多层建筑群内消防设施强化方案研究

苑 军,肖春花,姚 斌

(1.天津市消防总队,天津,300040;2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,安徽合肥,230026)

多层建筑群内消防设施强化方案研究

苑 军1,肖春花2,姚 斌2

(1.天津市消防总队,天津,300040;2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,安徽合肥,230026)

由于建筑绿化及地面承重结构安全等功能需要,某多层高档建筑群难以按照现行规范要求设置消防车道,使消防车无法进入,给灭火救援带来一定的困难。以某企业总部为例,针对该问题提出了强化火灾自动报警系统、室外消火栓给水系统和兼职消防队伍建设等消防强化方案。通过数值模拟方法对整个建筑群内的火灾发展趋势进行模拟研究,分析火灾对建筑附近人员安全和周围建筑安全的影响,论证了该消防强化方案的有效性,可为类似建筑提供参考。

多层建筑群;消防车道;兼职消防队;火灾自动报警系统;室外消火栓

0 引言

设置消防车道的目的是当某建筑内发生火灾时,为消防车灭火救援工作提供便捷通畅的行驶路线,保证消防车能及时到达火场,开展灭火救援任务。《建筑设计防火规范》(GB50016-2006)[1]第6.0.2条明确规定:有封闭内院或天井的建筑物,当其短边长度大于24.0m时,宜设置进入内院或天井的消防车道。

消防车道的设置需要考虑消防车的长、宽、高、重等因素,对设置区域道路宽度、回车条件和承重等方面都具有一定的要求。然而,随着建筑形式的多样化,特别是某些高档的小区,地面景观绿化要求较高,导致地面无足够的面积设置消防车道;此外,小区内一般将地下一层设计为地下停车库,使得消防车相当于在板上运行,而消防车的轮压仅集中在板的局部[2],造成局部压力较大,导致地面结构承载能力不足。因此,由于景观布局及结构承重等方面的原因,某些多层建筑群中难以按上述规范要求设置消防车道。针对该问题,有人曾对某建筑周围消防车道的设置进行了定性分析[3],提出了对于该类特殊布局的建筑群可灵活设置消防车道的结论。

本文利用系统安全的概念,基于“安全等价性”原则,结合某具体案例对多层建筑群内消防车道的设置问题进行分析,提出消防强化方案,并采用烟气模拟软件FDS5[4]对整个建筑群内的火灾发展趋势进行模拟研究,通过分析火灾对周围建筑及人员安全的影响,论证了消防强化方案的有效性。

1 工程案例概况及存在的问题

本文以某企业总部为研究对象进行详细说明。建筑群用地呈矩形,南北向长96米,东西向长240米。东侧布置两栋五层商业建筑;西侧布置有七层、五层分层式企业总部各一栋,层高4.2m,建筑面积800m2～900m2/层;中部布置10栋三层独栋式总部建筑,层高3.6m,建筑面积为400m2～1000m2/栋。

该建筑群中部设有中心绿地,独栋式总部沿街设置小院围墙,使得该地块形成封闭内院,该企业总部属于高档小区,所有房间窗户均未设置防盗网,为人员逃生提供条件,此外,小区内设保安执勤人员进行小区管理,并设有专门的办公场所。按照规范要求,该企业总部内需设置穿过建筑群的消防车道,如图1所示。

但是,由于该企业总部属于高档小区,绿地率要求较高;地下一层为停车场,承重能力有限,因此平时严格限制重型车辆进入;为使建筑群达到上部形成种植庭院,下部做地下车库,形成独特的台地空间,自然形成人车分流的效果,建筑设计中将基地整体抬高了1.45米,区内道路平时仅作为人行道使用。因此,由于绿化景观、地下车库和地面高差的限制,该企业总部内难以设置消防车道,与规范要求不符。

图1 案例布局及按规范要求设置的消防车道示意Fig.1 Layout of the case and fire-fighting access set according to norm

2 消防强化方案

针对该案例的特殊情况,本文着重强调“预防为主,防消结合”的方针,充分利用现有的技术和人力资源,通过加强消防设施的建设来弥补消防车辆无法到达的缺陷,尽可能将火灾控制在最小的范围内。具体的消防强化方案如下:

(1)强化火灾自动报警系统的设置

及早发现火情对灭火的有效性有着重要的影响,火灾自动探测报警系统对于发现火情的及时性起着决定性的作用[5]。为了及时有效地判定火灾的发生,需要选择合适的火灾探测报警装置,本项目所涉及的建筑使用功能主要为办公类型,在每个房间内设置高灵敏感烟探测器进行早期火灾报警,使人们在火灾发生的初期即采取有效措施,从而抑制火灾的发展。

(2)强化室外消防给水系统的设置

当室内火势失去控制,发展为大规模的火灾时,室外消防给水系统能充分发挥作用,在没有消防车救援的情况下,将室外消火栓的设置适当加密,保证短距离内同一地点同时受到两个或多个消火栓保护。同时设置手抬机动泵作为应急取水设施。

为了进一步保障企业总部建筑群的火灾安全,保证火灾发生时具有有效的灭火设施,除在周边道路上布置的市政消火栓之外,企业总部地块内应设置室外消火栓。室外消火栓间距60m,单个消火栓保护半径保守取为100m,布置多个室外消火栓(见图2),使区内任何地方均在两个室外消火栓的有效保护范围内。室外消防用水量不小于15L/s,最不利点消火栓压力不小于0.1MP,室外消防给水管网采用两个进水口,消防给水管道呈环状布置,室外消防给水管道的直径不应小于DN100。

(3)强化兼职消防队伍的建设

灭火救援工作需要一定的专业人员进行,在没有消防车到达的情况下,可在区内利用保安人员建立一支兼职消防队伍(见图2),并为该消防队伍配备以下消防装备以便在紧急情况下及时实施灭火救援工作:机动消防泵、救生气垫、个人防护装备、ABC类灭火器、消防水枪、消防水带;值班电话、手电筒等。

3 安全性论证

3.1 安全目标

本文所对多层建筑群进行安全分析的目标主要是保证人员生命安全和周围建筑的火灾安全,即某建筑发生火灾时确保着火建筑内的人员和灭火救援人员的人身安全,并且防止火灾蔓延至周围建筑,以降低火灾的直接和间接损失。

3.2 危险判据

3.2.1 轰燃发生的临界条件

轰燃是火灾增长阶段能量突然释放的过程,其经历的时间很短,但危害极大。案例中的多层建筑内单个房间面积小,可燃物多,火灾快速增长过程中容易发生轰燃现象。本文在参考前人研究成果[6-8]的基础上作保守考虑,选取轰燃发生的临界条件为上部热气层温度达到500℃。

图2 室外消火栓布置和兼职消防队位置图Fig.2 Layout of the outside fire hydrant and position of pluralistic fire station

3.2.2 辐射热流对人体的影响极限

根据人对热辐射的耐受能力的研究资料,人对烟气层等火灾环境的热辐射的耐受极限是2.5kW/m2。相关实验结果如表1所示。

据此,本报告选取人员对火灾热辐射的耐受极限是2.5kW/m2。

3.2.3 辐射热流对相邻建筑物的影响极限

多层建筑群内某建筑着火后,着火建筑对相邻建筑的影响主要来源于热辐射作用,当相邻建筑表面的热辐射通量达到引燃该表面物体的临界热辐射通量时,相邻建筑就会被引燃,导致火焰传播。常见可燃物的临界热辐射通量如表2所示。

表1 人体对热辐射的耐受极限[9]Table 1 Human tolerance limits for heat radiation

表2 常见可燃物的临界热辐射通量[10]Table 2 Critical radiation intensity of common combustible

本案例属于高档小区,出于安全性的要求,经保守考虑后将着火建筑引燃相邻建筑物的临界热辐射通量为8 kW/m2。

3.3火灾场景设置

从最不利条件出发,选取独栋式企业总部中的9#办公楼一层发生火灾。独栋企业总部办公室内无喷淋及排烟设施,参考上海市《建筑防排烟技术规程》(DGJ080-88-2006),将计算过程中设定火源为 t2-快速增长火,稳定火源功率取6MW[11]。

图3 E3-1地块整体模型图Fig.3 Overall model of block E3-1

为了判断真实火灾工况下感烟探测器的响应时间,模型中在发生火灾的楼层中部距地面3m高处设置烟气浓度测点。

在9#楼内每层距地面高度为3m处分别设置四个测温点,用以监测建筑内上层烟气温度,判定轰燃发生的临界时间。

为了判断室内火灾发生后,热辐射对建筑周围人员(包括行人及灭火救援人员)以及相邻建筑的影响,在建筑外部距地面2m高处设立辐射热通量测点。

3.4 计算结果分析

3.4.1 火灾探测时间

计算过程中,根据一层中部距离地面高3m处烟气浓度测点测得的结果,测点位置处在40s左右开始出现烟气,考虑到感烟探测器具有一定的响应阈值,取感烟探测器的响应时间为60s。

3.4.2 室内温度变化

通过在三个楼层上部不同位置设置火灾烟气温度测点,设置位置如图4所示。

图4 各层温度测点布置平面图Fig.4 Layout of temperature measuring points in different floors

得到各楼层上部烟气温度随随时间变化关系如图5所示。

从三个楼层烟气温度随时间变化关系曲线中可以看出,各层烟气温度的变化趋势都相同,先维持一段室温,然后逐渐升高,最后趋于稳定。但是,不同楼层烟气温度开始升高的时间点和最高温度不同,各层烟气温度开始上升的时间分别约为:50s、400s、250s,各层测点最高温度的平均值分别约:500℃、400℃、250℃。由于火灾烟气在各层之间通过开敞楼梯间蔓延,火灾烟气在楼梯间内存在烟囱效应,导致三层烟气温度上升时间较二层早,烟气在上升过程中受周围空气的冷却作用又导致三层温度低于二层。根据轰燃发生的临界条件,本次模拟中一层在380s左右发生轰燃现象。

3.4.3 火灾对建筑周围人员的影响

为了了解火灾对灭火人员和处于着火建筑四周道路上的行人的影响,在着火建筑周围设置了5个辐射强度测点,设置位置如图6所示。

得到不同位置处辐射强度随时间变化关系如图7所示。

测点1和测点2位于距着火建筑5m远的道路上,其辐射强度增长最快,同一时刻的辐射强度最大,测点1的辐射强度在600s左右达到人体耐受极限2.5kW/m2,测点2的辐射强度在560s左右达到人体耐受极限;700s后,两测点处的辐射强度平均 高达3.5 kW/m2。

图5 各层测点烟气温度随时间变化关系Fig.5 Curves that gas temperatures change with time in different floors

图6 着火建筑外部辐射热强度测点分布Fig.6 Layout of radiation intensity measuring point outside of the building on fire

测点3和测点4位于距着火建筑12m远的相邻室外消火栓处,其辐射强度增长最慢,同一时间的辐射强度最小,700s后,测点3的辐射强度维持在1.0kW/m2,测点4的辐射强度保持0.8 kW/m2,在模拟的1200s内两测点处的辐射强度均未达到人体的耐受极限。

图7 外界各测点处辐射强度随时间变化关系Fig.7 Curves that radiation intensity changes with time on outside measuring points

测点5位于距着火建筑10m远消防队员用水枪灭火处,其辐射强度的增长速率处于最快与最慢之间,最大辐射强度维持在2.0 kW/m2的水平,在1200s内该测点处的辐射强度未达到人体的耐受极限。

由此可知:①为保证人员安全,必须在火灾发生后的9分钟内将所有人员撤离至着火建筑外围10m远处;②消防队员在开展灭火工作时,其灭火所处位置离着火建筑至少应保持10m远。

3.4.4 火灾对相邻建筑物的影响

美国消防协会NFPA92B标准[12]将与火源相距R处的可燃物接收到的火源辐射表示为:

式中:Q——火源热释放速率,kW;

xr——热辐射系数,表示火源热释放速率中辐射部分所占的比例;

R——可燃物距火源中心的距离,m。

从式(1)中可知,当火源参数确定之后,相邻建筑可燃物接收到的火源辐射仅随着可燃物距火源中心的距离而变化。案例中相邻建筑与着火建筑之间的距离约10m,据上文计算结果,距着火建筑10m远处的最大辐射强度为2.0kW/m2,远小于临界辐射通量8kW/m2。所以,着火建筑不会引燃该相邻建筑物。随着距离R的增加,辐射强度qf值将小于2.0kW/m2,因此,其它相邻建筑也不存在被引燃危险。

3.5 兼职消防队的有效性分析

为了弥补难以设置消防车道的不足,在企业总部内利用保安人员建立一支兼职消防队,并为其设置专门的办公场所,配备必要的消防装备。

按最不利情况考虑,将兼职消防队办公室设立于分层企业总部12#楼内,考虑火灾发生在距离兼职消防队办公室最远点的独栋企业总部10#楼内。

3.5.1 兼职消防队到达火场的时间

从火灾发生时刻开始,至兼职消防队展开灭火工作止,其间经历的时间主要由以下几个部分组成:

(1)火灾报警时间 Td

根据前文计算结果,火灾报警时间 Td为60s。(2)兼职消防队的出警时间 Tr

公安部规定,公安消防队的出警时间规定为冬天着装登车一分钟,夏天着装登车45秒。考虑到兼职消防队与公安消防队的差别,本报告在确定兼职消防队出警时间时,在公安消防队出警时间的基础上延长50%,考虑冬天失火的最不利情况,将兼职消防队的出警时间取为90s。

(3)兼职消防队员运动时间 Tm

企业总部区内无法通行消防车辆,必要情况下兼职消防队仅能依靠手抬机动泵步行至起火部位,紧急情况下的步行速度取为2m/s,实际行走的距离约为240m,得出其运动时间为120s。

综上所述,火灾发生时,兼职消防队在最不利情况下到达火灾现场的总时间为 T=Td+Tr+Tm=60s+90s+120s=270s,即4.5分钟。

兼职消防队到达火灾现场的时间约270s,当兼职消防队员到达火灾现场时,火灾尚处于稳定燃烧阶段,轰燃现象还未发生,仅有少量的烟气从一层建筑开口溢出。多层建筑高度相对较低,此时兼职消防队员可采用缓降器或救生气垫开展救援工作。

3.5.2 公安消防队到达火场的时间

公安消防队到达火灾现场之间需要经过的过程包括[13]:发现火情→报警→119接警了解情况→通知所辖区域消防中队→消防中队接警后拉电铃→值班消防员、司机、指挥员穿好防护出警 →到达着火点。

发现火情和报警阶段属于火灾探测报警时间,这与上文所述的报警时间 Td相同,取为60s;消防中队接警后拉电铃到出警期间所用的时间即为上文所说的消防队出警时间,按公安消防队最不利情况选取为60s。

通知辖区消防中队基本可与其报警通话过程同步进行,因此,本报告将报警通话过程和通知辖区消防中队的总时间确定为60s。

距离该区域最近的消防中队距着火建筑4.8公里,消防车的平均行车速度按市内行车60公里/小时选取,则消防车行驶的时间为4.8分钟,即288s。

根据以上分析结果,最近消防队到达火场的时间大致是468s,即7.8分钟。

公安消防队到达火灾现场的时间约468s,此时建筑一层已经发生轰燃,产生大量烟气,且二层和三层内也蓄积了较多的高温烟气,导致整个建筑都处于浓烟笼罩中。若在此时才开始利用消防车展开救援工作,被困人员受火灾烟气影响时间较长,对救援不利。

3.5.3 比较分析

根据上文的分析,针对案例的实际情况,将两种消防队作一比较,以突出兼职消防队的有效性。

表3 消防队比较表Table 3 Comparison of the fire stations

由此可以证明,实际火灾工况下,多层建筑群内设兼职消防队可在火势迅速扩大之前采取灭火措施,遇火势不大时,兼职消防队即可将火势扑灭,火势较大时,也能在早期采取有利措施开展施救工作,待公安消防队到达后协助灭火救援。

4 结论

通过对企业总部案例消防强化方案的研究和火灾安全的分析,解决了多层建筑群内由于功能限制难以修建消防车道的问题,为保障建筑群内人员和建筑的消防安全,提出的强化方案可对类似多层建筑群提供借鉴作用:

(1)强化兼职消防队的建设,为兼职消防队配备相应的消防装备。加强兼职消防队的专业技能培训,并与公安消防队进行联合演练。

(2)强化火灾自动报警系统的设置,在多层建筑内每层按规范要求设置感烟火灾探测器或气、烟、温复合探测器,且在每层楼梯口等明显位置设置手动报警按钮。

(3)强化室外消火栓的设置。保证室外消火栓的间距不应大于60m,消火栓的保护半径不应超过100m等设置要求。

(4)保证人员疏散通道的畅通,如禁止在建筑外窗上设置防盗网等设施,如必须设置,应在防盗网上开设利于人员进出的逃生口。

[1]GB50016-2006,建筑设计防火规范[S].

[2]吕强,糜斌,李旭阳.浅谈消防车道的设计经济性与安全性[J].矿业安全与环保.2003,30:241-245.

[3]王松林.特殊形态高层建筑消防车道的设计分析[J].中国西部科技,2008,7(19):52-53.

[4]NIST Special Publication 1019-5.Fire Dynamics Simulator(Version 5)User’s Guide[M].U.S.Government printing office.Washington:2007.

[5]GB50116-98,火灾自动报警系统设计规范[S].

[6]Hagglund B,Jannson R,Onnermark B.Fire development in residential rooms after ignition from nuclear explosion[R],FOA C20016-DG(A3),Forsvarets Forskningsanstalt,Stockholm 1974.

[7]Fang J B,Breese J N.Fire Development in Residential Basement Rooms[R].1980;NSIR 80-2120 National Bureau of Standards,USA.

[8]Thomas P H.The growth of fire-ignition to full involvement[A].In Combustion Fundamentals of Fire[M],1995;ed.by G.Cox,Academic Press,London.

[9]Purser D A.Toxicity assessment of combustion products[A].SFPE Handbook of Fire Protection Engineering[M],NationalFire Protection Association,Quincy,Massachusetts,Third edition 2002,Chapter 2-6.

[10]The SFPE Handbook of Fire Protection Engineering[M].Society of Fire Protection Engineers and National Fire Protection,2008.

[11]DGJ08-88-2006,建筑防排烟技术规程[S].上海:上海市建筑建材业市场管理总站,2006.

[12]Standard for the Installation of Air-Conditioning and Ventilating Systems[S].NFPA92.

[13]公安部.公安消防部队执勤战斗条令[S].2009.

Study on enhancements of fire fighting facilities in multi-story buildings

YUAN Jun1,XIAO Chun-hua2,YAO Bin2

(1.Fire Protection Bureau of Tianjin Municipality,Tianjin,300040,China;
2.State Key Lab.of Fire Science,USTC,Anhui Hefei,230026,China)

For landscape and structural safety,it is difficult to design fire-fighting access among some multi-story buildings by the requirements of current fire codes.This causes the difficulty of firefighting and rescue because of the difficulty for the entrance of fire engines.With regard to this problem,a headquarter is used as an example and some enhancements of fire fighting facilities such as automatic fire alarm system,outside hydrant system and pluralistic fire station are proposed in this paper.The fire development of the whole buildings is studied by numerical simulation.By analysis of the impact of the fire on persons and buildings nearby,the effectiveness of the enhancements is investigated.

Multi-story buildings;Fire-fighting access;Pluralistic firestation;Automatic fire alarm system;Outside hydrant system

TU998.1

A

1004-5309(2010)-0183-08

2010-07-03;修改日期:2010-08-21

苑军(1970-),男,天津人,天津消防总队保税支队防火处处长,高级工程师,研究方向为消防工程学。