Optimization Scheme on the Fire Detection for a Sightseeing Hall Whichis on the Top of an Administration Building in a Nuclear Power Plant

Zhao Yuanhua

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Optimization Scheme on the Fire Detection for a Sightseeing Hall Whichis on the Top of an Administration Building in a Nuclear Power Plant

Zhao Yuanhua

AbstractNew question and challenge occur with the reconstruction of the sightseeing hall on the top of the high-rise building. Utilizing characteristic and advantage of video-imaging fire detection system, can effectively replae smoke detectors and making up its disadvantages, it can provide safe reliable fire protection for the special area.

Keywordshigh-rise building, sightseeing hall, video-imaging fire detection

0引言

對于工業(yè)及民用的高大空間、戶外堆場等場所(如大型體育場館、候車室、物流倉庫、隧道、機(jī)庫、油罐、石油鉆井平臺(tái)、核電站以及各類石油化工企業(yè)等)而言，其傳統(tǒng)的火災(zāi)探測報(bào)警系統(tǒng)由于存在某些技術(shù)缺陷則不能完全滿足這些場所對火災(zāi)探測的需求。因此解決高大空間的早期火災(zāi)探測、精確定位火災(zāi)發(fā)生位置、有效聯(lián)動(dòng)消防設(shè)備等問題，一直是火災(zāi)探測及消防滅火領(lǐng)域的重大難題。

圖像型火災(zāi)探測器由具有高防護(hù)等級的專業(yè)攝像機(jī)采集被保護(hù)現(xiàn)場的視頻圖像，通過基于嵌入圖像處理器內(nèi)的智能火災(zāi)模型算法對采集到的圖像進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)對保護(hù)現(xiàn)場早期火災(zāi)的探測和確認(rèn)，從而有效解決高大空間、易燃、易爆等場所的火災(zāi)探測難題。

本文利用當(dāng)前的技術(shù)與設(shè)備，對過去的工程案例進(jìn)行反思與研究，從理論及應(yīng)用層探討對新的火災(zāi)探測手段，并與常規(guī)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比對，從而得出有指導(dǎo)意義的結(jié)論，為后期的設(shè)計(jì)工作提供思路。

1工程概述

本文以國內(nèi)某在建核電廠廠前區(qū)的綜合辦公樓為例進(jìn)行論述該辦公樓既是該電廠的行政辦公核心，也是該電廠BOP工程通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的核心節(jié)點(diǎn)(BOP即balance of plant，是核電廠的配套設(shè)施)，樓內(nèi)設(shè)有辦公室、會(huì)議室、網(wǎng)絡(luò)機(jī)房、地下車庫等場所，其中還包括一個(gè)可容納947人的報(bào)告廳。

辦公樓地上12層，地下1層，建筑高度48.5m，占地面積3 505.4m2，總建筑面積18 220.0m2，其中地上15 735.8m2、地下2 484.2m2。辦公樓各層使用功能：1層為辦公及947人報(bào)告廳，2～12層為辦公，地下1層為Ⅳ類車庫，可停車45輛。

本工程于2010年進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)當(dāng)時(shí)施行的GB 50045-95(2005年版)《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》將工程定義為二類高層民用建筑，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)耐火等級為二級、地下車庫耐火等級為一級。綜合辦公樓設(shè)有4部疏散樓梯，其中直通地下車庫的樓梯共2部；主體部分的疏散樓梯為防煙樓梯間，設(shè)有消火栓系統(tǒng)、自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)、防排煙系統(tǒng)和火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。

在本工程竣工后，電廠業(yè)主希望對該建筑的頂層進(jìn)行局部改造，將原本的上人屋面變更為一個(gè)兩層樓高、可俯視整個(gè)核電廠區(qū)的觀光層。為了營造出一個(gè)屋頂花園陽光房的建筑效果，主體采用了鋼結(jié)構(gòu)的形式，同時(shí)以玻璃幕墻、石材及金屬百葉相結(jié)合的方式構(gòu)成統(tǒng)一的外墻風(fēng)格。

屋面的改造不僅調(diào)整了使用性質(zhì)，也使得建筑物的類別發(fā)生了變化，給整棟建筑的消防設(shè)計(jì)帶來了新的問題與挑戰(zhàn)。

2原始設(shè)計(jì)介紹

根據(jù)當(dāng)時(shí)施行的GB 50116-98《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，本建筑定義為一級保護(hù)對象。面對新增的觀光層，首先考慮采用紅外對射感煙探測器，但是該類型探測器在鋼結(jié)構(gòu)建筑中會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的誤報(bào)；隨后考慮采用空氣采樣感煙火災(zāi)探測器，其雖然擁有較高的探測靈敏度，但是受制于熱障效應(yīng)，且需要明敷較多的采樣管，因此也并不適用。

由于沒有找到更好的探測方式，因此沿用了本建筑其他樓層所選用的感煙探測器為觀光層提供火災(zāi)探測保護(hù)，如圖1所示。圖中所有青色方塊為安裝在金屬構(gòu)建下方的感煙探測器，紅線為信號線回路，均沿頂部的金屬構(gòu)建進(jìn)行敷設(shè)。由于所有探測器都設(shè)在頂部，考慮到屋頂?shù)臒嵴闲?yīng)，則根據(jù)規(guī)范將探測器下表面至頂棚或屋頂?shù)木嚯x確定為200mm。

圖1　觀光層點(diǎn)式感煙探測器設(shè)計(jì)平面圖

3觀光層防火設(shè)計(jì)分析

增設(shè)觀光層后，綜合辦公樓的建筑高度將達(dá)到55.9m，如圖2所示。根據(jù)GB 50045-95(2005年版)《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中關(guān)于建筑分類的定義對其進(jìn)行改造，使其由二類高層建筑變更為一類高層建筑。

圖2　綜合辦公樓觀光層剖面圖

對于其建筑高度的改變帶來的防火設(shè)計(jì)問題，需要運(yùn)用消防安全工程學(xué)對設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析論證，以確保其防火設(shè)計(jì)方案仍能達(dá)到規(guī)范的要求。

在設(shè)計(jì)火災(zāi)場景時(shí)應(yīng)設(shè)定火源在建筑物內(nèi)，考慮到建筑的空間幾何特征，本文擬在綜合辦公樓內(nèi)假設(shè)如下2個(gè)火源位置來進(jìn)行火災(zāi)分析。

火源位置A：位于辦公樓頂樓觀光夾層休息區(qū)內(nèi)，如圖3所示。若當(dāng)休息區(qū)內(nèi)的沙發(fā)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火源附近疏散出口被堵，煙氣會(huì)蔓延至頂部中庭。

火源位置B：位于辦公樓十二樓某會(huì)議室內(nèi)，如圖4所示。若當(dāng)會(huì)議室內(nèi)的辦公家具發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火源附近疏散出口被堵，且通往樓梯間的防火門未正常關(guān)閉，煙氣會(huì)蔓延至頂部中庭。

圖3　觀光層火源位置示意圖

本文就上述兩種情況時(shí)進(jìn)行分析，假設(shè)自動(dòng)滅火系統(tǒng)及排煙系統(tǒng)分別處于有效或失效狀態(tài)下，選定2組共6個(gè)火災(zāi)場景進(jìn)行模擬計(jì)算，得出最大的火災(zāi)熱釋放速率，如表1所示。

圖4　十二層火源位置示意圖

表1　火災(zāi)場景分析匯總表

各安全出口附近清晰高度處各項(xiàng)參數(shù)的極限值如表2所示。

表2　各設(shè)定火災(zāi)場景下煙氣流動(dòng)的模擬計(jì)算結(jié)果

根據(jù)所設(shè)定的火災(zāi)場景，本文設(shè)置了相對應(yīng)的如下2個(gè)疏散場景，見表3。

表3　設(shè)定疏散場景匯總表

為實(shí)現(xiàn)安全疏散的功能目標(biāo)，疏散設(shè)計(jì)應(yīng)滿足綜合判定標(biāo)準(zhǔn)，即：人員可用疏散時(shí)間TASET>人員必需疏散時(shí)間TRSET。

通過比較必需疏散時(shí)間與可用疏散時(shí)間，可判斷各個(gè)設(shè)定火災(zāi)場景和疏散場景中人員是否可以安全地疏散到室外區(qū)域。相關(guān)結(jié)果比較和分析請見表4。

表4　人員疏散安全性判定

根據(jù)表4可得知：

1) 當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在觀光層時(shí)，人員可用疏散時(shí)間較長，在危險(xiǎn)來臨之前，人員均可安全離開本層。

2) 若火災(zāi)發(fā)生在12層會(huì)議室，當(dāng)自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)和排煙系統(tǒng)有效時(shí)，人員可安全離開本層；當(dāng)上述消防設(shè)施有一個(gè)失效時(shí)，12層人員的安全疏散不能得到保證。綜上所述，采取上述防火設(shè)計(jì)方案能夠滿足人員安全疏散的要求。當(dāng)然，建筑的消防安全是一個(gè)相對成立的概念，為了提高建筑的消防安全性能，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，本文將突破口設(shè)定在火災(zāi)探測器的選擇上。參考現(xiàn)行的GB 50116-2013《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，應(yīng)根據(jù)保護(hù)場所可能發(fā)生火災(zāi)的部位和燃燒材料、火災(zāi)探測器的類型、靈敏度和響應(yīng)時(shí)間等方面進(jìn)行分析來選擇相應(yīng)的火災(zāi)探測器。本文擬將以下3點(diǎn)作為突破口，找尋合理的優(yōu)化方案：

1)靈敏度高，只有提高靈敏度，才能更早地發(fā)現(xiàn)火情，為人員安全疏散提供必要保障。

2)抗熱障效應(yīng)強(qiáng)，由于觀光層主要采用玻璃外墻，屋頂易受輻射熱作用或因其他因素影響，可能在頂棚附近產(chǎn)生空氣滯留層，形成熱屏障。

3)布線簡潔，基于觀光層的使用功能考慮，設(shè)備布線必須簡潔隱蔽，尤其不能縱橫于玻璃屋頂，以免影響美觀。

4IFE圖像型火災(zāi)探測系統(tǒng)

《FM Global Property Loss Prevention Data Sheets》中5-48 AUTO MATIC FIRE DETECTION提到，對于開放式室內(nèi)外建筑，需使用視頻圖像式探測器。

IFE圖像型火災(zāi)探測系統(tǒng)采用了先進(jìn)的智能識(shí)別算法，能夠在復(fù)雜的場景中實(shí)現(xiàn)對火災(zāi)的快速識(shí)別和響應(yīng)，并能夠與傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警控制器進(jìn)行無縫連接，方便系統(tǒng)管理的同時(shí)還能提供現(xiàn)場指示功能，便于現(xiàn)場對探測器的工作狀態(tài)進(jìn)行清晰識(shí)別。

IFE系統(tǒng)的工作原理是通過分析高性能計(jì)算機(jī)對標(biāo)準(zhǔn)閉路電視(CCTV)信號提供的圖像，采用高精密算法感受場景中的微弱變化，并將這種變化與火災(zāi)特征進(jìn)行比較，同時(shí)分析特征之間的相互關(guān)系，最終利用綜合判據(jù)實(shí)現(xiàn)對火災(zāi)的早期準(zhǔn)確探測，并以圖形界面和其他輸出方式向系統(tǒng)管理人員報(bào)警。

系統(tǒng)的輸入信號為標(biāo)準(zhǔn)閉路電視(CCTV)信號，經(jīng)過圖像采集卡后會(huì)轉(zhuǎn)換為可被計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字圖像序列，通過處理和分析數(shù)字視頻信號提取出的有效區(qū)域，并對這些區(qū)域進(jìn)行模式識(shí)別，從而確定火災(zāi)的基本特征(如灰度變化、閃爍頻率、顏色差異、運(yùn)動(dòng)趨勢等)，再利用組合判據(jù)實(shí)現(xiàn)對火災(zāi)的快速識(shí)別，并通過圖形界面、現(xiàn)場指示等方式報(bào)警，同時(shí)上傳給火災(zāi)報(bào)警控制器。

系統(tǒng)由機(jī)柜、系統(tǒng)主機(jī)、液晶顯示器、UPS、集線器、視頻采集卡、視頻分配器、攝像機(jī)和視頻火災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件組成，如圖5所示。

圖5　圖像型火災(zāi)探測系統(tǒng)構(gòu)架圖

該系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢包括：

1)適用于各種類型的火災(zāi)探測

不同的火災(zāi)探測器適用于不同環(huán)境及火災(zāi)的不同發(fā)展階段。如光電感煙探測器只對煙敏感，感溫探測器只在環(huán)境溫度有較大變化時(shí)才敏感，而IFE由于既可感煙又可感火，所以適用于各種類型的火災(zāi)和火情發(fā)展的各個(gè)階段。

2)適用于大空間空氣采樣報(bào)警

傳統(tǒng)光電感煙探測器、紅外光束等產(chǎn)品必須在煙霧擴(kuò)散到安裝位置并累積超過報(bào)警閾值后才能報(bào)警；而IFE是非接觸式報(bào)警，可在火災(zāi)發(fā)生的初期就進(jìn)行報(bào)警，無距離要求，發(fā)現(xiàn)即報(bào)警、保護(hù)范圍大、靈敏度可調(diào)。

3)適用于晝夜的環(huán)境變化

由于IFE既可感煙又可感火，加之在前端攝像機(jī)同角度的位置安裝紅外燈，所以白天和夜間的變化不會(huì)對IFE系統(tǒng)造成影響。

4)用戶可在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場情況

由于IFE為視頻火災(zāi)探測系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患時(shí)，值班人員可通過顯示屏第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場情況，為保護(hù)生命和財(cái)產(chǎn)安全贏得的時(shí)間。

5優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

基于對觀光層防火設(shè)計(jì)的分析，將IFE圖像型火災(zāi)探測器與空氣采樣感煙探測器、典型感煙探測器以及紅外對射感煙探測器進(jìn)行比對，分析其探測種類、工作原理以及保護(hù)范圍等特性，并以表格的形式進(jìn)行梳理比對(如表5所示)。

表5　IFE圖像型火災(zāi)探測器與感煙探測器分析比較

從分析對比中可知，IFE圖像型火災(zāi)探測器較其他各類感煙探測器而言，都能夠給予觀光層更合理地保護(hù)。

6IFE圖像型火災(zāi)探測器設(shè)計(jì)效果分析

IFE圖像型火災(zāi)探測器可提供較高的探測靈敏度，且抗熱障效應(yīng)強(qiáng)，但對于其是否布線簡潔，還需要通過實(shí)際設(shè)計(jì)效果做判定。

圖6　觀光層IFE圖像型火災(zāi)探測器設(shè)計(jì)(示意圖)

通過分析觀光層平面圖和觀光層點(diǎn)式感煙探測器平面圖，本優(yōu)化方案擬取消原先布置于公共區(qū)域頂部的點(diǎn)式感煙探測器及相關(guān)布線，現(xiàn)在東西兩側(cè)各設(shè)置3臺(tái)攝像機(jī)，做到探測區(qū)域無死角、無盲區(qū)，同時(shí)探測器的視頻線(SYV-75-5)、信號線(ZR-RVS-2x1.0)和電源線(ZR-RVV-3x2.0)均穿金屬保護(hù)管沿墻角或結(jié)構(gòu)梁柱敷設(shè)，如圖6所示。從圖6中可以看出，采用IFE圖像型火災(zāi)探測器后，雖然取消原先布置于屋頂?shù)奶綔y器和系統(tǒng)布線，但還原了觀光層頂棚原本的美觀。攝像機(jī)安裝于東西兩側(cè)墻上，自上而下地監(jiān)視著整個(gè)公共區(qū)域，不但不會(huì)受到氣流的干擾和熱障效應(yīng)的影響，還能提供更高的探測靈敏度。

7結(jié)束語

IFE圖像型火災(zāi)探測系統(tǒng)能夠解決傳統(tǒng)點(diǎn)型火災(zāi)探測器在某些特殊應(yīng)用場所不能有效實(shí)現(xiàn)消防保護(hù)的問題，為此類特殊應(yīng)用場所和需要早期報(bào)警的場所提供了完善的解決方案。此外，系統(tǒng)還能和傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警控制器進(jìn)行無縫連接，方便系統(tǒng)管理的同時(shí)提供現(xiàn)場指示功能，便于現(xiàn)場對探測器的工作狀態(tài)進(jìn)行清晰識(shí)別。

本文基于辦公樓觀光層的分析與研究，以靈敏度高、抗熱障效應(yīng)強(qiáng)、布線簡潔作為突破口，結(jié)合該系統(tǒng)智能化、實(shí)時(shí)化、可視化、無接觸等特點(diǎn)，有針對性地提出了使用IFE圖像型火災(zāi)探測系統(tǒng)的優(yōu)化方案，并通過分析設(shè)計(jì)效果論證了該方案的可行性及合理性，為此類工程的火災(zāi)探測設(shè)計(jì)提供了新的選擇。

參考文獻(xiàn)

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[3]FM Global. Property Loss Prevention Data Sheets. 2011.

某核電廠區(qū)辦公樓屋頂觀光層的火災(zāi)探測優(yōu)化方案

趙元華

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233)

摘要高層建筑屋頂觀光層的改造，給火災(zāi)探測設(shè)計(jì)帶來了新的問題與挑戰(zhàn)。利用圖像型火災(zāi)探測系統(tǒng)的系統(tǒng)特性與技術(shù)優(yōu)勢，可有效地取代感煙探測器，彌補(bǔ)其不足之處，為該類特殊區(qū)域提供安全可靠的消防保護(hù)。

關(guān)鍵詞高層建筑觀光層圖像型火災(zāi)探測