超高层建筑防火设计

浅谈超高层建筑防火设计按规定，我国高度超过100米的建筑为超高层建筑，防火设计按《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-95执行。由于导致高层建筑发生火灾的因素较多，扑救难度大，因此高层建筑应立足于自防自救，采取可靠的防火措施，达到预防火灾的目的。首先，超高层建筑的火灾特点为：1、火势蔓延快高层建筑各专业竖井林立，发生火灾时，这些竖井就像高耸的烟囱，构成火势迅速蔓延的主要途径。试验证明，烟气竖向扩散速度为3～4m/s，100m的高层建筑在25～35m/s左右，烟气即顺垂直通道从底层扩散到顶层，与此同时，火势也将蔓延扩大。2、人员疏散困难高层建筑层数多，人员集中，垂直疏散距离远，发生火灾时，要使人员迅速疏散到地面或建筑物内避难层及不受火灾威胁的安全部位，是十分艰难的。数千人、甚至数万人若从整幢大楼疏散到地面，少则几十分钟，多则几小时。3、火灾扑救难度大高层建筑火灾的扑救由于受到消防设施条件的限制，给灭火工作带来很大难度。如果超过消防登高车辆的高度则无法从室外扑救，只能依靠自救，即依靠室内的消防疏散设施。因此，针对一上特点，高层建筑防火设计必须强调几个问题：（1）合理布置高层建筑总体布局和防火分区总平面布置中的主，附体关系，该建筑与四周建筑的间距及车道的设置等等，均属与防止蔓延和迅速扑救密切相关的问题，也是进行建筑方面设计方案时须首先考虑的重要因素之一。合理的总平面布置，不但有利于火灾扑救，而且对防止火势蔓延有极大帮助。设计时需不折不扣执行。防火分区是延缓火势蔓延的重要措施，包括水平和竖向两种。水平防火分区是应用防火墙，防火门及防火卷帘等将各楼层在水平方向分隔为两个或几个防火分区，根据《高规》要求，每一分区内要相应装设一些使防火门能自动关闭的装置，并且在建筑施工时，要做到防火卷帘安装时，卷筒与梁，卷筒与墙壁之间不能留有缝隙，能充分发挥其防火、阻烟作用。竖向防火分区主要指对建筑内部的垃圾井、水井（水管井）、电井（强、弱电）及楼、电梯间实行防火阻隔（水井、电井要求封堵），最大限度地降低火势蔓延速度，控制火灾燃烧面积。（2）确保建筑物耐火能力《高规》规定，一类高层建筑的耐火等级为一级，二类高层建筑耐火等级不低于二级，在高层建筑防火设计中应保证建筑物的耐火等级，使火灾发生时建筑物结构在较短时间内不会损坏，为人员疏散赢得时间，同时也减少火灾损失。可靠的耐火构造能减少起火，蔓延及保护人和建筑的安全。设计中除了应首先保证主体结构的耐火能力之外，还须对天棚，墙面等装修部位的耐火性能给予充分的考虑。为了追求建筑外观效果，部分高级公寓和住宅采用了玻璃幕墙，国内外建筑界对此颇有争议（日本、德国等国家明文规定禁止使用）。其中部分原因在于玻璃幕墙不但因抽风作用而成为火势蔓延的途径，而且在火灾发生后，常常等不到人员疏散完毕，幕墙就已达到耐火极限而向下掉落，严重影响人群的疏散。（3）加强自然排烟设计及安全疏散设施设置目前，高层建筑中玻璃幕墙和竖向管道常常成为火势蔓延的途径，造成火势跳跃防火分区，扩大火灾损失；其次，大量高层建筑火灾证明了烟是高层建筑火灾中最大的杀手。因此，防排烟设计与安全疏散设施的设置是高层建筑防火设计中十分重要的环节。国家明确规定电梯前室及相关地方增设防排烟系统，疏散楼梯增设正压送风系统。此外，还要加强自然排烟设计。自然排烟是一种经济、简单、易操作的排烟方式，宜优先采用；但由于楼梯间存在热压差（即烟囱效应），烟气往往充满楼梯间，使人们无法疏散，因此，要求楼梯间有一定的开窗面积，且排烟窗应设在墙面上方，同时要求能方便开启。除了按规定设置不同形式的、数量足够且分布合理的疏散楼梯外，必须在防火门及疏散通道前上方及其附近设置明显的指示标志，以使人员能顺利疏散。此外，超高层建筑在遵循以上原则基础上还要着重注意以下几个方面：（一）避难层：有资料显示，城市安全部门曾经做过一个试验，让一名身强力壮的消防员从第33层跑到第1层，用了35分钟。如果是一名身体素质一般的人员或老人、小孩，所需时间肯定会更高，并且人在紧张慌乱的情形下，要在楼梯间内长时间行走，绝大多数的人会体力不支。而火借风势，30秒内就可以从第1层到达第33层。这样算来，在超高层建筑中人们跑到楼外逃生的可能性几乎为零。因此，在高层建筑中设置避难区域是解决这一问题的最有效办法，为疏散中的人群提供休息的场所，为残疾和受伤人员提供保护，直到得到消防人员的救助。这些避难层也可以用作救援队的疏散指挥点，实现建筑内的有序疏散。因此，我国《高层民用建筑设计防火规范》规定：建筑高度超过100米的公共建筑，应设置避难层（间），并应符合下列规定：1．避难层的设置，自高层建筑首层至第一个避难层或两个避难层之间，不宜超过15层；这是因为登高、举高消防车，最大作业高度在30~45m；根据对消防队员的实测，登高超过10层时，心跳和呼吸明显加快，不适应扑就的需要，会给灭火工作带来不利影响；因此结合上述原因，并兼顾节约投资，首层至第一个避难层及以上两个避难层之间，不宜超过15层；2．通向避难层的防烟楼梯间应在避难层分隔、同层错位或上下断开，但人员必须经避难层方能上下；3．避难层的净面积宜按每平方米5人计算；4．避难层可兼作设备层，但设备管道宜集中布置，设备管井及垂直交通设施应用耐火极限不低于1h的墙围护起来；3．避难层应设消防电梯出口、设消防专线电话，并应设有消火栓和消防卷盘；4．封闭式避难层还应设独立的防烟设施，并有应急广播和应急照明等；另外，避难层四周应采用防火材料并加固结构，（二）屋顶停机坪：据了解，高层建筑火灾发展速度快，极易形成“冲天火柱”，因此居高临下的侦察显得尤为重要。直升机可以在很短时间飞抵火场，利用空中优势正确寻找起火部位、判断出燃烧物的性质，观察人员逃生情况，并把信息及时反馈到火场总指挥部。这些都能为火场指挥员做出正确部署灭火力量提供科学依据。而在形势危急的情况下，直升机便将直接充当空中消防车的作用。据介绍，目前用于灭火的直升机都带有一个喷射炮的装置，其可以将携带的灭火材料喷向火海。除此以外，还可以利用直升机与地面泵车联合，由地面泵车负责供水。这样便可以克服高度限制，将水源源不断地送往空中。直升机的另一重要用途是用于救生。高层大火时向下的通道很容易被火势切断，人员只能选择逃往楼顶。如果楼顶地形适合降落的话，直升机便能降下来救走被困者；如其地形难以着陆，直升机还能通过抛下软梯，实施救援。因此，《高规》规定：建筑高度超过100m，且标准层建筑面积超过1000m2的公共建筑，宜设置屋顶直升机停机坪或供直升机救助的设施，并应符合下列规定：1．设在屋顶平台上的停机坪，距设备机房、电梯机房、水箱间、共用天线等突出物的距离，不应小于5.00m。2．出口不应少于两个，每个出口宽度不宜小于0.90m。3．在停机坪的适当位置应设置消火栓。4．停机坪四周应设置航空障碍灯，并应设置应急照明。供一架直升机使用的屋顶停机坪的面积为500多平方米，平面尺寸为26X20米；不包括航空管理局指定的指示灯、飞机信号接收器等设备的投入，每个停机坪的建造成本约400万元人民币。台瑞机场设备技术（上海）有限公司为专业直升机停机坪设计，规划，安装。所建造的直升机停机坪全部采用意大利进口铝合金防震甲板及机坪导航灯光与无线电自动控制系统，机坪自动化，直升机起降时无需专人管理。该公司可免费提供高楼屋顶停机坪载重和冲击系数，符合ICAO国际民航组织直升机停机坪规范（三）玻璃幕墙防火：玻璃幕墙在外墙装饰上外表华贵而又不失庄重，并且可以减轻建筑物的结构荷载，因此应用广泛。但其在火灾情况下的安全性设计更需高度重视，钢材和铝合金型材的耐火性能都比较差，钢型材在300℃～400℃高温下强度下降，600℃时失去承载能力，而铝合金结构型材的耐火性能更差，受热条件下极易发生结构变形，250℃～300℃左右既失去承载能力。目前的玻璃幕墙结构设计中虽然考虑了玻璃和铝合金在温度骤变情况下因变形伸缩不一致而发生的“冷桥”现象，玻璃和铝框中间采用橡胶、聚乙烯泡沫材料相隔，但是能承受的温度变化范围仅在－40℃～＋50℃之间。建筑物内发生火灾，辐射热、高温烟气都使结构温度变化范围远远大于＋50℃，结构受热膨胀变形过大，造成玻璃破碎、脱落。另外隐框玻璃幕墙的玻璃用硅硐胶、橡胶与铝合金框胶合，硅硐胶的耐高温程度也只有200℃，超过了200℃胶的作用即会发生变化，粘合力降低也会使玻璃脱落。火灾过程中，高温烟气、辐射热使幕墙结构升温非常快，常常等不到人员在建筑物内疏散完毕，就已达到结构极限，发生结构破坏，向下掉落各种结构碎片。因此疏散出口上方作玻璃幕墙的公共高层建筑，一定要在安全出口上方设置防护挑檐。《高规》规定：玻璃幕墙的设置应符合下列规定：1.窗间墙、窗槛墙的填充材料应采用不燃烧材料。当其外墙面采用耐火极限不低于1.00h的不燃烧体时，其墙内填充材料可采用难燃烧材料；2.无窗间墙和窗槛墙的玻璃幕墙，应在每层楼板外册设置耐火极限不低于1.00h，高度不低于0.80m的不燃烧实体裙墙；3.玻璃幕墙与每层楼板、隔墙处的缝隙，应采用不燃烧材料严密填实。经检查许多楼宇，玻璃幕墙与其它结构部分的空隙没有进行封堵。目前已经封堵的建筑也多是为了防水和隔音进行的封堵，所用材料多为橡胶，泡沫塑料，木夹板等，与规范要求相差甚远。另外多板建筑实际使用中，为了使空间尽可能宽敞，家具等办公用品等多紧靠幕墙布置，这样一旦发生火灾，这些空隙即成为火灾蔓延的途径，造成不应有的损失。根据经验可使用“防火毡包法”，就是用玻璃棉等材料压实，然后外包铝泊纸包严，塞到缝隙中间，下面用铁皮、铁丝或钢筋固定，上面用非燃材料如铁皮等固定罩住，然后再适当做些粉刷装饰可以满足防火要求。此外，玻璃幕墙本身的结构安全性上来讲，幕墙上开窗面积总和要小于幕墙面积的10％，尤其是隐框结构窗开得越少越好。因此有玻璃幕墙的大型公共建筑、高层建筑时，还要根据具体空间的布置情况和实际开窗面积来计算分析实际排烟能力，必要情况下增加机械排烟设施。