膜結(jié)構(gòu)封閉儲煤棚消防安全設計論述

史學巖

摘要：隨著膜結(jié)構(gòu)封閉儲煤棚在煤炭倉儲領(lǐng)域中的應用，膜結(jié)構(gòu)封閉儲煤棚與鋼結(jié)構(gòu)封閉儲煤棚在結(jié)構(gòu)形式、封閉材料及消防風險因素等方面的不同，對其消防安全性設計提出了不同的要求。文章介紹了膜結(jié)構(gòu)的特性和膜材料的特性，分析了影響膜結(jié)構(gòu)安全的風險因素，論述了膜結(jié)構(gòu)儲煤棚內(nèi)部消防防火、通風設施的設置等，為膜結(jié)構(gòu)儲煤棚安全系統(tǒng)的設計提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：膜結(jié)構(gòu);儲煤棚;膜材料;風險因素;消防設施

近年來，國內(nèi)外出現(xiàn)了一種索膜結(jié)構(gòu)或氣膜建筑的新型建筑結(jié)構(gòu)形式。此類建筑是由高強薄膜材料及加強構(gòu)件（鋼索或空氣）通過一定方式使其內(nèi)部產(chǎn)生預張應力以形成某種空間形狀并且能承受一定的外荷載作用的空間建筑結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)能夠覆蓋大跨度空間，具有經(jīng)濟性、施工周期短等優(yōu)點。

膜結(jié)構(gòu)封閉儲煤棚是在為滿足煤炭倉儲的同時，降低環(huán)境污染和建設投資而選擇的一種新型建筑結(jié)構(gòu)。煤場封閉后相對露天煤場通風條件差，煤炭中會揮發(fā)氫氣、甲烷等可燃氣體，在生產(chǎn)作業(yè)時還會有大量粉塵懸浮在空氣中，可能引發(fā)煤粉、可燃氣體爆炸事故，存在消防風險。目前，膜結(jié)構(gòu)建筑相關(guān)的消防設計、施工安裝和驗收等方面也尚無針對性的國家和行業(yè)標準、規(guī)范。文章針對膜結(jié)構(gòu)封閉儲煤棚的消防問題，優(yōu)化防范火災的設計方案，以期增加膜結(jié)構(gòu)封閉儲煤棚針對火災事故的抗風險能力。

一、 膜結(jié)構(gòu)封閉儲煤棚的結(jié)構(gòu)類型

（一）氣承式膜結(jié)構(gòu)封閉儲煤棚

氣承式膜結(jié)構(gòu)封閉儲煤棚（如圖1所示）是將膜材固定于閉合剛性支承或基礎上，利用風機對膜建筑室內(nèi)持續(xù)送風，保持一定的內(nèi)氣壓，通過內(nèi)外壓力差確保膜面足夠剛度，以維持穩(wěn)定形態(tài)、抵抗外部荷載。

（二）索網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)封閉儲煤棚

索網(wǎng)膜建筑充分利用高強度拉索的材料性能，通過鋼桁架和索網(wǎng)有機結(jié)合，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體系，是骨架式膜結(jié)構(gòu)的一種。索網(wǎng)是由互相正交的兩組索組成的雙向正交索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，外層圍護結(jié)構(gòu)為柔性膜材。索網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

二、 膜材的組成及特性

膜材料由基材和涂層構(gòu)成。膜材料的基材為玻璃纖維或聚酯纖維織物，表面涂層為添加了穩(wěn)定劑、阻燃劑的聚氯乙烯PVC或聚四氟乙烯PTFE等聚合物[1]。 膜材示意圖如圖3所示。

膜材的防火性能按照GB8624-2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》的規(guī)定進行測試并確定等級。通過膜材燃燒實驗，針對工程中常用的PVC、PVDF膜材，燃燒性能等級為B1級[2]，燃燒時無燃燒滴落物，具有自熄性，不會造成火勢的擴大蔓延。加涂PVDF材料的PVC膜材具有極好的耐高溫性能，離開明火后0.3s內(nèi)自熄[3]。

通過膜材料燃燒特性試驗[4]得知：當火焰不直接接觸膜材時，膜不會燃燒破洞。當火焰直接接觸膜材時，膜發(fā)生熱解、收縮變形，繼而出現(xiàn)破洞現(xiàn)象。

通過對PVC膜材的熱解及燃燒特性實驗[5]得知：添加了阻燃耐老化劑TiO2的PVC膜材，能夠提高PVC膜材的燃點、熱解穩(wěn)定性及阻燃效果，且有明顯的抑煙效果，可以有效減少CO的生成，從而減少PVC膜材的煙毒性。

三、膜結(jié)構(gòu)封閉儲煤棚消防風險因素

據(jù)調(diào)查，封閉煤場火災產(chǎn)生的主要原因是煤中會有氫氣、甲烷等可燃氣體?；谀そY(jié)構(gòu)封閉儲煤棚的消防風險因素，膜結(jié)構(gòu)除了環(huán)保性能，還應具備足夠的防火、防爆性能，確保煤棚能長期穩(wěn)定運行。

（一）明火及高溫煙氣

對于膜結(jié)構(gòu)建筑，雖然膜材多數(shù)是難燃或不燃材料，但膜材本身仍不能直接接觸明火和高溫，所以膜材料自身無耐火極限，一旦膜材料被燒融燒穿，將會嚴重影響結(jié)構(gòu)內(nèi)外氣壓平衡，最終會導致膜結(jié)構(gòu)失去封閉作用。

（二）瓦斯等有毒氣體和煤粉揚塵

堆積的煤炭由于自熱，會產(chǎn)生瓦斯氣體，在生產(chǎn)過程中，當瓦斯達到一定濃度時遇明火易發(fā)生爆炸。同時，煤在運輸、裝卸、粉碎等操作過程中會向大氣逸散產(chǎn)生粉塵。由于煤塵本身具有燃爆性，當懸浮在空氣中的煤塵積累過多達到爆炸極限時，遇到引燃熱源就會發(fā)生燃爆。

四、膜結(jié)構(gòu)封閉建筑的消防設計

根據(jù)膜結(jié)構(gòu)儲煤棚的結(jié)構(gòu)形式、封閉材料及消防風險因素，膜結(jié)構(gòu)封閉建筑在消防設計時應結(jié)合新技術(shù)深入思考，優(yōu)化消防設計方案，提升膜結(jié)構(gòu)封閉儲煤場的安全性能，有效防止火災事故的發(fā)生，最大限度降低火災可能帶來的損失。保證人員生命安全及結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性是膜結(jié)構(gòu)防火設計的基本要求。

（一）消防系統(tǒng)

消防設計遵循“預防為主、防消結(jié)合”的方針，根據(jù)煤場消防相關(guān)設計規(guī)范，煤場火災危險性為丙類，封閉后需設置固定消防炮滅火系統(tǒng)和室內(nèi)外消火栓系統(tǒng)。

封閉煤場內(nèi)必須保證每個點都至少有2路消防水到達著火點，不得有死角。由于膜結(jié)構(gòu)儲煤棚面積較大，應設自動滅火設施，推薦用自動尋蹤消防炮。自動尋蹤消防炮的控制操作方式有消防中心自動、遠控和現(xiàn)場應急控制三種。現(xiàn)場操作時，消防炮能使兩股水柱到達煤場任何點，在特殊情況下應允許單臺消防炮動作。

（二）監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測系統(tǒng)包括圖像火災監(jiān)測系統(tǒng)、瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)和粉塵監(jiān)測系統(tǒng)等。監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)探測區(qū)域內(nèi)溫度、瓦斯氣體濃度、粉塵濃度信息的實時采集、處理與動作信號輸出。

圖像火災監(jiān)測系統(tǒng)可以利用火災探測器敏銳感知到火災產(chǎn)生的紅外線，然后利用圖像火災探測分析技術(shù)分析火災，通過火災監(jiān)測系統(tǒng)能確保全天候監(jiān)控，監(jiān)控區(qū)域覆蓋率達到100%，無盲區(qū)、無死角，一旦發(fā)生火情，可以迅速可靠地發(fā)出報警信號?；馂奶綔y器視場范圍如圖4所示。

根據(jù)瓦斯常會聚集在頂部的特點，瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測點應設置在煤棚頂部。當瓦斯?jié)舛瘸^安全值時，自動報警并連鎖通風系統(tǒng)轉(zhuǎn)入事故狀態(tài)，將瓦斯排出[6]?？紤]到環(huán)保要求，氣體排出時需加設空氣排放過濾設施。

在煤堆附近、傳送帶附近等易產(chǎn)生煤粉的區(qū)域設置煤粉濃度檢測儀。當煤粉濃度超標時，連鎖控制系統(tǒng)啟動排風裝置進行排放，確保操作人員安全。

（三）智慧消防預警系統(tǒng)

智慧消防預警系統(tǒng)（如圖5所示）基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)，將分散的火災監(jiān)控設備、火災報警系統(tǒng)、智慧消防用水等設備連成網(wǎng)絡，使關(guān)口前移，實時采集系統(tǒng)火警、故障、聯(lián)動動作、監(jiān)管等各種信息，對采集到的數(shù)據(jù)進行云臺數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，實現(xiàn)科學預警火災的目標。一旦發(fā)生火災，在短時間內(nèi)，相關(guān)報警和事件信息通過手機短信、語音電話和App推送等手段，迅速通知到相關(guān)人員，在發(fā)出警報的同時，還可以通過自動消防滅火裝置啟動自動滅火設備和消防聯(lián)動設備。

（四）排煙通風措施

在煤場通風方面，氣承式膜結(jié)構(gòu)儲煤棚在結(jié)構(gòu)上與索膜結(jié)構(gòu)儲煤棚仍有區(qū)別。

氣承式膜結(jié)構(gòu)儲煤棚的智能控制系統(tǒng)可監(jiān)測氣膜內(nèi)外的壓差比。在火災發(fā)生時，氣承式膜結(jié)構(gòu)應結(jié)合自身系統(tǒng)所需的充氣風機設備，打開消防疏散門，當壓力低于設定的安全下限時，壓差檢測器會自動啟動備用風機進行充氣，為人員逃生爭取時間，并能夠在膜體壓力達到安全值時自動停止運行備用風機。

索膜結(jié)構(gòu)可以采用機械排風與自然排風相結(jié)合的送排風模式，通過設置適當數(shù)量的頂排或側(cè)排，增大風扇進氣量，來有效降低煙氣溫度，保證滿足安全性要求。同時，配合先進的火災探測技術(shù)，盡可能在火災初期及時排出煙氣。

（五）膜材降溫措施

以工程中常用的PVDF膜材為例，膜材的熱分解溫度在316℃以上。通過模擬火災溫度場分布[7]可知，當發(fā)生火災并開啟消防疏散門后，受氣體對流和壓力影響，煙氣溫度降低顯著，膜面最高溫度遠低于膜材燃燒分解的臨界溫度，膜材料不會燃燒。

當火勢較大，開啟消防疏散門無法降低膜面溫度時，在外圍可增設消防水炮或噴淋裝置為膜材冷卻輔助降溫。根據(jù)著火位置的不同，消防水炮或噴淋裝置對膜結(jié)構(gòu)的危險受熱位置進行降溫，比如距離著火點近的位置和高熱空氣容易堆積的位置等。

（六）疏散報警系統(tǒng)

據(jù)統(tǒng)計，火災中85%以上的人員死亡歸咎于煙氣的影響，膜結(jié)構(gòu)在設計時應考慮煙氣疏散時間，保障人員安全。

氣承膜結(jié)構(gòu)有特定的臨界破洞面積，通過MATLAB仿真計算可得到膜結(jié)構(gòu)的臨界破洞面積。當氣膜破洞大于臨界破洞面積時氣膜結(jié)構(gòu)將會倒塌[8]。氣承膜結(jié)構(gòu)有維持形態(tài)的最小內(nèi)外壓差，當內(nèi)外壓差小于維持形態(tài)的最小內(nèi)外壓差時，氣承膜結(jié)構(gòu)將不能維持形狀。壓力傳感器實時傳送氣膜結(jié)構(gòu)內(nèi)外壓差，通過計算軟件計算內(nèi)外壓差下降速度以及氣承膜結(jié)構(gòu)能維持其形狀的時間。

在消防通道及運煤通道口設置一定數(shù)量的手動火災報警按鈕。一旦發(fā)生火災，由火災報警區(qū)域開始，啟動疏散通道的消防應急照明、疏散指示系統(tǒng)及聲光警報器，聲光報警器帶有語音提示功能，同時設置語音同步器，向煤棚內(nèi)實時播報剩余逃離時間，提醒人員在規(guī)定時間內(nèi)安全撤離，保障人員安全。

五、結(jié)語

膜結(jié)構(gòu)儲煤棚隨著大型儲煤棚封閉建設需求應運而生，具有傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)無法比擬的優(yōu)勢，應用前景十分廣泛。該類建筑的消防安全設計需從材料、通風、消防、監(jiān)測、除塵等方面認真深入探討，結(jié)合最新技術(shù)，完善優(yōu)化消防系統(tǒng)，有效防控火災，以減少財產(chǎn)損失，提供安全保障。

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