡單、維護方便等優(yōu)點,是目前風管火災探測器的主流產(chǎn)品。

5.3 點型感煙火災探測器的長期運行效果性能分析定量測試技術(shù)

空氣中懸浮的粉塵是引發(fā)點型感煙火災探測器誤報警的一個主要因素?；馂奶綔y器性能受粉塵影響主要有兩種情況：一種是火災探測器用于沒有特殊揚塵過程的場所（如賓館客房、辦公室、實驗室、倉儲室等），在此環(huán)境條件下，主要是低密度浮塵通過擴散、靜電吸附在光學探測腔內(nèi)，長期累積對火災探測器的性能造成影響；另一種是火災探測器用于工業(yè)與民用建筑的門廳、走廊、車間、古建筑等開敞或半開敞空間場所，由開放的自然環(huán)境（如開窗）或者人為擾動（如清掃、空調(diào)造成的空氣循環(huán)等），引發(fā)粉塵對火災探測器產(chǎn)生時間干擾。粉塵在探測器的探測腔中長時間沉積，會導致探測器工作點發(fā)生漂移，而工作點的漂移則有可能發(fā)生漏報警或頻繁誤報警。沈陽消防研究所依托國家科技支撐項目課題《基于物聯(lián)網(wǎng)的火災征兆探測與消防設施綜合信息平臺技術(shù)研究與應用示范》，通過火災探測典型環(huán)境下干擾氣溶膠濃度與粒子尺寸分布的數(shù)據(jù)獲取與分析，建立干擾氣溶膠再懸浮試驗裝置，結(jié)合火災探測器干擾物長期沉積效果的模擬分析，研發(fā)出點型火災探測器長期運行效果性能分析與瞬態(tài)誤報干擾的定量性能測試技術(shù)手段。

6 超高層建筑消防探測報警技術(shù)發(fā)展展望

當前超高層建筑消防探測報警問題已成為全世界面臨的共同難題，其消防探測報警不僅僅是對傳統(tǒng)的消防探測報警手段進行直接的擴展，而且有著自己的特殊性，如：由于超高層建筑的火災防控、撲救難度大，需要進一步將火災防控的關(guān)口前移；受消防部門滅火設備性能的限制，發(fā)生火災時從外部對超高層建筑予以支援的難度較普通建筑大，對自身消防系統(tǒng)的要求更高；消防設施電氣化程度更高，管理維護更加復雜等。因此，加強超高層建筑消防探測報警技術(shù)的研究，提高我國超高層建筑消防技術(shù)水平，具有十分重要的現(xiàn)實意義。筆者認為，應該重點在以下幾方面加強超高層建筑中的消防探測報警技術(shù)研究。

6.1 加強火災預警技術(shù)研究

為提高超高層建筑火災的防控能力和防災減災能力，必須做到火情或火災隱患的及早發(fā)現(xiàn)，為遏制火災的發(fā)生發(fā)展、人員疏散逃生及火災的及時撲救爭取時間，實現(xiàn)火災防控關(guān)口前移。為此，我們應該加強火災預警技術(shù)的研究，在火災隱患成災前，對可能引發(fā)火災的危險和隱患進行預警并處理。

6.2 加強火災聯(lián)動控制技術(shù)的研究

在超高層建筑的火災防控工作中存在一系列困難，如：使用單位較多，人員集中且流量大；存在大量的豎向通道，它們會形成巨大的“煙囪”效應，使得火災迅速蔓延；疏散距離長，疏散極度困難；由于建筑高度高，消防水池和水箱的儲水量難以滿足高載荷火災延續(xù)時間內(nèi)的使用等。因此，超高層建筑火災聯(lián)動控制應根據(jù)自身消防特點設定，目前，我們在此方面的基礎理論、實用技術(shù)研究等都存在一定的不足，應在以后的工作中予以加強。

6.3 加強物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在火災探測報警領域的應用

物聯(lián)網(wǎng)是指通過各種信息傳感設備，實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程的各種信息，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的一個巨大網(wǎng)絡。其目的是實現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡的連接，方便識別、管理和控制。在超高層建筑中，一旦建筑消防設施出現(xiàn)故障、癱瘓以及擅自關(guān)停，在火災時不能有效發(fā)揮作用，將造成不可估量的損失。因此，應加強物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在火災探測報警領域的研究和應用技術(shù)，為提高火災探測報警系統(tǒng)的可靠性提供實用的技術(shù)手段。

7 結(jié)束語

本文通過回顧火災探測報警技術(shù)的發(fā)展歷程，闡述超高層建筑火災探測報警技術(shù)應用現(xiàn)狀，介紹超高層消防探測報警新技術(shù)，展望超高層建筑消防探測報警的發(fā)展方向，提出了應該重點加強火災預警技術(shù)、火災聯(lián)動控制技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在火災探測報警領域的應用技術(shù)研究的學術(shù)理念。

【1】GB 50045-1995.高層民用建筑設計防火規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1995.

【2】蔣永琨.高層建筑消防設計手冊[M].上海：同濟大學出版社，1995.

【3】曹秀平.高層建筑火災風險評估的研究[D].東北大學，2008.

【4】潘剛.火災探測報警技術(shù)發(fā)展趨勢[J].消防科學與技術(shù)，2002，1（2）：29-30.

【5】王軍，馬青波，隋虎林，趙輝.火災自動報警監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用與發(fā)展[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2003（12）：8-10.

【6】王殊，厲劍.高靈敏度吸氣式感煙火災探測報警系統(tǒng)分析研究[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，1995（10）：5-8.

【7】徐恩生，翁立堅.智能火災探測報警系統(tǒng)的兩大構(gòu)成要素[J].沈陽航空工業(yè)學院學報，2002（01）：55-57.

【8】潘剛，馬騮.火災探測傳感信息提取方法的研究[J].消防科學與技術(shù)，2004，23(01)：66-68.