超大空间消防设施强化方案之正文.docx
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超大空间消防设施强化方案之正文
毕业论文
学生姓名：
****学号：
0804042**
学院：
环境科学与工程学院
专业：
安全工程
题目：
超大空间消防设施强化方案
指导教师：
冉海潮（教授）
评阅教师：
孙忠强（讲师）
2012年6月
毕业论文中文摘要
某些超大空间建筑由于功能的需要一些消防设施无法按现行的消防规范进行设计，因此只能对其进行性能化设计。
本文以广州国际会议展览中心为例，针对建筑的具体情况，运用安全学知识提出性能化设计的设计目标，然后从防止火灾蔓延，提高火灾探测器灵敏度，防排烟设计等多方面进行性能化设计，提出合理的消防设施强化方案，然后通过火灾场景设定，FDS软件模拟等手段进行了火灾模拟研究，分析人员安全疏散的时间，验证该的有效性。
关键词超大空间消防设施性能化设计强化方案
毕业论文外文摘要
TitleIntensiveSchemesforOversize-space’sFire-fightingEquipment
Abstract
Somefire-fightingequipmentcan’tbedesignedbasedonthecurrentfireprotectionruleduetothebuilding’sfunction.ThisarticletakesGuangzhouInternationalConvention&ExhibitionCenterforexample.Designgoalwasestablishedbythesafetyengineeringknowledge.Thenpreventingfire’sspreadandimprovingthefiredetector’ssensitivitywasdesignedbasedperformance.Areasonableintensiveschemeforfire-fightingequipmentwasputforward.AndeffectivenessofthenewschemewasanalyzedthebysimulatingthefirescenewithFDS.Thenewschemecanprovidesimilarbuildingsreference.
KeyWordsoversize-spacefire-fightingequipmentperformance-baseddesignintensiveschemes
目录
1绪论………………………………………………………………………………………1
1.1超大空间建筑………………………………………………………………………1
1.2研究背景及意义……………………………………………………………………1
2工况概况及存在的问题………………………………………………………1
2.1工况概况……………………………………………………………………………1
2.2存在的问题…………………………………………………………………………3
3性能化设计…………………………………………………………………………5
3.1设计目标……………………………………………………………………………5
3.2设计策略……………………………………………………………………………5
4火灾设定场景……………………………………………………………………8
4.1火灾发展过程………………………………………………………………………9
4.2火灾增长系数（α）确定……………………………………………………………9
4.3热释放速率的确定…………………………………………………………………10
4.4火灾设定……………………………………………………………………………11
5安全疏散模拟……………………………………………………………………12
5.1准安全区域的拟定…………………………………………………………………12
5.2疏散出口宽度………………………………………………………………………13
5.3疏散时间……………………………………………………………………………13
5.4FDS模拟……………………………………………………………………………15
结论…………………………………………………………………………………16
致谢…………………………………………………………………………………17
参考文献………………………………………………………………………………18
1绪论
1.1超大空间建筑
有许多建筑的类别包括在了“超大空间建筑”的概念当中，比如说，其中包括了体育、交通、观演、博览建筑，这类建筑与过去的建筑比较，具有了规模大型化、技术现代化以及建筑造型非标准化的特点，这些建筑所共有的特点就是单一的大空间是建筑物实现自身功能的最主要的部分[1]。
这个共同特点就决定了超大空间的重要性，不论是在空间规模还是在功能特点经及在空间表达等各个方面上，超大空间都处于最主要的地位。
在建筑中具有辅助功能的那一些空间，尽管有的时候会数量众多，但是这些空间无论在规模、功能还是在形态判断等方面仍然要处于次要的从属地位。
能够对于超大空间建筑的概念进行明确的界定的权威性概念就是这个非常明确的主次关系。
现在生活中的一些机场候机楼、展览楼以及体育馆等公共建筑的规模一般都比较大，这些大规模建筑通常具有下面的共同特点：
这些建筑的楼层都是二层或者三层，一般层数较少；这些建筑的层楼高一般都可达到10m到16m之间甚至还有更高的，所以说它们的空间高；这些建筑物的单层楼的面积可大到2万㎡到4万㎡之间甚至还会更大，整个建筑物的面积可大到10万多平方米[2]，因此我们说这些建筑的面积大。
我们对超大空间的这类建筑进行消防设计的时候，既要达到一般公共建筑消防设计的要求，更要考虑到这类建筑的面积大、空间高以及各建筑物自身使用功能的特殊需要，所以说这类建筑的消防设计又会具有一定的特殊性和一定的难度。
1.2研究背景和意义
近些年来，随着中国经济建设的发展，超大空间建筑大量出现。
我国最新的建筑消防规范是2005年修订的《高层民用建筑设计防火规范》，该规范主要针对一些传统的建筑，因为超大空间特殊的功能需要，一些消防设计不能按照该规范设计，超出了该规范的要求。
一般超大空间场所都是公共场所，在这些场所在人员密集、流动人口的数量多，来这里的很大一部分人员对此场地的疏散路线不熟悉，这些人员更是不了解此建筑的布局及建筑的周围环境。
在发生火灾的危险情况下，来这里的人员容易惊慌失措，很可能会拥堵疏散通道的出口。
如果在防火设计上面出现问题，后果将会不堪设想。
这将会对人的生命财产安全构成严重威胁。
因此对超大空间消防设计进行强化势在必行，迫在眉睫。
2工程概况以及存在的问题
2.1工程概况
广州国际会议展览中心地处广州市区东南部琶洲岛，该会展中心完全建成后将成为了亚洲地区规模最大，在世界上仅次于德国汉诺威展览中心，居第二位[3]。
该会展中心整体规模用地面积41.5万㎡，建筑面积39.5万㎡，这个建筑物的总长是458.5㎡，总宽318.2㎡，该会展中心的大功能区主要是有6个：
第一个是展厅它包括南面和北面这两面展厅；第二个功能区是室外的展场；第三功能区是珠江散步道；第四功能区是车道；第五功能区是东入口车道；第六功能区就是包括餐厅、设备用房以及办公用房在办的其他用房。
会展中心一共有7层，其中包括架空层还有夹层在内，展厅、车库、餐厅以及设备用房都主要在架空层。
第一层和第四层是展厅以及餐厅，第二层是珠江散步道和商务用房，第三层、第五层和第六层是办公和设备用房。
会展这个建筑物的总高度是39.5m，第一层展厅的最大净高是16m，第四层的净空高度不小于8.5m。
展厅采用的展位尺度是3m×3m，这是国际上通用的最小的展位基本尺寸，设计使用的模数单元是30×30，一个大展厅单元就是90m，平面构成的各个展厅都是90m×128m的矩形形状的平面。
第一层有8个展厅，第二层有5个展厅，另外，室外还有3个展厅，这一共是有16个展厅。
展厅是一个由5个大厅连续为一体的平面展览空间，这5个大厅的组合互不相干扰，可由单个或多个灵活变化。
第一层第二层的展厅都分别再和位于中央部位贯通东西向的珠江散步道相连通着。
珠江散步道是东西方向的室内交流空间，它是由玻璃幕墙和大屋顶构成的，宽30m，长约450m，这个场所既可以提供多种多样的信息，也可以为来这里的人们提供舒适的休息环境，还可以作为主要的人流垂直、水平交通通道[3]。
图1第一层展厅防火分区划分
会展中心的两层空间一共有13个大型展厅在内，其中就有12个展厅的面积超过了10000㎡[4]。
设计者为了让使用方满足所提出的要求，把第一层的8展厅分成了8个防火分区，把第二层的5展厅分成了5个防火分区，这样，除了展厅7，其它各个分区的面积都是11000㎡（128m×86m），第一层展厅的防火分区划分示意图见图1。
2.2存在的问题
2.2.1防火分区过大
防火分区划分的主要目的是防止火灾蔓延，避免重大的人员伤亡和经济损失。
我们划分防火分区的主要目的就在于，在发生火灾的情况下，防火分区可以把火势控制在一定的范围内而不增大，这就会有利于消防人员进行扑救，从而达到减少火灾造成损失的效果。
《高层民用建筑设计防火规范》的第5.1.2条有规定：
展览厅已经装设有火灾自动报警和自动灭火系统，且采用的装修材料是不燃或难燃材料时，地上部分防火分区的允许最大建筑面积为4000平方米[5]。
但是广州国际会展这项工程的大部分标准展厅设计的面积都高达11000㎡。
从理论上讲，每个展厅至少应划分成3个防火分区，但是如果在展厅中央设置大量的防火卷闸，这些防火卷闸会严重地破坏展厅的整体性和人流的交通组织，这就会直接影响到其使用功能。
所以我们只能把每个展厅划分为一个防火分区，这样的话一个防火分区的面积就等于一个标准展厅的面积，约为11000㎡，所以这就会超出规范要求规定的4000㎡，而且由于展厅单元组合使用功能需要，我们可以在结构方面进行减柱的特殊处理，这就会使各个展馆单元之间形成无柱连接的现象而融为一体，这种空间具有很强的可塑性和灵活性，还能创造最大的可用净面积，这种面积可高达60000㎡，而且这会是一个相当完整的无柱会展空间，能够以超大的体量为展览提供无限的布展创意空间。
因此这严重超出了国家防火设计规范标准。
2.2.2疏散距离过大
《高层民用建筑设计防火规范》第6.1.7条规定：
对于高层建筑内的观众厅、展览厅、多功能厅以及餐厅、营业厅和阅览室等，这些室内的任何一点和最近的疏散出口间的直线距离不应超过30m；其他房间内最远的一点和房门之间的直线距离不宜超过15m[5]。
该工程的整个建筑群呈长方形布置，由于在设计时采取了减柱结构，因此我们无法在展厅的中间部位设立足够多的疏散楼梯。
该建筑整体形状为矩形，因此最远疏散距离点为展厅侧边线上靠近消防车道的一侧，距离疏散出口的距离达到了80m，如图2。
因此疏散距离远远超过国家标准规定的30m。
图2最远疏散距离示意图
2.2.3探测器安装高度超规
探测器是火灾自动报警系统的重要组成部分，火灾自动报警系统探测火灾隐患，肩负安全防范重任。
对于大型会展建筑，消防监控的重点和难点在于展览大厅大空间的火灾探测。
根据GB50116-2008火灾自动报警系统设计规范，对于高度超过12m的空间，常规的点型感烟探测器已经不适宜[6]。
因此该会展中心如果安装火灾探测器，其高度是超出国家规范的。
2.2.4灭火系统问题
通常而言，水系灭火方式在超大空间内好像是最合适宜的选择，但是在一些大空间中的可燃物没有集中放置，还有一些大空间一旦被水作用以后就会造成很大的损失，我们考虑到设备的有效性和可行性，大面积安装喷洒喷头会造成两种后果:
一是结构上不合理，二是作用效果受高度的影响大。
建规规定:
容量超过3000人的大空间建筑要安装自动喷水灭火设备。
实际上，我国现有的自动喷水灭火系统及喷头，一般工作高度为8m;采用快速响应早期抑制喷头，工作高度可以达到12m[7]。
因此对于高度超过12m的广州国际会展中心无法采用固定自动喷水灭火系统。
2.2.5排烟系统问题
广州国际会展中心大厅因其内敞空间高大，在防排烟设计上与其他有标准层高的建筑有很大的不同。
一直以来，让设计人员感到困扰的问题就是对于高大空间而言的排烟量确定的问题。
实际中的防排烟设计都是常规性的，在对像会展这样的大空间的排烟量进行设的时候，设计人员考虑的主要问题就是对中庭排烟量的要求。
《高层建筑防火规范》8.4.2.3规定：
中庭体积小于17000m³时，其排烟量按其体积的6次/h换气计算；中庭体积大于17000m³时，其排烟量按其体积的4次/h换气计算，但最小排烟量不应小于102000m³/h。
但是如果广州国际会展中心按照4次/h换气计算，一个展厅一个小时需要排烟720000m³，这个数值很大，很难实行，也完全没有必要。
3性能化设计
性能化设计是指根据建设工程使用功能和消防安全要求，运用消防安全工程学原理，采用先进适用的计算分析工具和方法，为建设工程消防设计提供设计参数、方案，或对建设工程消防设计方案进行综合分析评估，完成相关技术文件的工作过程。
2009年公安消防局颁布的《建设工程消防性能化设计评估应用管理暂行规定》规定可采用性能化设计评估的工程项目有：
（1）超出现行国家消防技术标准适用范围的；
（2）按照现行国家消防技术标准进行防火分隔、防烟排烟、安全疏散、建筑构件耐火等设计时，难以满足工程项目特殊使用功能的。
由于实际的需求，导致广州国际会展中心出现防火分区面积过大，疏散距离过大等问题，满足无法按照现行国家规范进行消防设计，符合《建设工程消防性能化设计评估应用管理暂行规定》，因此本文对广州国际会展中心的问题提出性能化设计。
针对新型防火系统的设计思路就是性能化设计了，这种设计方法是建立在一种更加理性条件上，首先运用消防安全工程学提出的原理和方法制定出整套的防火系统预期要达到的目标，然后再根据建筑物自身的现实状态，用一切可能用到的方法对建筑物内可能发生火灾的危害和导致后果的严重程度进行评价和预测，以设计出最好的方案和保护措施为目的[8]。
这种设计方法不是根据确定的或一成不变的模式进行设计的。
3.1设计目标
在使用广州国际会展中心这一建筑物过程中的最大特点就是人员的大量聚集和流动是其最大特点，所以，我们遵照以下的原则对该建筑进行消防性能化设计：
（1）保证人员安全。
在建筑物内部的一个火灾危险范围内发生火灾的时候，可用的安全地疏散人员所用的时间（ASET）应该大于实际需要的安全疏散时间（RSET），也就是ASET>RSET这个关系式必须成立，这样才能保证人员在相对安全的环境下进行疏散，人员生命安全才能不受到威胁。
（2）阻止火灾一直扩大和蔓延的趋势。
采取合理分隔防火的措施，以保护建筑空间的安全，减少火灾对建筑物的影响。
3.2设计策略
3.2.1防止火灾在防火分区之间蔓延
8m高的内部卡车通道将广州国际会展中心主体的第一层划分成了南北两组的大空间，南侧有5个展厅，大约有60000㎡；北侧有3个展厅，大约有26000㎡。
为了让划分好的空间既安全又美观，我们在每个展厅之间安装8m高的不锈钢防火卷帘门，在两个展厅之间的4m人行通道一侧，我们还布置30m一组的雨淋式喷头，这些喷头就在卷闸一侧，在发生火灾的情况下，喷水系统可以选择性地对火源附近卷闸的喷射进行加强，这样就会降低卷闸的温度从而达到了阻止火势漫延的作用，同时安装局部喷射设备也会减少消防的用水量从而会节省对消防设备的投入。
防火卷帘布置见图3。
图3防火卷帘位置
3.2.2探测器设计
按设备对现场信息采集原理，探测器的分类为：
离子型探测器、光电型探测器、线性探测器。
按设备在现场的安装方式分为：
点式探测器，缆式探测器，红外光束探测器。
广州国际会展中心展览的展品一般为布料，木制品等，这些展品发生产生的火为明火。
烟、温度和特殊气体的传播需要时间，对于高大的广州国际会展中心点型火灾感烟探测器已不适用。
而火焰探测器在火灾发生之初即可探测到火灾的发生，最灵敏，所以选择红外火焰探测器。
广州国际会展中心可以采用适合超大空间的先进红外火灾探测器：
双波段图像火灾探测器（简称双波段探测器）。
双波段探测器是一种智能探测火灾的设备，它具有探测火焰的功能，能大空间和其他的特殊空间都可以用它。
这个探测器的系统有多个模式，这些模式都可以识别火灾，可靠性高，最大探测距离为超过100米，而且定位精度高，100m距离处的定位误差不超过3.6m，可以实现火灾的早期准确探测[9]。
表2双波段探测器技术指标
组别
1
2
3
4
最大探测距离（m）
30
60
80
100
保护角度（H*V）
60°×50°
42°×32°
32°×24°
22°×17°
下面以探测距离为30m的第一组数据进行计算举例，探测器的安装高度为h=15m
（1）根据角度计算为：
纵向间距a1=30×sin60°≈26m
横向间距b=30×sin50°≈23m
（2）根据勾股定理，探测器之间的距离应该为：
a2=（30×30-15×15）1/2≈26m
探测器之间的距离应该以最小间距为准。
因为a1=a2，所以最大纵向间距为amax=26m，因为b由于展厅的面积为128×90，
所以所需探测器的个数计算如下：
n1=128÷26≈4.9
n2=90÷23≈3.9
为了满足规范，n1取5，n2取4，因此所需探测器的个数为4×5=20。
同理计算出其它三组的探测器间距和个数，如下表
表3探测器间距和个数
组别
1
2
3
4
最大横向间距
23
31
32
29
最大纵向间距
26
40
42
37
标准展厅需要个数
20
12
12
16
考虑成本问题，应该以布置探测头个数最少为准，通过对比第2组和第3组所需个数最少，由于第三组的最大横向间距和最大纵向间距大，因此第3组更安全，所以选择第3组布置探测器。
探测器在防火分区1的布置图如图4。
图4防火分区1探测器布置图
3.2.3灭火设计
灭火的实效性和经济性一直在大空间建筑的消防系统中是非常突出的重点。
近年来广泛应用的自动消防炮系统可替代水喷淋系统，大大提高灭火效果，同时保证建筑物的整体美观。
在火灾自动报警以后会对着火空间进行定位，之后的系统会控制着消防炮进行定点地扑救，这个过程是完全自动的。
自动消防炮的最大射程可达50m以上，可以很好地解决大空间自动灭火难的问题。
自动消防炮只会冲着火范围进行灭火，不会对没有火灾的范围产生影响或只是产生很小的影响，这绝对会减少扑火救灾过程中造成的损失。
在广州国际会展中心周围设置消防水炮灭火系统，设计流量按40L/s，火灾延续时间为1h。
消防水炮系统采用稳高压给水系统，独立供水管网。
自动消防炮与双波段探测器或光截面探测器联动，进行空间自动定位并锁定火源点，自动启动电动阀喷射灭火，也可以采用远程手动灭火和现场手动灭火。
消防水炮工作压力为0.80MPa，布置保证任何着火点同时有2门水炮的水射流到达。
消防水炮可以具备雾柱转化功能，起到高效灭火、控火和不伤害人员的作用。
3.2.4防排烟设计
第一层展厅侧面高于8米的部分设置玻璃窗，第二层展厅侧面也设置玻璃窗，第一层和第二层8米之内的部分设置防火玻璃，上部设置自动排烟窗。
如果发生危险火灾，展厅两侧防火卷闸自动降至1.60～1.80m处，烟气将沿卷闸及侧壁向上蔓延引发自动报警系统启动，此时两侧上空的自然排烟窗（开口面积占每个展厅面积2％）开始打开，并在180s内完全张开，有利于降低展厅内的烟气浓度、热辐射强度、对流热强度及烟气的毒性含量，保证人员高度（2.1m）以下的能见度，从而使人员可以安全地疏散。
同时，由于会展大厅类似一个巨大的蓄烟舱，在火灾初期可以容纳大量烟气而不致威胁人员的安全，这也是要考虑的重要因素。
蓄烟区示意图如图5。
图5蓄烟区示意图
4火灾设定场景
在不同的场景下发生的火灾也是完不一样的。
我们在进行性能化防火评估定量计算的过程中需要在一定的基础上进行，火灾场景的设定就是我们所需要的这个基础。
设定火灾场景的目的就是一种基于语言对火灾的发展过程进行描述，它能在很大程度上对烟气运动模拟产生影响，它还会影响到我们对人员进行疏散的过程。
我们在进行性能化防火评估的过程中需要了解到一些和火灾相关的参数变化情况，这时我们通常会用火灾模型对建筑内可能会发生火灾的场景进行模拟。
然后再对现有的消防安全条件进行评价，看它们是否能够满足规范要求或是否需要完善和优化相关措施达到一定的安全目标。
影响火灾发展的基本因素是火灾热释放速率，热翻译速率是不断变化的，它的变化规律是定量分析火灾过程的基础。
4.1火灾发展过程
火灾的发展在一般的情况下主要包括火灾的发展过程包括阴燃、增长、充分发展、衰退到熄灭这些阶段。
燃烧物质都有自身的燃烧特性，根据各种物质的特性，阴燃持续的时间长短不一，会有数量一直增多的可燃物在增长阶段参与燃烧进程，这一阶段中火灾的热释放率也会一直加大，火灾在进入充分发展阶段以后的热释放率大致是保持平稳的状态，其中燃烧的数量和性质和通风条件都是影响最大的热释放率的因素。
燃料的数量在经过充分发展阶段以后会减少，火灾的强度也会慢慢地减弱，火灾在燃料耗尽以后就会熄灭。
进行性能化评价的过程中画火灾热释放率的关系曲线时，我们主要考虑火灾增长阶段和充分发展阶段。
实际中发生火灾的热释放率是跟随着时间而不断变化的，国外学者做过的许多实验表明，很多种物品从开始点火发展到充分燃烧的阶段这一过程中，热释放速率基本是按时间的指数进行有规律的增长。
所以，通常会采用t2特征火灾模型[10]对非稳态火灾热释放速率的变化情况进行描述，这种变化是随时间而变化的，如式
（1）。
（1）
方程中的Q代表着热释放速率（kW）；α代表的是火灾的增长系数（kW/s2）；t代表的是火灾从点火以后持续的时间（s），t0代表的是阴燃阶段持续的时间（s），我们在计算的过程中一般不会考虑火灾阴燃阶段持续的时间，只是考虑火灾达到增长阶段以后的发展情况，所以我们可取t0=0。
4.2火灾增长系数（α）确定
4.2.1直接选用经验值
美国消防协会标准NFPA中定义了四种标准的t2火灾，这种定义是根据α的值确定的，这四种火灾有：
慢速火、中速火、快速火和超快速火[11~13]。
见表4。
本工程展厅中可燃物比较复杂，如塑料制品、木制品、纤维制品、汽车等，比较表4.1，初步选用快速t平方火来模拟可能发生的火灾，此时火灾增长系数为0.04687kW/s2。
表4火灾增长系数（α）
火灾类别
典型的可燃材料
α（kW/s2）
Q达到1MW的时间（s）
慢速火
粗木条、厚木板制成的家具
0.0029
600
中速火
棉质/聚酯垫子
0.012
300
快速火
塑料、木质货架托盘、泡沫塑料
0.04687
150
超快速火
池火、快速燃烧的癫狂家具、轻质窗帘
0.187
75
4.2.2依据火灾荷载密度计算
一般而言，有两种火灾荷载，一种是燃烧是不
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