氣承膜式會(huì)議中心防火分隔措施研究與數(shù)值模擬分析

王廷 余瑾 楊曉娟 李序

摘要：針對(duì)某氣承膜式會(huì)議中心結(jié)構(gòu)特點(diǎn)難以在建筑內(nèi)采用實(shí)體防火墻、防火卷簾等方式進(jìn)行防火分隔的問題，通過膜材燃燒實(shí)驗(yàn)，對(duì)燃燒破洞臨界溫度進(jìn)行了測定。以臨界破洞溫度與單位面積膜材表面引燃所需要的輻射熱流量作為膜結(jié)構(gòu)火災(zāi)安全判定準(zhǔn)則，提出防火分隔措施方案。根據(jù)火災(zāi)動(dòng)力學(xué)原理，分析了火源附近氣膜表面煙氣溫度和熱輻射流量。結(jié)果表明該防火分隔措施基本可以達(dá)到防止火災(zāi)蔓延、保護(hù)氣膜結(jié)構(gòu)安全的消防安全目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：安全工程學(xué);氣承膜式建筑;數(shù)值模擬;羽流;防火分隔

1? 氣承膜結(jié)構(gòu)建筑

氣承膜結(jié)構(gòu)建筑是采用膜材作為建筑外殼，配備智能化機(jī)電設(shè)備對(duì)完全密閉的空間提供空氣壓力，靠內(nèi)、外部壓力差把建筑主體支撐起來的一種建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)[1]，具有大跨度空間、經(jīng)濟(jì)性、安全性、施工工期短、能遠(yuǎn)程智能控制的特點(diǎn)[2]。該類建筑在美國、加拿大、日本及歐洲等部分較發(fā)達(dá)的國家和地區(qū)得到了廣泛推廣與應(yīng)用，國內(nèi)氣承膜結(jié)構(gòu)建筑主要應(yīng)用于體育場館、物流倉儲(chǔ)及環(huán)保工業(yè)等大跨度建筑[3]，特別是隨著近年來氣承膜式會(huì)議中心、展覽建筑等的出現(xiàn)，對(duì)其消防安全的研究越來越引起關(guān)注。國內(nèi)張媛媛、朱國慶等對(duì)氣承膜建筑材料的燃燒特性開展了相關(guān)試驗(yàn)[4]，對(duì)膜材發(fā)生裂解燃燒破洞的臨界溫度進(jìn)行了測試，但是如何將試驗(yàn)結(jié)果運(yùn)用到實(shí)際的氣承膜式工程建筑防火設(shè)計(jì)中有待進(jìn)一步研究。

某會(huì)議中心采用氣承膜結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)為單層公共建筑，建筑面積3846.5m2，地上1層，建筑高度為23.3m。包括觀眾席（座位數(shù)為1500個(gè)）、主席臺(tái)，氣膜內(nèi)半徑為35m，設(shè)計(jì)12個(gè)安全出口，容納人數(shù)為1650人。由于氣承膜式會(huì)議中心建筑具有大跨度空間的特點(diǎn)，建筑內(nèi)火災(zāi)荷載較大、人員密集，一旦發(fā)生火災(zāi)，蔓延很快，影響建筑與人員的安全。因此有必要根據(jù)膜材的燃燒特性，設(shè)定膜結(jié)構(gòu)火災(zāi)安全判定準(zhǔn)則，并結(jié)合建筑內(nèi)功能區(qū)域可燃物分布情況，為室內(nèi)防火分隔措施提出合理的方案，控制膜材與可燃物之間的距離，并運(yùn)用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)原理對(duì)防火分隔措施方案的有效性與安全性進(jìn)行分析與研究，以提高該氣承膜式會(huì)議中心的消防安全。

2? 膜材燃燒實(shí)驗(yàn)

對(duì)該會(huì)議中心擬選用的3種氣承膜材料（由不同廠家提供）進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)，主要研究所選用膜材在燃燒時(shí)的臨界破洞溫度值。

2.1? 實(shí)驗(yàn)器材

固定膜材所需的鋼鐵支架、柴油、鐵絲、點(diǎn)火器、K型熱電偶若干、不銹鋼油盤（0.35m×0.35m）、攝像機(jī)、Agilent34970A型數(shù)據(jù)采集卡等。

2.2? 實(shí)驗(yàn)步驟

將3種膜材樣品各裁取2塊（長、寬為1m×1m），并分別進(jìn)行編號(hào)，其中#1、#2膜材屬于樣品1，#3、#4膜材屬于樣品2，#5、#6膜材屬于樣品3;在每塊膜材上標(biāo)注中心點(diǎn)及0.5m×0.5m的方格。實(shí)驗(yàn)分組情況如表1，樣品距火源高度分別為0.80m（火焰接觸氣膜）、0.95m（火焰不接觸氣膜）[5]。

2.3? 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

2.3.1? 第一組實(shí)驗(yàn)

氣膜的設(shè)置高度為80cm，火焰直接接觸氣膜，氣膜發(fā)生熱解、收縮變形，繼而出現(xiàn)破洞燃燒現(xiàn)象，燃燒破洞的臨界溫度為353.9～446.7℃。

2.3.2? 第二組實(shí)驗(yàn)

氣膜的設(shè)置高度為95cm，火焰不直接接觸氣膜，氣膜受火焰產(chǎn)生的煙羽流作用發(fā)生收縮變形，未出現(xiàn)燃燒破洞，實(shí)驗(yàn)過程中達(dá)到的最高溫度值為346.5℃。

2.4? 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

在本實(shí)驗(yàn)設(shè)定的條件下：

當(dāng)火焰不直接接觸氣膜時(shí)，膜材受火焰產(chǎn)生的煙羽流的作用熱變形較小，實(shí)驗(yàn)過程中，膜會(huì)出現(xiàn)一定的收縮變形但不會(huì)破洞。

當(dāng)火焰直接接觸氣膜時(shí)，膜材發(fā)生熱解、收縮變形，繼而裂縫出現(xiàn)破洞燃燒現(xiàn)象，發(fā)生裂解燃燒破洞的臨界溫度為353.9～446.7℃。

由于該氣承膜式建筑使用功能為會(huì)議中心，屬于人員相對(duì)密集的場所，因此從保障建筑與人員生命安全性角度出發(fā)，保守取353.9℃作為膜材燃燒破洞的臨界溫度。

3? 膜結(jié)構(gòu)火災(zāi)安全性分析

基于上述分析，取353.9℃作為氣承膜建筑材料燃燒破洞的臨界溫度，并與單位面積膜材表面引燃所需要的輻射熱流量作為膜結(jié)構(gòu)火災(zāi)安全判定準(zhǔn)則;結(jié)合該會(huì)議中心氣承膜式建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、使用功能和平面布局等情況，根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB51251-2017）設(shè)定該會(huì)議中心火災(zāi)規(guī)模，根據(jù)火災(zāi)動(dòng)力學(xué)原理，通過FDS建立火災(zāi)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，并采用Heskestad羽流模型等公式，計(jì)算火源附近膜面在設(shè)定的火災(zāi)規(guī)模下的表面煙氣溫度和熱輻射流量值，分析其是否能滿足膜結(jié)構(gòu)火災(zāi)安全判定準(zhǔn)則;通過建筑內(nèi)各功能區(qū)域間的火災(zāi)安全距離的計(jì)算，以分析室內(nèi)防火分隔措施設(shè)置的有效性與安全性。

3.1? 膜結(jié)構(gòu)火災(zāi)安全判定準(zhǔn)則

準(zhǔn)則一：當(dāng)膜面附近溫度超過353.9℃時(shí)，判定膜結(jié)構(gòu)處于不安全狀態(tài)。

在火災(zāi)情況下，當(dāng)氣膜受熱燃燒產(chǎn)生破洞時(shí)，由于內(nèi)部壓力降低導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)處于不安全狀態(tài)，氣膜建筑可能會(huì)出現(xiàn)坍塌，因此需首先明確關(guān)于氣膜建筑結(jié)構(gòu)的火災(zāi)安全判據(jù)：臨界破洞溫度，本文取353.9℃為臨界破洞溫度。

準(zhǔn)則二：當(dāng)膜面附近熱輻射流量超過20.0kW/m2時(shí)，判定膜結(jié)構(gòu)處于不安全狀態(tài)[6]。

3.2? 防火分隔措施

由于氣承膜式建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)難以在建筑內(nèi)采用實(shí)體防火墻、防火卷簾等方式進(jìn)行防火分隔[7-8]，因此，提出建筑室內(nèi)防火分隔方案如下：利用主席臺(tái)和觀眾席區(qū)域間寬度為6m的通道、觀眾席與觀眾席區(qū)域間寬度為6m的通道、距離氣膜邊緣寬度為6m的環(huán)形通道分別設(shè)置室內(nèi)安全間距，將會(huì)議中心作為一個(gè)防火分區(qū)設(shè)計(jì)，內(nèi)部劃分為三個(gè)防火控制區(qū)（主席臺(tái)區(qū)域防火控制區(qū)面積約為824m2，兩個(gè)觀眾席區(qū)域防火控制區(qū)面積各約為620m2）。

3.3? 基于FDS的數(shù)值模擬分析

3.3.1? 模型構(gòu)建

（1）劃分網(wǎng)格。利用PyroSim軟件對(duì)該氣承模式會(huì)議中心建筑進(jìn)行建模時(shí)首先需要?jiǎng)澐志W(wǎng)格，網(wǎng)格的大小影響最終結(jié)果。綜合考慮現(xiàn)實(shí)情況和計(jì)算精度，對(duì)該建筑按照1：1的比例構(gòu)建仿真模型，采用均勻網(wǎng)格劃分，單個(gè)網(wǎng)格大小為1m×1m×1m。

（2）建立幾何模型。根據(jù)建筑圖紙等資料，建立幾何模型。

3.3.2? 火災(zāi)場景設(shè)定

考慮到該會(huì)議中心內(nèi)的主要可燃物是桌椅、主席臺(tái)等，其擺放形式較為集中，火災(zāi)危險(xiǎn)性較大，因此判斷其火災(zāi)類別為t2快速火，火災(zāi)增長系數(shù)設(shè)定為0.044kW/s2。根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB51251-2017）關(guān)于各類場所的熱釋放速率的標(biāo)準(zhǔn)，“有噴淋的其他公共場所”火災(zāi)場所，在噴淋有效的條件下，觀眾席、主席臺(tái)火災(zāi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的熱釋放速率為2.5MW。在噴淋失效的條件下，觀眾席、主席臺(tái)的火災(zāi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的熱釋放速率為8.0MW。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，分別在主席臺(tái)與觀眾席座椅區(qū)域選取與氣膜距離最近的兩個(gè)位置設(shè)置火源點(diǎn)：

火災(zāi)場景A1：在自動(dòng)滅火系統(tǒng)失效情況下，主席臺(tái)左上方發(fā)生火災(zāi)（如圖5（a）所示，火源位置與氣膜垂直距離為14m、水平距離為10m），火災(zāi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的熱釋放速率為8.0MW，觀察火源附近的氣膜表面煙氣溫度和熱輻射流量值。

火災(zāi)場景A2：在自動(dòng)滅火系統(tǒng)失效情況下，觀眾席座椅區(qū)域第一排右下方發(fā)生火災(zāi)（如圖5（b）所示，火源位置與氣膜垂直距離為10m、水平距離為6m），火災(zāi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的熱釋放速率為8.0MW，考察火源附近的氣膜表面煙氣溫度和熱輻射流量值。

3.3.3? 數(shù)值模擬結(jié)果

（1）火災(zāi)場景A1：火源附近氣膜表面處的煙氣溫度變化如圖6所示，溫度值最高約為100℃，未達(dá)到氣膜的臨界破洞溫度值353.9℃;熱輻射流量值最高約為1.4kW/m2（如圖7所示）未達(dá)到氣膜的臨界熱輻射流量值20.0 kW/m2。

（2）火災(zāi)場景A2：火源附近氣膜表面處的煙氣溫度值最高約為130℃，未達(dá)到氣膜的臨界破洞溫度值353.9℃;熱輻射流量值最高約為4.5kW/m2，未達(dá)到氣膜的臨界熱輻射流量值20.0kW/m2。

3.4? 火災(zāi)科學(xué)公式計(jì)算分析

3.4.1? 膜面溫度計(jì)算

當(dāng)氣膜建筑內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，氣膜表面的溫度主要采用國際上較為成熟的Heskestad羽流模型來進(jìn)行計(jì)算[9-10]：

式中：為高度z處煙羽流與周圍環(huán)境空氣溫差，K;為環(huán)境溫度，K;為空氣密度，kg/m3;cp為空氣定壓比熱，kJ·（kg·K）-1;g為重力加速度，9.81m/s2;Qc為火源熱釋放速率的對(duì)流部分，kW，一般取Qc=0.7Q;z為高度，m?；馂?zāi)規(guī)模為8.0MW時(shí)，火源正上方10m、14m處溫升變化分別為165℃、94℃。

3.4.2? 膜面熱輻射流量計(jì)算

根據(jù)火災(zāi)動(dòng)力學(xué)原理，距火源中心距離為R處受到的火源熱輻射和火源熱釋放速率的關(guān)系可由下式計(jì)算[6-11]：

其中：q為火源對(duì)周圍的熱輻射強(qiáng)度，kW/m2;Q為火源的熱釋放功率，kW;R為熱輻射點(diǎn)距離火源的距離，m。

3.4.3? 計(jì)算結(jié)果

（1）主席臺(tái)火災(zāi)

當(dāng)主席臺(tái)火災(zāi)規(guī)模為8.0MW時(shí)，火源正上方14m處的溫升變化為94℃，考慮極端不利條件下環(huán)境溫度達(dá)到40℃，此時(shí)火源正上方14m處的溫度為134℃，小于膜材的臨界破洞溫度353.9℃。

根據(jù)計(jì)算公式（2），當(dāng)Q取8.0MW、R取10m時(shí)，q為2.12kW/m2，即膜面熱輻射流量小于膜材的臨界熱輻射流量20.0kW/m2。

因此，當(dāng)主席臺(tái)區(qū)域火災(zāi)規(guī)模為8.0MW時(shí)，膜結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

（2）觀眾區(qū)座椅火災(zāi)

當(dāng)座椅火災(zāi)規(guī)模為8.0MW時(shí)，火源正上方10m處的溫升變化為165℃，考慮極端不利條件下環(huán)境溫度達(dá)到40℃，此時(shí)火源正上方10m處的溫度為205℃，小于膜材的臨界破洞溫度353.9℃。

根據(jù)計(jì)算公式（2），當(dāng)Q取8.0MW、R取6m時(shí)，q為5.9kW/m2，即膜面熱輻射流量小于膜材的臨界熱輻射流量20.0kW/m2。

因此，當(dāng)觀眾區(qū)固定座椅火災(zāi)規(guī)模為8.0MW時(shí)，氣膜建筑膜面處于安全狀態(tài)。

（3）各功能區(qū)域火災(zāi)安全距離計(jì)算

本文保守取主席臺(tái)、觀眾席被引燃的臨界熱輻射流量為10.0 kW/m2。

根據(jù)計(jì)算公式（2），當(dāng)q取10.0kW/m2、Q取8.0MW時(shí)，R為4.61m，即著火主席臺(tái)邊界與相鄰觀眾席、觀眾席區(qū)域之間的距離不小于4.61m才能有效防止火災(zāi)蔓延。

根據(jù)建筑內(nèi)部防火分隔措施方案，主席臺(tái)與觀眾席、觀眾席之間的安全間距均不小于6m，滿足火災(zāi)安全距離要求。

4? 結(jié)語

（1）通過燃燒實(shí)驗(yàn)，對(duì)該會(huì)議中心擬選用的3種氣承膜材料的臨界破洞溫度值進(jìn)行了測定，為353.9～446.7℃。

（2）以氣承膜材料燃燒破洞的臨界溫度與單位面積膜材表面引燃所需要的輻射熱流量作為膜結(jié)構(gòu)火災(zāi)安全判定準(zhǔn)則，運(yùn)用到實(shí)際的氣承膜式工程建筑防火分隔設(shè)計(jì)中具有一定的合理性。

（3）根據(jù)火災(zāi)動(dòng)力學(xué)原理，通過火災(zāi)數(shù)值模擬，并采用Heskestad羽流模型等公式計(jì)算，當(dāng)采用寬度不小于6m的安全間距進(jìn)行防火分隔時(shí)，能夠滿足膜結(jié)構(gòu)火災(zāi)安全判定準(zhǔn)則與各功能區(qū)域間的火災(zāi)安全距離要求。

（4）結(jié)合該會(huì)議中心的氣承膜式建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、平面布局與使用功能等實(shí)際情況，文中所提出的建筑內(nèi)部防火分隔措施方案基本能達(dá)到防止火災(zāi)蔓延、保護(hù)氣膜結(jié)構(gòu)安全的消防安全目標(biāo)。

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Research and numerical simulation

analysis on fire separation measures

of air-supported membrane conference center

Wang Ting1， Yu Jin2， Yang Xiaojuan2， Li Xu2

（1. Qionghai Municipal Fire and Rescue Brigade of Hainan Province，Hainan? Qionghai? 571400;2. Anhui Lingtai Safety Technology Co.， Ltd，Anhui? Hefei? 230031）

Abstract： Given the structural characteristics of an air-supported membrane conference center， it is difficult to use physical firewalls， fire shutters， etc. for fire separation in the building. The critical temperature of the burning hole was measured through the membrane combustion experiment. Taking the critical temperature and the thermal radiation flux required for the ignition of the membrane surface per unit area as the fire safety judgment criteria of the membrane structure， the fire separation measures are proposed. According to fire dynamics principle， the smoke temperature and thermal radiation flux on the air-supported membrane surface near the fire source are analyzed. The results show that the fire separation measures can basically achieve the fire safety goals of preventing the spread of fire and protecting the safety of the gas membrane structure.

Keywords：safety engineering; air-supported membrane building; numerical simulation; fire plume; fire separation