关于大型工业建筑的性能化防火设计的探讨
赵巍
（内蒙古消防总队包头消防支队，内蒙古 包头）
摘要：文章针对大型工业建筑的结构特点做了分析，并结合实际从管网布置、自动喷水灭火系统、人员安全疏散和防火分区等方面对该类建筑的性能化消防设计的应用进行了探讨，以期对优化工业建筑的防火设计方案，为工业建筑进行合理的防火保护设计提供参考。
关键词：大型工业建筑；性能化设计；防火
1 引言
随着我国经济建设的发展，大型工业建筑越来越多。这类建筑在体积、空间、使用功能等方面同一般建筑相比较，具有更现代化、大型化和非标准化的趋势。然而，现行的消防设计技术规范主要针对的对象为一般建筑，虽然具有一定的科学性，但应用到大型工业建筑的消防设计中，会不可避免地出现与现行消防规范发生偏差的现象。这些偏差主要体现在防火分区设计、安全疏散设计、火灾自动报警系统设计、自动喷水灭火系统设计和防排烟系统设计等多个方面。大型工业建筑的特点决定了它本身的消防设计必然在某些方面要在现行消防规范的基础上做出突破，所以对此类建筑的防火设计比较适合采取性能化设计的思路，即确定安全目标，实施安全目标的方式可灵活选择。与传统“处方式”建筑防火设计相比，以性能化为基础的建筑防火设计的优点体现在更科学、更安全、造价和维修费更低。
大型工业建筑的性能化设计方法是建立在消防安全工程学基础上的一种新型建筑防火设计方法，它是运用消防安全工程学的原理与方法，根据建筑物的结构、用途和内部可燃物等方面的具体情况，对建筑的火灾危险性和危害性进行定量的预测和评估，得出最优化的防火设计方案，从而为工业建筑提供最合理的防火保护。
2 大型工业建筑的火灾特点
大型工业建筑火灾特点与一般建筑火灾特点的不同主要表现在以下几个方面。
2.1 面积大、火灾荷载大
大型工业建筑特点为大跨度、高空间。建筑中空气充足，内部空调、照明等电器设备多，电器火灾隐患尤为突出。火灾会在短时间内达到猛烈燃烧阶段，发展蔓延速度快，造成扑救困难。此外工作时人员多，一旦发生火灾，会使疏散比较困难，极有可能造成人员的大量伤亡。
2.2 高度高
这样会导致火灾时烟气大量集中在建筑物顶部。实验证明，排除空间较高建筑内的烟气比排除空间较低建筑内的烟气要困难得多。对于这类建筑顶部排烟而言，较低的可以直接在屋顶设天窗进行排烟，而较高的则往往不能进行自然排烟，其排烟效率也随其高度的增加而降低。另外，目前一些大型工业建筑设置的排烟机，排出的除烟气外，还会渗入大量空气。且高度越高，渗入的空气量越大，烟气被稀释，减少了排烟机的排烟量，降低了排烟效率。
2.3 钢结构为主
大型工业建筑在进行结构设计时，钢结构以其质量轻、机械性能好、安装机械化程度高、施工方便等优点成为大跨度结构设计的首选，然而钢结构却有一个致命的缺点：不耐火。钢材虽然是不燃材料，但在火灾高温作用下，其力学性能如屈服强度、弹性模量等却会随温度升高而降低。当温度达到300℃时，钢材的屈服强度即开始逐渐消失。在550℃左右时，降低幅度更加明显，遇到火灾时一般15min左右就会失去承重能力。部分工业建筑采用钢结构屋架，若防火处理不好，火灾时屋顶很容易垮塌，造成扑救困难。
3 性能化方法
这里以一丙类三级大型木器加工厂为例，该厂具有以下特点。①占地面积大：首期占地236亩，单边长度（351m×493m），二期占地295亩，待全部建成之后，厂区南北距离近1km。然而厂房设计时对一旦发生火灾，输水管线的沿程损失、消防水泵的选配、是否进行分区供水，以及远程启动消防设备并没有加以综合考虑。②建筑面积大：该加工厂的面积有几十万平方米。单体建筑成组排列，单体建筑面积一般为6000～8000m2。③建筑高度高：该大型木器加工厂厂房普遍高度在10～12m，局部建筑甚至更高。④个别区域由于受到建筑布局的限制，疏散宽度不能满足要求。
下面仅就几个方面来讨论性能化设计在实际中的应用。
3.1 管网布置
根据《建筑设计防火规范》（GB 50016—2014）（以下简称《建规》）第8.3.3条，具有下列条件之一者应设消防水池。
（1）当生产、生活用水量达到最大时，市政给水管道、进水管或天然水源不能满足室内外消防用水量。
（2）市政给水管道为枝状或只有一条进水管，且消防用水量之和超过25L/s。
同时《建规》第8.6.1条：室内消火栓超过10个，且室内消防用水量大于15L/s，室内消防给水管道至少应有两条进水管与室外环状管网连接。并应将室内管道连成环状或将进水管与室外管道连成环状。
结合本厂工程特点，消防管网布置上可以如下设置。
（1）室内外消火栓系统采用市政和消防水池、水泵房两路供水，在管网布置上，室外消防给水管应布置成环状，水泵房向环状管网的输水干管供水的输水管不应少于2条，当其中一条发生故障时，其余干管应仍能通过消防用水总量。
（2）室内消火栓（消火栓数量>10个）给水管至少应有两条进水管与室外环状网连接，并应将室内管道连成环状或将进水管与室外管道连成环状。从安全度的角度分析，减少环节有利于安全度的提高。室内消防给水管道应尽量利用室外消防管道共同构成室内环网。这样就将室外消防给水管道和室内消防管道两个环节简化为一个环节，从而提高了供水安全度，也简化了管网，同时也便于管理。
3.2 自动喷水灭火系统
自动喷水灭火技术已经被证明是最有效的控火和灭火的消防技术手段。它具有工作性能稳定、适应范围广、安全可靠、控火灭火成功率高和维护简便等优点。一个快速反应喷头就可以基本将火灾控制在其保护范围内（约9.3m2的范围内，只需要启动两、三个喷头就能对一般初期火灾进行有效控制）。由于这种喷头灭火、控火及时，灭火效果好，应设置在性质重要或火灾危险性较大、人员集中不易疏散、外部增援灭火与救生较困难的建筑物或场所。控火、灭火是设置自动喷水灭火系统的目的，这个目的是通过系统的正常启动和喷水过程中来实施的。
根据《建筑设计防火规范》第3.2.1条对丙类生产厂房防火分区的规定：耐火等级为三级的丙类生产厂房最大允许面积为3000m2，设置自动灭火设备时，防火分区最大允许占地面积可按增加一倍，同时根据《建规》第8.7.1条面积超过1500m2的木器加工厂必须设置闭式自动喷水灭火设备。所以设置自动喷水灭火系统的木器加工厂，经济建筑面积为6000m2。本厂的单体建筑面积为6000～8000m2，显然不符合要求。
同时，《自动喷水灭火设计规范》第4.3.2条又规定“室内净空高度超过8m的大空间建筑，其顶板或吊顶下可不设喷头”，此条规定主要考虑到喷头安装高度太高，热敏元件将达不到预期效果，所以这样规定。但此条明显适用于某些建筑的中庭或共享空间等，不适用于高大型厂房建筑，所以在实际设计中，不能套用此条规定不设喷头，不加保护，应综合考虑建筑物（或构筑物）的使用功能，火灾危险部位以及建筑物高度等因素，合理布置喷头。因干式报警阀报警后管道内充满气体，喷头爆破后先要排走管道内的气体，然后才能喷水灭火，这样就会造成一定的喷水延迟，从而导致灭火延迟，因此在效率上低于湿式自动喷水灭火系统。然而湿式喷水灭火系统由于适合安装在室内温度不低于4℃，且不高于70℃能用水灭火的建筑物内，所以也不合适。由于木材怕水，综合考虑，在这间加工厂内适合使用重复启闭预作用系统（Recycling Preaction System）。这种系统具有自动启动、自动关闭的特点，可以防止因系统自动启动灭火后，无人关闭系统而产生不必要的水渍损失。它也具有多次自动启动和自动关闭的功能，在火灾复燃后也能进行有效扑救。这里还有一个问题，那就是本厂厂房一般高度10m以上。喷头的灭火效果很大程度上取决于喷头的选择和布置的合理性。当喷头距地面高度大于8m时，普通喷头热敏元件的动作会受到影响从而导致延迟。而目前美国等国家都在大力使用的各种快速反应喷头虽然对空间高度不超过12m的大型建筑的自动喷水灭火系统有较好表现，但需依赖进口，且价格较高。我认为，在本厂车间设置闭式喷头时，喷头设置不宜超过8m，这样就能够很好的解决问题。
3.3 人员安全疏散
2004年8月1日，巴拉圭首都亚松森北郊超市发生大火，营业员为防止顾客偷东西溜走而关闭了超市安全疏散出口，使顾客逃生无门，酿成死亡500多人，数百人受伤的特大火灾事故。这起火灾事故，把此类大型建筑在消防安全疏散方面存在的问题，摆在了我们面前。安全疏散设计是建筑防火设计的一项重要内容，可以避免建筑内部人员因火烧、烟气中毒及建筑构件倒塌破坏而造成伤害，为消防指战员迅速扑灭火灾及抢救遇难人员提供便利条件。
但是在传统的人员安全疏散设计中，设计人员的主要任务是依照规范的要求保证一定的出口个数、出口宽度和疏散距离等，这种方法在一般建筑中是可行的，但是若将这种方法运用到一些大型工业建筑的疏散设计中则显然是不合适的。
实际上，影响人员疏散的因素除了出口个数、疏散宽度和疏散距离外，还应该包括建筑物内的烟气温度、毒性、热辐射和结构的损伤与破坏等各种因素。这就意味着应该将这些影响因素作为一个综合的系统来对待。现行规范中虽然也包含了对烟气控制和结构的要求，但是对各种因素之间的相互作用没有做详细的说明，特别是没有定量地说明各因素之间对人员疏散安全性的影响程度。也就是说，传统的疏散设计主要考虑建筑布局对疏散的影响，缺乏综合的定量分析。而在性能化的疏散设计中，强调控制火灾的发生和蔓延，同时考虑到如果火灾没有控制住时人员的安全疏散。将建筑物内全体人员疏散到安全地点之前不应受到火灾的危害作为设计目标，疏散的安全性是通过疏散时间（TREST）和危险来临时间（TASET）的分析比较来判断的。其中疏散时间和危险来临时间的计算中综合考虑了各种可能发生的火灾场景下，建筑物及其消防系统得影响。
TASET表示从火灾发展到对人构成危险所需的时间，TREST表示人员从火灾发生到疏散至安全场所所需要的时间。这里涉及两个公式。
①总疏散时间：TREST=Tdet+Tresponse+Ttravel
②人员安全疏散的评价标准：TASET>TREST=Tdet+Tresponse+Ttravel
其中Tdet、Tresponse、Ttravel分别表示人们意识到有火灾发生的时间，人员在疏散前的时间，开始疏散到结束的时间
那么，从上式可以看出，TASET越大，Tdet+Tresponse+Ttravel越小人员安全性就越大。影响TASET的因素很多，包括水喷淋系统和防排烟系统是否可以及时开启等因素。这里就防排烟系统进行分析。据火灾统计分析，火灾过程中使人员致死的主要原因是烟气和热，占火灾中死亡人数的75％～95％。加工厂一旦发生火灾，会在房间上部形成热烟气层，下部为冷空气层，在房间一定高度上存在一内外压力相等的中性层，在中性层上方着火房间压力大于室外压力，若中性层以上区域有通风口，则热烟气会流向室外；若中性层以上区域有通风口，则由于中性层下方压力小于室外压力，室外冷空气会向着火房间补充。此时比较适合使用自然排烟。但是如前文所说“排除空间较高建筑内的烟气比排除空间较低建筑内的烟气要困难得多。对于这类建筑顶部排烟而言，较低的可以直接在屋顶设天窗进行排烟，而较高的则往往不能进行自然排烟，其排烟效率也随其高度的增加而降低”。所以此时自然排烟不能满足要求。应采用机械排烟，比如采用“空气幕墙”。它是利用吹吸气流形成流动的空气幕墙，实施防烟分隔，形成防烟分区，同时排放高温气体和有毒气体。由于加工厂内部空间大，可以利用空气幕墙将其划分为多个防烟分区，同时使厂方内部的空气被排出，使火灾处于缺氧状态，有利于扑灭火灾。
3.4 防火分区
目前我国关于防火分区的规范主要有：《建筑设计防火规范》（GB 50016—2014）及《人民防空工程设计防火规范》（GB 50098—2009）等。这些规范参考了国内外有关正反两方面的经验，在实际使用中起到了很好的作用，极大地减少了火灾损失。比如我国某教学大楼每层建筑面积2600m2的三层建筑物，因为没有防火墙划分防火分区，也无防火安全措施，在三层起火后，将该层建筑全部烧毁；而另一所宿舍占地1312m2，采用三道防火墙划分了防火分区，火灾后2/3的房间没有被火烧毁。国外如英国、前苏联、日本、美国、澳大利亚等规范中均有关于防火分区的规定，其中澳大利亚的规范更为详细。因此，从实际防火效果来看，也从防火设计审查来说，建筑的防火分区仍然是一项重要的指标，必须予以很好的保留，对一般建筑而言，应该严格遵守。
但我们也可以看出规范中最大的防火分区也只有6000m2，而目前一些地方出现的大型工业建筑面积往往达上十万甚至几十万平方米，这些建筑如按传统规范分区必然要将建筑化分成若干分区，在建筑功能上会受到不同的影响。这里需要着重说明的是：按照传统的理解，设置防火分区就意味着采用防火墙、防火门窗、防火卷帘等分隔物对建筑空间进行分隔，从而将火势限定在分区的范围内。但是采取传统的防火分区设置方式会使这类建筑在使用功能上大打折扣。事实上，若仔细分析防火分区的定义，防火分区的划分还隐藏着另一层含义，即强调对“火势发展范围”的控制，也就是说控制火势在限定范围并不一定采取对空间进行实体分隔的方法（如设置喷头），没有必要片面追求被动的防火分隔。
通过上例可以看出，随着建筑业的发展，传统“处方式”防火规范已不能满足新型建筑设计的要求，而性能化防火设计就能够很好的解决此类问题。其实，要达到防止火灾扩散和蔓延的目的有许多方法，如控制可燃物的数量、限制氧气的供给等措施都可以防止火灾大规模的蔓延，但是这些具体措施能否防止火灾蔓延必须针对具体建筑。通过科学的计算分析，严格的理论或实验证明可以达到阻止火灾蔓延的目的，实际上这就是性能化防火设计的实质。
4 结束语
随着我国经济建设的高速发展，特别是我国加入世界贸易组织之后，各地均出现了许多不同类型的大型工业建筑，这些建筑无论从建设规模还是建设速度上都是前所未有的。因此建筑中所遇到的防火审查问题将会越来越突出。作为消防主管部门本身而言，必须改革现行的执法模式，修订不适应新形势的规范条文。但考虑到国情不同，自然条件不同，国外的规范又不能简单完全照搬过来，同时各类建筑的结构形式千差万别，传统条文式规范的简单修订也很难适应这些建筑的多样化的要求，所以性能化防火设计方法的推广使用便是一条十分可行的途径。建筑防火性能化设计是建筑设计方法发展的必然趋势。以火灾性能为基础的性能化设计方法已成为世界各国建筑界与消防界的共识，目前，已有不少国家实行了防火性能化设计规范。我国的规范制订部门也应尽快制订出我国的性能化防火设计原则，通过法规的形式明确可以采用性能化防火设计建筑的具体条件，性能化设计的具体方法、步骤等，对消防审核部门进行具体指导。
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