大型图书馆书谷大空间消防设计难点及防火措施研究

作者简介：周峰（1989—），男，汉族，湖北襄阳人，本科，研究方向：特殊消防设计、消防设计咨询。

摘要：图书馆的阅览空间存在大量图书火灾荷载，由于书籍的燃烧特性，阅览空间的火灾危险性相对较高。为提高大型图书馆建筑的消防安全性，本文结合具体的工程案例提出了相应的防火措施，并借助FDS和人员安全疏散模拟软件Pathfinder作出了进一步研究分析，以期为相似的工程提供经验借鉴。

关键词：大型图书馆；书谷；防火措施；FDS；Pathfinder

引言

近年来，社会飞速发展，许多城市的基础设施建设越来越完善，如图书馆等公共文化类建筑配套也在大力建设。为给图书馆读者带来较好的阅览体验，图书馆阅览空间更通透、更开阔的效果受到追捧。某市新建一处大型图书馆，打造了书山、书谷的超大阅览空间，该空间形成的投影面积接近1.5万平方米。

该图书馆（如图1）总建筑面积约1.4万平方米，包含图书馆、方志馆、书库等，地上十层、地下二层，建筑高度56.5米。

一、书谷空间消防设计难点分析

（一）防火分区问题

《建筑设计防火规范》GB50016-2014（2018版）第5.3.1条规定，高层民用建筑设置自动喷水灭火系统时，防火分区最大允许建筑面积不应超过3000平方米。该项目书谷为贯穿建筑内各层的巨大空间，其中书谷内敞开区域投影面积约1.5万平方米，难以按照上述规范要求划分防火分区。

（二）安全疏散问题

书谷作为连接各书山的主要平台，出于空间、周边总平面条件需求，利用通向谷底的开敞大楼梯疏散。书谷部分区域距直通室外出口的距离过长（沿谷底开敞大楼梯疏散至室外的路径过长）。书谷各台地设置有向下通行的楼梯，导致各台地可就近向谷底疏散，也可向同层书山内疏散，疏散路径无法形成统一。

二、书山空间防火措施

（一）可燃物控制及装修

书谷空间具有阅览、藏书功能，应尽可能降低该区域的火灾荷载^[1]。书谷谷底区域仅用于人员通行及相应登记接待，该区域不设置任何可燃物；书谷、台地区域内除书籍外的固定设施、固定装饰材料均采用不燃材料；活动桌椅采用难燃材料；书谷空间的顶棚、墙面、地面应采用燃烧性能不低于A级的装修材料；控制书谷空间书籍总数；书谷、台地范围内的书架距同一水平面的疏散楼梯、平台连廊、出入口不小于2米。

（二）防火分隔措施

1.形成防火隔离带

书山之间（从书架外缘）最近距离不小于9米，使书谷本体成为依附于书山的书架相对位置间的防火隔离带^[2]。

2.控制书山与书谷之间的开口

除必要的人员通行出入口外，书谷与书山之间采用防火墙分隔，用于人员出入口设常开式的甲级防火门；各部分书山每层开向书谷的开口总宽度不大于该层面向书谷边界的30%。

3.书谷谷底分隔

谷底区域作为书谷区域人员重要的疏散通道，谷底与周围采用防火墙进行分隔，面向谷底各房间的开口部位采用甲级防火门进行分隔（如图2）。

4.书谷退台设置

书山每层书架上层处为退台设计，预留至少不小于1米、不设置可燃物的竖向区域。

5.防火单元设置

书谷防火分区内各设备用房按防火单元设置，采用耐火极限不低于3h的防火隔墙及甲级防火门与周围分隔。

6.管井开口

开向书谷空间的水井、电缆井开口的门采用甲级防火门分隔。

（三）安全疏散措施

大空间内疏散指示标志采用大型疏散指示标志；书谷内任一点距首层疏散外门、防烟楼梯间入口的距离不超过60米^[3]；台地主要经与书山防烟楼梯间连接的走道或前室进行疏散，最不利点至防烟楼梯间入口处、谷底的距离不超过37.5米；书谷不承担书山的疏散压力，不通过书谷底部门厅进行疏散。

（四）消防设施系统措施

大空间内设置自动跟13e859ff1c911f4503f1692c52a70e9835c2e8c31ae04c590fda5001932d7a54踪定位射流灭火系统，水炮可直接喷射至各书架，书架最不利点可确保有不少于2门水炮保护^[4]。高位消防水箱容积不小于50立方米。湿式灭火系统场所如门厅、走道等位置采用快速响应喷头。书谷区域在明显位置和便于取用的地点，按严重危险等级配置通用型灭火器。消火栓箱内应配备消防软管卷盘。大空间内采用线性光束感烟火灾探测器、图像型火灾探测器两种不同型式的火灾探测器^[5]。屋面可开启自然排烟窗，有效面积占书谷敞开区的最大投影面积的比例不低于5%^[6]。

三、人员安全疏散和火灾烟气模拟分析

（一）数值模型建构及工况设计

1.烟气模型的建立

采用以大涡模拟（LES）方法数值求解低速、热驱动下流动的Navier-Stokes方程为原理的FDS进行烟气模拟研究^[7]。书库、阅览区内空间净高不高、书籍储量大、书架布置严密，火灾荷载相对较高，火灾情况下易形成轰然态势。参考国内多个关于图书馆火灾的研究，书库、阅览区区域在灭火系统有效时火灾规模为4MW，在灭火系统失效时，火灾规模为20MW（如图3）。

书谷区域火灾荷载主要为书山墙壁上的书籍、书谷内布置的临时桌椅，各书山之间严格控制在9米的间距，书库区域火灾荷载相对较小。参考《建筑防烟排烟系统技术标准》GB51251-2017第4.6.7条给出的商店、展览厅场所火灾最大热释放速率，书谷区域在灭火系统有效时火灾规模为3MW，在灭火系统失效时，火灾规模为10MW。

书谷谷底未布置书架、书籍等设施，当自动灭火设施失效时，书谷谷底区域发生火灾时最大热释放速率选取为3.5MW；当自动灭火设施有效时，书谷谷底区域发生火灾时最大热释放速率选取为1.5MW。

2.人员疏散模型的建立

人员疏散主要采用Pathfinder软件进行研究，对发生火灾时图书馆内的所有人员进行疏散模拟，图书馆总疏散人数为16380人，建立的图书馆整体Pathfinder模型如图4所示。

3.工况设计

选择了9组18个具有代表性的设定火灾场景进行计算分析，详见表1。

（二）结果分析

运用FDS对该项目各工况进行了烟气数值模拟计算，得出以上各工况下对应的危险来临时间；运用Pathfinder对该项目进行了人员安全疏散模拟计算，得出对应的必须疏散时间^[8]。通过对比危险来临时间与必须疏散时间分析该项目内人员疏散安全与否，以验证其消防设计方案的合理性，如表2。

由表2的人员疏散与烟气模拟情况可看出，建筑内人员可在危险来临前疏散至安全区域，达到设定的消防安全目标。

结语

针对超大图书馆书山空间，在满足功能及空间效果的前提下，应尽可能采取消防措施，加强大空间防火分区的消防安全性。本文针对该种空间设计存在的消防设计难点，提出了相应的防火措施，并采用数值模拟的方式进行了分析验证。研究结果表明：可燃物为火灾发生的三要素之一，书谷空间应尽量限制书籍等可燃物总量，以降低该区域的火灾荷载；各书山之间设置的防火隔离带可在一定程度上阻碍一侧书山火灾烟气热流对对向书山的影响，形成虚拟的防火分隔；室内书谷区域空间高大，可为火灾烟气蓄积提供空间条件，减小火灾烟气对下方人员安全的威胁；书谷空间各区域竖向、横向交错连接，人员疏散路径的多样性给了人员安全疏散更多选择；书谷空间消防设施应在规范要求的基础上进行加强，以满足该超大空间火灾探测报警、灭火、排烟需求。

参考文献

[1]魏文君，赵伟.某会议中心消防设计探讨[C].2021中国消防协会科学技术年会论文集，2021.

[2]亓莉魏.防火隔离带在轨道交通换乘枢纽中的应用探究——以深圳市岗厦北综合交通枢纽为例[J].今日消防，2023，8（06）：5-7.

[3]洪菲，赖裕强，秦朝君.天津国家会展中心项目高大空间消防设计[J].建筑科学，2020，36（09）：74-79.

[4]杜爱梅.高大空间建筑消防设计策略研究——以某大型游乐综合体建筑设计项目为例[J].城市建筑空间，2022，29（S1）：91-93.

[5]刘伟.图书馆消防自动灭火系统的选择分析[J].河南图书馆学刊，2013，33（05）：73-74.

[6]阳凤萍，张彤炜，麦镇东，等.东莞市民服务中心特殊消防分析[C].2020中国消防协会科学技术年会论文集，2020.

[7]康健，孙旋.某图书馆中庭空间烟控系统设计研究[J].武警学院学报，2012，28（02）：40-42.