会展中心防火分区

某大型国际会展中心防火分区划分可行性分析 阚强 1 ， 姜明理 2 ， 罗宗军 2 （1.中国矿业大学，江苏 徐州 221008；2.公安部天津消防研究所，天津 300381） 摘要：某大型国际会展中心若采用传统防火分区划分方法将无法保证建筑的使用功能， 因此拟采用“防火分隔带” 的方法进行分区。但是该防火设计与我国现行建筑防火不 相适应。为论证该特殊分区方法的可行性，利用 CFAST 火灾模拟软件对建筑进行火灾模拟分 析。模拟结果表明该分区方法理论上是可行的。 关键词：防火分区；大空间建筑；火灾模拟； 1 引言 近年来我国众多大中型城市为完善城市功能，推动和促进当地的经济发展，相继开工建 设了许多大型会议展览中心。作为一种现代化的大型公共建筑，为使建筑造型空间满足高大、 空阔、舒适的使用要求，会展中心比其它建筑更加追求视觉上的通透性，而且技术更加现代 化、规模更加大型化。但随之而来的就是一系列的设计难，例如在防火设计中许多方面很 难满足我国现行规范的要求。 随着火灾模化技术的不断发展，采用一些比较成熟的火灾模拟软件对建筑进行火灾模拟 分析，进而指导防火设计是一个可行的方法。 2 工程概述 该国际会展中心是该市重点工程，工程用地面积 53000m2，总建筑面积 138662.03m2。建 筑设计采用了高举架开敞式展示厅，视线无阻碍设计。 会展中心一层共分为四个展厅（即 I、II、III、IV 号），其面积和高度见下表 表 1 会展中心一层各展厅面积和高度 一层展示厅 I II III IV 展示厅面积/m2 1863 3637.5 6247 7896.8 展示厅高度 /m 40 22 22 22 在设计中，该建筑的防火分区的划分是个比较突出的难题。如果采用防火墙的方式划分 防火分区，则失去了大空间及开敞的视觉效果，违背了建此建筑的初衷，且技术上很难实现； 如果采用防火卷帘划分防火分区，则卷帘自重量过大，且机械性能、能耗等均存在一定问题； 如果本工程采用防火水幕划分防火分区，其消防水量将达上万立方米，这显然是不经济的， 且高度较高，效果将会受到一定影响。 根据初步设计，该建筑拟采用防火带（缓冲带）的方法划分防火分区，即在展厅内设置 9M 宽的通道，在具体布置展位时避开这个通道，保证通道上没有可燃物，利用这个通道把 展厅分割成若干防火区域，并采用有效的防烟措施阻挡防火带一侧的烟火向另一侧蔓延，从 而在空间上形成一个无形的防火分隔区域。 防火带的设置是否可行，在挡烟垂壁和机械排烟系统的配合下能否有效阻止一个防火分 隔区域内的烟气向另一个区域蔓延，下面就此问题借助火灾模拟软件 CFAST 进行分析讨论。 3 工程分析 3.1火灾危险性分析 3.1.1危险源辨识 火灾危险源分析就是利用一定方法辨识出建筑内可能导致火灾的重大危险源，为火灾场 景设计、火灾烟气运动与控制、火灾蔓延评估以及火灾探测系统评估等后续工作提供可靠的 依据[1]。由于本展厅尚未正式投入使用，展厅内的物品种类、布置状况还没有确定，因此可 以通过参照已有类似的会展中心，利用系统分析法进行危险源识别[2]。图 1为该会展中心火 灾因果分析图。 图 1 展厅危险源辨识 展示厅内的可燃物众多，不仅有可燃的展览物品、宣传材料、电气电缆，而且展厅的装 饰材料等都是潜在的火灾危险源。由于展厅内展品不可确定，而且不同展品的热值相差很大， 因此很难给出展厅准确的火灾荷载。澳大利亚《消防工程指南》统计显示展示家具及装饰的 展厅的火灾荷载约为 500 MJ/m2，而根据初步设计，该会展中心内部每个展厅还将分隔成若 干个展位，这与一些服装商店和商务办公室十分类似。统计显示该类场所火灾荷载可以达到 600-800 MJ/m2。因此展厅的危险性是比较大的。 3.1.2起火部位 会展中心中各展厅分隔成一个个小的展位，若干个展位列组成较大的展位聚集区，区内 展位列之间的通道宽 3m，各区之间的人行通道宽度为 9m，其中各区之间的通道起防火隔 离带和展示厅内主疏散通道的作用。因此，各展示厅的整个平面被分隔成两个大的展位区， 每个展位列由 30个展位两两并排组成。本文以 IV展厅为例，平面简图见图 2。 由于展位内的火灾荷载具有较大的不确定性，因此我们保守地认为每个展位发生火灾的 危险性基本一致，火灾发生的概率也基本上处处相同。为预测起火部位对火灾蔓延扩大及对 人员消防安全疏散的影响，通过分析比较多个最有可能产生较严重后果或对火灾蔓延贡献较 大的部位，本文确定以展厅内三个展位列为例考察火灾蔓延的方式，并以下述三个较具有典 型性的起火部位为代表进行分析预测和比较： 1) 中间列中处于中央的展位起火（部位一）； 2) 紧邻 9 m通道的展位列中处于中央的展位起火（部位二）； 3) 中间列紧邻 9m通道的展位起火（部位三）。 该三处位置如下图所示。 图 2 一层 IV 展厅平面简图 3.2火灾场景分析 3.2.1火灾增长 本文以图 2中部位二为例进行火灾增长分析，因为该着火部位不仅与另一个展区相邻最 近，而且对人员疏散影响较大。由于目前展览空间火灾的相关研究和试验还很少，而且该展 览厅内火灾荷载非常的不确定，我们采用美国商务部与技术研究院（NIST）曾做过的 一系列办公家具组合单元的火灾试验作为本展厅火灾发展状况的基础。试验中的办公家具组 合单元包括两面办公单元的分隔板（由包玻璃纤维的硬质纤维板和金属框架组成）、组合书 架、软垫塑料椅、高密度层压板办公桌以及一台电脑，还有 98 kg纸张和记事本等纸制品。 下图是试验所得到的火灾热释放速率曲线，在后面的分析中将以此曲线为基础进行火灾蔓延 分析[3]。 图 3 单个办公家具组合单元热释放速率-时间变化关系 根据火灾动力学原理，距火源中心距离为 R 处所接收到的火源辐射热流量和火源热释 放速率的关系可见下式[4]： 2 1 12 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ′′= q QR & & π ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ （1） 9m 9m 9m 部位一 部位二 部位三 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 时间/s 热 释 放 速 率 /k w 式中：Q&－火源热释放速率，kW； R－距火源中心的距离，m； q& ′′ －受辐射作用引燃可燃物的最小热流量，假定展厅内展出的物品为一般可燃 物品，q& ′′ 取 20 kW/m2。 图 2中 A～I系列表示的是火灾后火灾在展位列中的蔓延的顺序。图中展位 A为火源， 向四周发展蔓延，利用公式计算各展位组相继起火的时间，然后根据起火前后进行火灾热释 放速率叠加得出部位二发生火灾时的火灾热释放速率曲线。而在消防安全工程界常用一种简 化的处理方法：对于大部分的有焰火灾（可燃液体除外），火灾的热量释放速率与时间的平 方成正比，即： 2tQ α=& ，其中，Q&为火灾热释放速率， t为火灾发展时间，α为火灾增 长系数。美国消防协会标准 NFPA 204M《排烟标准（Standard of Smoke and Heat Venting）》 (2002年)中根据α的值定义了四种标准 2t 火灾，即慢速火、中等火、快速火和超快速火[5]。 通过与 T方火对比发现，部位二发生火灾时的火灾初期发展与快速 T方火类似，请见图 4。 图 4 部位 2火灾热释放速率曲线 图 5 最大火灾热释放速率 与快速 T方火热释放速率曲线对比 在消防安全工程实践中常将灭火系统对火灾发展的作用处理为：当灭火系统启动一定时 间后，火灾热释放速率将不再增加，并维持在一定合理的时间后逐渐衰减。根据设计，本展 览厅将设置自动水炮，从安全角度考虑，本文认为火灾热释放速率在到达最高点后保持在这 个位置而不衰减，直到模拟结束。通过分析，我们得到在有自动水炮控制下的最大火灾热释 放速率确定为 3MW；但是，这里存在很多的不确定因素，导致可能存在自动水炮失效的情 况，在这种情况下，本文认为，应当以消防队员参与灭火时（15 分钟）的火灾热释放速率 作为最高火灾热释放速率，并维持到模拟结束，经过分析，这个高度为 38MW。见图 5。 采用公式 1 可以计算得到火灾蔓延到相隔 9m 的另一个展区的火灾热释放速率为 80MW，无论是在自动水炮的控制下，还是在消防队员的灭火控制下，火灾热释放速率都不 可能达到这个高度，因此认为火灾不会蔓延到相邻的展区内。 这里还存在一个控制火灾因素，就是通风条件，如果建筑空间狭小，空气来源不足，空 间内发生的火灾是由通风控制燃烧的，如果空间比较大，空气来源充足，空间内发生的火灾 是由燃料控制燃烧的。由于本建筑属于高大空间，展示厅可供给足够的新鲜空气，因此，展 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 0 300 600 900 1200 1500 1800 时间/s 热 释 放 速 率 /k W 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 0 1000 2000 3000 4000 5000 时间/s 热 释 放 速 率 /k w α=0.0469 示厅内的火灾可以认为是按照稳定的燃料控制型火灾发展。 根据设计，展位区之间的防火隔离带中心上部将设置挡烟垂壁，在挡烟垂壁附近（或展 厅内按规范要求）设置机械排烟装置，一层展示厅内的自动喷水灭火系统采用自动消防水炮 灭火系统。机械排烟装置将在火灾自动报警系统探测到火灾后启动。根据前述分析以及设计 和当地条件输入到模拟软件 CFAST里进行计算，经过计算最后确定合理的机械排烟量 为 150m3/s。经过对该建筑的火灾场景分析，我们总结了以下四种火灾场景，分别是：1) 单 个展位有自动喷水灭火系统失效的 2t 快速火；2) 单个展位排烟系统失效的 2t 快速火；3) 单 个展位自动喷水灭火系统和排烟系统都失效的 2t 快速火；4) 单个展位自动喷水灭火系统和 排烟系统都有效的 2t 快速火。 3.2.2烟气流动状态预测 本报告利用计算机应用评估软件 CFAST对该展示厅内火灾产生的烟气高度及火场环境 进行了分析计算。模拟计算结果见图 6、7，图中四条曲线分别代表上述四种火灾场景。 图 6 一层Ⅳ展示厅发生火灾时烟气层高度和温度随时间变化曲线 图 7 一层Ⅳ展示厅发生火灾时空气层温度以及 CO 浓度随时间变化曲线 3.2.3结果分析 计算结果表明，展示厅内设置消防水炮和排烟量为 150m3/s的排烟风机，并且在各展示 厅之间的顶棚下加设 6m高的挡烟垂壁，发生火灾后，展示厅内的烟气层高度在火灾发生后 16.2min前将一直保持在 16m以上，挡烟垂壁能够将火灾烟气限制在一个展示厅内，且烟气 层高度、温度以及火灾产生的毒性气体浓度均能被控制在保证人员生命安全的范围内。利用 同样的方法，对不同着火部位和其它各展厅进行了火灾模拟分析，所得出的结论基本一致。 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0 300 600 900 1200 1500 1800 时间/s 烟 气 层 高 度 /m 水烟系统都无 烟气/150 只有水系统 水、烟/150 0 20 40 60 80 100 120 0 300 600 900 1200 1500 1800 时间/s 烟 气 层 温 度 /℃ 水烟系统都无 烟气/150 只有水系统 水、烟/150 20 25 30 35 40 45 0 300 600 900 1200 1500 1800 时间/s 空 气 层 温 度 /℃ 水烟系统都无 烟气/150 只有水系统 水、烟/150 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 300 600 900 1200 1500 1800 时间/s CO 浓 度 /p pm 水烟系统都无 烟气/150 只有水系统 水、烟/150 因此可以认为，采用“防火分隔带”对展厅进行特殊防火分区的划分能够满足防火功能要求。 4 结束语 随着我国各类大型建筑的不断涌现，防火设计方面的问题也将层出不穷。采用防火带（缓 冲带）的方法划分防火分区是一种新的尝试和探索。但需要说明的是，由于利用计算机进行 火灾模拟分析还存在诸多不确定因素，因此该防火分区划分方法是否科学合理、行之有效， 还需在实践中接受进一步检验。 参考文献 [1]褚冠全，孙金华﹒性能化防火设计中的火灾危险源分析及设定火灾[J]﹒火灾科学，2004(2) [2]防火[M]﹒上海：上海科学技术出版社，1992 [3]王志刚，倪照鹏等﹒设计火灾时热释放速率曲线的确定[J]﹒建筑物性能化防火设计方法 与评估技术研讨会论文集，2003 [4] NFPA 92B, Guide for smoke movement system in malls,atria and large area. Quancy, Mass National Fire Protection Association,1995. [5] NFPA 204, Standard for Smoke and Heat Venting.2002 Edition. Practicability analysis of the fire compartmentation in an international exhibition center KAN QIANG, JIANG MING-li China University of Mining and Technology, 221008 Tianjin Fire Research Institute, Tianjin, 300381 Abstract: An international exhibition center could not maintain the use function if it was compartmentalized based on the traditional code. So it was planed to be compartmentalized by “discontinuity of combustible material”. But this method can’t accord with China fire code . CFAST fire model was used to simulate the fire conditions of the center so as to demonstrate the practicability of the special compartmentation method. The result shows the method is practicable in theory. Key words: fire compartmentation; large-space building; fire simulation; 作者简介：阚强（1980—），男，江苏淮安人，中国矿业大学安全技术及工程专业硕士研究 生，主要从事建筑火灾风险分析和评估的研究，江苏省徐州市，221008