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膜结构建筑防火安全技术初探摘要本文针对膜结构建筑物这种特殊的建筑形式，采用性能化的防火设计方法，对膜建筑提出一些新的防火措施，确保其防火安全性。[关键词]膜结构建筑物性能化防火设计防火安全性1.引言建筑工业科技水平的提高，城市社会发展的功能需求，使现代建筑发生了巨大的变化。建筑物呈现出向超大空间方向发展的趋势。膜结构是一种全新的建筑结构形式，它以优良的织物为材料，利用柔性钢索或刚性支撑结构通过弯曲内面力传送，将膜面绷紧。从而形成具有一定刚度、张力，能够覆盖大跨□度空间的结构体系。与其它结构形式相比，膜结构在结构体系以及朝着生态建筑，实现“零排放”的目标上有着巨大的优势。（见图一）（图一、膜结构）然而新型的建筑形式对传统的建筑防火设计理念形成了巨大的冲击。对于膜建筑来说，其结构特殊、空间巨大，在防火分区的划分、疏散距离的确定等方面都超出了现行规范的要求。所以我们提出了性能化的防火设计方法，从建筑物的整体安全性去考虑，合理灵活的选择各项防火措施，确保膜建筑的防火安全性。2.膜结构建筑物的特点和火灾危险性2.1.建筑特点2.1.1建筑体量的庞大化。膜建筑的最大优势就在于它能够自由灵活的覆盖大跨度的空间。例如1996年亚特兰大奥运会的主场馆“佐治亚穹顶”（GeorgiaDome），屋顶尺寸为240ｍ×193ｍ，总面积为3.7万m2，是目前世界上最大跨度索穹顶结构的屋顶。（见图二）（图二、佐治亚穹顶）2.1.2结构外壳的轻灵化，通透化使得建筑的跨度增大，荷载减小。特氟龙膜面（TEFLON）厚度仅为０.８㎜，自重1100g／m2;用钢量为２０kg／m2，远远轻于普通的钢结构和砼结构。2.1.3建筑形态飘逸、灵活。体现着艺术与建筑的相结合。2.2火灾危险性2.2.1火灾隐患多。膜结构建筑特别适合作为一个城市的标志性建筑。所以它通常综合性强，功能复杂。例如苏州国际展览中心，一个中心展厅可供上千家单位同时参展。大量的展台装修，繁杂的电气线路，加之参展单位消防意识高低不同,管理困难,所以存在很多火灾隐患。2.2.2火灾蔓延快。膜结构建筑物通常建筑体量都很大，内部都有较大的和较高的空间。一旦发生火灾，各种垂直通道起拔火桶作用。当烟气到达膜面以下时，顶部气流水平运动，致使火灾横向扩大。1985年5月英国布拉德福德体育馆看台着火，当时正在进行比赛，场内有12000名观众，火灾是由于烟头点燃垃圾引起的，出现明火一分钟以后，火焰就蔓延到主看台后面的屋顶，火焰猛烈延伸向下面的可燃物辐射热能，造成下面看台火焰迅速向水平方向发展，引起屋顶结构也随之燃烧，大火约烧了七个多小时，场内座位和看台全部被烧毁。被烟气烧死和熏死的观众达52人，受伤者有200多人，轰动英伦。从起火到火势蔓延扩大只有短短的一分钟，可见蔓延速度之快。2.2.3疏散困难。此类建筑因空间巨大，人员在膜空间内到达室外出口的距离长，因此疏散时间就长。烟雾向上和向水平方向快速蔓延，挡住了疏散人员的视线，增大了疏散难度。另外，大空间内人员多，疏散时容易发生滞留。2.2.4扑救难度大。扑救膜建筑这种大空间建筑物火灾往往会遇到很多的困难。例如：热辐射强，烟雾浓，火势蔓延速度快、途径多。另外，面对新型的膜建筑，我们缺乏扑救这类大空间建筑物火灾的实战经验，这给消防灭火的登高作业、内攻侦察、火场供水等都带来不少困难。3.膜结构建筑物的防火设计3.1膜结构建筑物防火设计的原则膜建筑结构形式独特，建筑空间巨大，其防火分区面积和疏散距离等均远远超过现行规范的要求。所以，我们在考虑膜建筑防火安全时就要引进一种新的防火设计方法——性能化防火设计。这种新的防火设计方法，在评价防火安全时，不是按建筑物规格式的条件，而是看其是否满足所要达到的标准值。所谓标准值，就是将建筑物在防火方面应具备的基本条件用数值表示出来，以此作为防火的基本要素。切合建筑物自身特点，从整体去考虑，只要使建筑物整体达到防火安全要求，就可以创造新的建筑空间，并可以考虑其设计的合理性和经济性。膜结构建筑物按照现行法规很难实现其特殊空间的安全性评价，以及为了提高建筑物整体安全性能，而试图减轻有关防火措施等方面的问题。只有采用性能化设计，通过计算机模拟和危险评估，在制定膜结构建筑物的防火方案时，综合考虑地区、规模、用途、空间构成、建筑材料、设备及防火管理等方面，预测火灾时的火势蔓延、烟气流动、疏散、结构的状态等性状并确定评价方法，以得出适应火灾各阶段的防火对策。3.2建筑防火设计3.2.1总平面布置膜建筑一般占地面积都很大，建筑总长度都在220ｍ以上。一旦发生火灾，必然给消防人员扑救火灾和内部空间人员疏散带来极大的不便，容易延误灭火时机，造成重大损失。因此在该类建筑四周设环行消防车道是十分必要的。同时大型展览中心和体育场馆往往位于城郊，远离城市公安消防站，而其布展时人员密集、物资集中，火灾危险性大。火灾发生时，如不能在小火期间将其扑灭，势必酿成大火，扑救难度相当大。因此，在该类建筑附近配套建设一个高标准的消防站也是十分必要的。如厦门市政府在距厦门国际会展中心800ｍ处专项投资建设了一个高标准的公安消防站，确保灭火于萌芽阶段。美国的丹佛国际机场，设有三个消防站，按照国际民航消防救护“两分钟到达跑道终端”的要求，分布在适当位置，而且离膜结构航站楼也很近。另外，膜结构在其选址的时候，要考虑到周围环境对它的影响。应远离火灾危险性较大的工厂和堆场，防止外来飞火引发火灾。3.2.2防火分区国内现行的《建筑设计防火规范》（GBJ16-87）和《高层民用建筑设计防火规范》（GB50045-95）分别规定，当其设有火灾自动报警系统和自动灭火系统，且采用不燃材料或难燃材料装修时，地上部分防火分区的允许最大建筑面积分别为5000平方米和3000平方米。而膜结构建筑物由于其大空间使用功能的需要，以展厅或独立的使用空间划分防火分区时，其面积不同程度的超出了我国现行规范的指标。如苏州国际展览中心主体展厅为8500平方米。有关资料也表明，目前世界上著名的丹佛国际机场（5.1万平方米）、日本东京TOKYODOME(BigEgg46755平方米)均将整个主体空间做成一个防火分区。这样设计，国外消防技术规范是允许的。国外消防技术规范对这类使用功能的膜建筑不按固定面积划分防火分区固然有其科学依据，但发达国家的防火灭火技术相对先进，我们不能简单的效仿或等效采用，而只能在执行我国消防技术规范的前提下，有选择性的进行借鉴，通过性能化的设计采取相应的补救措施。由于结构特殊和功能需要，膜结构是一个没有分区的空间，用普通建筑中的防火墙和防火卷帘划分防火分区难以实现。但防火分区的面积又确实已远远超过现行规范，所以我们必须从以下几个方面予以控制和补救。（一）主体空间可不再作防火分隔，但面积必须严格控制，不能一味的追求“大”。特别是展览中心，宜控制在8000～10000平方米以内。有关资料也表明，一个8000～10000平方米的展馆，足以独立作为任何性质的国际标准展厅使用；（二）膜空间和与之相连的部分之间必须设置有效的防火分隔设施，防止火势向膜空间以外的其它空间蔓延；（三）防烟分区的划分、排烟设施、疏散诱导系统及疏散出口个数、宽度的设计，应在执行我国现行规范的基础上，积极借鉴国外同类建筑消防设计的先进做法，优化设计，以弥补面积超标造成的不足。3.2.3防烟分区及防排烟设计3.2.3.1烟气的危害烟气往往比火更可怕，许多火灾案例证明：火灾中烟气是危害人生命的第一大杀手。日本“千日”百货大楼火灾死亡118人中有93人是被烟熏死的。在火灾中，烟气弥漫，能见度被降低，延误了疏散时间；大量高温有毒气体的存在，使人降低和逐渐丧失了逃生能力；高温烟气有着与火一样的对建筑结构破坏的作用。就膜建筑来说，其防火分区面积和疏散距离都已超标，所以对这类建筑的大空间参照国外规范和同类建筑的做法进行妥善的防烟设计显得由为重要，以有效地控制高温烟气的无序流动，阻止火势的迅速蔓延，保证人员的安全疏散。3.2.3.2防烟分区的划分膜建筑在主体大空间内无构造柱与梁，是一个连续完整的空间。所以通常在普通建筑中所采用的防烟方式如挡烟垂壁等在膜空间内就很难适用。在防烟设计时，针对它特殊的结构体系，我们需要采取特殊的处理方式。有关资料表明，国内外许多著名的大空间建筑物如多伦多国际机场新候机楼、南京国际会展中心等工程均按照NFPA9214的烟控系统标准对大空间区域进行了设计，利用空间上方结构体系，挂上以耐火纤维为基材的轻质幕布，平时卷起，在火灾报警后自动放下，悬停于一定高度进行防烟分区，划分的面积在1000平方米左右，代替了传统的挡烟垂壁，效果明显。3.2.3.3膜空间的排烟方式由于膜空间的整体性和封闭性，所以几乎没有开窗，有也只是很少的固定窗。这样自然排烟就受到很大的限制，只能主要依靠机械排烟。机械排烟效率高，受外界环境影响小，不过安装方式、位置以及吸排风量均需谨慎选择。因为膜空间不同于普通空间，在高大的空间内热烟气流运动复杂。实践证明在大空间建筑物内，若风机安装方式或风量配置不当，反而会造成烟气弥散，扩大烟气的危害范围。这里我们提出“烟羽流”的概念。在火灾中，随着燃烧的进行，高温燃烧产物在浮力驱动下流向顶棚。于是，在火源上方形成了“烟羽流”。沿着羽流轴线，周围的冷空气受到横向卷吸，冷空气与羽流中的热烟气发生掺混，因而随着高度上升体积增大，羽流质量不断增加，同时羽流的平均温度和燃烧产物的平均浓度不断下降。羽流到达顶棚时将会横向散开，形成上部热烟气层，由于受空气自然流动和机械排风作用，羽流烟气不断向上充填，烟气层的厚度不断增加，在上部烟气层和下部洁净空气层中间出现比较明显的分界面，并且它随着时间的推移慢慢下降。这类超大空间建筑物的排烟设计可考虑分为三个步骤：第一步是控烟，即通过一定的送风强度将火灾烟气吹向一个固定的空间内，使烟气不会无规则扩散；美国丹佛国际机场膜结构航站楼内上下均设有大功率送排风机，平时送进10%的新鲜空气，火灾时则送进100%的新鲜空气，送风强度很大，经测试，扩散的烟气不会超过20%。第二步是蓄烟，即利用建筑物自身的大空间条件设计“储烟仓”将烟气蓄积，形成距地面有一定高度的无烟层（储烟仓容积的确定要经过计算，太小则上升的烟羽流将迅速充满空间，太大就会使周围的冷空气大量地混入热气羽流，烟雾颗粒和有毒气体的温度和浓度则被降低而失去浮力。）；第三是排烟。国外研究机构通过计算机模拟证明：如果一个烟控系统设计适当，可以防止烟在30～45min内聚集在距地面3～4ｍ处。这段时间对于人员疏散是极其宝贵的，同时也给灭火创造了有利条件。3.2.3.4膜空间的排烟设计在膜空间中进行机械排烟应达到以下目的：①确保人员安全。在火区内部通过机械排烟，保证人员通行高度以下空间不受烟气污染；②减少财产损失。必要时应按受保护物品的高度控制无烟层高度；③阻止烟气扩散。将烟控制在防烟幕布内，阻止其向邻近防烟分区蔓延；④协助火灾扑救。通过排烟提高能见度和降低烟气温度将有助于消防人员接近火区扑救。现行建筑排烟量通常按照《高层民用建筑防火设计规范（GB50045-95）》提供的换气次数来确定。即中庭空间体积17000立方米时，其排烟量按其体积的6次/h换气计算，中庭空间体积17000立方米时，其排烟量则按其体积的4次/h计算，实验和计算机表明这种方法并不严密，并没有考虑到建筑空间的差异和火灾强度因素的影响。针对膜结构这种超大空间建筑物，我们结合国外先进的研究成果提出以下设计方法。一个设计良好的排烟系统应能及时排除烟气，在一定时间内提供适当的无烟气污染层高度。所以确定排烟量时应考虑下列因素：●确定火灾强度和火场大小；●确定烟层高度；●计算烟气上升过程中吸卷入的空气量；（烟气量+吸卷入的空气量=排风量）●验算由防烟幕布构成的“储烟仓”的深度和面积是否能够承接烟气；●确定排风口部位位置、大小；●分析其他可能影响排烟效果的因素。图三、火区示意图①烟气质量流量文献[1]给出了计算火灾时烟气流量的公式，此公式的有效性同时被实验[2]所证实；(1)式中Mf：从火区进入烟气层的烟气质量