建筑防火技術(shù)在高層建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

楊萬紅 蘭州新現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)有限公司

隨著城市化建設(shè)的步伐逐漸深入，建筑規(guī)模越來越大，高度也在不斷提升，這在一定程度上可緩解城市化進(jìn)程中土地使用的壓力。但是，建筑內(nèi)部功能的復(fù)雜程度也隨著高度與規(guī)模的增加而增加，這種多樣性且復(fù)雜的功能設(shè)計(jì)也對(duì)火災(zāi)的處置造成一定難度，隨之出現(xiàn)了眾多安全隱患。因此，需結(jié)合目前高層建筑在防火設(shè)計(jì)中的相關(guān)特點(diǎn)，促使設(shè)計(jì)與施工人員能夠充分認(rèn)識(shí)防火規(guī)范設(shè)計(jì)的重要價(jià)值，保障建筑使用的安全性。

1 高層建筑火災(zāi)發(fā)生特點(diǎn)

1.1 外墻面積相對(duì)較大且易燃燒

一般高層建筑在設(shè)計(jì)期間，其外部的墻面面積都相對(duì)較大，所使用的保溫材料一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢會(huì)隨著建筑外墻快速向上蔓延，極易出現(xiàn)多層同時(shí)燃燒的現(xiàn)象，形成“煙囪效應(yīng)”，造成大型的立體式火災(zāi)。此外，高層建筑中，建筑層數(shù)越高風(fēng)速也會(huì)越大，在風(fēng)力和氣壓的影響下，樓體外部的溫度逐漸升高，由此所產(chǎn)生的煙囪效應(yīng)也會(huì)快速提升，造成大火。因此，高層建筑發(fā)生火災(zāi)產(chǎn)生的損失無法估量。

1.2 火災(zāi)撲救難度較大

高層建筑的數(shù)量不斷增加，規(guī)模不斷擴(kuò)大，但目前我國消防設(shè)施可操作的高度一般不會(huì)超過100 m，如果發(fā)生火災(zāi)的高度在100 m 以上，那么消防車也難以在第一時(shí)間進(jìn)行撲救，最終難以有效控制高層建筑的火勢[1]。同時(shí)，結(jié)合目前我國高層建筑的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)分析，如果在高層建筑中發(fā)生火災(zāi)，則救援人員實(shí)施室外撲救十分困難，救援設(shè)備也存在一定的使用限制，如超高層發(fā)生火災(zāi)時(shí)，消防云梯難以達(dá)到有效高度等。這些都是高層建筑發(fā)生火災(zāi)后面臨的困境。

1.3 人員疏散和救助困難

建筑物發(fā)生火災(zāi)后，對(duì)人們生命威脅最大的就是物體燃燒所產(chǎn)生的煙霧，并且隨著建筑層數(shù)的逐漸升高，風(fēng)速也隨之提升，促使煙霧擴(kuò)散與蔓延的速度加快。

同時(shí)，這些建筑物內(nèi)燃燒所產(chǎn)生煙霧的濃度較大、能見度極低，且還會(huì)伴隨著有毒氣體的產(chǎn)生，這些煙霧如果被吸入人體內(nèi)，將直接影響到人們的生命安全。另外，高層建筑本身的建筑面積較大、樓層較高，無論是水平方向還是垂直方向，疏散的距離都相對(duì)較遠(yuǎn)，人員眾多，如果遭遇火災(zāi)，人員疏散所需時(shí)間相對(duì)較長，加之高層位置火災(zāi)蔓延的速度較快，不利于人員的快速安全逃生。如果此時(shí)疏散樓梯間內(nèi)也進(jìn)入了濃煙，那么將會(huì)直接影響人員疏散效率[2]。

2 工程案例

某市一小區(qū)的層數(shù)為8 層，平面圖如圖1 所示。建筑設(shè)計(jì)屬于通廊式設(shè)計(jì)，其中包含房間、走廊和樓梯間3 大部分。為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算方便和對(duì)各分區(qū)進(jìn)行分析，有意將所有的房間隱蔽，所涉及的內(nèi)容數(shù)據(jù)如表1 所示。其中排煙窗口分別設(shè)計(jì)在4、5、7 和8 層位置，均為1.44 m2的可開啟面積，且在走廊靠近外墻一端。

表1 模型對(duì)應(yīng)的建筑尺寸統(tǒng)計(jì)

圖1 該8 層建筑平面模型示意

3 基于性能化防火的高層建筑防火設(shè)計(jì)與應(yīng)用

3.1 火災(zāi)場景設(shè)定

3.1.1 前提假設(shè)

假設(shè)在火源燃料的控制上，其大小與位置都不變；關(guān)閉所有建筑內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)；假設(shè)建筑內(nèi)所有的家具和人員都不會(huì)影響氣流。

3.1.2 設(shè)置邊界參數(shù)

本次設(shè)計(jì)模擬利用了“大渦”模型，且傳熱的狀態(tài)為一維空間。將室外溫度設(shè)置為20 ℃，建筑外墻壁與環(huán)境溫度保持一致，設(shè)定空氣不流動(dòng)，并將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)依據(jù)設(shè)定為1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓[3]；將通風(fēng)與煙氣所產(chǎn)生的氣流均假設(shè)為理想氣體；設(shè)定且關(guān)閉機(jī)械加壓的送風(fēng)系統(tǒng)；調(diào)用可燃物相關(guān)參數(shù)以及FDS 數(shù)據(jù)庫內(nèi)的空氣參數(shù)；以1.2 m×1.2 m 的尺寸設(shè)計(jì)每個(gè)樓層走廊中的外窗；走廊與房間的內(nèi)壁上不存在可燃性的裝飾材料，這樣則不用去考慮墻面自身的燃燒狀態(tài)，且可根據(jù)FDS 數(shù)據(jù)庫中的特征值來選擇墻壁的導(dǎo)熱參數(shù)，并根據(jù)其自身的粘滯性來取值。

3.1.3 網(wǎng)格劃分

FDS 計(jì)算與劃分的主要依據(jù)在于最小網(wǎng)格單位，且基于每一個(gè)離散的時(shí)間來對(duì)其內(nèi)部相關(guān)的溫度、密度等內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算。這里面網(wǎng)格的大小也表示整個(gè)模型所具有的計(jì)算模型在空間和時(shí)間上的精度，這也是模型中最為重要的參數(shù)內(nèi)容。

基于FDS 軟件模型，尤其是在高層建筑的火災(zāi)模擬中計(jì)算，一般都需要將其劃分為數(shù)百萬個(gè)或者上千萬個(gè)乃至上億個(gè)時(shí)間網(wǎng)格，但從理論角度來分析，更加細(xì)致地劃分網(wǎng)格，可保障計(jì)算結(jié)果更加精確。需要注意的是，這二者不屬于線性關(guān)系，在空間與時(shí)間的預(yù)測上，需要明確的是FDS 本身具有一定精度的二維特征，所以可以根據(jù)一次二分的網(wǎng)格分析來減少方程計(jì)算期間所產(chǎn)生的離散性誤差，也正是因?yàn)樗O(shè)計(jì)的方程式是非線性的，所以就算是將其所產(chǎn)生的離散誤差降低，也不能夠表示已經(jīng)將結(jié)果的錯(cuò)誤率全面消除，且一次二分的操作每進(jìn)行一次，就會(huì)增加16 倍的計(jì)算時(shí)間，也會(huì)降低計(jì)算精度與計(jì)算效率[4]。因此，需要在此期間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，進(jìn)而獲取最佳的計(jì)算結(jié)果。

3.2 火災(zāi)場景設(shè)計(jì)

根據(jù)前面所設(shè)計(jì)的模型和有關(guān)工作內(nèi)容，可采取PyroSim 來分析火災(zāi)發(fā)生后煙氣蔓延的情況及其他一些因素的影響，進(jìn)而提出具體的設(shè)計(jì)措施。

本次以1 層某個(gè)靠近樓梯間的房間一角作為發(fā)生火災(zāi)的具體區(qū)域，該區(qū)域坐標(biāo)為min（9.0，5.0，0.0）、max（10.0，6.0，0.0）。在房間建設(shè)內(nèi)部與走廊之間，噴淋系統(tǒng)全部失效，以自然排煙的形式進(jìn)行，并且自然補(bǔ)風(fēng)來自所有開啟的窗戶，保障最大的火災(zāi)熱量為10 MW 的釋放率，同時(shí)在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，假設(shè)已經(jīng)將房門、窗戶、排煙窗都開啟，并且走廊內(nèi)部的通風(fēng)口都已經(jīng)被關(guān)閉[5]。以此作為該場景的模擬模型，模擬時(shí)間為360 s。

3.3 模擬結(jié)果與分析

3.3.1 煙氣運(yùn)動(dòng)情況

為了更加明確本建筑的煙氣蔓延情況，在查看煙氣期間，隱去墻體和其他的固體部分，以外部輪廓作為分析框架。

根據(jù)煙氣在樓梯間和走廊的蔓延情況可以看出，火災(zāi)發(fā)生過程中，由于只有走廊盡頭的一個(gè)排煙窗口，因此著火的區(qū)域也會(huì)產(chǎn)生較大煙氣，在120 s 時(shí)煙氣已經(jīng)充滿整個(gè)走廊。樓梯間本身結(jié)構(gòu)與豎井結(jié)構(gòu)相似，但在樓梯的影響下，煙氣的蔓延逐漸減緩，產(chǎn)生的煙囪效應(yīng)不夠明顯。同時(shí)可以看出，8 層的煙層高度明顯高于6 層和7 層，且底部2 層和3 層的煙氣高度也相對(duì)較高。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因在于，隨著煙氣逐漸向上蔓延，遭遇到頂部阻擋之后便向下蔓延，這也是低樓層人員死亡率高于高樓層的主要原因。

3.3.2 煙氣溫度情況

為了對(duì)本次走廊和樓梯中煙氣的溫度狀況進(jìn)行詳細(xì)分析，在72 s、216 s 和360 s ，以3D 效果圖展示煙氣溫度。由此可以明確的是，煙氣溫度會(huì)隨著距離火源的距離減少而提升。并且在走廊位置，分層擴(kuò)散是主要擴(kuò)散形式，底部溫度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于頂部溫度[6]。

3.3.3 煙氣壓力分布情況

根據(jù)72 s、216 s 和360 s 3 個(gè)時(shí)刻走廊和樓梯間壓力分布3D 效果圖分析，樓層高度的增加會(huì)增加其空氣壓力，這時(shí)底層在空氣注入效果下會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，并且底層中的煙氣量要高于高層，壓力也會(huì)隨之增加。在樓梯的影響下，該位置的壓力也可表示出吸收不夠均勻的嚴(yán)重問題[7]。

3.4 防火墻設(shè)計(jì)

根據(jù)該高層建筑的煙氣蔓延程度與方向的模型分析，可以采用防火墻的設(shè)計(jì)來保證建筑防火工程的實(shí)用性與居民的安全性。在此設(shè)計(jì)中，需要對(duì)防火墻的厚度、材料進(jìn)行科學(xué)選擇，保障其防火性能的全面提升。另外，在防火墻的設(shè)計(jì)中，還要求要符合實(shí)際設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，符合相關(guān)建筑參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，為救援創(chuàng)造適合的條件[8]。

3.5 消防電梯設(shè)計(jì)

我國在建筑物構(gòu)造相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中指出，住宅建筑如果達(dá)到33 m 以上及32 m 以上的二類高層公共建筑和一類高層公共建筑都需要設(shè)計(jì)消防電梯?；诎咐治觯景咐叨葹? 層樓體設(shè)計(jì)，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，需要進(jìn)行消防電梯的加裝[9]。而在設(shè)計(jì)地下區(qū)域期間，需要具備10 m 以上的深度和3 000 m2以上的面積，消防電梯相較于普通電梯速度更快，消防人員在發(fā)生災(zāi)情期間可更快地達(dá)到受災(zāi)地點(diǎn)進(jìn)行援救[10]。消防電梯的防火技術(shù)應(yīng)用具體如圖2 所示。

圖2 消防電梯的防火技術(shù)示意

4 結(jié)語

高層建筑本身具備一定的特殊性質(zhì)，如果發(fā)生火災(zāi)期間處理不當(dāng)，不僅會(huì)導(dǎo)致大量的人員傷亡，同時(shí)會(huì)造成極大的財(cái)產(chǎn)損失。

因此，需要在對(duì)建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)期間，科學(xué)且合理地開展消防設(shè)計(jì)工作，保障火災(zāi)出現(xiàn)后能夠得到快速、有效控制。可在必要的位置上配備數(shù)量充足的滅火裝置，以此來實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的有效處理，在保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全的基礎(chǔ)上減少建筑設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)損失。