大空间建筑消防控火问题研究

詹建军

（武汉市公安局消防支队 汉阳区大队，湖北 武汉430050）

大空间建筑消防控火问题研究

詹建军

（武汉市公安局消防支队 汉阳区大队，湖北 武汉430050）

大空间建筑单层面积大、跨度大、层间高，没有或缺少实体分隔，在建筑防火、火灾预警和消防灭火、人员疏散等方面较之传统建筑难度更大。要注意根据大空间建筑的具体情况采取合理的消防措施：第一，合理划分防火分区，除了采用常规设计手段达到控火目的外，还可以划分“防火单元”，设置防火分隔带、防火隔墙、“防火舱”及性能化防火设计防控火灾；第二，重视新消防技术手段的运用，准确合理地选择安装警报装置和自动灭火系统，力争实现从火灾的源头控火。

大空间建筑消防；消防设计；消防水炮；火灾预警

一、前言

近二十余年来，各种类型的大跨空间结构在美、日、欧等发达国家发展很快。由于经济和文化发展的需要，人们还在不断追求覆盖面更大的建筑空间。我国随着社会经济发展，企业生产、仓储用房、大型批发市场、物流业、综合商场、体育场馆、影剧院、展览馆等大空间建筑越来越多[1]。这类建筑单层面积大、跨度大、层间高，没有或缺少实体分隔，给建筑防火、火灾预警和消防灭火、人员疏散等带来了新的研究课题。

二、大空间建筑防火分区问题研究

（一）大空间建筑防火分隔存在的问题

大空间建筑的艺术观赏性及实用性与规范的强制性产生了冲突。建筑的功能是建筑的核心内容，具体的建筑物总是为一个或某些特定的功能服务的。大空间建筑的特殊功能性及内容的多样性使得大空间建筑不宜进行防火、防烟分隔。按现有消防技术规范，常规采用的技术手段包括设置防火隔墙、防火卷帘或防火水幕等分隔设施，已经不能满足人们对建筑物的功能需求。防火墙的设置违背了大空间建筑的建设初衷；对于较高的大空间建筑，防火卷帘的安装设置困难重重；大空间建筑使用防火水幕会造成较大的经济、技术困难。

（二）大空间建筑防火分区问题的应对

针对大空间建筑防火分区存在的问题，解决方案除了常规的设置防火卷帘、防火水幕等设计手段外，还有采用“防火分隔带”、“防火舱”、性能化防火设计方案等。

（1）采用“防火分隔带”。利用建筑材料的不燃化及可燃界面的非连续化等性质划分出一段“不可燃”的分隔带，阻挡两侧的烟火互相蔓延，将火势限定在较小的范围内[2]。厦门机场空运货站分区采用了美国国家防火协会标准（NFPA）“防火分隔带”的方法。CFAST火灾模拟软件对该空运货站进行火灾模拟分析，结果肯定了“防火分隔带”在大空间建筑防火分区中所起的作用。[3]

（2）采用“防火舱”。利用耐火构建的阻燃特性，在火灾防护区如办公室等位置周围设置具有耐火特性的防护构建，耐火极限一般为1~2h，可形成一个较为封闭的“防火舱”，在火灾发生时能够阻止火灾蔓延，能将火灾有效控制在事发原点。例如，对于航站楼建筑，传统的防火隔墙无法得到有效的应用，在不阻碍旅客自由流动的前提下，采用设置“防火舱”的消防设计方案，[4]就可有效地解决源头控火问题。

（3）采用性能化防火设计方案。性能化防火设计作为一种新的建筑防火设计方法，是以消防安全工程学为基础，在充分考虑到建筑物的内部结构、功能用途以及内部可燃物存在情况等方面因素的前提下，对建筑的火灾安全隐患进行定量的预测和评估，在一定的理论基础上得出最优化的防火设计方案。这种设计方案基于对各类建筑的防火安全性进行综合评估，有针对性地提出该建筑较为合适的防火安全系统模式，因此，在火灾发生时，可以有效地控制火灾蔓延趋势。[5]但是，性能化防火设计也存在一定的局限性。性能化设计分析和步骤繁琐，设计时间长；设计者素质差别较大，难以保证设计适当的质量控制措施；性能化防火设计的安全目标与消防系统、人员疏散组织密不可分，因此对日常消防监督管理要求较高。

三、大空间建筑常用火灾探测器

大跨度、高空间是大空间建筑的两大特点。当火灾发生时，由于高空大量冷空气的“降温”和“稀释”作用，火灾烟气往往在还没有到达建筑顶部时温度和烟气浓度大大降低。因此，只有当火灾发展到相当严重的程度时，传统的点型感温感烟探测器才能探测到火灾的发生。这种火灾探测器在大空间建筑中很难实现早期火灾报警[6]。另外，在环境恶劣的情况下，灰尘、空调及电磁干扰等影响将会使得火灾探测误报、漏报的频率大大增高。因此，根据大空间建筑的设计使用特点，合理地选用火灾探测器，对于火灾初期预警有着不可忽视的作用。

（一）常用火灾探测技术

1.线型红外光束感烟探测器

线型红外光束感烟探测器由发射器和接收器组成，一般安装于被保护区域的两端。它是利用烟雾粒子对红外光束散射或吸收的原理对火灾进行探测[7]。当火灾发生时，烟气蔓延，由于烟雾颗粒对红外光束有一定的阻碍遮挡，同时微小颗粒对光束还有一定的吸收和散射作用，抵达接收器的红外光束强度会因此而减弱，随着烟气蔓延，烟雾颗粒浓度增加，其对光束的削弱作用也越来越明显，当接收器接收的光强低于设定的阈值时，探测器将会发出报警信号。

线型红外光束感烟探测器的探测距离大，最远可达百米，具有保护范围大、响应时间快、抗干扰能力强等优点，对于不宜安装点型感烟探测器的场所（诸如大型会展中心、航站楼、体育馆等大空间场所）尤其适合。由于颗粒粉尘及水蒸汽对红外光束的光强有一定的影响，因此线型红外光束感烟探测器不适用有火焰辐射或大量粉尘、干粉水雾、蒸汽等环境恶劣的场所。

2.光截面图像探测器

光截面图像探测器[8]属于一种“多对一”形式的红外光束感烟探测器。其接收器采用单一阵面接收器，可接收多个发射器的光信号。将多个发射器和单一阵面接收器安装在同一水平面上，将会在空间上方形成一个“截面”，利用烟雾消光的原理进行感烟探测，当通过截面的烟雾超过一定浓度时，报警器就发出报警信号。

由于红外光束会受火焰辐射影响，因此不适合有较大火焰辐射的大空间场所。因此，光截面图象探测仪较为适用有粉尘、水雾、蒸汽以及一般腐蚀性气体滞留的高大空间场所。另外，阵面图像可分辨发射光源和干扰光源，因此，系统的抗干扰能力强，又可用于有光束干扰和辐射的高大空间场所。

3.双波段图像火灾探测器

双波段图像火灾探测器由近红外和彩色摄像机组成。信息处理机通过采集到的近红外视频图像信号和彩色视频图像信号，利用火焰的光谱特性、相对稳定性及蔓延趋势等形成火灾探测图像，通过图像信息处理识别，能够有效地在恶劣环境中进行火灾预警。

双波段图像火灾探测器采用“非接触式”探测模式，与线型红外光束感烟探测器、光截面火灾探测器在原理上存在较大差异。因为上述两种探测器的红外光束直接与空气接触，会受外在诸多方面的影响而增大误报频率。双波段图像火灾探测器抗干扰能力强，响应速度快，误报率低，不受高空、高温、易爆、有毒、高速气流等环境条件的限制。在火灾初期烟雾少、有明显火焰的场所较为适用。目前在商场、隧道、地铁、体育场馆、会展中心及飞机场等大型空旷场所得到了广泛的应用。

4.吸气式感烟探测器

吸气式感烟探测器通过吸气泵，从被监护区内连续吸入空气，这些空气经过带有小孔的空气采样管网采样进入过滤装置，过滤掉无关灰尘粒子后进入激光采样检测室进行分析。激光采样检测室有一个稳定的激光发射器和接收器，进入采样室的烟雾粒子会使激光发生散射，其散射光使高灵敏的光接收器产生信号，浓度越高，接收信号越强，当接收器接收到的信号强度达到或超过设定的散射光强度阈值时，探测器则快速发出预警信号。

吸气式感烟探测器具有较高的灵敏度，能够有效地区分烟雾颗粒与灰尘、水雾，介于直径0.01 m~20 m的烟雾粒子都能够得到有效探测，在火灾初期产生可见烟雾颗粒前，就能探测并发出警报。[9]由于吸气式感烟探测器通过管网采样进行空气中的烟气探测，所以对于空气流速大、有较强电磁辐射、有遮挡物遮挡以及人员不宜进入的场所较为适用。由于粉尘颗粒对探测器有影响，产生一定的误报率，所以不适于粉尘量大、水雾较多的大空间场所。

（二）大空间建筑火灾探测器的选型与设计

大空间建筑应充分根据建筑功能结构和火灾场景选择合适的火灾探测方式和火灾探测器。对于火灾发生初期有阴燃阶段并产生大量的烟和少量的热的建筑环境，可考虑采用线型红外光束感烟探测器、光截面火灾探测器及吸气式感烟探测器；而对火灾初期无阴燃阶段，明火发展迅速的情况，可考虑使用双波段图像火灾探测器。

针对功能多样、情况复杂的大空间建筑，可考虑采用“复合”探测模式，以替代传统的单一检测模式。多种探测方式相结合，可以有效地探测到初期火灾并及时发出预警信号。

四、大空间消防水炮

（一）消防水炮简介

消防水炮是指以水作为喷射介质，并以射流形式喷射灭火剂的装置。随着消防水炮使用的范围越来越广泛，智能化要求也越来越高，为了满足形色各异的大空间建筑的消防需求，其运用了多项高新技术。目前应用在大空间建筑中的智能消防水炮已经能够有机地将供水系统、执行系统和控制系统结合起来。

大空间自动消防水炮灭火装置在前段探测阶段，可根据火灾探测器对火灾进行预警分析，一旦接收到现场火灾信号，控制中心系统将会发出警报，并启动灭火装置，控制水炮进行水平垂直喷射灭火。控制系统可根据现场火灾信号及喷射的水压流量数据自动进行分析调整，当火灾信号消失时，系统自动复位，终止灭火。

（二）消防水炮应用研究情况

1.消防水炮的发展趋势

当前消防水炮在大空间、超大空间建筑中的应用越来越广泛。基于其本身大流量、远射程、高扬程等特点，对远控化及智能化方面的研究发展要求也越来越高[10]。

（1）大流量，喷射强度大，可实现快速灭火。目前，在国内生产的消防水炮流量还很难超过10000L/ min，但是在国外已经有好几个厂家生产的水炮能够满足超大流量的要求。德国ALBACH公司制造的消防水炮流量甚至可以达到80000L/min，其产品已在英国北海油田钻井平台应用。

（2）远射程，保护半径大，控火灭火有效范围广，可有效保护消防人员人身安全。远射程对加压水准要求较高，需要配备高压泵组。国内南京信诚艾尔克工业灭火设备制造有限公司专门从事研发制造大扬程、大流量消防泵组和水炮。其公司生产的MK200型消防泵组配以200L/s的消防水炮，其射程可达125m。

（3）高扬程，竖向保护半径大，可扑灭较高火焰。目前，国外生产的消防炮最高扬程可达150m。

（4）远控化及智能化。远控化及智能化自动灭火消防水炮是近年来国内外科技人员研究的一大热点。灭火系统与报警装置联动，并对火灾有自动准确定位的功能，可实现“发现火灾，快速灭火”的理念，大大减少了人的行为延迟造成的影响。采用智能消防水炮系统替代水幕及水喷淋系统，可充分兼顾大空间建筑的艺术观赏性及实用性与防火可能性的冲突。

2.消防水炮的主要特点

自动消防水炮能够实现全天候主动火灾监控，并实施全方位的主动射水灭火。当火灾探测器探测到保护区内火灾发生时，装置可自动启动并进行全方位扫描，半分钟内对着火点进行准确定位，并开启水泵，定位消防水炮进行灭火。该产品具有较强的电子电路和机械传动组建的自检能力，发现故障后可自动报告给消防监控中心，因此，系统的日常维护费用较低，供电线路及灭火装置的设计与安装简单易行，方便操作。由于灭火工作完成后，系统可自动关闭电磁阀，终止消防水炮的射流喷射，可有效降低火灾后的“水灾”隐患，在节省水源的同时降低了对建筑装饰及构建的损坏。

但是，自动消防水炮应用在大空间建筑内也存在一定的局限性。由于消防水炮需要根据计算设计和实际情况进行定做，其通用性和互换性较差。另一方面，其高昂的制造和运行成本、较差的定位精度、复杂的调节过程是目前消防水炮存在的一个较为普遍的缺点。

3.消防水炮的应用设计

（1）有关消防水炮应用设计的规定

消防水炮设计主要参照《固定消防炮灭火系统设计规范》（GB50338-2003）。[11]在消防水炮布置方面，规范要求在室内布置的消防水炮数量至少2门，并合理选择布置高度，以避免上部建筑构件影响到消防水炮在灭火阶段的射流。此外，要求至少有2门水炮的射程能够辐射到被保护区域的任一部位；室内消防系统采用湿式给水系统，并在消防水炮的位置设置消防水泵的启动按钮。

（2）消防水炮的射程及流量设计

水炮的射程与工作压力变化的平方根成正比，具体射程计算可参照公式①：

式中：Ds—水炮的设计射程（m）；

Ds0—水炮在额定工作压力时的射程（m）；

Pe—水炮的设计工作压力（MPa）；

P0—水炮的额定工作压力（MPa）

当上述计算得出的消防水炮射程不能达到规范要求时，应重新合理选择消防水炮的规格型号，并调整消防水炮的数量及布置位置，直到满足规范要求为止。

消防水炮的设计流量与工作压力的平方根变化成正比，具体计算公式参看式②：

式中：Qs—水炮的设计流量（L/s）；

qs0—水炮的额定流量(L/s)

系统的用水量计算应满足2门水炮射流能同时到达保护区内任一部位的要求，为了达到消防灭火要求，对设计水量作了如下规定：民用建筑用水量≥40L/s，工业建筑用水量≥60L/s。

（3）消防水炮的选型

消防水炮选型应根据被保护的对象距离水炮设置点的水平距离及高度等因素作出初步选择，再根据消防水泵提供的实际压力进行校核计算，查看在此供水压力下被保护的对象能否处于消防水泵的有效保护范围内，最后再复核消防水炮在消防水泵实际供水压力下的消防水量。

在实际的设计过程中，如果只采用2门消防水炮，射流采用水柱喷射形式，往往会因为喷射角度的影响造成喷射死角的存在。针对这种情况在炮口安装雾化装置，可以有效扑灭消防水炮自身下方的火灾。

五、结语

大空间建筑的功能、形态、美学以及文化都在随着人们的物质及精神追求在改变着。大空间建筑消防，可以根据建筑物的实际情况采取合理的控火措施：1.合理划分防火分区，除了通过设置防火卷帘、防火水幕等常规设计手段达到控火目的外，还可以划分“防火单元”，设置防火分隔带、防火隔墙及“防火舱”，通过性能化的防火设计把火灾控制在较小范围内；2.重视新的消防技术的应用。通过准确合理地选择安装报警装置和自动灭火系统，把火灾有效地控制在初始阶段，以实现火灾的源头控火。大空间消防水炮具有较好的消防效果。随着大流量、远射程、高扬程、远控化和智能化的消防水炮的投入使用，大空间建筑消防设计所面临的一些问题也能在一定程度上得到解决。

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[5]董爱民.浅析建筑防火分区设计的要点[J].科技咨询,2013(22): 86.

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[11]GB 50338-2003固定消防炮灭火系统设计规范[S].

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2014-02-12 责任编校：谭明华