論木結(jié)構(gòu)建筑的電氣防火設(shè)計(jì)

鄒皖峰 王桂君

1 木結(jié)構(gòu)建筑的火災(zāi)

木結(jié)構(gòu)建筑[1]（以下簡(jiǎn)稱“木建”）自古就有，隨著時(shí)代的發(fā)展，建筑電氣設(shè)施為木建增添了新的元素，但也給它帶來(lái)了火災(zāi)隱患。據(jù)調(diào)查，木建的電氣火災(zāi)源[2]主要來(lái)自明火、電氣設(shè)施和雷擊，圖1、2為因電氣或雷擊原因發(fā)生火災(zāi)的木建。

圖1 電氣火災(zāi)——武當(dāng)山遇真宮Fig.1 Electrical fire—Wudang Mountain Yuzhen Palace

圖2 雷擊火災(zāi)——普惠寺大雄寶殿Fig.2 Lightning fire—Main Hall of Pratt Whitney Temple

表1列出三類火災(zāi)源產(chǎn)生的原因：

表1 木結(jié)構(gòu)建筑火災(zāi)源及原因Tab.1 Wood structure fire sources and causes

1）明火引起的火災(zāi)顯而易見(jiàn)，不再贅述。

2）電氣設(shè)施的老化、使用不合格的電氣產(chǎn)品等是導(dǎo)致大部分火災(zāi)的原因。這類電氣產(chǎn)品由于長(zhǎng)時(shí)間處于插電狀態(tài)或過(guò)負(fù)荷運(yùn)行，極有可能導(dǎo)致電線過(guò)熱、接頭短路等現(xiàn)象，從而引起火災(zāi)。它一般初起于電氣柜火災(zāi)、電纜接頭處等。因?yàn)榫€路運(yùn)行狀況無(wú)法用肉眼看見(jiàn)，這類火災(zāi)起初很難被發(fā)現(xiàn)。有時(shí)雖被發(fā)現(xiàn)，其火勢(shì)已無(wú)法控制。

3）木建多處于公園、林區(qū)等依山傍水的場(chǎng)所，地勢(shì)空曠，易遭受雷擊侵?jǐn)_。而且與鋼混結(jié)構(gòu)建筑不同，木結(jié)構(gòu)建筑沒(méi)有天然的法拉第籠，它對(duì)雷擊形成的靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)、閃電感應(yīng)、電涌侵入等的屏蔽效果不好，易造成電子設(shè)備的損壞和火災(zāi)。因此，對(duì)于雷擊產(chǎn)生的火災(zāi)也需要重視。

針對(duì)木建的火災(zāi)隱患，我國(guó)GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[3]、GB 50116—2013《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]都給出了相應(yīng)要求。筆者結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求，從電氣角度探討木結(jié)構(gòu)建筑的電氣防火措施。

2 木建的FAS

對(duì)于木建，明火或電氣設(shè)施導(dǎo)致的火災(zāi)，在燃燒早期極易產(chǎn)生煙氣或高溫。如果能提前探測(cè)火情，及時(shí)采取防火聯(lián)動(dòng)，可大大減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。針對(duì)這種情況，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)（FAS）為木結(jié)構(gòu)建筑帶上了可靠的護(hù)身符。

2.1 FAS的定義

圖3 FAS系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Typical structure of FAS system

FAS系統(tǒng)是探測(cè)火災(zāi)早期特征、發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)，為人員疏散、防止火災(zāi)蔓延和啟動(dòng)滅火設(shè)備提供控制與指示的消防系統(tǒng)。圖3為FAS系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)示意圖。在火災(zāi)早期，F(xiàn)AS利用感煙或感溫探測(cè)器，対木建的環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);當(dāng)探測(cè)器檢測(cè)到煙氣或高溫時(shí)，便將信號(hào)傳輸?shù)綀?bào)警控制器，由值班人員進(jìn)行火災(zāi)確認(rèn)；如報(bào)警控制器自帶聯(lián)動(dòng)控制功能，可由值班人員或控制器確認(rèn)后聯(lián)動(dòng)消防設(shè)備進(jìn)行滅火。

木建FAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)有其特殊性，依據(jù)GB 50016—2014、GB 50116—2013的設(shè)計(jì)原則，下面簡(jiǎn)要探討如何設(shè)計(jì)FAS系統(tǒng)。

2.2 設(shè)置FAS的界限形式選擇

在GB 50016—2014第11.0.13條規(guī)定“總建筑面積大于1 500 m2的木結(jié)構(gòu)公共建筑應(yīng)設(shè)置火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，木結(jié)構(gòu)住宅建筑內(nèi)應(yīng)設(shè)置火災(zāi)探測(cè)與報(bào)警裝置?！痹撘?guī)范對(duì)公共與住宅建筑是否設(shè)置FAS給出了明確的界限。其次，該規(guī)范在第11章對(duì)民用的木建層數(shù)、建筑高度、建筑面積、燃燒性能、耐火極限，防火間距等做了詳細(xì)規(guī)定。

表2為規(guī)范對(duì)建筑層數(shù)及高度的要求。規(guī)范也特別指出，商店、體育館類的木建限制僅能采用單層。因此，從規(guī)范的限制可以看出我國(guó)木建的規(guī)模都較小，僅需設(shè)置火災(zāi)探測(cè)器和報(bào)警裝置，達(dá)到提醒人員即可，不必設(shè)計(jì)帶有自控功能的FAS。只有在超過(guò)一定規(guī)?；蛟O(shè)有需要聯(lián)動(dòng)控制的消防設(shè)備時(shí)，F(xiàn)AS系統(tǒng)才會(huì)被使用。

表2 木結(jié)構(gòu)建筑的允許層數(shù)及高度Tab.2 Allowable number of layers and height of wood structure building

而針對(duì)需設(shè)置FAS的木建，F(xiàn)AS的設(shè)計(jì)多采用兩種形式：區(qū)域報(bào)警系統(tǒng)和集中報(bào)警系統(tǒng)。區(qū)域報(bào)警系統(tǒng)的典型特征是不需要聯(lián)動(dòng)消防設(shè)備，僅需自動(dòng)報(bào)警；集中報(bào)警系統(tǒng)不僅需要報(bào)警，而且要聯(lián)動(dòng)消防設(shè)備。根據(jù)GB 50116—2013的第3.2條，兩者的區(qū)別如表3所示。

表3 區(qū)域報(bào)警系統(tǒng)與集中報(bào)警系統(tǒng)的區(qū)別Tab.3 The difference between the regional alarm system and the centralized alarm system

由于木建的特殊性，其消防設(shè)備的選擇直接關(guān)系到FAS系統(tǒng)形式的選擇。因此，應(yīng)與消防專業(yè)人員確認(rèn)消防設(shè)備的動(dòng)作方式后，再進(jìn)行FAS系統(tǒng)形式的選擇。

2.3 報(bào)警區(qū)域和探測(cè)區(qū)域的劃分

為了迅速確定火災(zāi)發(fā)生部位，并解決消防系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)問(wèn)題，還需對(duì)報(bào)警區(qū)域和探測(cè)區(qū)域進(jìn)行劃分。報(bào)警區(qū)域可以根據(jù)GB 50016—2014第11.0.3的防火墻劃分原則，先確定防火分區(qū)的邊界，把每個(gè)防火分區(qū)作為一個(gè)報(bào)警區(qū)域。探測(cè)區(qū)域主要根據(jù)建筑功能及探測(cè)器的性能進(jìn)行設(shè)計(jì)。如木建的坡屋頂較普遍，其采用的封閉吊頂或屋頂下密閉空間較多；有些木建設(shè)有發(fā)電機(jī)間、配電間、鍋爐房等設(shè)備用房；這些空間應(yīng)劃分為單獨(dú)的探測(cè)區(qū)域。

2.4 探測(cè)器的選擇及安裝

只有對(duì)火災(zāi)的感知有靈敏而準(zhǔn)確的“嗅覺(jué)”，才能及時(shí)預(yù)防火災(zāi)。因此，探測(cè)器的靈敏度和準(zhǔn)確率直接關(guān)系到FAS的性能。其靈敏度不僅取決于自身特性，也取決于探測(cè)器的安裝環(huán)境和位置。在木建中，大多以采用點(diǎn)型感煙探測(cè)器為主。但對(duì)于山區(qū)高海拔地區(qū)，宜選擇離子型感煙探測(cè)器；在封閉吊頂或屋頂下密閉空間，因不宜安裝點(diǎn)型探測(cè)器，選擇纜式線型感溫探測(cè)器效果更好；而對(duì)于居住木建，木材燃燒時(shí)由于空氣不足會(huì)產(chǎn)生一氧化碳，可增加一氧化碳探測(cè)器，提示居住者或消防人員避免中毒。

對(duì)于探測(cè)器安裝位置的要求，在有吊頂?shù)目臻g里，探測(cè)器安裝簡(jiǎn)單。但在無(wú)吊頂?shù)钠挛蓓斂臻g，如圖4所示，火災(zāi)探測(cè)器的保護(hù)面積及半徑取決于屋頂坡度、房間高度h等參數(shù)。一般隨著屋頂坡度和層高的增加，因煙氣在屋脊處的聚集效應(yīng)明顯且探測(cè)器受到其他環(huán)境的影響變小，探測(cè)器的保護(hù)半徑和靈敏度會(huì)相應(yīng)提高。其安裝位置依據(jù)GB 50116—2013，當(dāng)裝于鋸齒形屋頂和坡度大于15°的人字形屋頂時(shí)，宜在屋脊的垂直面上安裝一排探測(cè)器。

圖4 火災(zāi)探測(cè)器安裝示意圖Fig.4 Installation of fire detectors

此外，木結(jié)構(gòu)屋頂?shù)膶?dǎo)熱性相比混凝土樓板較小，其熱屏障效應(yīng)很小。因此對(duì)于點(diǎn)型感煙探測(cè)器距頂棚的距離可不用考慮，但應(yīng)保證雷電間距。

3 木建的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)

除了對(duì)外界火災(zāi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)外，電路相間短路、過(guò)負(fù)荷運(yùn)行、泄露電流等也是造成火災(zāi)的隱患之一。針對(duì)這些情況，電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)之無(wú)愧成為“火災(zāi)隱患的聽診器”。

3.1 電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由電氣火災(zāi)監(jiān)控器、剩余電流式/測(cè)溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器組成。探測(cè)器通過(guò)監(jiān)測(cè)線路上的漏電電流和溫度，來(lái)預(yù)防由短路、過(guò)載等產(chǎn)生的火災(zāi)隱患。其系統(tǒng)方案如圖5所示。

圖5 電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)示意圖Fig.5 Electrical fire monitoring system diagram

3.2 系統(tǒng)形式的確定

木結(jié)構(gòu)建筑的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)可依據(jù)GB 50016—2014第10.2.7條劃定的建筑范圍，為非消防負(fù)荷設(shè)置電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。

系統(tǒng)形式可根據(jù)木建的規(guī)模、FAS形式及后期管理方式，選擇獨(dú)立式/非獨(dú)立式探測(cè)方案。一般木建的建筑規(guī)模較小，很少設(shè)有消防控制室，如果電氣火災(zāi)探測(cè)器設(shè)置數(shù)量不超過(guò)8個(gè)時(shí)，可采用獨(dú)立式探測(cè)器，并直接接入FAS系統(tǒng)或值班室顯示裝置即可。如采用非獨(dú)立式方案，電氣火災(zāi)的報(bào)警信息及故障信息應(yīng)在報(bào)警控制器或顯示裝置上顯示，但不應(yīng)影響正常供電系統(tǒng)工作。木建常用的火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 獨(dú)立式/非獨(dú)立式探測(cè)器的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)Fig.6 Stand - alone / detachable detector for electrical fi re monitoring system

3.3 探測(cè)器的選擇

剩余電流式探測(cè)器主要通過(guò)檢測(cè)電流的不平衡度來(lái)實(shí)現(xiàn)探測(cè)功能，其設(shè)置主要取決于:1）配電系統(tǒng)的接線形式；2）線路的漏電電流。剩余電流式探測(cè)器的接線形式僅適用于TN-C-S或TN-S系統(tǒng)。當(dāng)今，新建木建的配電系統(tǒng)多采用TN-C-S或TN-S，該探測(cè)器正適用。但許多木結(jié)構(gòu)古建筑電氣設(shè)施是早年設(shè)計(jì)的，其設(shè)計(jì)已達(dá)不到當(dāng)前要求。如當(dāng)時(shí)對(duì)總等電位的設(shè)計(jì)并無(wú)要求，在后期改造中，需要對(duì)此類建筑的接線形式進(jìn)行重新布局，才能科學(xué)設(shè)置剩余電流式探測(cè)器。其次，考慮到每個(gè)供電系統(tǒng)都有自然漏流，在調(diào)試探測(cè)器的剩余電流閾值時(shí)應(yīng)躲過(guò)自然漏流，防止誤動(dòng)作。由于木建的自然漏流較小，可適當(dāng)調(diào)低自然漏流最大值與剩余電流最低值的區(qū)間，從而提高探測(cè)器的靈敏度。

測(cè)溫式探測(cè)器主要通過(guò)探測(cè)發(fā)熱部件的溫度變化來(lái)監(jiān)測(cè)火災(zāi)隱患。為了提高探測(cè)的靈敏度，可采用接觸式布置，其安裝部位可設(shè)在電纜接頭、端子、重點(diǎn)發(fā)熱部件等部位。如配電柜等是極易著火的部位，可將探測(cè)器布置在箱內(nèi)，并將信號(hào)傳至值班室。

4 雷擊火災(zāi)的電氣防火設(shè)計(jì)

從防火角度看，雷電導(dǎo)致火災(zāi)的根本原因主要是由于閃電感應(yīng)、電涌侵入等影響[5]。閃電感應(yīng)是閃電放電時(shí)，在金屬導(dǎo)體產(chǎn)生的雷電靜電感應(yīng)和雷電電磁感應(yīng)，它可能使金屬部件之間產(chǎn)生火花放電；而電涌侵入是由于雷電對(duì)電纜線路及金屬管道等作用，雷電波沿管線侵入屋內(nèi)的現(xiàn)象。木建的金屬物主要包括電纜進(jìn)線、設(shè)備管道、鋼窗、吊頂?shù)?，這些都為造成雷擊火災(zāi)提供了充足的物理?xiàng)l件。

為防止閃電對(duì)這些金屬物產(chǎn)生電氣影響，主要應(yīng)：1）設(shè)置接閃裝置；2）對(duì)金屬物進(jìn)行等電位聯(lián)結(jié)。

圖7為防雷擊火災(zāi)的電氣示意圖。其中，接閃裝置主要包括接閃裝置、引下線和接地裝置，它能引導(dǎo)雷電流疏散至大地。對(duì)于木建來(lái)說(shuō)，其基礎(chǔ)一般采用砌筑基礎(chǔ)、伐形基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)等形式[7]，基礎(chǔ)內(nèi)沒(méi)有鋼筋或鋼筋的截面達(dá)不到接地體要求的，需單獨(dú)設(shè)置人工環(huán)形接地體?？紤]到土壤的電阻率，接地裝置的沖擊接地電阻應(yīng)按GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]進(jìn)行接地體長(zhǎng)度的計(jì)算，一般采用2.5 m管型/角鋼接地體即可。為了將雷電流散入大地而不產(chǎn)生過(guò)電壓，接地體的埋地深度不小于0.5 m。

此外，木結(jié)構(gòu)建筑不像鋼混結(jié)構(gòu)有金屬框架，應(yīng)防止防雷裝置與金屬物的間隙過(guò)小而產(chǎn)生反擊，依據(jù)GB 50057—2010，接閃裝置與金屬物或線路應(yīng)保證間距的算式如下：

式中：Sa3——空氣中的間隔距離，m；

lx——引下線計(jì)算點(diǎn)到連接點(diǎn)的長(zhǎng)度,m；

kc——分流系數(shù)。

圖7 防雷擊火災(zāi)的電氣示意圖Fig.7 Electrical schematic diagram for lightning protection

例如：接閃裝置與屋面材料之間，金屬門窗與引下線之間，電纜進(jìn)線、弱電線纜、金屬管道與接地體之間等都應(yīng)保證一定的電氣間隙,但是許多金屬物件并不是固定的，難以保證電氣間隙。為更有效地降低電位差和防止電氣反擊，設(shè)計(jì)將防雷裝置與電氣和電子系統(tǒng)做總等電位聯(lián)結(jié)，并共用接地裝置。該措施不僅讓整個(gè)建筑的金屬物形成一個(gè)等勢(shì)體，而且也無(wú)形地生成了一個(gè)電氣屏蔽區(qū)，再配合使用相應(yīng)等級(jí)的電涌保護(hù)器SPD，可極大衰減雷擊電磁場(chǎng)的強(qiáng)度并有效阻止雷擊電磁脈沖的侵入。

5 小結(jié)

筆者針對(duì)木建的火災(zāi)現(xiàn)象，分析火災(zāi)產(chǎn)生的根本原因。探討通過(guò)采取火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)及防雷接地系統(tǒng)，多方位地對(duì)火災(zāi)隱患進(jìn)行監(jiān)控和抑制。此外，雖然這些措施都能有效地監(jiān)測(cè)到火災(zāi)隱患，但往往火災(zāi)多因相關(guān)人員發(fā)現(xiàn)得不及時(shí)而造成，因此，除采取上述措施外，將火災(zāi)的報(bào)警信息準(zhǔn)確及時(shí)地通知到相關(guān)負(fù)責(zé)人員，并迅速進(jìn)行排查，才是杜絕火險(xiǎn)的有效方法。

[1] 龔迎春,蔡蕓,任海青.我國(guó)木結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)[J].林產(chǎn)工業(yè),2016,43(7):6-10.

[2] 劉紅雅.淺議古建筑火災(zāi)危險(xiǎn)性及安全防火措施[J].科技信息,2010(2):395-396.

[3] GB 50016—2014 建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2014.

[4] GB 50116—2013 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2013.

[5] 白麗娟.故宮博物院古建筑防雷保護(hù)工作的回顧[J].故宮博物院院刊,2005(5):344-377.

[6] 王時(shí)煦.園林古建的防雷與防火[J].中國(guó)園林,1994,10(3):40-45.

[7] 雷文亮.木結(jié)構(gòu)古建筑地基基礎(chǔ)的構(gòu)造做法[J].山西建筑,2014,40(17):64-65.

[8] GB 50057—2010 建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2010.