气承膜式会议中心防火分隔措施研究与数值模拟分析

王廷 余瑾 杨晓娟 李序

摘要：针对某气承膜式会议中心结构特点难以在建筑内采用实体防火墙、防火卷帘等方式进行防火分隔的问题，通过膜材燃烧实验，对燃烧破洞临界温度进行了测定。以临界破洞温度与单位面积膜材表面引燃所需要的輻射热流量作为膜结构火灾安全判定准则，提出防火分隔措施方案。根据火灾动力学原理，分析了火源附近气膜表面烟气温度和热辐射流量。结果表明该防火分隔措施基本可以达到防止火灾蔓延、保护气膜结构安全的消防安全目标。

关键词：安全工程学;气承膜式建筑;数值模拟;羽流;防火分隔

1  气承膜结构建筑

气承膜结构建筑是采用膜材作为建筑外壳，配备智能化机电设备对完全密闭的空间提供空气压力，靠内、外部压力差把建筑主体支撑起来的一种建筑结构系统[1]，具有大跨度空间、经济性、安全性、施工工期短、能远程智能控制的特点[2]。该类建筑在美国、加拿大、日本及欧洲等部分较发达的国家和地区得到了广泛推广与应用，国内气承膜结构建筑主要应用于体育场馆、物流仓储及环保工业等大跨度建筑[3]，特别是随着近年来气承膜式会议中心、展览建筑等的出现，对其消防安全的研究越来越引起关注。国内张媛媛、朱国庆等对气承膜建筑材料的燃烧特性开展了相关试验[4]，对膜材发生裂解燃烧破洞的临界温度进行了测试，但是如何将试验结果运用到实际的气承膜式工程建筑防火设计中有待进一步研究。

某会议中心采用气承膜结构，设计为单层公共建筑，建筑面积3846.5m2，地上1层，建筑高度为23.3m。包括观众席（座位数为1500个）、主席台，气膜内半径为35m，设计12个安全出口，容纳人数为1650人。由于气承膜式会议中心建筑具有大跨度空间的特点，建筑内火灾荷载较大、人员密集，一旦发生火灾，蔓延很快，影响建筑与人员的安全。因此有必要根据膜材的燃烧特性，设定膜结构火灾安全判定准则，并结合建筑内功能区域可燃物分布情况，为室内防火分隔措施提出合理的方案，控制膜材与可燃物之间的距离，并运用火灾动力学原理对防火分隔措施方案的有效性与安全性进行分析与研究，以提高该气承膜式会议中心的消防安全。

2  膜材燃烧实验

对该会议中心拟选用的3种气承膜材料（由不同厂家提供）进行燃烧实验，主要研究所选用膜材在燃烧时的临界破洞温度值。

2.1  实验器材

固定膜材所需的钢铁支架、柴油、铁丝、点火器、K型热电偶若干、不锈钢油盘（0.35m×0.35m）、摄像机、Agilent34970A型数据采集卡等。

2.2  实验步骤

将3种膜材样品各裁取2块（长、宽为1m×1m），并分别进行编号，其中#1、#2膜材属于样品1，#3、#4膜材属于样品2，#5、#6膜材属于样品3;在每块膜材上标注中心点及0.5m×0.5m的方格。实验分组情况如表1，样品距火源高度分别为0.80m（火焰接触气膜）、0.95m（火焰不接触气膜）[5]。

2.3  实验现象

2.3.1  第一组实验

气膜的设置高度为80cm，火焰直接接触气膜，气膜发生热解、收缩变形，继而出现破洞燃烧现象，燃烧破洞的临界温度为353.9～446.7℃。

2.3.2  第二组实验

气膜的设置高度为95cm，火焰不直接接触气膜，气膜受火焰产生的烟羽流作用发生收缩变形，未出现燃烧破洞，实验过程中达到的最高温度值为346.5℃。

2.4  实验结论

在本实验设定的条件下：

当火焰不直接接触气膜时，膜材受火焰产生的烟羽流的作用热变形较小，实验过程中，膜会出现一定的收缩变形但不会破洞。

当火焰直接接触气膜时，膜材发生热解、收缩变形，继而裂缝出现破洞燃烧现象，发生裂解燃烧破洞的临界温度为353.9～446.7℃。

由于该气承膜式建筑使用功能为会议中心，属于人员相对密集的场所，因此从保障建筑与人员生命安全性角度出发，保守取353.9℃作为膜材燃烧破洞的临界温度。

3  膜结构火灾安全性分析

基于上述分析，取353.9℃作为气承膜建筑材料燃烧破洞的临界温度，并与单位面积膜材表面引燃所需要的辐射热流量作为膜结构火灾安全判定准则;结合该会议中心气承膜式建筑结构特点、使用功能和平面布局等情况，根据现行国家标准《建筑防烟排烟系统技术标准》（GB51251-2017）设定该会议中心火灾规模，根据火灾动力学原理，通过FDS建立火灾模型进行数值模拟，并采用Heskestad羽流模型等公式，计算火源附近膜面在设定的火灾规模下的表面烟气温度和热辐射流量值，分析其是否能满足膜结构火灾安全判定准则;通过建筑内各功能区域间的火灾安全距离的计算，以分析室内防火分隔措施设置的有效性与安全性。

3.1  膜结构火灾安全判定准则

准则一：当膜面附近温度超过353.9℃时，判定膜结构处于不安全状态。

在火灾情况下，当气膜受热燃烧产生破洞时，由于内部压力降低导致建筑结构处于不安全状态，气膜建筑可能会出现坍塌，因此需首先明确关于气膜建筑结构的火灾安全判据：临界破洞温度，本文取353.9℃为临界破洞温度。

准则二：当膜面附近热辐射流量超过20.0kW/m2时，判定膜结构处于不安全状态[6]。

3.2  防火分隔措施

由于气承膜式建筑的结构特点难以在建筑内采用实体防火墙、防火卷帘等方式进行防火分隔[7-8]，因此，提出建筑室内防火分隔方案如下：利用主席台和观众席区域间宽度为6m的通道、观众席与观众席区域间宽度为6m的通道、距离气膜边缘宽度为6m的环形通道分别设置室内安全间距，将会议中心作为一个防火分区设计，内部划分为三个防火控制区（主席台区域防火控制区面积约为824m2，两个观众席区域防火控制区面积各约为620m2）。

3.3  基于FDS的数值模拟分析

3.3.1  模型构建

（1）划分网格。利用PyroSim软件对该气承模式会议中心建筑进行建模时首先需要划分网格，网格的大小影响最终结果。综合考虑现实情况和计算精度，对该建筑按照1：1的比例构建仿真模型，采用均匀网格划分，单个网格大小为1m×1m×1m。

（2）建立几何模型。根据建筑图纸等资料，建立几何模型。

3.3.2  火灾场景设定

考虑到该会议中心内的主要可燃物是桌椅、主席台等，其摆放形式较为集中，火灾危险性较大，因此判断其火灾类别为t2快速火，火灾增长系数设定为0.044kW/s2。根据现行国家标准《建筑防烟排烟系统技术标准》（GB51251-2017）关于各类场所的热释放速率的标准，“有喷淋的其他公共场所”火灾场所，在喷淋有效的条件下，观众席、主席台火灾达到稳态时的热释放速率为2.5MW。在喷淋失效的条件下，观众席、主席台的火灾达到稳态时的热释放速率为8.0MW。

根据设计图纸，分别在主席台与观众席座椅区域选取与气膜距离最近的两个位置设置火源点：

火灾场景A1：在自动灭火系统失效情况下，主席台左上方发生火灾（如图5（a）所示，火源位置与气膜垂直距离为14m、水平距离为10m），火灾达到稳态时的热释放速率为8.0MW，观察火源附近的气膜表面烟气温度和热辐射流量值。

火灾场景A2：在自动灭火系统失效情况下，观众席座椅区域第一排右下方发生火灾（如图5（b）所示，火源位置与气膜垂直距离为10m、水平距离为6m），火灾达到稳态时的热释放速率为8.0MW，考察火源附近的气膜表面烟气温度和热辐射流量值。

3.3.3  数值模拟结果

（1）火灾场景A1：火源附近气膜表面处的烟气温度变化如图6所示，温度值最高约为100℃，未达到气膜的临界破洞温度值353.9℃;热辐射流量值最高约为1.4kW/m2（如图7所示）未达到气膜的临界热辐射流量值20.0 kW/m2。

（2）火灾场景A2：火源附近气膜表面处的烟气温度值最高约为130℃，未达到气膜的临界破洞温度值353.9℃;热辐射流量值最高约为4.5kW/m2，未达到气膜的临界热辐射流量值20.0kW/m2。

3.4  火灾科学公式计算分析

3.4.1  膜面温度计算

当气膜建筑内发生火灾时，气膜表面的温度主要采用国际上较为成熟的Heskestad羽流模型来进行计算[9-10]：

式中：为高度z处烟羽流与周围环境空气温差，K;为环境温度，K;为空气密度，kg/m3;cp为空气定压比热，kJ·（kg·K）-1;g为重力加速度，9.81m/s2;Qc为火源热释放速率的对流部分，kW，一般取Qc=0.7Q;z为高度，m。火灾规模为8.0MW时，火源正上方10m、14m处温升变化分别为165℃、94℃。

3.4.2  膜面热辐射流量计算

根据火灾动力学原理，距火源中心距离为R处受到的火源热辐射和火源热释放速率的关系可由下式计算[6-11]：

其中：q为火源对周围的热辐射强度，kW/m2;Q为火源的热释放功率，kW;R为热辐射点距离火源的距离，m。

3.4.3  计算结果

（1）主席台火灾

当主席台火灾规模为8.0MW时，火源正上方14m处的温升变化为94℃，考虑极端不利条件下环境温度达到40℃，此时火源正上方14m处的温度为134℃，小于膜材的临界破洞温度353.9℃。

根据计算公式（2），当Q取8.0MW、R取10m时，q为2.12kW/m2，即膜面热辐射流量小于膜材的临界热辐射流量20.0kW/m2。

因此，当主席台区域火灾规模为8.0MW时，膜结构处于安全状态。

（2）观众区座椅火灾

當座椅火灾规模为8.0MW时，火源正上方10m处的温升变化为165℃，考虑极端不利条件下环境温度达到40℃，此时火源正上方10m处的温度为205℃，小于膜材的临界破洞温度353.9℃。

根据计算公式（2），当Q取8.0MW、R取6m时，q为5.9kW/m2，即膜面热辐射流量小于膜材的临界热辐射流量20.0kW/m2。

因此，当观众区固定座椅火灾规模为8.0MW时，气膜建筑膜面处于安全状态。

（3）各功能区域火灾安全距离计算

本文保守取主席台、观众席被引燃的临界热辐射流量为10.0 kW/m2。

根据计算公式（2），当q取10.0kW/m2、Q取8.0MW时，R为4.61m，即着火主席台边界与相邻观众席、观众席区域之间的距离不小于4.61m才能有效防止火灾蔓延。

根据建筑内部防火分隔措施方案，主席台与观众席、观众席之间的安全间距均不小于6m，满足火灾安全距离要求。

4  结语

（1）通过燃烧实验，对该会议中心拟选用的3种气承膜材料的临界破洞温度值进行了测定，为353.9～446.7℃。

（2）以气承膜材料燃烧破洞的临界温度与单位面积膜材表面引燃所需要的辐射热流量作为膜结构火灾安全判定准则，运用到实际的气承膜式工程建筑防火分隔设计中具有一定的合理性。

（3）根据火灾动力学原理，通过火灾数值模拟，并采用Heskestad羽流模型等公式计算，当采用宽度不小于6m的安全间距进行防火分隔时，能够满足膜结构火灾安全判定准则与各功能区域间的火灾安全距离要求。

（4）结合该会议中心的气承膜式建筑结构特点、平面布局与使用功能等实际情况，文中所提出的建筑内部防火分隔措施方案基本能达到防止火灾蔓延、保护气膜结构安全的消防安全目标。

參考文献：

[1]张慧霞.风雨共同作用下气承式膜结构响应分析[D].石家庄：河北科技大学，2019.

[2]周洋，孙卓尔，钱铖.建筑膜材及气膜结构性能特点与应用现状[J].新型建筑材料，2016，43（08）：96-99+127.

[3]张其林.膜结构在我国的应用回顾和未来发展[J].建筑结构，2019，49（19）：55-64.

[4]张媛媛，朱国庆，韩如适.气承膜建筑材料燃烧特性试验[J].消防科学与技术，2013，32（04）：360-363.

[5]荣超，刘崇，姚斌.充气膜仓库建筑的消防设计方案研究——以淄博日日顺物流仓库为例[J].建筑设计，2021，18（27）：123-125.

[6]陈斯斯，傅荣生.论某旅游会展建筑防火隔离带消防设计[J].低碳世界，2016（14）：159-160.

[7]张靖岩，王礼，刘文利.利用火羽流模型分析钢结构的防火保护[J].钢结构，2010，25（02）：77-78.

[8]范维澄，万跃鹏.流动及燃烧的模型与计算[M].安徽：中国科学技术大学出版社，1992.

[9]NFP.A Fire Protection Hand Book，Smoke Movement in

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[10]WW Jones，GP Forney，RD Peacock，et al.A Technical

Reference for CFAST：An Engineering Tool for Estimating

Fire and Smoke Transport[R].NIST Technical Note 1431，2000.

[11]徐湃，蒋树屏，周健，等.沉管隧道火灾热释放速率试验研究[J].地下空间与工程学报，2016，12（06）：1516-1523.

Research and numerical simulation

analysis on fire separation measures

of air-supported membrane conference center

Wang Ting1， Yu Jin2， Yang Xiaojuan2， Li Xu2

（1. Qionghai Municipal Fire and Rescue Brigade of Hainan Province，Hainan  Qionghai  571400;2. Anhui Lingtai Safety Technology Co.， Ltd，Anhui  Hefei  230031）

Abstract： Given the structural characteristics of an air-supported membrane conference center， it is difficult to use physical firewalls， fire shutters， etc. for fire separation in the building. The critical temperature of the burning hole was measured through the membrane combustion experiment. Taking the critical temperature and the thermal radiation flux required for the ignition of the membrane surface per unit area as the fire safety judgment criteria of the membrane structure， the fire separation measures are proposed. According to fire dynamics principle， the smoke temperature and thermal radiation flux on the air-supported membrane surface near the fire source are analyzed. The results show that the fire separation measures can basically achieve the fire safety goals of preventing the spread of fire and protecting the safety of the gas membrane structure.

Keywords：safety engineering; air-supported membrane building; numerical simulation; fire plume; fire separation