“亚安全区”在性能化防火设计中的应用

“亚安全区”在性能化防火设计中的应用1刘博(公安部沈阳消防研究所，辽宁沈阳110034)摘要：“亚安全区”是相对室外安全区域的，设置在建筑内保证人员不受火灾威胁的地方。随着性能化理念在建筑防火设计中的应用，“亚安全区”已被越来越多的设计者采用，本文明确了“亚安全区”的概念，提出了其防火设计要求，并通过一处工程实例详解“亚安全区”的实际应用。关键词：“亚安全区”；性能化防火设计；安全疏散TheApplicationof“Sub-safeArea”inthePerformance-BasedFireProtectionDesignLiuBo（ShenyangFireResearchInstituteofMPS,LiaoningShenyang110034）Abstract：“Sub-safearea”isaplacethatrelativetothesafeareaoutsidewhichensurethepersonnelnotaffectedoffireinthebuilding.Withtheapplicationofperformance-basedinthefireprotectiondesign,“sub-safearea”wasusedmoreandmorebythedesigner.Thearticledefinedtheconceptionof“sub-safearea”,puttedforwardtherequirementsoffireprotectiondesign,explainedtheapplicationof“sub-safearea”viaanexample.KeyWords：“Sub-safearea”；Performance-basedfireprotectiondesign；Securityofevacuation1.引言随着我国经济的迅速崛起，国内建筑业也得到了前所未有的发展，各种大型复杂公共建筑如雨后春笋般涌现出来，然而与建筑业的高速发展相比，传统的处方式防火设计就显得相对滞后。性能化防火设计是上世纪80年代初在国外发展起来的新兴的研究领域，澳大利亚、美国、日本以及北欧等发达国家先后开展了火灾安全工程学和性能化防火设计理论技术的研究，并取得了一定的研究成果。性能化防火设计方法的优越性已经在广泛的实践中得到了有效验证，目前我国多个大中城市中已经开展了性能化防火设计的工作，解决了由于建筑行业迅速发展而带来的突破规范要求的防火问题。尤其在2008年北京奥运会比赛场馆的建设过程中，性能化防火设计方法更是发挥了极为重要的作用。2.“亚安全区”概念的提出近年来，随着商业建筑面积的不断扩大，其人员疏散设计中存在的问题也日益显现，其中，建筑首层疏散距离过长和疏散楼梯间未能直通室外是经常遇到的问题。为保证建筑内人员能在发生火灾时迅速疏散至室外安全区域。处方式防火设计规范中对疏散距离作了1作者简介刘博，男，汉族，1982生人，吉林长春人，公安部沈阳消防研究所报警研究室，助理研究员，主要从事火灾探测报警研究及消防性能化设计与安全评估工作。电子信箱：[e-mail]一般为30m的规定；为防止在建筑首层发生火灾时其他楼层的人员在疏散过程受到火灾影响，规范要求疏散楼梯间在建筑首层必须设有直通室外的出口。然而，建筑面积的扩大对同时满足上述两条要求提出了较大的挑战。在大型商业建筑中，若使建筑内各层人员疏散距离满足规范要求，则势必会有部分楼梯间在首层不能直通室外；反之，若所有的楼梯间都能直通室外，则又会出现部分楼层疏散距离过长的问题。[1]根据人员安全疏散路线的设计原则，人员在疏散过程中，一个阶段比一个阶段安全性高，一步比一步安全。目前国内建筑设计师普遍认为较为合适的方法是在首层疏散楼梯间至室外安全区域之间设置一条安全通道，供紧急情况下人员疏散使用。在发生火灾时，处于疏散距离过长区域中的人员，可先进入安全通道，再从安全通道疏散至室外；从楼上疏散至首层的人员也能通过安全通道安全地疏散至室外。这就要求安全通道在设计上既要确保建筑内人员的安全疏散，又要满足建筑使用功能的要求。因此，由建筑内的安全通道引申到“亚安全区”。建筑内的“亚安全区”是指人员不受火灾威胁的地方，不受火灾威胁是相对的，有一定时间、程度或级别的要求。一般认为不影响人的正常行为，通常人能承受的生存环境条件可以作为“亚安全区”的基本要求。建筑中的防烟楼梯、防烟前室、避难层、避难通道、安全通道等，实际上就是各种形式“亚安全区”的实际应用。“亚安全区”的消防设计形式可以多样，安全要求可以更高。如可以根据实际情况和需要，将公共走道、疏散通道、休息场所、下沉式广场等设计为“亚安全区”。通常，建筑内“亚安全区”的基本要求是：（1）区域内不受火焰、温度、烟雾的威胁；（2）区域内的防火分隔设施、照明、通风排烟等各种设施不因火灾影响其使用功能；（3）区域内有足够大的空间供人员避难和逃生；（4）区域有一定时间的支撑能力，组成建筑构件要达到规定的最高耐火极限值；（5）区域内至少有一个直通室外的安全出口。[2]3.应用实例3.1工程概况某会展中心首层建筑面积为64194m2，长约320m，宽约390m，基于建筑设计及功能分配考虑，塔楼排列于左右两侧，裙楼也分为左右两座，在裙楼之间形成一条中央过街。此中央过街既可方便人员流动，利于自然采光，也可供建筑内人员疏散及作为消防车道使用。但鉴于北方冬季降雪量大、天气寒冷的气候特点，将中央过街加顶棚封闭，形成高36m的建筑中庭，并在中央过街及相连公共走道内设置机械排烟系统，商铺及公共走道设置快速响应喷头，中央过街采用大空间自动扫瞄定位喷水灭火系统。。发生火灾时，商场内人员先疏散至公共走道或中央过街内，再疏散至室外安全区域。首层中央过街及公共走道如图1所示。图1首层中央过街及公共走道平面示意图3.2存在的消防安全问题由于某会展中心建筑进深过大，导致大部分楼梯间在首层不能直接对外。不能满足《高层民用建筑设计防火规范》第6.2.6“疏散楼梯间在首层应有直通室外的出口”的规定。现有设计中，将首层的中央过街及公共走道设定为相对安全区域即“亚安全区”，通过中央过街及公共走道解决疏散楼梯间在首层未直通室外的问题。3.3人员安全疏散可行性论证3.3.1人员安全疏散性能判据对于建筑内人员生命安全而言，最重要的安全标准是火灾发生时，火灾发展到致使环境条件达到人体耐受极限的时间(ASET)必须大于火灾发生到人员疏散到安全地点所用的时间(RSET)。即，ASETRSET（公式1）如果能满足这个条件，则这个消防设计方案是可行的，能够保证人员的疏散安全，否则要对该设计方案提出调整意见，直到其满足消防安全性能要求。有关人员安全性的判定方法如图2。图2人员安全性判定方法3.3.2火灾场景设计通过对该会展中心项目工程建筑中存在的火灾危险性分析，其火灾危险性主要表现在火灾荷载大、起火因素多、蔓延迅速、产物危害大以及火灾扑救困难等方面。因此，根据火灾场景设计的最不利原则，考虑火灾可能的规模、建筑物内各功能区域的空间特点、疏散出口分布、起火楼层以及烟控措施等因素，在首层中央过街和公共走道内分别设置了3个火源，如图3、图4所示，根据查表及公式计算得到各个火灾场景的火灾增长系数与最大热释放速率，并利用FDS软件计算得到各个火灾场景下的人员疏散允许时间，即ASET值。图3中央过街火源位置示意图图4公共走道火源位置示意图3.3.3分阶段疏散通常情况下，建筑内起火后其内部人员都应尽快逃离到室外安全区域。由于建筑内人员数量与建筑规模密切相关，对于同样类型的建筑来说，更多的楼层和更大的建筑面积都意味着更多的疏散人群，而疏散楼梯宽度通常是根据某层建筑面积和疏散人数来确定的，并且随着建筑规模的增长，建筑内某一区域起火后不会马上影响到远离起火区的区域。因此，对于层数很多或者面积很大的建筑，不应该也没有必要同时疏散建筑内的所有人员。为使最有可能面临危险的区域内人员首先离开起火区域，需要建立分段的疏散策略。必要时首先疏散受火灾等紧急事件直接影响的区域而不是对整个建筑实施疏散；只有在极端失控事件时根据事先制定的应对措施和应急预案、有序地疏散整个建筑内的全体人员，称之为分阶段疏散策略。迅速离开着火区域是非常必要的，对规模超大的建筑通常需要用分阶段疏散的策略，将受火灾威胁的人群首先疏散到相对安全的区域（“亚安全区”）然后再疏散至室外安全地区。而该会展中心是一个立体空间复杂的建筑，内部主要的功能空间贯穿数层，首层的中央过街和公共走道是人流通行空间，一般情况下存在火灾载荷较少，本身发生火灾的可能性极小，且和商业广场的主要出入口连接，也是顾客进入店铺的主要通道。店铺发生火灾时，人们会本能地利用这一熟悉的通道向室外疏散。因此，可将中央过街和公共走道这些公共区域定义为界于店铺功能区域和室外之间的“亚安全区”。从消防策略上，允许建筑内首层以外的人员先疏散至“亚安全区”内，再通过“亚安全区”疏散至室外安全区域。我国《火灾自动报警系统设计规范》第6.3.1.6条规定“消防控制室应设置火灾警报装置与应急广播的控制装置，其控制程序应达到（1）二层及以上的楼房发生火灾，应先接通着火层及其相邻的上、下层；（2）首层发生火灾，应先接通本层、二层及地下各层；（3）地下室发生火灾，应先接通地下各层及首层；（4）含多个防火分区的单层建筑，应先接通着火的防火分区及其相邻的防火分区。”[3]因此，根据规范的编制思想，当首层的中央过街发生火灾时，应疏散地下全部、首层及地上二层的人员，而无需对整个会展中心内的全部人员进行疏散。3.3.4人员疏散安全性分析利用人员疏散模拟软件BuildingExodus计算得到各场景下的人员疏散行动时间，并按照公式2求得人员疏散所需时间，即RSET值。RSET=Talarm+Tpre+k×Tmove（公式2）通过软件模拟仿真，在选取了较大的安全系数后，得到各个火灾场景下的ASET值均大于RSET值，因此，该会展中心首层的中央过街和公共走道能够满足人员的安全疏散。3.4增强措施从模拟仿真的结果来看，中央过街从建筑设计上有足够的蓄烟空间，从而可以将中央过街作为“亚安全区”，保证人员疏散到此区域即为安全。而由于公共走道内没有足够的蓄烟空间，即使在排烟系统加强或改为镂空吊顶的情况下仍不能保证其足够安全。因此，应保证公共走道没有可燃物，并保证相邻店铺内的烟气不会蔓延至公共走道，从而保证公共走道作为“亚安全区”。（1）要求与公共走道、中央过街相邻的店铺沿中央过街或公共走道一侧应采用镶玻璃防火构件进行分隔。面向公共走道、中央过街的开口处应采用防火卷帘分隔，或在开口处的门上设置闭门器，开口处的防火卷帘或闭门器均应与火灾自动报警系统联动。所有孔洞必须按穿越防火墙的防火要求进行封堵，防止烟火蔓延。从而使店铺区域成为独立的“防火单元”，以避免店铺发生火灾时火焰和烟气进入“亚安全区”。（2）首层公共走道内的中庭，自地下一层起至地上五层，中庭高度为34.5m，中庭为不规则几何形状，在地下一层的面积为617m2，地上五层中庭的面积为1500m2。此中庭在首层位置为南侧的公共走道内。当地下一层发生火灾后，如果中庭四周的防火卷帘失效未及时降落，将导致火灾烟气自中庭蔓延至首层的公共走道内，因此要求应采用镶玻璃防火构件将此中庭围护，只在出口位置使用防火卷帘，防止火灾时的烟气进入公共走道。（3）在优化系统结构方面，在公共走道内设置独立的机械排烟系统，并按规范要求合理划分防烟分区，合理布置排烟口。确保店铺内的烟气不会进入“亚安全区”。（4）在优选设备资源方面，建议所有中庭内应设置可实现火灾早期报警的吸气式感烟火灾探测器，并按照GB50116有关规定，采用垂直布管的保护方式，保证管路上采样孔间距不宜大于3m，管路之间间距不超过10m。同时，首层中央过街采用大空间自动扫描定位喷水系统，保证任意一点有2门水炮保护，首层商铺及公共走道内均采用快速响应喷头。（5）中央过街的顶棚材料应采用不燃或难燃材料，其承重结构的耐火极限不应低于1.0h；防