膜結(jié)構(gòu)封閉儲(chǔ)煤棚消防安全設(shè)計(jì)論述

史學(xué)巖

摘要：隨著膜結(jié)構(gòu)封閉儲(chǔ)煤棚在煤炭倉儲(chǔ)領(lǐng)域中的應(yīng)用，膜結(jié)構(gòu)封閉儲(chǔ)煤棚與鋼結(jié)構(gòu)封閉儲(chǔ)煤棚在結(jié)構(gòu)形式、封閉材料及消防風(fēng)險(xiǎn)因素等方面的不同，對(duì)其消防安全性設(shè)計(jì)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(fēng)險(xiǎn)因素，論述了膜結(jié)構(gòu)儲(chǔ)煤棚內(nèi)部消防防火、通風(fēng)設(shè)施的設(shè)置等，為膜結(jié)構(gòu)儲(chǔ)煤棚安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：膜結(jié)構(gòu);儲(chǔ)煤棚;膜材料;風(fēng)險(xiǎn)因素;消防設(shè)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(qiáng)薄膜材料及加強(qiáng)構(gòu)件（鋼索或空氣）通過一定方式使其內(nèi)部產(chǎn)生預(yù)張應(yīng)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(jì)性、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)。

膜結(jié)構(gòu)封閉儲(chǔ)煤棚是在為滿足煤炭倉儲(chǔ)的同時(shí)，降低環(huán)境污染和建設(shè)投資而選擇的一種新型建筑結(jié)構(gòu)。煤場(chǎng)封閉后相對(duì)露天煤場(chǎng)通風(fēng)條件差，煤炭中會(huì)揮發(fā)氫氣、甲烷等可燃?xì)怏w，在生產(chǎn)作業(yè)時(shí)還會(huì)有大量粉塵懸浮在空氣中，可能引發(fā)煤粉、可燃?xì)怏w爆炸事故，存在消防風(fēng)險(xiǎn)。目前，膜結(jié)構(gòu)建筑相關(guān)的消防設(shè)計(jì)、施工安裝和驗(yàn)收等方面也尚無針對(duì)性的國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范。文章針對(duì)膜結(jié)構(gòu)封閉儲(chǔ)煤棚的消防問題，優(yōu)化防范火災(zāi)的設(shè)計(jì)方案，以期增加膜結(jié)構(gòu)封閉儲(chǔ)煤棚針對(duì)火災(zāi)事故的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

一、 膜結(jié)構(gòu)封閉儲(chǔ)煤棚的結(jié)構(gòu)類型

（一）氣承式膜結(jié)構(gòu)封閉儲(chǔ)煤棚

氣承式膜結(jié)構(gòu)封閉儲(chǔ)煤棚（如圖1所示）是將膜材固定于閉合剛性支承或基礎(chǔ)上，利用風(fēng)機(jī)對(duì)膜建筑室內(nèi)持續(xù)送風(fēng)，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(chǔ)煤棚

索網(wǎng)膜建筑充分利用高強(qiáng)度拉索的材料性能，通過鋼桁架和索網(wǎng)有機(jī)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(hù)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(jí)》的規(guī)定進(jìn)行測(cè)試并確定等級(jí)。通過膜材燃燒實(shí)驗(yàn)，針對(duì)工程中常用的PVC、PVDF膜材，燃燒性能等級(jí)為B1級(jí)[2]，燃燒時(shí)無燃燒滴落物，具有自熄性，不會(huì)造成火勢(shì)的擴(kuò)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(yàn)[4]得知：當(dāng)火焰不直接接觸膜材時(shí)，膜不會(huì)燃燒破洞。當(dāng)火焰直接接觸膜材時(shí)，膜發(fā)生熱解、收縮變形，繼而出現(xiàn)破洞現(xiàn)象。

通過對(duì)PVC膜材的熱解及燃燒特性實(shí)驗(yàn)[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(diǎn)、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(chǔ)煤棚消防風(fēng)險(xiǎn)因素

據(jù)調(diào)查，封閉煤場(chǎng)火災(zāi)產(chǎn)生的主要原因是煤中會(huì)有氫氣、甲烷等可燃?xì)怏w?；谀そY(jié)構(gòu)封閉儲(chǔ)煤棚的消防風(fēng)險(xiǎn)因素，膜結(jié)構(gòu)除了環(huán)保性能，還應(yīng)具備足夠的防火、防爆性能，確保煤棚能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

（一）明火及高溫?zé)煔?/p>

對(duì)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(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)內(nèi)外氣壓平衡，最終會(huì)導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)失去封閉作用。

（二）瓦斯等有毒氣體和煤粉揚(yáng)塵

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

四、膜結(jié)構(gòu)封閉建筑的消防設(shè)計(jì)

根據(jù)膜結(jié)構(gòu)儲(chǔ)煤棚的結(jié)構(gòu)形式、封閉材料及消防風(fēng)險(xiǎn)因素，膜結(jié)構(gòu)封閉建筑在消防設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合新技術(shù)深入思考，優(yōu)化消防設(shè)計(jì)方案，提升膜結(jié)構(gòu)封閉儲(chǔ)煤場(chǎng)的安全性能，有效防止火災(zāi)事故的發(fā)生，最大限度降低火災(zāi)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(shè)計(jì)的基本要求。

（一）消防系統(tǒng)

消防設(shè)計(jì)遵循“預(yù)防為主、防消結(jié)合”的方針，根據(jù)煤場(chǎng)消防相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，煤場(chǎng)火災(zāi)危險(xiǎn)性為丙類，封閉后需設(shè)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(chǎng)內(nèi)必須保證每個(gè)點(diǎn)都至少有2路消防水到達(dá)著火點(diǎn)，不得有死角。由于膜結(jié)構(gòu)儲(chǔ)煤棚面積較大，應(yīng)設(shè)自動(dòng)滅火設(shè)施，推薦用自動(dòng)尋蹤消防炮。自動(dòng)尋蹤消防炮的控制操作方式有消防中心自動(dòng)、遠(yuǎn)控和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急控制三種?，F(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)，消防炮能使兩股水柱到達(dá)煤場(chǎng)任何點(diǎn)，在特殊情況下應(yīng)允許單臺(tái)消防炮動(dòng)作。

（二）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括圖像火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和粉塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)探測(cè)區(qū)域內(nèi)溫度、瓦斯氣體濃度、粉塵濃度信息的實(shí)時(shí)采集、處理與動(dòng)作信號(hào)輸出。

圖像火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以利用火災(zāi)探測(cè)器敏銳感知到火災(zāi)產(chǎn)生的紅外線，然后利用圖像火災(zāi)探測(cè)分析技術(shù)分析火災(zāi)，通過火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能確保全天候監(jiān)控，監(jiān)控區(qū)域覆蓋率達(dá)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(bào)警信號(hào)?；馂?zāi)探測(cè)器視場(chǎng)范圍如圖4所示。

根據(jù)瓦斯常會(huì)聚集在頂部的特點(diǎn)，瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在煤棚頂部。當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^安全值時(shí)，自動(dòng)報(bào)警并連鎖通風(fēng)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(shí)需加設(shè)空氣排放過濾設(shè)施。

在煤堆附近、傳送帶附近等易產(chǎn)生煤粉的區(qū)域設(shè)置煤粉濃度檢測(cè)儀。當(dāng)煤粉濃度超標(biāo)時(shí)，連鎖控制系統(tǒng)啟動(dòng)排風(fēng)裝置進(jìn)行排放，確保操作人員安全。

（三）智慧消防預(yù)警系統(tǒng)

智慧消防預(yù)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(zāi)監(jiān)控設(shè)備、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、智慧消防用水等設(shè)備連成網(wǎng)絡(luò)，使關(guān)口前移，實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)火警、故障、聯(lián)動(dòng)動(dòng)作、監(jiān)管等各種信息，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行云臺(tái)數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢(shì)分析，實(shí)現(xiàn)科學(xué)預(yù)警火災(zāi)的目標(biāo)。一旦發(fā)生火災(zāi)，在短時(shí)間內(nèi)，相關(guān)報(bào)警和事件信息通過手機(jī)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(bào)的同時(shí)，還可以通過自動(dòng)消防滅火裝置啟動(dòng)自動(dòng)滅火設(shè)備和消防聯(lián)動(dòng)設(shè)備。

（四）排煙通風(fēng)措施

在煤場(chǎng)通風(fēng)方面，氣承式膜結(jié)構(gòu)儲(chǔ)煤棚在結(jié)構(gòu)上與索膜結(jié)構(gòu)儲(chǔ)煤棚仍有區(qū)別。

氣承式膜結(jié)構(gòu)儲(chǔ)煤棚的智能控制系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)氣膜內(nèi)外的壓差比。在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，氣承式膜結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合自身系統(tǒng)所需的充氣風(fēng)機(jī)設(shè)備，打開消防疏散門，當(dāng)壓力低于設(shè)定的安全下限時(shí)，壓差檢測(cè)器會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)備用風(fēng)機(jī)進(jìn)行充氣，為人員逃生爭(zhēng)取時(shí)間，并能夠在膜體壓力達(dá)到安全值時(shí)自動(dòng)停止運(yùn)行備用風(fēng)機(jī)。

索膜結(jié)構(gòu)可以采用機(jī)械排風(fēng)與自然排風(fēng)相結(jié)合的送排風(fēng)模式，通過設(shè)置適當(dāng)數(shù)量的頂排或側(cè)排，增大風(fēng)扇進(jìn)氣量，來有效降低煙氣溫度，保證滿足安全性要求。同時(shí)，配合先進(jìn)的火災(zāi)探測(cè)技術(shù)，盡可能在火災(zāi)初期及時(shí)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(zāi)溫度場(chǎng)分布[7]可知，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)并開啟消防疏散門后，受氣體對(duì)流和壓力影響，煙氣溫度降低顯著，膜面最高溫度遠(yuǎn)低于膜材燃燒分解的臨界溫度，膜材料不會(huì)燃燒。

當(dāng)火勢(shì)較大，開啟消防疏散門無法降低膜面溫度時(shí)，在外圍可增設(shè)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(duì)膜結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)受熱位置進(jìn)行降溫，比如距離著火點(diǎn)近的位置和高熱空氣容易堆積的位置等。

（六）疏散報(bào)警系統(tǒng)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，火災(zāi)中85%以上的人員死亡歸咎于煙氣的影響，膜結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮煙氣疏散時(shí)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(jì)算可得到膜結(jié)構(gòu)的臨界破洞面積。當(dāng)氣膜破洞大于臨界破洞面積時(shí)氣膜結(jié)構(gòu)將會(huì)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(dāng)內(nèi)外壓差小于維持形態(tài)的最小內(nèi)外壓差時(shí)，氣承膜結(jié)構(gòu)將不能維持形狀。壓力傳感器實(shí)時(shí)傳送氣膜結(jié)構(gòu)內(nèi)外壓差，通過計(jì)算軟件計(jì)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(shí)間。

在消防通道及運(yùn)煤通道口設(shè)置一定數(shù)量的手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕。一旦發(fā)生火災(zāi)，由火災(zāi)報(bào)警區(qū)域開始，啟動(dòng)疏散通道的消防應(yīng)急照明、疏散指示系統(tǒng)及聲光警報(bào)器，聲光報(bào)警器帶有語音提示功能，同時(shí)設(shè)置語音同步器，向煤棚內(nèi)實(shí)時(shí)播報(bào)剩余逃離時(shí)間，提醒人員在規(guī)定時(shí)間內(nèi)安全撤離，保障人員安全。

五、結(jié)語

膜結(jié)構(gòu)儲(chǔ)煤棚隨著大型儲(chǔ)煤棚封閉建設(shè)需求應(yīng)運(yùn)而生，具有傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)無法比擬的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景十分廣泛。該類建筑的消防安全設(shè)計(jì)需從材料、通風(fēng)、消防、監(jiān)測(cè)、除塵等方面認(rèn)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(zāi)，以減少財(cái)產(chǎn)損失，提供安全保障。

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