商业建筑火灾荷载调查与统计分析研究＊

郭子东,吴立志,岳海玲

(1.中国人民武装警察部队学院消防工程系,河北廊坊 065000; 2.中国人民武装警察部队学院科研部组织计划处,河北廊坊 065000)

商业建筑火灾荷载调查与统计分析研究＊

郭子东1,吴立志2,岳海玲1

(1.中国人民武装警察部队学院消防工程系,河北廊坊 065000; 2.中国人民武装警察部队学院科研部组织计划处,河北廊坊 065000)

科技的发展促使火灾模拟应用于火灾安全设计中。火灾模拟结果的准确与否取决于火灾场景的选取与设计火灾的合理性。火灾荷载是判断建筑室内火灾危险程度的依据,也是火灾模拟中设计火灾的重要内容。调查了在廊坊、长治、郑州及天津4个城市的117家零售类商业店铺火灾荷载情况,调查的对象包括快餐店、服装店、鞋店等商业零售店铺。针对这些店铺常见的可燃物形式,确定了5种可燃物,分析了它们在总火灾荷载中的比重。

火灾荷载;设计火灾;火灾荷载密度;火灾荷载调查

随着科学与技术的发展,在火灾研究中逐渐掌握了火灾的原理及发生发展过程,这就促使了火灾模拟应用于火灾安全设计中。设计火灾是在使用火灾模拟确定建筑在火灾情况下是否安全时非常重要的内容[1]。用来评价防火设计的火源的一系列设计称之为火灾场景设计。火灾场景是以工程特性和火灾动力学为基础的防火规范发展的关键问题[2-5]。在建筑火灾研究中,不论是火灾试验,还是火灾模型的建立,火灾场景的设计是第一位的基础研究,它决定了火灾发展的趋势和预测目标。在较早的火灾研究中,对火灾场景的设计一般采取的是针对典型建筑的火灾,以假想的火源形式来设定一个火灾功率,或者依据与火灾实验曲线的吻合程度来确定火灾功率,并以此为基础来计算和预测火灾烟流特性等。这种方法的缺点在于不能准确反映真实火灾发展和蔓延的过程,特别是不适应大空间建筑火灾特性的研究需求。因此,有必要对火灾场景的确定开展深入的研究[6-7]。

在设计火灾场景时,通常关注的有起火的位置,起火范围内可燃物的类型、数量和摆放方式,而这些数据都是通过火灾荷载调查得到的。

我国针对火灾荷载调查所做的工作还很有限。蔡芸等对兰州市不同档次的住宅类建筑火灾荷载进行调查统计,并利用求算术平均数的方法对数据进行分析,分别得到了兰州市低、中、高档三类住宅类建筑的火灾荷载平均值[8]。蔡芸等同时还对天津地区宾馆类建筑火灾荷载进行了统计分析[9]。陈淮等对中原地区住宅建筑结构活荷载进行了调查与统计分析[10]。李天等对中原地区880户住宅进行了调查统计,得到了1 770组卧室面积及家电家具重量、材质等数据信息,从中随机抽取70组计算出卧室活动火灾荷载,并进行统计分析[11]。

我国取得的火灾荷载数据也很有限。目前在开展性能化防火设计时,通常借鉴国外调查得到的数据。由于各国经济发展情况、生活习惯等方面的不同,导致火灾荷载有较大的差异,因此直接借鉴国外调查得到的数据会使得性能化防火设计方法失去准确性。

为满足研究重大火灾隐患的需要,本文对廊坊、天津、郑州、长治四个城市的大型购物中心内的商业零售店铺进行了火灾荷载的调查,共117家商铺,总面积4 095 m2。调查收集的数据包括火灾荷载、可燃物类型和房间尺寸。并对调查得到的数据进行了深入的分析,以期进一步了解不同类型店铺可燃物组成的类型等信息。

1 火灾荷载及火灾荷载密度

火灾荷载是指涉火空间内所有可燃物燃烧所产生的热量值。它包括固定火灾荷载和移动火灾荷载[12]。总火灾荷载可以通过下式计算:

式中:Q为房间内总火灾荷载值(MJ);ki为可燃物i所占比例;mi为房间内可燃物i的质量(kg); hci为可燃物的热值(MJ/kg)。

房间内火灾荷载通常使用火灾荷载密度来表征,也就是总火灾荷载与房间面积的比值用Q″表示,单位是MJ/m2,Q″=Q/Af,其中Af为房间面积(m2)。

许多欧洲文献定义火灾荷载密度为总火灾荷载与房间内部面积的比值,Q″=Q/At,At为所有内表面面积和,包括墙壁、地板和顶棚。在本文的工作中,定义火灾荷载密度为火灾荷载与地板面积的比值。商场内常见可燃物热值可以在参考文献[13-14]中找到。

2 火灾荷载调查

2.1 调查对象和调查内容

由于时间和资金的限制,对于调查的对象做了必要的、合理的选择。购物中心类商业建筑由于其营业模式和建筑结构的特点,多为实体墙分隔开的独立店铺,将这种店铺称为隔间式店铺,这也是本次调查的对象。

本文对廊坊、天津、郑州、长治4个城市的十几座购物中心内的隔间式店铺进行的火灾荷载调查,时间是2008年10-12月。所调查的店铺种类包括服装店、鞋店、快餐店、饰品店、书店,以及各类店铺的库房。调查中除了主要的荷载统计,店铺几何尺寸、商品摆放布局、以及门窗洞口的大小等也做了详细的记录。

2.2 调查方法

确定建筑内的火灾荷载是一项单调而且乏味的工作,它包括确定不同类型可燃物的质量和热值。为了使调查过程更容易操作和进行,结合直接称量和间接计算,对一些常见的相同的物品进行了预先的称重。同时为了确保调查数据的高质量,以及避免调查中会出现的一些矛盾(对店主或者经理的一些询问),本次调查都由本文作者亲自完成。

为了使调查过程更为系统和一致,制定了一套程序,将调查过程分为以下4个步骤:(1)对建筑物和店铺进行标识,并注明日期;(2)确定店铺几何尺寸、开口状况;(3)固定火灾荷载:包括结构构件、重量和内衬材料类型等;(4)移动火灾荷载:店铺的内容物、可燃物的类型和质量。

调查使用的工具包括:卷尺(10 m)、皮尺(50 m)、手提式电子秤(量程20 kg,精确到10 g)、数码相机。相机可以准确详细地帮助记录店铺的类型、可燃物分布、几何形状等。

3 调查数据的统计分析

3.1 对店铺火灾荷载进行初步分析

调查得到的数据用以分析确定不同店铺占总调查店铺面积的比例,每个店铺的总火灾荷载,火灾荷载密度,构成火灾荷载可燃物的组成等。图1给出了不同种类店铺面积占所调查店铺总面积的比例图。衣服类占据了最大比重。Bennetts et al.[15]也给出了相似的结论。在调查中将衣服分为男装、女装及运动休闲类,在所调查的117家店铺中,服装类占到了总面积的68%。其他所占比例较高的店铺还有鞋店和快餐店,分别占到总面积的10%和6%。

图1 进行调查的各类型商业建筑面积占总面积的比例

图2给出了117家被调查店铺的荷载频率分布,图中以100MJ/m2为一个步长,对每个区间内的样本数做了统计。总体火灾荷载密度均值1 241.7 MJ/m2,最大值6 813.4 MJ/m2,最小值92 MJ/m2,标准偏差1 231.8 MJ/m2。位于图中右侧部分有3个火灾荷载密度在4 000 MJ/m2以上的是书店,显而易见是书店具有大量的书籍所致。

全部117家调查店铺的火灾荷载分布见图3,均值为30 912MJ,标准偏差为45 332MJ,最大值为354 296MJ,最小值为368MJ,第90百分位数为51 955MJ。详细结果见表1。

表1 调查的117家店铺地板面积、火灾荷载密度和总火灾荷载

图2 全部117家店铺的荷载密度频数分布图

图3 全部117家店铺火灾荷载频数分布图

为对不同类型店铺火灾荷载进行深入分析,将调查的117家店铺分为5类,有些具有足够的样本数来进行精确的分析,有些则样本不足。服装店、快餐店、运动休闲店和鞋店分别有28、15、15、10个样本,而有些店铺像书店、内衣店分别有3、4个样本。表2给出了不同类型店铺数据分析的结果。总体上说,库存区具有最大的火灾荷载密度。

表2 每组样本数目及火灾荷载密度

3.2 火灾荷载密度统计学分析

松山贤先生的研究指出相同功能建筑物的火灾荷载密度具有正态分布规律,即火灾荷载密度的样本(x0,x1,…,xn)可以通过正态分布概率密度函数来表征,如式(2)所示[16]。

式中:w是火灾荷载(kg/m2);f(w)是火灾荷载分布的概率密度;μw和σw分别是火灾荷载w的均值和标准差(kg/m2)。

为了验证所调查的样本是否符合这一规律,做了非参数检验。正态分布典型的检验是利用科尔莫戈罗夫-斯米尔诺夫检验(Kolmogorov-Smirnov test),即k-s检验。如果显著性水平α为0.05,那么概率P值大于显著性水平则不能拒绝零假设,否则拒绝零假设。这里选择单样本k-s检验,提出零假设为H0:总体服从正态分布。计算分析软件采用SPSS,经过计算发现P值=0.001<0.05,因此可以认为样本的实际分布与假设的正态分布存在显著性差异。

从图2可知,样本总体虽然不服从标准正态分布,但是却很明显可能服从对数正态分布规律,如式(3)所示:

经过拟合可得:f(x0)=0.3,xc=670.25,w= 0.84,A=9 611.2。即式(3)变成式(4):

同样对上述假设进行非参数检验,采用χ2检验。经过计算该分布的自由度为5,其值χ2=1.288,(5)=11.07>1.288,因此可以认为样本总体与对数正态分布不存在显著性差异(图4)。

图4 火灾荷载密度及其拟合的对数正态分布

利用SPSS中的P-P图还可以从直观上判断实际分布是否与期望(理论)分布具有显著性差异。横轴为样本数据实际累计概率值,纵轴为期望累计概率值。当数据与理论分布完全一致时,各个数据点应落在中间的对角线上。图5给出了实际样本数据与两种理论分布(标准正态分布和对数正态分布)的显著性差异比较。很明显,图5(a)中,在较低的样本值区域中,实际的累积概率明显小于理论累计概率值;而较大的样本区间中,实际与累积概率值又明显大于理论累积概率值。而图5(b)中,数据点几乎全部落在了对角线上。因此可以直观地判断样本总体非常符合对数正态分布。

图5 荷载密度P-P图

3.3 对不同类型店铺的进一步分析

根据调查中店铺常见的可燃物,5种可燃物为木材、塑料、纺织物、橡胶和食品。显然,根据表3的结果,不同种类的店铺具有不同的可燃物类型,因此有必要对数据进行深入分析以得到各种不同类型可燃物的比例。接下来对具有理想样本数的店铺类型进行进一步的分析。分析的对象有库存区、服装店、鞋店和运动休闲店。

表3 不同类型可燃物在总火灾荷载中比例

3.3.1 库存区

根据库房存放的主要商品,将其分为鞋类库房、服装类库房和运动系列库房。此类店铺占地面积不到所查店铺面积的10%,共有35个样本,却占样本数的30%。库房的面积最小2.5 m2,最大31 m2。总荷载变化范围为368～79 217 MJ,荷载密度变化范围为92～4 077 MJ/m2,均值为2 277 MJ/m2,第90百分位数为3 496 MJ/m2,标准偏差为991 MJ/m2(图6)。进一步分析可知,库房内纺织物所占比例的变化范围是0～100%,木材所占比例的变化范围是0～32.5%,商品(服装和鞋子)作为主要可燃材料占荷载密度的90%以上(图7)。根据其建筑面积的不同将库房分为3组: S1,建筑面积<10 m2;S2,建筑面积在10～20 m2之间;S3,建筑面积>20 m2。S1、S2和S3这三组的均值荷载密度分别为2 008MJ/m2、2 289MJ/m2、2 707 MJ/m2,可见随着建筑面积的增大,库房的火灾荷载密度有递增的趋势。

3.3.2 服装店

图6 库房火灾荷载密度频数分布

图7 库房可燃物材料比例组成范围

这个类别主要是由男装、女装和内衣店所组成。服装类的店铺占了50%左右,这个也是购物中心内隔间式店铺的主流。服装类共计有33个样本,面积为21～185 m2,总荷载为8 500～110 406 MJ。如图8所示,服装店的火灾荷载密度最小164 MJ/m2,最大2 147 MJ/m2,60%以上的店铺为500～1 000MJ/m2。服装店的荷载密度均值为768.5 MJ/m2,第90百分位数值为1 468 MJ/m2,标准偏差为437.5 MJ/m2。进一步分析可知,在服装店内纺织物所占比例的变化范围是4.5%～77.2%,木材所占比例的变化范围是22.8%～94.2%,79%以上的店铺,木材作为主要可燃材料占荷载密度的50%以上(图9)。主要的原因应该是购物中心内的店铺的档次比较高,商品价格相比较一般场所较高,其内部的装修较豪华,频繁使用木地板,墙壁贴木所致。

图8 服装店火灾荷载密度频数分布

图9 服装店可燃材料组成比例范围

为了进一步分析服装店的荷载密度的特点,根据其建筑面积的不同分为3组:S1,建筑面积< 40 m2;S2,建筑面积为40～70 m2;S3,建筑面积>70 m2。图10给出了这3组火灾荷载密度均值、最大值、最小值和第90百分位数,可以看见随着建筑面积的增大,服装店火灾荷载密度是呈递减的规律变化的。另外服装店纺织物的构成分析结果表明平均80%是天然纤维(棉毛之类),平均20%左右是化纤类(丙纶,腈纶之类),这个主要是由于购物中心服装比较高档,绿色环保的天然植物较多的缘故。

3.3.3 鞋店

图10 服装店建筑面积与荷载密度的关系

共计调查了12家鞋店,包括男鞋和女鞋。所调查的鞋店的面积相差不大,为25～59 m2。火灾荷载12 958～52 274MJ。火灾荷载密度最小值为480 MJ/m2,最大值为1 629 MJ/m2,平均值959 MJ/m2,标准偏差363 MJ/m2。鞋店内的木质装修导致木材为主要可燃物,占总火灾荷载的79%,其次为皮革和橡胶,占到21%。

3.3.4 运动休闲类

共计调查了15家运动休闲服装店,主要经营运动休闲类服装,运动鞋等。火灾荷载密度最小值为109 MJ/m2,最大值937 MJ/m2,平均值336 MJ/m2,标准偏差228 MJ/m2。图11给出了运动休闲类火灾荷载密度和样本数的关系。

图11 运动休闲店火灾荷载密度与样本数关系

4 燃料包

根据调查得到的数据,设计了一系列燃料包代表不同店铺的火灾荷载密度及可燃物类型。这些燃料包的详细情况见表4。按照表4中构成火灾荷载可燃物的设计,结合调查中可燃物的常见摆放方式进行试验,可以获得更接近实际的热释放速率等参数,为火灾场景设计服务。

5 结论

本文给出了确定商业建筑火灾荷载、可燃物类型、摆放方式等进行调查的程序和结果。共计调查了117家店铺,总面积4 095 m2。所调查店铺的面积为2.5～185 m2。这117家店铺的火灾荷载密度具有对数正态分布,火灾荷载密度平均值为1 230 MJ/m2,最大值6 813.4 MJ/m2,最小值92 MJ/m2,标准偏差1 240.5 MJ/m2。根据调查的结果,一般店铺中有5种可燃物类型:纺织物、塑料、木材、橡胶和食品。

表4 设计火灾中不同店铺按第90百分位数火灾荷载密度可燃物组成

为便于分析,将调查的117家店铺进行了分组,对样本数多的库存区、服装店、运动休闲店、鞋店进行了分析。分析的数据包括火灾荷载最大值、最小值、平均值、第90百分位数,以及不同类型可燃物的百分组成。本文所调查的火灾荷载仅包括店铺内的固定火灾荷载及移动火灾荷载,并不包括可燃建筑材料的荷载。分析的结果用于设计各种类型店铺不同可燃物组成的燃料包,以进行下一步试验确定它们的燃烧特性,为火灾场景设计服务。

[1] 张和平,亓延军,徐亮,等.可燃物表面积和厚度对建筑物内火灾载荷的影响[J].火灾科学,2003,12(2):90-94.

[2] Hadjisophocleous G V,Bénichou N,Tamin A S.Literature review of performance-based codes and design environment[J]. Journal of Fire Protection Engineering,1998,9(1):12-40.

[3] SFPE Engineering Guide to Perfor mance-Based Fire Protection

Survey and Statistical Analysis on Fire Loads of Commerc ial Build ings

Guo Zidong1,Wu Lizhi2and Yue Hailing1

(1.Departm ent of Fire Engineering,the A r m ed Police Academ y,Langfang065000,China;
2.Research Institute,Chinese People's Ar m ed Police Force Academ y,Langfang065000,China)

Fire simulation is impelled by the development of technology to be implicated into fire safety design.The accuracy of fire simulation results is determined by selection of fire scenario and rationality of designed fires.Fire load is a reference for judging of indoor fire risk degree of buildings,and is also an important contentof designed fires in fire simulations.The results of a survey,conducted in the cities of Langfang,Changzhi, Zhengzhou and Tianjin,are presented to characterize fire loads in commercial premises.The survey includes various commercial establishments such as restaurants,clothing stores,shoe stores and etc.Five of the common combustible materials in the shops are deter mined as major ones,and their proportion in the total fire load is analyzed.

fire load;designed fire;fire load density;survey of fire loads

X928.7

A

1000-811X(2010)02-0097-06

2009-11-10

国家科技支撑计划“城市火灾危险性评估技术研究及应用示范”(2006BAK06B01-1)

郭子东(1980-),男,汉族,辽宁朝阳人,讲师,博士研究生,主要从事火灾风险评估方面的工作. E-mail:zidong_guo@126.com