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高大空间防排烟性能化设计典型简要
2017-03-28 15:29:33  作者:  来源:中国设计师网  
  •   本文针对高大空间建筑共同特点,对于防排烟性能化设计要点,以重大工程实例进行分析解读, 阐述性能化设计的必要性、可行性、模拟性。介绍了观众厅机械排烟、展厅自然排烟、步行街三阶梯机械排烟、冰雪世界排烟等特例的设计步骤,通过模拟实验,定性定量分析、计算理论推断, 提供了性能化参数的确定要领及计算公式,得出各种性能化设计方案可行的结论。
  1 引言

  通过对近年长沙一些重大工程消防性能化设计审查,结合专业综合要点,依照实例谈谈认识。

  表1 近年长沙一些重大工程消防性能化设计审查

  重大工程共同特点:

  (1)多功能、高大空间建筑;

  (2)超规范、防范要求面广(防火分区超大、疏散距离超长、分流通道不畅、排烟量过大、气流组织复杂等),现行《 建筑设计防火规范》GB50016-2014(简“新建规”)、参考《 建筑设计防火规范》GB50016-2006(简“老建规”))和《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-2005(简“高规”);

  (3)需经建筑消防性能化分析设计:模拟实验、理论计算,综合归纳、决策方案。

  针对所列工程,主要介绍两个部分:

  (1)性能化设计目标、意义、概念;

  (2)定性定量分析特例:①影剧院观众厅(人员密集)—机械排烟;②展厅(可燃物多)—自然排烟;③步行街(人流汇聚)—三阶梯机械排烟;④冰雪世界(保温密封)—排烟。

  2 性能化设计目标、意义、概念

  2.1 目标——必要性

  (1)保证人员安全——确保发生火灾时,所有现场人员能够疏散到安全地带。

  (2)保证财产安全——降低起火的可能性,控制火灾规模及其蔓延区域,尽量减少财产损失。同时预示,这是建筑的生存大计、设计者的执业使命。

  2.2 意义——可行性

  (1)规范依据

  定性工程范围标准,定量技术参数——防火及防烟分区面积、各区域防排烟量等。如:

  《剧场建筑设计规范》JGJ 57-2000中,10.2.17观众厅闷顶或侧墙上部应设通风和排烟装置;

  《电影院建筑设计规范》JGJ58—2008中,6.1.9 面积大于100m2的地上观众厅和面积大于50m2的地下观众厅应设置机械排烟设施。

  观众厅属于无窗房间,根据“高规”中庭的排烟量计算方法,考虑到观众厅净高比中庭低,人员密集,且由于有座椅的障碍,火灾时人员疏散较困难。因此,建议观众厅以 13次/h或 90m3/(m2·h)换气标准计算,两者取其大者。

  (2)检验手段

  超规工程套用规范的合理性及可靠性。如 :

  某超规建筑中庭采取对比法确定排烟量,按6次/h换起次数计算排烟量为25万,其烟气层可达6m。若根据烟羽流计算排烟量为15万m3/h,其烟气层最低为3m;为安全起见,取大值。

  (3)设计措施

  针对超规建筑的防排烟措施。如:

  即将颁布《建筑防烟排烟系统技术规范》 GBxxxx-2015中提到,除本规范规定的场所外,其他场所的排烟量或排烟窗面积应按照烟羽流类型,根据火灾功率、清晰高度、烟羽流质量流量及烟羽流温度等参数计算确定。并在相应条款中介绍了自然和机械排烟的计算公式,说明性能化设计已渗入到常规设计中。

  2.3 概念——模拟性

  针对超出现行规范工程中的特殊区域,模拟相似比例的火灾现场,定性定量分析;通过模拟计算理论推断,得出相应的技术措施,为实际工程设计提供可靠、可行的理论依据。即,通过火灾动力学模拟软件,设定危险状态判定标准,得出烟气高层、对流热、热辐射、能见度、一氧化碳浓度,来确定安全疏散性能参数的极限值。例如:

  表2 安全疏散性能参数的极限值

  其他相关技术要领,后续简述。

  3 定性定量分析特例

  3.1 梅溪湖国际文化艺术中心_大剧院观众厅机械排烟

长沙梅溪湖国际文化艺术中心——大剧院

首层观众厅烟气蔓延1800s模拟图

  大剧院建筑面积为47887m2,建筑最高点52.12m,主要包括一个1800座的特大型剧场,防火分区面积为4538m2,大于在消防灭火条件下(1500x2)m2“新建规”的限定条件。其观众厅贯穿各层观众席、池座静压箱、乐池区域、天花内部灯光桥等通道,难以按照相应规定进行防火分隔。所以,该场所为消防重点及难点。

  在性能化设计方案中,鉴于观众厅楼座距离吊顶较近,容易受到烟气的影响。所以,增加观众厅内的机械排烟量,按13次/h计算为 (24x104)m3/h,同时进行不小于排烟量50%的机械补风。

  该性能化分析设计步骤:

  首先,通过模拟29处火灾场景设置、火灾危险性、火灾荷载、火源位置12个部位确定、火灾增长速率、火灾最大热释放速率等,一系列针对性的分析;

  其次,进行烟气运动与蔓延模拟分析,运用模拟软件、物理模型、条件输入、确定可用疏散时间及其主要影响参数、计算结果与分析;

  最后,对空间排烟量验证结论:观众厅发生火灾时,在2.2MW的火源功率下,烟气在热浮力作用下向上蔓延,其上层区域易出现危险状况。在模拟时间1800s内,各层观众活动地面2m高处温度、CO2浓度、能见度均未达到危险状态。当机械排烟系统有效时,不管自动灭火系统有效或无效,可用疏散时间均不低于 30min,说明排烟量设计合理,能为受灾人员提供较长时间的安全疏散环境。

  3.2长沙市国际会展中心_单层展厅自然排烟

长沙市国际会展中心

建设中的单层展厅——2016.11.14摄于现场

  该建筑单层展厅室内最高点33.2m,最低点19.7m,为大空间结构,属于多层建筑。因功能需要和结

  构特殊形式,难以按现行规范进行防火分隔,每个展厅作为一个防火分区,面积达14687m2,大于10000m2“新建规”相关规定。

  3.2.1自然排烟问题

  本工程拟采用自然排烟方式,在展厅屋面及周边设置可开启的电动排烟窗,当发生火灾时,通过远程控制或消防中心控制开启电动排烟窗,根据“老建规”的规定,自然排烟口的净面积宜取建筑面积的

  2%~5%,初步考虑取值2.5%。自然排烟主要是利用热烟气的浮力作为动力,随着烟气的不断上升,烟气的温度逐渐降低,对于如此高大的展厅,在自然排烟过程中是否出现“层化现象”(烟气层稳定高度)或“热障效应”(阻隔烟羽流上升的热空气层),严重影响到自然排烟的排烟效果,以及其自然排烟的开窗面积能否满足消防安全的需要,需要进行分析论证。

  3.2.2性能化防火分析

  (1) 根据美国《 SFPE 消防工程手册》(2002年第三版,简称“美国手册”)中公式,计算火羽流高度、火,羽流中心线速度以及火羽流能够达到的最大高度等参数,判定火灾烟气能否通过自然排烟口排出;

  (2)利用英国防火设计规范中自燃排烟口面积计算公式,对自然排烟口的面积进行计算,以进行比较分析;

  (3)利用 FDS 模拟软件,对火灾时烟气蔓延过程进行计算分析,得到在自然排烟系统控制条件下的烟气危险来临时间,与人员疏散完毕时间进行对比。

  3.2.3计算排烟相关参数

  设计方案中,每个展厅在屋面和较高一侧墙体设置自然排烟窗,开窗总面积为360m2,展厅净面积为 13785m2,自然排烟口面积占展厅面积的2.61%。

  (1)排烟口面积计算公式

  英国防火设计规范中自然排烟口面积计算公式被上海市工程建设规范《 民用建筑防排烟技术规程》(DGJ08-88-2006)(简称“规程”)所采用,公式如下:

  (2)质量产烟量

  烟羽流的质量流量由可燃物的质量损失速率、燃烧所需的空气量、上升过程中卷吸的空气量三部分组成。在火灾规模一定的条件下,前两个参数是一定的。因此,一定高度上羽流的质量流量主要取决于羽流对周围空气的卷吸能力。火灾发生在不同的位置会形成不同形状的羽流,常见的羽流形式有轴对称烟羽流、墙烟羽流和角烟羽流。本报告设计火场场景中,火源位于展厅展位等部位,属于轴对称烟羽流,其产烟量最大,计算得到的排烟量更为保守。所以,本设计在计算产烟量时采用轴对称烟羽流。

轴对称烟羽流模型示意图

  3.2.4 自然排烟驱动力分析

  对于大空间的烟气控制系统设计,需要考虑是否产生热障效应。由于外部高温环境和内部空调系统的影响,有时建筑物内会形成热障效应,如“大空间热障效应示意图”所示。

大空间热障效应示意图

  如果在空间内形成自下而上温度升高的温度梯度场, 使环境空气存在温度分层现象,上部形成的一定厚度的热空气层,可能会阻止温度不高的烟气浮升,即由于太阳辐射热会使建筑内靠近顶棚空气升温,高于靠近地面空气温度,将影响火羽流的上升,从而影响顶棚自然排烟口的实际排烟效果。

羽流中心线速度随距离火源高度的变化图

  综上表明:该建筑可以利用在顶部和侧部开启自然排烟窗的方式进行有效排烟。

  3.3 长沙梅溪湖国际广场——步行街三级排烟系统

  本项目为城市商业综合体,总建筑面积651500.37m2 ,建筑高度219.75m。其购物中心采用室内步行街形式,由若干个大小不一的中空结构组成,实属超高大空间建筑。现行国家消防技术标准未对此类大型室内步行街防火设计进行规定。

  3.3.1 设计难点

  (1)因建筑效果及使用功能的需要,步行街一层至三层相连通,各层建筑面积面积叠加后达31090m2。室内步行街部分无法按现行规范设置防火卷帘或者防火墙进行防火分隔。

  (2)建筑平面尺寸大,南北跨度最大约为110m,东西跨度最大约为330m,室内步行街的中部疏散楼梯首层不能直通室外,人员需通过公共区域到达室外,且最不利点人员疏散距离达57m。

  3.3.2 排烟系统

  针对步行街区域,本项目经过性能化分析(系列过程略),提出优化设计方案,商业室内步行街设置“三级排烟”:

  (1)步行街两侧各店铺内设置机械排烟设施,排烟量按72m3/h.m2(为相关规定1.2倍)计算确定。确保商铺内发生火灾时,及时排出烟气,避免影响步行街公共区域。

  (2)步行街各层公共区域走道设机械排烟系统,并按照面积不大于500m2划分防烟分区。排烟量按最大防烟分区面积120m3/h.m2计算,保证人员在步行街各层公共区域安全疏散。

  (3)步行街顶部设机械排烟系统,排烟量按 72×104m3/h 进行设计,为计算保守富裕1.25倍。

  另外,还考虑了步行街公共区各层楼板开口总面积不小于地面积的37%、顶部电动侧窗面积不小于地

  面积的5%,以作为机械排烟失效时的辅助自然排烟措施。

室内步行街三级排烟示意图

  3.4 长沙大王山旅游度假中心区冰雪世界

大王山冰雪世界项目透视图

雪乐园

水乐园

  冰雪世界主体建筑为单层,总建筑面积147722m2,总高度39.9m;主体内部功能设有一个雪乐园和一个热带水乐园。

  3.4.1 超量排烟问题

  初步设计中,雪乐园和水乐园均各拟为一个防烟分区,按不小于60m3/h.m2 计算排烟量,设置独立的机械排烟和机械补风系统:雪乐园面积约32948m2,高15m~40m,总排烟量约200×104m3/h;水乐园面积约 15162m2,高度15m~35m,总排烟量约90×104m3/h,如此庞大的排烟量均难以实现。同时,雪乐园运营环境温度为-3℃、水乐园超过1/3 的面积为水面,两区的排烟量及排烟效果需要进行分析论证。

  3.4.2 性能化设计排烟量

  采用性能化设计经验公式,基于火灾中的烟羽流模型分析排烟系统的有效性,对机械排烟系统的排烟量及自然排烟驱动力进行计算,根据室内火灾所需维持的烟气层高度来确定所需的排烟量。

  (1)基本参数设定

  对于雪乐园,设定火源位于地下二层地面(-10.00m),雪乐园内人员活动区域最高为三层,其地面标高为+10.00m,则雪乐园内清晰高度最低应为22m,雪乐园火灾最大热释放速率按12.0MW考虑。

  对于水乐园, 设定火源位于地下一层地面(-5.50m),水乐园内人员活动区域最高为标高为+5.00m处,则水乐园内清晰高度最低应为12.5m。水乐园火灾最大热释放速率按12.0MW 考虑。

  (2)结果与分析

  通过对本案各火灾场景进行模拟分析,得到以下结论:

  ① 由于雪乐园空间高大,有较强的蓄烟纳热能力,烟雾浓度相对较小,火灾烟气大部分聚集在上空,故在各火灾场景下雪乐园内烟气层高度维持在人员安全疏散所需高度之上,人员可用安全疏散时间不少于30min。

  ② 对于水乐园,在自动喷水灭火系统和机械排烟系统均有效情况下,人员可用安全疏散时间不少于30min;当自喷系统或机械排烟系统失效时,人员可用安全疏散时间明显缩小;因此,消防系统在确保室内人员安全疏散过程中起着重要作用。

  4 综述

  建筑消防性能化分析设计,一般设计人员不易做到,需要各方面的辅助设施,工作量大且复杂繁琐。在性能化分析设计报告中,应明确表述设计的消防安全目标,充分解释如何来满足目标,提出基础设计标准,明确描述火灾场景,并证明火灾场景选择的正确性等。报告需要概括分析和设计过程中的八个步骤(略),才能符合权威机构的审查要求和达到用户的需要。

  目前,湖南省内建筑消防性能化设计资质仅有两家——长沙科锐消防工程技术有限公司、中南大学防灾科学与安全技术研究所。并需要国家消防职能部门(除省内公安消防总队外,还有中国建筑科学研究院防火所、公安部四川消防研究所、公安部天津消防研究所)及相关专家审查认定,才能落地执行。

  受大气候影响,湖南建筑业不十分景气,重大项目外流,虽然很难有机会参加类似工程设计,但有幸受邀参加审查,借此收集了一些相关资料,仅供同仁了解参考和学习借鉴。

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