地下建筑的防火設計及防火涂料應用研究

李朋威 ，張暉 ，游秀華 ，吳會軍 ，3，楊建明

（1.廣州大學 土木工程學院，廣東 廣州 510006；2.河南省基本建設科學實驗研究院有限公司，河南 鄭州 450016；3.廣州大學 廣東省建筑節(jié)能及應用技術(shù)重點實驗室，廣東 廣州 510006）

0 前言

地下空間具有抗震性好、穩(wěn)定性好、防護性好等優(yōu)點，還具有隱蔽、隔音和恒溫等特點。地下空間是拓展人類生存空間的一種寶貴的自然之源，至今尚未被充分開發(fā)利用。在城市化建設過程中，為緩解用地緊張，地下空間的開發(fā)利用已經(jīng)成為城鎮(zhèn)化發(fā)展的重要組成部分。

城市地下建筑的開發(fā)利用改善了城市生態(tài)環(huán)境，減輕地上交通擁堵，有效利用城市空間，為人們提供了更大的生活、娛樂、購物空間，改善了人們生存、生活空間的壓力。國內(nèi)對地下建筑的開發(fā)研究方面起步較晚，但發(fā)展很快，目前城市道路系統(tǒng)中的地下交通工程，地下商業(yè)綜合體和地下步行街大量涌現(xiàn)，地下空間的開發(fā)利用逐步呈現(xiàn)系統(tǒng)化、多功能化、大面積化的發(fā)展趨勢。

地下建筑具有其獨特的特點，潮濕的環(huán)境，空間相對封閉，容易引發(fā)火災事故，疏散撲救困難，危害嚴重，對地下建筑進行科學合理的防火設計至關(guān)重要。

目前關(guān)于地上建筑的火災的研究已經(jīng)比較成熟，在防火和滅火方面已經(jīng)有了一整套成文的規(guī)定，對于地下建筑的防火、滅火則缺乏成熟的經(jīng)驗。在積極開發(fā)利用地下空間的同時，必須加強對地下建筑防火和滅火的研究，掌握地下建筑火災的特點規(guī)律及防火滅火的有效方法，為地下建筑的防火設計工作創(chuàng)造有利條件。本文基于國內(nèi)外相關(guān)研究成果，綜述了地下建筑火災特點，防火設計研究方法和防火材料在地下建筑的應用。

1 地下建筑火災特點

地下建筑是處于地表以下的建筑，按功能可分為軍用地下建筑、民用地下建筑、各種地下防空工程、工業(yè)用地下建筑、交通和通信地下建筑、地下倉庫、地下綜合體以及各種地下公用設施。

與地上建筑相比，地下建筑空間相對封閉，其火災具有易發(fā)性、火情發(fā)現(xiàn)困難、火勢蔓延快、泄爆能力差、溫度上升比較快且高、有害煙氣濃度高、撲救難度大、人員疏散困難等特點，如表1所示。

表1 地下建筑與地上建筑火災特點比較

基于地下建筑火災的特點，地下建筑火災危害性更大，更容易形成火災，而且火災后不利于火災撲救和安全疏散，一旦發(fā)生火災就會造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟損失。

提高地下建筑的防火設施，有效避免地下空間火災的發(fā)生，采取有效的滅火方法，降低火災造成的經(jīng)濟損失，減少人員傷亡，刻不容緩。

2 基于預測模型的地下建筑防火設計

2.1 煙氣預測模型

國內(nèi)外大量火災的統(tǒng)計表明，發(fā)生火災時煙氣是導致人員傷亡的最大因素，而地下建筑封閉性較高的特征，發(fā)生火災時煙氣濃度大、溫度高。在地下建筑中煙氣的危害更大，分析火災發(fā)生時地下建筑內(nèi)部煙氣的流動狀況，了解煙氣運行規(guī)律，是進行防排煙設計的基礎。

火災煙氣控制的研究方法，主要分為3種：（1）模型實驗，通過等比例縮小實驗對象制作一個對應的模型進行火災實驗，制作模型需要大量人力物力，目前應用還比較少；（2）計算機模擬，基于計算機軟件來模擬發(fā)生火災時地下建筑內(nèi)部的煙氣流動，探究煙氣流動的規(guī)律，是目前研究地下建筑煙氣流動情況常用的方法；（3）全尺度火災實驗，基于實際地下建筑空間進行火災煙氣實驗，試驗來有一定的難度，應用也比較少，只能針對一些特殊的建筑。

國外在計算機建立模型實驗來研究地下建筑煙氣流動規(guī)律方面已經(jīng)很成熟。Suzuki K，Tanaka T[1]利用多層區(qū)域模型對在水平和傾斜的矩形管道設施的火災實驗2種情況下的溫度數(shù)據(jù)進行了模型預測，結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)有很好的一致性；并且對地下車站煙氣溫度和流動規(guī)律進行了預測，建立了促進了解的有用性模型。Merci B，Maele K[2]利用數(shù)值模擬流體力學軟件模擬了地下隧道的火災時煙氣流動規(guī)律及溫度分布規(guī)律。Jain S等[3]運用CFD技術(shù)及CFASTD等模擬研究了地下隧道的火災增長速度和煙霧運動規(guī)律,其模擬計算的速度和溫度場如圖 1（a）、（b）所示。

圖1 CFD模擬煙氣流動和溫度

2.2 防火防煙分區(qū)的設計

地下建筑防火分區(qū)的設置比地上建筑的要求更高，并且地下建筑一般面積較大，建筑的用途種類比較復雜，給地下建筑的防火分區(qū)的設置增加了難度。

地下建筑的火災火勢蔓延較快，設置合理的防火防煙分區(qū)防止火勢的擴大蔓延，減少不必要的傷亡和損失是非常有必要的。Lijun S等[4]指出大型地下建筑防火防煙分區(qū)設置存在以下問題，防火區(qū)間及分區(qū)劃分原則的不確定性、防火分區(qū)面積指標取值具有不確定性,并以廣州珠江新城核心區(qū)域地下空間為例分析了防火分區(qū)的設置：（1）采用防火墻、防火玻璃和防火玻璃門在商店與主人行道之間進行防火分隔，使各個商店成為獨立的防火分區(qū)，各防火分區(qū)內(nèi)商店通過防煙前室進入內(nèi)部走道，再疏散到樓梯間、下沉廣場或室外；（2）在主人行道內(nèi)合理設置自動擋煙垂壁；（3）各商店防火分區(qū)內(nèi)部通道通往主人行通道的安全出口設置常開甲級防火門；（4）商店及主人行通道設置自動噴水滅火系統(tǒng)和機械排煙系統(tǒng)；（5）商店各防火分區(qū)的內(nèi)部走道設置加壓送風系統(tǒng)，并用防火墻與商店分隔，與商店連通處設置防煙前室，該內(nèi)部通道可以作為亞安全區(qū)設計。在發(fā)生火災時內(nèi)部走道起著疏散人群的重要作用，無論空間功能如何調(diào)整，內(nèi)部通道的功能不能改變。

根據(jù)煙氣預測模型，通過數(shù)值模擬方法可以對地下空間防火防煙分區(qū)進行模擬，探究防火防煙分區(qū)的合理性，研究成果較多。Yang X等[5]建立了一個大渦模擬模型來研究地下受限空間的火災情況，從而分析現(xiàn)有的防火防煙分區(qū)是否合理。Xiang Y U等[6]提出了利用大型地下商業(yè)建筑中庭增強防火分隔的方案，并對幾種火災場景火勢從一個區(qū)域向另一個區(qū)域蔓延的可能性進行了數(shù)值模擬實驗，結(jié)果表明，這種方法可以有效阻止火災蔓延，并符合規(guī)范要求。Nan Huaxiang、Xu W[7]基于城市地下綜合體的特點提出應用步行街增強消防防火分區(qū)，通過理論計算和數(shù)值模擬驗證了步行街作為火災隔離的有效性，結(jié)果表明，該方案可以有效阻止火災蔓延。進行數(shù)值模擬最常用的為FDS軟件、CFD軟件等，圖2為使用FDS對某地下商場火災后360 s其溫度和煙氣流動能見度數(shù)值模擬分析[8]，通過溫度和能見度分析圖可以清晰地看出所設計的防火分區(qū)、排煙方式是否合理。

圖2 某地下FDS軟件模擬溫度和能見度

通過軟件模擬地下建筑火災時煙氣流動規(guī)律，以及火勢蔓延的規(guī)律，以此為基礎進行防火防煙分區(qū)設計以及防排煙方式的設計，是一種有效的方法，但需要進一步的研究、分析，總結(jié)出一套適用的地下建筑防火分區(qū)規(guī)范。

2.3 人員疏散方式模型研究

地下建筑發(fā)生火災時煙氣的流動方向和人員的疏散方向往往是相同的，合理的人員疏散方式是在煙氣彌漫到來之前使所有人員安全疏散。

目前應用比較多的方法：建立疏散模型，采用計算機軟件對人員疏散過程進行模擬，評估疏散方式和疏散出口的合理性。常見的人員疏散模型包括離散型模型和連續(xù)型模型，離散型模型如格子氣模型[9]、元胞自動機模型[10]，連續(xù)型模型如社會力模型[11]等。

利用建立模型軟件模擬來研究地下建筑空間的人員疏散情況，可以很好地判斷在火災發(fā)生時所設置的疏散方式是否合理，進而采用更加高效安全的疏散方式。

3 地下建筑防火材料

3.1 內(nèi)裝修材料的防火性能

在建筑物的防火中最理想的方法是預防起火，而室內(nèi)裝修材料在預防起火方面起著重要作用：其一，當火源起火火焰蔓延到裝修材料時，所使用裝飾材料具有良好的耐火阻火性能，火源沒有可以維持燃燒的材料就無法持續(xù)燃燒。其二，當起火位置在裝修材料附近時，裝修材料具有較好的防火性能，能夠阻止火勢的進一步蔓延，火源燃燒一段時間后就會自行熄滅[12]。

市場上常見的裝飾裝修材料主要有無機礦物板、金屬板、有機板、纖維織物、木質(zhì)品、防火涂料、阻燃劑等。李博[13]通過分析建筑裝修時室內(nèi)裝修材料的使用數(shù)量，總結(jié)出每100 m2內(nèi)各種可燃易燃裝修材料的使用情況（見表2）。

表2 每100 m2室內(nèi)裝修工程可燃易燃裝修材料的用量

由表2可見，裝修材料中有機高分子材料以及其他易燃材料占有很大一部分，這些可燃易燃材料，一旦遇火，火勢蔓延速度極快，并產(chǎn)生大量的有毒、有害氣體，很快使人窒息失去知覺而不能逃生，大大增加了火災的隱患和危害。因此，提高室內(nèi)裝修材料的耐火阻火性能，做好火災預防及防護，是非常有必要的。

3.2 防火涂料在地下建筑防火中的應用

根據(jù)GB 50222—2015《建筑內(nèi)部裝修設計防火規(guī)范》第3.4節(jié)要求，對地下建筑內(nèi)部裝飾裝修材料耐火等級要求比地上建筑更高。在地下建筑發(fā)生火災時，其內(nèi)部的裝飾裝修材料首當其沖的要面臨火焰的烘烤，而普通的裝飾裝修材料都是易燃燒的有機物、木質(zhì)等材料組成，會加速火災的蔓延，并且在燃燒過程中會產(chǎn)生大量的煙氣和有毒氣體，而地下建筑空間一般比較封閉，煙氣很難排出，會在地下空間內(nèi)流動增大受害面積，因此需要必須采取有效的措施，以增強地下建筑內(nèi)部裝修裝飾材料的防火阻火性能。

防火涂料是在易燃的裝飾裝修材料表面涂上1層耐火的涂層，從而提高防火阻火性能。目前國內(nèi)外高性能防火涂料主要有膨脹型和非膨脹型2種。膨脹型防火涂料主要是涂層受熱膨脹后在裝修材料表面形成1層致密的炭化層，從而達到防火阻火的目的[14]。非膨脹型防火涂料是從外部吸收大量的熱量，在表面形成1層隔絕氧氣的保護層來達到防火的目的，自身并不發(fā)生膨脹[15]。

高仲亮等[16]研究了在幾種木質(zhì)基材上涂覆不同量的防火涂料后的耐燃時間，如圖3所示，可見在木質(zhì)基材裝飾材料上涂覆防火涂料可以有效提高其耐燃時間。

圖 3 各基材在不同涂覆量下的耐燃時間

常見的防火涂料種類有：有機型防火涂料、無機型防火涂料、有機-無機結(jié)合型防火涂料和新型納米復合型防火涂料。由于地下建筑對防火涂料的耐火阻火性能要求更高，對此國內(nèi)外學者對不同種類的防火涂料及使用方法進行了大量研究。

王新剛等[17]分析了我國飾面防火涂料，指出飾面型防火涂料分為溶劑型和水性2種。溶劑型飾面防火涂料具有耐水和防潮的優(yōu)點，但耐火性能較差，而水溶劑型飾面防火涂料耐火性較好，但防潮性能相對較差。

王芳芳等[18]利用有機和無機材料的結(jié)合制備出防火性能好、不污染環(huán)境、適用范圍廣的有機無機復合型納米防火隔熱涂料,可以作為隔熱耐火的涂層。Zhang X等[19]研究了用氧化石墨烯納米填充涂料來增強聚氨酯泡沫的阻燃性和抑煙性。Kruger S等[20]研究了在極端火災情況下（高溫，長燃燒時間）防火涂料的防火模擬。Das P等[21]研究了層狀結(jié)構(gòu)的高負載聚合物粘土納米復合材料阻燃表面涂層的一種通用的、可擴展的、環(huán)保的涂料噴涂方法，可以適應不同的表面。

特別地，SiO2氣凝膠是一種納米多孔的新型建筑保溫材料，具有導熱系數(shù)低、耐火不燃[22]等特點。Koravos J等[23]研究了氣凝膠涂層的防火性能，得出基材溫度分別為160℃與200℃時，涂覆1 mm厚的氣凝膠涂層比涂覆陶瓷涂層使表面溫度分別降低了14℃和18℃，氣凝膠涂層大大提高了基材在200℃的防火性能。表明SiO2氣凝膠可以作為耐火涂層，并且已在地下建筑防火方面獲得一定的應用。李建濤等[24]在無機膠凝材料和乳膠粉配制的粘結(jié)劑中加入SiO2氣凝膠和各種助劑制備了一種薄層隧道防火涂料，并且確定了氣凝膠的質(zhì)量分數(shù)為4%時涂料的性能最佳。以SiO2氣凝膠作為填料的防火涂料應用范圍廣，防火效果好，作為地下建筑防火涂料具有很好的發(fā)展前景。

通過地下建筑內(nèi)部裝修裝飾材料表面涂抹防火涂層，可使建筑裝修裝飾材料耐火防火性能提升，成為地下建筑防火的重要措施。

4 結(jié)語

地下空間的開發(fā)利用對現(xiàn)代城市化的建設發(fā)展具有重要意義，在探索和利用地下空間的同時保障環(huán)境安全日益引起關(guān)注。針對地下建筑火災特點及防火阻火方式，已開展了大量的研究工作，但還缺少系統(tǒng)的地下建筑阻火、防火、抗火的安全規(guī)范；地下空間開發(fā)利用的趨勢具有面積大、人員密集、使用范圍寬等特點，更增加了其防火難度，地下建筑防火設計將朝著集中化、系統(tǒng)化、規(guī)范化、高效安全化的方向發(fā)展。

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