城市消防的新课题

济南市消防支队防火处 | 徐玉涛

随着社会经济的飞速发展和建筑科技的长足进步，具有新的设计概念和结构形式的公共建筑不断涌现，这些建筑大多符合智能建筑（绿色建筑）的标准，成为城市建设与发展的特色标志。这些新型建筑对现行的建筑防火设计规范提出了巨大的挑战。

新建筑、新材料、新技术、新设计带来的消防新挑战

城镇化进程的加快，各种现代化公共设施、住宅小区的兴建，使得我国城市人口密集处越来越多，也使得火灾发生的因素越来越复杂，火灾的防范和救援工作越来越难。

例如，许多大型展馆、会所、场馆、娱乐场所等建筑中，庞大的规模和复杂的结构使得消防安全隐患越来越多；许多新型的建筑材料、装修装饰材料、供电供气供水等设备隐藏着消防安全的不利因素，而且一旦发生火灾后消防救援工作难以有效展开，损失巨大。

2010 年5 月31 日，南通在建第一高楼“中南汇泉国际广场”在进行外部装修时33 层外墙保温层发生火灾，并沿外墙保温层迅速蔓延至整栋大楼，过火楼层24 层，高达70 米,南通市消防部门勘查后，认定此次灾害成因有两点，一是电焊工在切割立柱钢筋时操作不当，二是装饰公司在外墙保温工程施工过程中使用了燃烧性能为B2 级的可燃保温材料，导致火灾蔓延扩大。

中国正处于历史上最大的建设热潮之中。建成的世界十幢最高的建筑中，有六幢落户中国，还有更高的建筑正在规划中。这些高楼大厦都在尽力采用先进的建筑技术和新型建筑材料，努力为人们展现低碳的未来。然而，换一种角度思考，各种新材料、新能源、新工艺、新技术的投入使用，也会为我们带来许多复杂的尚未认识和掌控的新的火灾问题。

广州的珠江大厦是中国第一批绿色多功能建筑之一，见图3。它遇到消防挑战也是目前许多绿色建筑的典型案例。消防难题除了包括垂直轴风力发电机、太阳能发电板、金属吊顶冷却系统、双重幕墙外，还包括了绿化屋顶、喷淋系统供水、消防通道、以及避难层。

首先是安装在珠江大厦的风力发电机组就对消防工作带来巨大挑战。风力发电机引发火灾的案例虽然很少见，但却是实实在在发生过。因此，对在有人员载荷的区域使用风力发电这项技术和采用什么样的策略来保证建筑及人员的安全的问题就引起了消防审核专家的关注。建筑设计团队给出的消防策略是使用耐火构件将风力电动机外部元件（主要是机械构件）和建筑相隔离，以使外部的火势无法蔓延至建筑内部；同时将风力电动机内部元件（主要是电气构件）放置于防火室中并配备消防法规针对电气设备所要求的灭火系统。针对这个罕见的案例，设计师们在最后的设计方案中增加了通向风力发电机的消防通道以方便消防作业，此外，他们还运用事故类型分析方法建立了相应的消防安全设计和应急预案。

将绿化屋顶列为火灾隐患并不是一个新概念。植物本身就是潜在的可燃物，会对该建筑和临近的建筑物构成消防隐患；除了火灾对建筑物屋顶的影响外，屋顶绿化物在火灾事故发生时会阻碍直升机的着陆，对空降逃生产生影响。

节约用水设计是珠江大厦绿色建筑设计的重要组成部分。节水方案之一是使用雨水或其他灰水作为自动喷淋系统的水源。但是在实际使用时，为清除这种不净水中的腐蚀性微生物消除其在管道（特别是铁质管道）壁聚集和腐蚀管道的风险，还需要额外增加水质检测和过滤环节。

图3 广州珠江大厦

大型的园林设计在绿色建筑项目里是众望所归。但是在具体的实施中，设计师们往往会忽视对消防通道的设计和建造，新颖的绿化园景可能成为了消防车辆的障碍物，增加的绿化面积也许是通过压缩消防车道的宽度换来的。屋顶玻璃上的遮阳檐篷主要用来为对玻璃幕墙以及其他外在元件的遮阳，但是这些遮阳檐篷会干扰消防员出入，限制消防器材的使用。具有重量轻和透明特点的玻璃幕墙是现代建筑中常用的，但是在火灾事故中玻璃的爆裂会破坏和影响消防作业的安全。消防作业需要有能让消防车辆出入的作业区域。这个区域应该有足够的地面承重能力、净空高度和足够大的作业准备区域。这样的区域对超高建筑消防所需的云梯车更加重要。此外，玻璃窗带来的较强反射效果会产生光污染，使消防员无法看清建筑，从而影响消防作业。

在许多亚洲国家，避难层空间是其文化的一部分。根据地方法规，每12 至20 层需配备避难层。避难层可在火灾应急状况下对惊恐的人群实施有效管理并进行分区式的疏散，它同时也对火灾中的伤残人群提供暂时的庇护。设置避难层与高效利用建筑空间和将避难空间设计为他用产生了冲突。

珠江大厦的顶部采用玻璃封顶，夏季高温时往往会产生热障效应和火灾时烟气早期分层现象。热障效应和烟气早期分层现象会导致烟气在与之相连的空间内蔓延，并使顶棚下的感烟探测器不能及时发出报警信号。如果建筑内顶层的空间高度较高，烟气的温度在上升过程中因卷吸周围空气而不断降低，上升到顶部的烟气温度就可能激发不了自动喷水灭火系统，这将会影响系统对早期火灾的预警。

知名消防专家李芳认为火灾的预防本身就是绿色建筑的一个重要设计。为考虑节约而采用的建筑设计可能在火灾时对环境、对建筑本身产生更大的负面影响，例如火灾中释放的烟气对环境的影响、对建筑设施等资源的破坏，施放的灭火剂对建筑的影响等。只有在建筑设计中使用经过实践检验的最好的和先进的消防安全设计，才能做到既有助于减小火灾发生的可能性，又有助建筑实现预期的创造性设计的目的。

建筑性能化防火设计为消防带来的新视野

对火灾的研究和火灾模化技术的应用推动了消防安全工程学这一新学科的飞速发展；越来越多的大体量、多功能、大空间的建筑带来了大量传统防火设计方法无法解决的难题，又催生了一种以消防安全工程学为基础的新的建筑防火技术——性能化防火设计方法（Performance-based Fire Protection Design）， 也可称之为“火灾安全工程设计法”（Fire safety engineering method）。

由于性能化防火设计方法具有非常强大的技术优势，已成为当前建筑防火领域最先进的技术之一，是人们关注的最前沿、最活跃的研究领域。

目前而言，建筑物的防火设计一般应依据国家现行的防火设计规范及相关的工程建筑规范进行。只有对于现行国家和地方消防技术规范和标准未明确规定的、或按规范和标准实施确有困难，并影响建筑使用功能的一些特殊、大型的工程项目可以就整座建筑物或建筑物中的某些特殊部位应用性能化设计方法。不同性质、不同功能的建筑物，需要采用性能化设计方法解决的问题不尽相同。但总体上看，大致涉及6 个方面：建筑内部的防火分区划分及分隔形式问题；建筑内人员的安全疏散设计问题；建筑内防排烟系统的设计问题；建筑内灭火系统的设置问题；钢结构的耐火保护问题；新产品、新技术、新工艺的应用问题等。

实际上，建筑消防工作是一个有机的整体，单纯孤立地强调某一环节并不能保证整个建筑物的安全，建立一种依据特定建筑物火灾特性的更安全、合理的新型建筑防火设计方法和评价方法已经迫在眉睫。为了说明这个问题，不得不提及马斯达公司总部大楼，见图4。

图4 马斯达公司总部大楼

马斯达尔总部大楼高七层，总占地面积为134662 平方米，由商业区、零售商业区和文化区（包含园景区）组成。整个建筑注重自然通风，具备遮阳和吸热功能。其标志性建筑特色是11个有自然通风和冷却的功能的风锥，这些风锥还为建筑内部提供了柔和的日光，见图5， 6，7。其它关键的设计还包括巨大的屋顶——可提供自然遮蔽，并组成世界上最大的光伏太阳能电池板阵列。屋顶的波浪状下层结构，有助于增强屋顶支柱的结构稳定性。建筑外围部分使用了玻璃墙体以阻断太阳热，同时又不影响欣赏风景。此外，该建筑还包括接地管道、空中花园、地下人行通道等。

图5 马斯达尔总部标志性建筑特色是11个风锥。

图6 向整个建筑提供自然通风（热空气被吸至顶楼，然后被风带走）和自然光照明的风锥体。

图7 屋顶的波浪状下层结构，有助于增强屋顶支柱的结构稳定性。

建筑中的11 个风锥体除了向整个建筑提供自然通风和自然光照明外，也是支撑建筑上方檐篷结构以及建筑本身的一部分，因此，这些风锥属于建筑结构框架的一部分，这也意味着它们的耐火等级受相应规范的约束。同样，这些风锥又是中庭的一部分，规范要求其要有与相区域的防火隔离。依照建筑承重构件的不同功能，设计规范提供了不同的选项，如使用膨胀型涂层可使构件达到1.5 小时的耐火极限；使用喷淋系统也可达到保护暴露于高温下钢架的目的。为了美观，设计团队希望使用暴露的钢架。由于没有防火涂层，这就与所期望的消防安全目标产生了更多的挑战。

设计团队在这个项目上采用了性能化防火设计手段。设计分析的核心元件是由无防火涂层的管状钢架结构，分析的目标是该结构在最可能发生的火灾场景下温度以及对钢架结构的性能影响。

在采用性能化设计的分析中，设计师们审核了建筑使用功能、燃料载荷、可引发严重火灾的危害，考虑到的变量包括了火灾位置、大小，喷淋系统的影响和中庭空间的形状。分析中他们结合使用FDS 和SAFIR，制作了火灾模拟场景，并为不同的设计制定了相应的保护方案（见图8）。

图8 马斯达尔公司总部大楼的火灾场景电脑模拟

图9 建筑物烟气运动的模拟图

关于高层建筑中庭消防系统的设计和安装问题始终是设计的难点，该项目的中庭防排烟系统设计和安装也使用了性能化设计方法。首先，设计师在电脑上模拟了该建筑中庭在火灾情况下受障碍物、气温和玻璃窗位置影响的烟气运动，在并此基础上对人员疏散、疏散距离、耐受条件和消防系统的安装位置做出分析。在分析过程中，为证明排烟所需的机械通风量大小、判断是否可以完全使用自然通风代替机械通风，设计工程师们用CFD 软件模拟了相关的场景并在多项参数方面给出了评估，见图9。

所有这些消防安全的解决方案都对绿色建筑的节能有着积极的影响。

总之，通过马斯达尔公司总部大楼的案例可以看到性能化设计方法是解决特殊复杂建筑防火设计超规范问题的有效手段，为提高建筑的消防安全水平、实现消防安全与经济合理的统一，更大限度地满足建筑的使用功能等方面功不可没。在具体的设计细节上，通过控制火灾规模来解决结构抗火问题、通过烟气分析解决排烟系统设置问题、通过控制烟气和优化疏散设施或方案来解决人员安全疏散的问题等也为我们展示了该项技术的魅力。