防火設(shè)計在超高層建筑中的實(shí)踐研究

文／涂彥瑄 江西省建筑設(shè)計研究總院集團(tuán)有限公司 江西南昌 330046

引言：

超高層建筑的防火設(shè)計是保障人身安全和減少財產(chǎn)損失的重要組成部分。因此，針對超高層建筑的防火設(shè)計的研究和實(shí)踐顯得尤為重要。超高層建筑的防火設(shè)計需要考慮多個因素，包括建筑高度、人員密度、疏散設(shè)計、建筑材料等。為了確保建筑內(nèi)部的火災(zāi)不蔓延和疏散走道暢通，必須采取科學(xué)有效的防火防煙措施。這包括但不限于防火門、防火墻、火災(zāi)自動報警系統(tǒng)、自動噴水滅火系統(tǒng)、煙霧探測器等設(shè)施的設(shè)置和使用。

1.超高層建筑火災(zāi)特點(diǎn)

超高層建筑是指建筑高度超過100 米的建筑，為了讓整個大樓的功能設(shè)施更加完備，在建造的時候，它的核心筒樓梯設(shè)計、各種線路和管道也比較復(fù)雜。這就極大地提高了其內(nèi)部發(fā)生線路故障的幾率，并極易發(fā)生諸如電氣短路等事故，從而引起火災(zāi)隱患。超高層建筑一旦起火，首先，它的蔓延速度是很快的。當(dāng)高度超過100 米時，它的風(fēng)速就會變得更大，從而給大火提供了更多的氧氣，從而加快了火勢的發(fā)展[1]。此外，在超高層建筑中，有很多的管道，通過管井開洞上下層相通，所以極易通過樓梯間，管井形成“煙囪效應(yīng)”，而且，燃燒伴隨產(chǎn)生的煙霧危害復(fù)雜多樣，不易甄別和防護(hù)，嚴(yán)重威脅著被困人員和消防救援者的生命安全。其次，滅火難度大。一方面，現(xiàn)有大型消防車的云梯可達(dá)50 米，消防車可供水的高度約為100 米，而許多超高層建筑的高度為200 米或更高，地面消防水源無法到達(dá)，不能滅火；另一方面，超高層建筑火災(zāi)時，線路會出現(xiàn)短路，供水系統(tǒng)如果不能持續(xù)供水，造成高層火災(zāi)后勢必造成自動滅火困難。最后，逃生和營救難度大。超高層建筑物內(nèi)人員眾多，從屋頂至首層室外疏散距離過長，一旦發(fā)生火災(zāi)，救援難度大?；馂?zāi)發(fā)生時，往往人員驚慌，擁擠，容易造成踩踏，能順利抵達(dá)避難層的人并不多，直升飛機(jī)在停機(jī)坪上能進(jìn)行救援的人數(shù)也是有限的，樓層太高，加上煙氣充滿室內(nèi)，能見度低，人員往往無法得到及時疏散，所以，一旦發(fā)生火災(zāi)，救援的難度往往會比普通的建筑增加幾倍。

2.防火設(shè)計在超高層建筑中的重要性

超高層建筑的出現(xiàn)給城市帶來了現(xiàn)代化的壯麗景觀，然而，伴隨著高層建筑的增加，防火安全問題也引起了越來越多的關(guān)注。因此在超高層建筑中，防火設(shè)計具有至關(guān)重要的意義。首先，超高層建筑火災(zāi)的潛在風(fēng)險巨大，防火設(shè)計能夠在發(fā)生火災(zāi)時保障人員的生命安全。超高層建筑由于高度高、體量大的特點(diǎn)，火災(zāi)后煙霧彌漫、逃生通道受阻等問題更加突出。合理的防火設(shè)計可以提前預(yù)防火災(zāi)發(fā)生，并通過完善設(shè)計消防設(shè)備、合理規(guī)劃逃生通道等措施，確?；馂?zāi)時人員能夠及時疏散，最大限度減少傷亡和財產(chǎn)損失。其次，防火設(shè)計還能有效控制火災(zāi)蔓延，減少火災(zāi)帶來的巨大破壞。超高層建筑內(nèi)部復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)、大面積的開敞區(qū)域以及密集的人員流動，使火災(zāi)蔓延速度加快。合理的防火設(shè)計應(yīng)考慮建筑材料的燃燒性能、防火分區(qū)的劃分以及防火墻、防火門等被動防火設(shè)施的設(shè)置，以限制火勢蔓延的能力。此外，主動防火系統(tǒng)如火災(zāi)報警、自動噴水滅火系統(tǒng)等也能夠有效控制火勢的發(fā)展。這些措施的應(yīng)用可以將火災(zāi)時的疏散和撲滅的時間大大縮短，從而最大限度地遏制火勢的蔓延，減少火災(zāi)帶來的破壞。最后，防火設(shè)計在超高層建筑的維護(hù)管理中具有重要意義。防火系統(tǒng)是超高層建筑的重要組成部分，要保證其可靠性和有效性，就需要定期檢查、維護(hù)和更新。超高層建筑的消防設(shè)施、消防通道、滅火器等設(shè)備的正常運(yùn)行對于維持建筑的防火安全至關(guān)重要。合理的防火設(shè)計可以將維護(hù)管理作為一個重要環(huán)節(jié)，為超高層建筑的長期使用提供可靠的保障[2]。

3.防火設(shè)計在超高層建筑中的實(shí)踐研究

3.1 合理布置高層建筑總體布局和防火分區(qū)

總體布局中的主次關(guān)系、建筑物與周圍建筑物之間的距離、車道的設(shè)置等，都是涉及到火災(zāi)的預(yù)防和快速滅火的關(guān)鍵問題，也是建筑物設(shè)計方案中必須要考慮的重要因素。一個合理的總體布局不僅可以有效地預(yù)防火災(zāi)，還可以阻止火勢的蔓延，提供充分的時間和空間來進(jìn)行滅火和疏散。

首先，總體布局中的主次關(guān)系是指在建筑物的設(shè)計中，需要設(shè)定不同功能區(qū)域的重要性和優(yōu)先級。通常來說，人員密集區(qū)域（例如酒店、商業(yè)區(qū)等）應(yīng)該設(shè)定為主要防火區(qū)域，而次要區(qū)域（例如設(shè)備用房、倉庫等）則可以設(shè)定為輔助防火區(qū)域。這樣的劃分可以使預(yù)防和控制火災(zāi)的措施著重放在人員密集區(qū)域，從而最大限度地保護(hù)人員的生命安全。其次，建筑物與周圍建筑物之間的距離也是關(guān)鍵因素。建筑物之間的距離需要符合相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，以確保在火災(zāi)發(fā)生時，火勢不易蔓延到相鄰建筑物。根據(jù)建筑物高度和距離，可以確定適當(dāng)?shù)南腊踩g距，確保消防車輛可以順利進(jìn)入建筑物周圍，并展開滅火行動。此外，距離的設(shè)置還可以減少火源擴(kuò)散的風(fēng)險，增加逃生人員的安全空間。再次，車道的設(shè)置也是防火設(shè)計的重要考慮因素之一[3]。在超高層建筑的設(shè)計中，需要合理規(guī)劃和設(shè)置消防車道，并確保車道暢通無阻，消防車能夠快速進(jìn)入建筑物進(jìn)行滅火和救援。消防車道的寬度、通道高度以及救援場地的設(shè)計都需要符合消防規(guī)范的要求，以便消防車輛能夠順利通過，實(shí)施緊急救援措施。最后，防火分區(qū)也是超高層建筑防火設(shè)計的重要手段之一。水平防火分區(qū)和垂直防火分區(qū)是控制火災(zāi)蔓延速度的關(guān)鍵。防火分區(qū)通過設(shè)置防火墻、防火門和防火卷簾等被動防火設(shè)施，將每層建筑橫向劃分為不同的防火分區(qū)，以阻隔火勢蔓延并保障人員疏散。豎向方面保障上下層的之間的間距滿足規(guī)范設(shè)計要求。

3.2 確保建筑物耐火等級要求

總體布局中的主次關(guān)系、建筑物與周圍建筑物之間的距離、消防車道的設(shè)置等，都是涉及到火災(zāi)的預(yù)防和快速滅火的關(guān)鍵問題，同時也是建筑設(shè)計中需要優(yōu)先考慮的一個重要因素。一個合理的總體布局，不僅有助于滅火，還能有效地阻止火災(zāi)的蔓延，設(shè)計必須嚴(yán)格落實(shí)。防火分區(qū)的劃分是控制火災(zāi)蔓延速度的一項重要手段。防火分區(qū)是指在建筑內(nèi)部采用防火墻、樓板及其他防火分隔設(shè)施分隔而成，能在一定時間內(nèi)防止火災(zāi)向同一建筑的其余部分蔓延的局部空間，兩個防火分區(qū)之間用甲級防火門，或防火卷簾等分隔。而且在施工過程中，防火卷簾在安裝時，空隙需用防火材料封堵，從而起到防火、阻煙的作用。在豎向設(shè)計當(dāng)中需要對建筑物內(nèi)的水井（水管井）、電井（強(qiáng)、弱電）進(jìn)行防火封堵，對樓、電梯等豎向疏散區(qū)域用甲級防火門與建筑的其他部位分隔，盡量減緩火災(zāi)的傳播速率，并將其控制在一定范圍內(nèi)[4]。

3.3 加強(qiáng)自然排煙設(shè)計及安全疏散的設(shè)計

當(dāng)前，在超高層建筑中，玻璃幕墻及其所造成的空腔和管道井往往是火的主要傳播通道，形成“煙囪效應(yīng)”，加大了火災(zāi)損失；其次，從眾多高層建筑火災(zāi)案例來看，煙霧才是導(dǎo)致高層建筑火災(zāi)的頭號殺手。所以，在高層建筑中，防煙和安全疏散的設(shè)計是非常必要的。國家規(guī)定對建筑高度大于100 米的建筑，其機(jī)械加壓送風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)豎向分段獨(dú)立設(shè)置，且每段高度不應(yīng)超過100 米，由于樓梯井內(nèi)的熱壓力差異（也就是煙囪效應(yīng)），煙霧常常會充斥整個樓梯，造成人員不能及時撤離，所以設(shè)置機(jī)械加壓送風(fēng)系統(tǒng)的封閉樓梯間、防煙樓梯間，尚應(yīng)在其頂部設(shè)置不小于1 平方米的固定窗。同時，對房間內(nèi)的自然排煙的設(shè)計也應(yīng)加以強(qiáng)化。自然排煙是一種經(jīng)濟(jì)、簡便、易于操作的排煙方法，應(yīng)優(yōu)先考慮；便于人員安全撤離，除應(yīng)按照規(guī)范設(shè)置數(shù)量充足、布局合理的疏散樓梯，在防火門和疏散出口前方及周圍應(yīng)設(shè)有明顯的標(biāo)識。

3.4 避難層的設(shè)計

避難層的設(shè)計目的是為被困人員提供休憩之地，為傷殘或傷殘人士提供安全保障。避難樓層還可作為救援人員的疏散指揮中心，使建筑物內(nèi)部人員得以有序撤離。為此，《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（2018 年版）和《建筑防火通用規(guī)范》中提出了“100 米以上公共場所應(yīng)當(dāng)設(shè)置避難層（室）”的要求，并應(yīng)當(dāng)滿足以下要求：（1）首層避難層的樓面至消防登高操作場地地面的高度不應(yīng)大于50 米，這是由于消防車登高、舉高時，最大工作高度為30-45 米；據(jù)消防人員測量，10 樓以上高度時，其心率、呼吸均顯著增加，不利于滅火工作；所以綜合以上理由，在考慮到節(jié)省資金的情況下，從一樓消防登高操作場地到首個避難樓層的間距不應(yīng)大于50 米；（2）通往避難層的疏散樓梯應(yīng)當(dāng)在避難層分隔，同層錯位，或上下層斷開，人員必須經(jīng)過避難層上下；（3）避難樓層凈面積應(yīng)滿足該避難層與上一筆南昌之間所有樓層的全部使用人數(shù)避難要求并應(yīng)以5 人/平方米為標(biāo)準(zhǔn)；（4）避難層可以同時作為設(shè)備層使用，但是，設(shè)備管線應(yīng)集中設(shè)置，設(shè)備管線和豎向交通設(shè)施應(yīng)采用耐火極限不小于3 小時的墻體圍合；（5）避難樓層應(yīng)有消防電梯出口小伙栓、消防軟管卷盤、滅火器、消防專線電話和應(yīng)急廣播；（6）在避難層進(jìn)入樓梯間的入口處和疏散樓梯通向避難層的出口處均應(yīng)在明顯位置設(shè)置標(biāo)示避難層和樓層位置的燈光只是標(biāo)識；（7）避難層設(shè)置直接對外的可開啟窗口或獨(dú)立的防煙設(shè)施，外窗應(yīng)采用乙級防火窗等。

3.5 應(yīng)急照明設(shè)計

超高層建筑的燈光系統(tǒng)在火災(zāi)防控中扮演著重要的角色，它涉及到線路的設(shè)計和運(yùn)行。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，火災(zāi)會影響建筑物的電力線路，造成線路中斷，燈具無法正常工作。同時，煙霧的存在導(dǎo)致室內(nèi)能見度降低，給人員疏散帶來困難。為了保證消防安全，提高消防救援的成功率，需要在設(shè)計過程中充分考慮火災(zāi)應(yīng)急照明系統(tǒng)的應(yīng)用。

火災(zāi)應(yīng)急照明系統(tǒng)一般分為以下幾類：（1）疏散照明：該系統(tǒng)的作用是提高人員疏散時的能見度，從而提升疏散效率。通過在關(guān)鍵區(qū)域設(shè)置緊急照明設(shè)施，如設(shè)計在疏散出入口的疏散指示標(biāo)志、疏散通道照明等，可以幫助人們快速找到疏散通道，有序安全地離開建筑物。（2）備用照明系統(tǒng)：備用照明是指在正常照明電源發(fā)生故障時，為保證正?；顒永^續(xù)進(jìn)行時而設(shè)的應(yīng)急照明部分，比如消防控制室、應(yīng)急發(fā)電機(jī)房和配電室等。這些措施可以使消防人員在災(zāi)害發(fā)生后保持良好的視覺環(huán)境，提高滅火和救援的效率。（3）安全照明系統(tǒng)：在正常電源發(fā)生故障時，為確保處于潛在危險中人員的安全而設(shè)的應(yīng)急照明部分，如醫(yī)院手術(shù)室，消防電梯等。在設(shè)計照明系統(tǒng)時，選擇不需要電力供應(yīng)的照明裝置，例如夜光燈等，或者使用太陽能等可再生能源為照明系統(tǒng)供電，以確保在電力中斷的情況下仍能提供照明。采用特殊的布線方式對照明系統(tǒng)中的導(dǎo)線進(jìn)行敷設(shè)，以避免其他線路的干擾，保證照明系統(tǒng)的正常工作。超高層建筑的燈光系統(tǒng)設(shè)計需要考慮火災(zāi)應(yīng)急照明的應(yīng)用，通過合理規(guī)劃疏散照明、備用照明和安全照明，為人員撤離提供明確的指引，并為消防救援提供必要的照明支持。同時，應(yīng)考慮使用不需要電力供應(yīng)或可再生能源供電的裝置，并采取特殊布線方式確保照明系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。這樣能夠提高超高層建筑的消防安全水平，降低火災(zāi)風(fēng)險。

3.6 屋頂停機(jī)坪設(shè)計

高樓火災(zāi)蔓延迅速，所以從高處進(jìn)行偵查十分必要。直升飛機(jī)能在最短的時間內(nèi)趕到火災(zāi)現(xiàn)場，充分發(fā)揮空中的優(yōu)勢，準(zhǔn)確地找到起火點(diǎn)，判斷出燃燒物體的性質(zhì)，觀察人員的逃生過程，并將相關(guān)的信息反饋給消防指揮部。從而為消防救援隊伍的合理配置提供了科學(xué)的依據(jù)。一旦遇到緊急情況，這架直升飛機(jī)就能起到“天空救火車”的作用。另外一個很重要的作用就是用來救人。如果是在高處，火災(zāi)發(fā)生時，下方的出口會被輕易地截斷，人們會選擇逃到天臺上。如果樓頂有合適的地方，可以讓直升機(jī)降落，把被困的人救出來。如果地勢較高，無法降落，則可放下繩梯進(jìn)行營救。對于建筑高度大于250 米或者高度大于100 米且標(biāo)準(zhǔn)樓層2000 平方米以上的工業(yè)與民用建筑，應(yīng)當(dāng)在樓頂設(shè)有直升飛機(jī)停機(jī)坪，并滿足以下要求：（1）位于樓頂平臺的停機(jī)坪，與設(shè)備機(jī)房、電梯機(jī)房、水箱室、共用天線等突出物之間的距離，不應(yīng)少于5 米。（2）出口不得少于2 個，且每一個出口的寬度不能低于0.90 米。（3）消防栓應(yīng)該安裝在停機(jī)坪上合適的地方。（4）四周應(yīng)設(shè)航障燈光及應(yīng)急照明。

3.7 玻璃幕墻防火設(shè)計

圖2 玻璃幕墻

玻璃幕墻因外觀的整體性和整體的美觀度，得到了廣泛的使用。目前國內(nèi)外對其防火設(shè)計的研究主要集中在鋼材及鋁合金型材耐火方面，主要集中在300～400℃，當(dāng)溫度達(dá)到600℃時，鋼材的強(qiáng)度會降低，600℃就會失效；同時，鋁合金構(gòu)件的抗火性能更差，在250～300℃范圍內(nèi)，容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形，導(dǎo)致構(gòu)件失效。盡管現(xiàn)有的玻璃幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中都考慮到了溫度突變時，由于玻璃與鋁合金在溫差作用下的形變與膨脹不一致而產(chǎn)生“冷橋”，但其最大允許的溫差只有-40℃到+50℃。在建筑內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)時，由于輻射熱量和高溫?zé)煔獾墓餐饔茫沟媒ㄖ?nèi)部的溫度變幅遠(yuǎn)超50℃，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的熱膨脹變形，從而導(dǎo)致玻璃的破裂和脫落。隱框玻璃幕墻的玻璃是用硅硐膠和橡膠和鋁合金框架膠合而成，而硅洞膠的耐熱等級僅為200℃，200℃以上膠的效果就會改變，結(jié)合力下降還會導(dǎo)致玻璃脫落。在火災(zāi)時，高溫?zé)煔夂洼椛錈釙?dǎo)致幕墻的溫度迅速升高，往往還沒來得及撤離，幕墻就已經(jīng)達(dá)到了結(jié)構(gòu)的極限，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，大量的玻璃碎塊從外墻上脫落下來。所以，在設(shè)計玻璃幕墻的公共高層建筑，必須在出入口上方設(shè)置挑檐[6]。

安裝玻璃幕墻時，必須遵循以下要求：（1）窗間墻和窗檻墻使用A 級防火材料。（2）無窗間墻及窗檻墻之玻璃幕墻，其各樓層之外墻，應(yīng)采用A 及防火材料進(jìn)行封堵，其耐火完整性不低于1.0 小時，耐火極限極限不低于2.00 小時，其高度不得小于0.80 米（設(shè)自動滅火設(shè)施的前提下）。（3）不同防火分區(qū)玻璃幕墻之間的間隙，應(yīng)用A 及防火材料進(jìn)行封堵。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，為了保證空間足夠大，很多家具和辦公設(shè)備都設(shè)置在幕墻附近，因此在火災(zāi)時，這些縫隙就會成為火蔓延的通道，導(dǎo)致不必要的損失。按照經(jīng)驗(yàn)，可以采用金屬板加一定厚度的防火保溫巖棉或巖棉板等方式封堵，最后進(jìn)行必要的粉刷和裝飾，達(dá)到防火的目的。

結(jié)語：

超高層建筑的防火設(shè)計是確保建筑物火災(zāi)安全的核心措施之一。通過對超高層建筑防火設(shè)計的實(shí)踐研究，探討了防火分區(qū)、火災(zāi)報警系統(tǒng)、滅火設(shè)施等關(guān)鍵要素的設(shè)計要求和技術(shù)措施，以及防火隔離帶、防火門窗、防火封堵等措施的應(yīng)用實(shí)踐。該研究為提升超高層建筑的火災(zāi)安全性提供了重要參考，同時也指出了未來發(fā)展的方向和挑戰(zhàn)。在超高層建筑的發(fā)展過程中，防火設(shè)計應(yīng)被充分重視，不斷創(chuàng)新和完善，以確保人們的生命財產(chǎn)安全。