防火设计在超高层建筑中的实践研究

文／涂彦瑄 江西省建筑设计研究总院集团有限公司 江西南昌 330046

引言：

超高层建筑的防火设计是保障人身安全和减少财产损失的重要组成部分。因此，针对超高层建筑的防火设计的研究和实践显得尤为重要。超高层建筑的防火设计需要考虑多个因素，包括建筑高度、人员密度、疏散设计、建筑材料等。为了确保建筑内部的火灾不蔓延和疏散走道畅通，必须采取科学有效的防火防烟措施。这包括但不限于防火门、防火墙、火灾自动报警系统、自动喷水灭火系统、烟雾探测器等设施的设置和使用。

1.超高层建筑火灾特点

超高层建筑是指建筑高度超过100 米的建筑，为了让整个大楼的功能设施更加完备，在建造的时候，它的核心筒楼梯设计、各种线路和管道也比较复杂。这就极大地提高了其内部发生线路故障的几率，并极易发生诸如电气短路等事故，从而引起火灾隐患。超高层建筑一旦起火，首先，它的蔓延速度是很快的。当高度超过100 米时，它的风速就会变得更大，从而给大火提供了更多的氧气，从而加快了火势的发展[1]。此外，在超高层建筑中，有很多的管道，通过管井开洞上下层相通，所以极易通过楼梯间，管井形成“烟囱效应”，而且，燃烧伴随产生的烟雾危害复杂多样，不易甄别和防护，严重威胁着被困人员和消防救援者的生命安全。其次，灭火难度大。一方面，现有大型消防车的云梯可达50 米，消防车可供水的高度约为100 米，而许多超高层建筑的高度为200 米或更高，地面消防水源无法到达，不能灭火；另一方面，超高层建筑火灾时，线路会出现短路，供水系统如果不能持续供水，造成高层火灾后势必造成自动灭火困难。最后，逃生和营救难度大。超高层建筑物内人员众多，从屋顶至首层室外疏散距离过长，一旦发生火灾，救援难度大。火灾发生时，往往人员惊慌，拥挤，容易造成踩踏，能顺利抵达避难层的人并不多，直升飞机在停机坪上能进行救援的人数也是有限的，楼层太高，加上烟气充满室内，能见度低，人员往往无法得到及时疏散，所以，一旦发生火灾，救援的难度往往会比普通的建筑增加几倍。

2.防火设计在超高层建筑中的重要性

超高层建筑的出现给城市带来了现代化的壮丽景观，然而，伴随着高层建筑的增加，防火安全问题也引起了越来越多的关注。因此在超高层建筑中，防火设计具有至关重要的意义。首先，超高层建筑火灾的潜在风险巨大，防火设计能够在发生火灾时保障人员的生命安全。超高层建筑由于高度高、体量大的特点，火灾后烟雾弥漫、逃生通道受阻等问题更加突出。合理的防火设计可以提前预防火灾发生，并通过完善设计消防设备、合理规划逃生通道等措施，确保火灾时人员能够及时疏散，最大限度减少伤亡和财产损失。其次，防火设计还能有效控制火灾蔓延，减少火灾带来的巨大破坏。超高层建筑内部复杂的空间结构、大面积的开敞区域以及密集的人员流动，使火灾蔓延速度加快。合理的防火设计应考虑建筑材料的燃烧性能、防火分区的划分以及防火墙、防火门等被动防火设施的设置，以限制火势蔓延的能力。此外，主动防火系统如火灾报警、自动喷水灭火系统等也能够有效控制火势的发展。这些措施的应用可以将火灾时的疏散和扑灭的时间大大缩短，从而最大限度地遏制火势的蔓延，减少火灾带来的破坏。最后，防火设计在超高层建筑的维护管理中具有重要意义。防火系统是超高层建筑的重要组成部分，要保证其可靠性和有效性，就需要定期检查、维护和更新。超高层建筑的消防设施、消防通道、灭火器等设备的正常运行对于维持建筑的防火安全至关重要。合理的防火设计可以将维护管理作为一个重要环节，为超高层建筑的长期使用提供可靠的保障[2]。

3.防火设计在超高层建筑中的实践研究

3.1 合理布置高层建筑总体布局和防火分区

总体布局中的主次关系、建筑物与周围建筑物之间的距离、车道的设置等，都是涉及到火灾的预防和快速灭火的关键问题，也是建筑物设计方案中必须要考虑的重要因素。一个合理的总体布局不仅可以有效地预防火灾，还可以阻止火势的蔓延，提供充分的时间和空间来进行灭火和疏散。

首先，总体布局中的主次关系是指在建筑物的设计中，需要设定不同功能区域的重要性和优先级。通常来说，人员密集区域（例如酒店、商业区等）应该设定为主要防火区域，而次要区域（例如设备用房、仓库等）则可以设定为辅助防火区域。这样的划分可以使预防和控制火灾的措施着重放在人员密集区域，从而最大限度地保护人员的生命安全。其次，建筑物与周围建筑物之间的距离也是关键因素。建筑物之间的距离需要符合相关规范和标准，以确保在火灾发生时，火势不易蔓延到相邻建筑物。根据建筑物高度和距离，可以确定适当的消防安全间距，确保消防车辆可以顺利进入建筑物周围，并展开灭火行动。此外，距离的设置还可以减少火源扩散的风险，增加逃生人员的安全空间。再次，车道的设置也是防火设计的重要考虑因素之一[3]。在超高层建筑的设计中，需要合理规划和设置消防车道，并确保车道畅通无阻，消防车能够快速进入建筑物进行灭火和救援。消防车道的宽度、通道高度以及救援场地的设计都需要符合消防规范的要求，以便消防车辆能够顺利通过，实施紧急救援措施。最后，防火分区也是超高层建筑防火设计的重要手段之一。水平防火分区和垂直防火分区是控制火灾蔓延速度的关键。防火分区通过设置防火墙、防火门和防火卷帘等被动防火设施，将每层建筑横向划分为不同的防火分区，以阻隔火势蔓延并保障人员疏散。竖向方面保障上下层的之间的间距满足规范设计要求。

3.2 确保建筑物耐火等级要求

总体布局中的主次关系、建筑物与周围建筑物之间的距离、消防车道的设置等，都是涉及到火灾的预防和快速灭火的关键问题，同时也是建筑设计中需要优先考虑的一个重要因素。一个合理的总体布局，不仅有助于灭火，还能有效地阻止火灾的蔓延，设计必须严格落实。防火分区的划分是控制火灾蔓延速度的一项重要手段。防火分区是指在建筑内部采用防火墙、楼板及其他防火分隔设施分隔而成，能在一定时间内防止火灾向同一建筑的其余部分蔓延的局部空间，两个防火分区之间用甲级防火门，或防火卷帘等分隔。而且在施工过程中，防火卷帘在安装时，空隙需用防火材料封堵，从而起到防火、阻烟的作用。在竖向设计当中需要对建筑物内的水井（水管井）、电井（强、弱电）进行防火封堵，对楼、电梯等竖向疏散区域用甲级防火门与建筑的其他部位分隔，尽量减缓火灾的传播速率，并将其控制在一定范围内[4]。

3.3 加强自然排烟设计及安全疏散的设计

当前，在超高层建筑中，玻璃幕墙及其所造成的空腔和管道井往往是火的主要传播通道，形成“烟囱效应”，加大了火灾损失；其次，从众多高层建筑火灾案例来看，烟雾才是导致高层建筑火灾的头号杀手。所以，在高层建筑中，防烟和安全疏散的设计是非常必要的。国家规定对建筑高度大于100 米的建筑，其机械加压送风系统应竖向分段独立设置，且每段高度不应超过100 米，由于楼梯井内的热压力差异（也就是烟囱效应），烟雾常常会充斥整个楼梯，造成人员不能及时撤离，所以设置机械加压送风系统的封闭楼梯间、防烟楼梯间，尚应在其顶部设置不小于1 平方米的固定窗。同时，对房间内的自然排烟的设计也应加以强化。自然排烟是一种经济、简便、易于操作的排烟方法，应优先考虑；便于人员安全撤离，除应按照规范设置数量充足、布局合理的疏散楼梯，在防火门和疏散出口前方及周围应设有明显的标识。

3.4 避难层的设计

避难层的设计目的是为被困人员提供休憩之地，为伤残或伤残人士提供安全保障。避难楼层还可作为救援人员的疏散指挥中心，使建筑物内部人员得以有序撤离。为此，《建筑设计防火规范》（2018 年版）和《建筑防火通用规范》中提出了“100 米以上公共场所应当设置避难层（室）”的要求，并应当满足以下要求：（1）首层避难层的楼面至消防登高操作场地地面的高度不应大于50 米，这是由于消防车登高、举高时，最大工作高度为30-45 米；据消防人员测量，10 楼以上高度时，其心率、呼吸均显著增加，不利于灭火工作；所以综合以上理由，在考虑到节省资金的情况下，从一楼消防登高操作场地到首个避难楼层的间距不应大于50 米；（2）通往避难层的疏散楼梯应当在避难层分隔，同层错位，或上下层断开，人员必须经过避难层上下；（3）避难楼层净面积应满足该避难层与上一笔南昌之间所有楼层的全部使用人数避难要求并应以5 人/平方米为标准；（4）避难层可以同时作为设备层使用，但是，设备管线应集中设置，设备管线和竖向交通设施应采用耐火极限不小于3 小时的墙体围合；（5）避难楼层应有消防电梯出口小伙栓、消防软管卷盘、灭火器、消防专线电话和应急广播；（6）在避难层进入楼梯间的入口处和疏散楼梯通向避难层的出口处均应在明显位置设置标示避难层和楼层位置的灯光只是标识；（7）避难层设置直接对外的可开启窗口或独立的防烟设施，外窗应采用乙级防火窗等。

3.5 应急照明设计

超高层建筑的灯光系统在火灾防控中扮演着重要的角色，它涉及到线路的设计和运行。当火灾发生时，火灾会影响建筑物的电力线路，造成线路中断，灯具无法正常工作。同时，烟雾的存在导致室内能见度降低，给人员疏散带来困难。为了保证消防安全，提高消防救援的成功率，需要在设计过程中充分考虑火灾应急照明系统的应用。

火灾应急照明系统一般分为以下几类：（1）疏散照明：该系统的作用是提高人员疏散时的能见度，从而提升疏散效率。通过在关键区域设置紧急照明设施，如设计在疏散出入口的疏散指示标志、疏散通道照明等，可以帮助人们快速找到疏散通道，有序安全地离开建筑物。（2）备用照明系统：备用照明是指在正常照明电源发生故障时，为保证正常活动继续进行时而设的应急照明部分，比如消防控制室、应急发电机房和配电室等。这些措施可以使消防人员在灾害发生后保持良好的视觉环境，提高灭火和救援的效率。（3）安全照明系统：在正常电源发生故障时，为确保处于潜在危险中人员的安全而设的应急照明部分，如医院手术室，消防电梯等。在设计照明系统时，选择不需要电力供应的照明装置，例如夜光灯等，或者使用太阳能等可再生能源为照明系统供电，以确保在电力中断的情况下仍能提供照明。采用特殊的布线方式对照明系统中的导线进行敷设，以避免其他线路的干扰，保证照明系统的正常工作。超高层建筑的灯光系统设计需要考虑火灾应急照明的应用，通过合理规划疏散照明、备用照明和安全照明，为人员撤离提供明确的指引，并为消防救援提供必要的照明支持。同时，应考虑使用不需要电力供应或可再生能源供电的装置，并采取特殊布线方式确保照明系统的可靠性和稳定性。这样能够提高超高层建筑的消防安全水平，降低火灾风险。

3.6 屋顶停机坪设计

高楼火灾蔓延迅速，所以从高处进行侦查十分必要。直升飞机能在最短的时间内赶到火灾现场，充分发挥空中的优势，准确地找到起火点，判断出燃烧物体的性质，观察人员的逃生过程，并将相关的信息反馈给消防指挥部。从而为消防救援队伍的合理配置提供了科学的依据。一旦遇到紧急情况，这架直升飞机就能起到“天空救火车”的作用。另外一个很重要的作用就是用来救人。如果是在高处，火灾发生时，下方的出口会被轻易地截断，人们会选择逃到天台上。如果楼顶有合适的地方，可以让直升机降落，把被困的人救出来。如果地势较高，无法降落，则可放下绳梯进行营救。对于建筑高度大于250 米或者高度大于100 米且标准楼层2000 平方米以上的工业与民用建筑，应当在楼顶设有直升飞机停机坪，并满足以下要求：（1）位于楼顶平台的停机坪，与设备机房、电梯机房、水箱室、共用天线等突出物之间的距离，不应少于5 米。（2）出口不得少于2 个，且每一个出口的宽度不能低于0.90 米。（3）消防栓应该安装在停机坪上合适的地方。（4）四周应设航障灯光及应急照明。

3.7 玻璃幕墙防火设计

图2 玻璃幕墙

玻璃幕墙因外观的整体性和整体的美观度，得到了广泛的使用。目前国内外对其防火设计的研究主要集中在钢材及铝合金型材耐火方面，主要集中在300～400℃，当温度达到600℃时，钢材的强度会降低，600℃就会失效；同时，铝合金构件的抗火性能更差，在250～300℃范围内，容易出现结构变形，导致构件失效。尽管现有的玻璃幕墙结构设计中都考虑到了温度突变时，由于玻璃与铝合金在温差作用下的形变与膨胀不一致而产生“冷桥”，但其最大允许的温差只有-40℃到+50℃。在建筑内部发生火灾时，由于辐射热量和高温烟气的共同作用，使得建筑内部的温度变幅远超50℃，导致结构的热膨胀变形，从而导致玻璃的破裂和脱落。隐框玻璃幕墙的玻璃是用硅硐胶和橡胶和铝合金框架胶合而成，而硅洞胶的耐热等级仅为200℃，200℃以上胶的效果就会改变，结合力下降还会导致玻璃脱落。在火灾时，高温烟气和辐射热会导致幕墙的温度迅速升高，往往还没来得及撤离，幕墙就已经达到了结构的极限，导致结构失效，大量的玻璃碎块从外墙上脱落下来。所以，在设计玻璃幕墙的公共高层建筑，必须在出入口上方设置挑檐[6]。

安装玻璃幕墙时，必须遵循以下要求：（1）窗间墙和窗槛墙使用A 级防火材料。（2）无窗间墙及窗槛墙之玻璃幕墙，其各楼层之外墙，应采用A 及防火材料进行封堵，其耐火完整性不低于1.0 小时，耐火极限极限不低于2.00 小时，其高度不得小于0.80 米（设自动灭火设施的前提下）。（3）不同防火分区玻璃幕墙之间的间隙，应用A 及防火材料进行封堵。此外，在实际应用中，为了保证空间足够大，很多家具和办公设备都设置在幕墙附近，因此在火灾时，这些缝隙就会成为火蔓延的通道，导致不必要的损失。按照经验，可以采用金属板加一定厚度的防火保温岩棉或岩棉板等方式封堵，最后进行必要的粉刷和装饰，达到防火的目的。

结语：

超高层建筑的防火设计是确保建筑物火灾安全的核心措施之一。通过对超高层建筑防火设计的实践研究，探讨了防火分区、火灾报警系统、灭火设施等关键要素的设计要求和技术措施，以及防火隔离带、防火门窗、防火封堵等措施的应用实践。该研究为提升超高层建筑的火灾安全性提供了重要参考，同时也指出了未来发展的方向和挑战。在超高层建筑的发展过程中，防火设计应被充分重视，不断创新和完善，以确保人们的生命财产安全。