大型商业购物中心中庭防火分隔与人员疏散消防设计（DOC 22页）.doc

大型商业购物中心中庭防火分隔与人员疏散消防设计摘要：以某大型商业购物中心中庭区域的防火分隔方法是否满足防火性能要求为工程案例, 采用性能化防火设计的思想，设定了多个个最不利的火灾场景，针对这些火灾场景采用CFD方法，计算相应的火灾动力学参数，并将计算的结果与人员疏散安全性能判据进行对比分析。研究结果表明, 在该商业购物中心使用防火玻璃结合其他综合分隔方法作为隔断是可行的。关键词：商业购物中心；性能化防火设计；防火玻璃；中庭；人员疏散Case Study on the Performance-based Design of Fire Separation in Atrium and Human Evacuation for the Shopping MallLei Han1, K.Q.Kuang2（1. Fire Department of Zibo, Shandong, 255000.2. Research Center of Urban Public Safety Technology, Institute of Industry Technology of Guangzhou, Guangzhou, 511458）Abstract：A case on whether the fire glass separation with additional fire-resistant partition method in the atrium of a shopping mall conformed to certain fire performance was studied.A few scenarios were designed to calculate the fire parameters by CFD method. The calculated results were compared to the performance criteria. The result showed that using fire glass as the separat ion in the shopping mall is practical, but the effectiveness of its fire equipment should be ensured.Key words: Shopping mall; performance-based fire protection design; fire-resistant partition; atrium; human evacuation1 引言近年来，随着我国经济的快速发展，各种形式的商业建筑发展迅猛，经营规模不断扩大。商业建筑一旦发生火灾，不仅会造成巨大的经济损失，而且会成为社会不稳定的重要因素。大型商业建筑具有建筑体量大、建筑内部要求视觉通透性强、商业环境相对复杂等特点，其建筑结构的主要特征包括1-3：(1) 占地面积大，建筑层数有所控制，建筑层数一般控制在10层以内。(2) 多采用中庭贯穿结构。综合性商业建筑内部商业环境氛围要求较高，基于商品对室内装饰、灯光等环境要求和不同商位装修等多种因素考虑，建筑在室内设计时单个商铺不设计开窗，而是在建筑的公共部分如中庭等设立玻璃天窗。(3) 防火分区和疏散人数较多。大型商业建筑一般均设置火灾自动报警系统及自动喷水灭火系统，但由于其单层面积多在10000m2以上，因此每层均设置多个防火分区。而划分防火分区一般多采用防火墙、防火卷帘，但在家电、家居商场的实际应用中这些分隔方法可能与室内商业环境要求相冲突。建筑商场内多以商位招租为主要经营模式，各商位业主为突出商品招揽生意，所以在摊位装修及商品摆放上各有不同，致使整个商业建筑内布局变化增加，疏散走道较复杂等在客观上都增加了疏散时间。大型商业购物中心的中庭结构，使得中庭、回廊及自动扶梯互相连接，创造出一个开放、通透的连续室内空间，每个中庭顶部均有高侧窗。中庭的这种开放通透的设置，使得广场内购物的人员能够较轻松的认清方向，对紧急状况下的疏散非常有利。但由于中庭、走廊和自动扶梯的高低连接，给防火卷帘或水幕等分隔设施的设置造成较大困难，如中庭等区域设置防火卷帘进行分隔，有可能会阻碍商场内的疏散路线，导致商业中心改变局部外观，使建筑内的人员迷失方向，而且在紧急情况下选择疏散路线时，会扰乱人的方向感，并影响人群的流动。针对大型商业购物中心的这些特点，必须制定整体消防策略，综合考虑防火分隔、人员疏散、烟气控制、消防设置等各方面因素，进行整体消防安全性能化论证。笔者将以淄博市某大型商业购物中心为研究对象，综合运用现有消防规范和基于性能化的火灾风险评估方法，研究建筑中庭防火分隔措施的有效性以及对人员疏散的影响。2 建筑概况与问题提出2.1 建筑概况与功能定位淄博市某大型商业购物中心位于淄博市淄川区中心路段交汇处。建筑层数4层，建筑最高处32.5m，主要屋面高度22.5m。总用地面积为71919.16m2，总建筑面积为150813m2，其中地上建筑4层，面积为116744m2，地下1层，建筑面积为34069m2。建筑耐火等级为一级，柱、梁、楼板、墙、楼梯、屋顶承重构件和吊顶等均采用不燃烧体。项目属于综合性商业建筑，各层功能为：地下一层为设备房、超市商铺及车库，地上一至四层为百货、商铺、车库，四层局部为电影院。建筑平面呈通过中间大范围中庭结构连接的两翼结构（图1）。建筑除各层车库及超市区域（E、F、G）高度超过24m（为30.5m）外，建筑中其他区域总高度均未超过24m，各层车库及超市区域与其他区域采用防火墙分隔。建筑北翼商业区、建筑东南面翼商业区以及连接两区的中部设有多个中庭。中部中庭高度为32.5m，两翼内部中庭高度为22.5m。图1建筑防火分区示意图2.2 项目存在的消防安全难点根据对项目建筑结构分析，其在消防安全设计方面存在如下难点：1、面向中庭商铺营业面及公共回廊与中庭之间防火分隔未采用防火卷帘。2、建筑中部与两翼中庭排烟未采用机械排烟，而是采用在火灾时消防联动整体开启屋顶侧面玻璃窗的自然排烟方案。3、建筑E、F、G区域与其它区域采用防火墙或防火卷帘进行分隔，其它区域高度不超过24米。A、B、C区域按照建筑设计防火规范4进行设计，其它区域按照高层民用建筑设计防火规范5进行设计。2.3为确保消防安全采取的特殊消防设计方法为确保本建筑的消防安全，在依据国家有关消防规范的基础上，采用了如下的特殊消防设计方案：1、建筑商业区域店铺（A-D）营业面与中庭回廊之间依据建筑用安全玻璃 第1部分：防火玻璃（GB 15763.1-2009）6规范采用耐火极限为1.0h的A类隔热型防火玻璃分隔。其他区域用特级防火卷帘或防火墙把店铺分隔为不大于4000m2的防火分区；整个中庭的防火分隔措施将采用消防性能化的方法进行论证。2、租户区的店铺之间的分隔砌至梁、板底部。中庭回廊的自动喷水灭火系统安装使用快速响应洒水喷头，连接各区中庭走廊内均不设置可燃物，不设商业性经营设施，只作为人员流动连通的准室外场所。3、中庭采用在火灾时消防联动整体开启屋顶侧面玻璃窗的自然排烟方案。中庭屋顶顶棚侧面玻璃窗可开启自然排烟口面积不小于中庭投影面积的20%。4、建筑地上商业区域A、B、C区域各防火分区按照建筑设计防火规范（GB 50016-2006）7要求设置了疏散楼梯，D、E、F、G区域借鉴建筑设计防火规范（整合版）设置了疏散楼梯和安全出口，疏散楼梯数量和宽度均满足新规范的要求。5、建筑内人员疏散将采用分区域分阶段的疏散策略，通过不同火灾规模和危险性大小，如有必要再疏散着火楼层所在的整楼层人员。疏散指示标志灯采用智能应急疏散指示控制系统。该系统出口标志灯具有频闪、语音功能，方向标志灯具有方向可调和频闪功能，可根据火灾的具体部位指示最佳疏散路径，使疏散指示更加准确、及时、高效，提高人员疏散的安全性。3 消防设计难点定量分析与讨论作为淄博市拟建的单体建筑面积最大的商业购物中心（shopping mall），本建筑体量较大，多个中庭贯穿地下1层直至建筑4层，因而在防火区域分隔及人员疏散安全性上均受到一定的影响，必须制定整体消防策略，综合考虑防火分隔、人员疏散、烟气控制、消防设置等各方面因素，进行整体消防安全性能化论证，并经专家论证定案。3.1 消防安全设计目标本项目中，针对不同的消防问题，提出以下防火目标：l 防火分区：扩大的防火分区或替代的防火分隔方法其火灾蔓延性、烟气控制效果、人员疏散安全水平均达到或高于按规范设计的水平。l 自然排烟策略满足人员安全疏散要求，能提供安全的疏散环境，达到规范要求的安全度。l 确保人员快速疏散火场并将对建筑的干扰降到最低限度。一般条件下，人员安全疏散的判定准则是从火灾发生到危险状态的时间（Available Safety Egress Time，ASET）是否大于从火灾发生到建筑物内人员全部疏散完毕的时间（Required Safety Egress Time，RSET），参见图2。图2建筑火灾人员安全疏散判据示意图对于人员可用安全疏散时间（ASET），主要通过对人员对烟气层高度、温度、空间能见度等耐受性量化来决定的8。3.2 火灾场景设置与计算结果火灾场景是对一次火灾整个发展过程的定性描述，该描述确定了反映该次火灾特征并区别于其他可能火灾的关键事件。火灾场景通常要定义引燃、火灾增长阶段、完全发展阶段和衰退阶段，以及影响火灾发展过程的各种消防措施和环境条件等。设定火灾场景就是在建筑物火灾风险评估与性能化防火设计中，针对特定的火灾安全目标，综合考虑火灾的可能性和潜在的后果，从可能的火灾场景中选择出供分析的火灾场景。确定火灾场景是火灾风险评估中的一个关键环节，其设置遵循“可信最不利”原则，即所确定的设定火灾场景可能导致的火灾风险最大，如发生自动灭火系统或排烟系统由于某种原因而失效等最不利情况。在设定火灾场景时，主要考虑火源位置、火灾发展速率和火灾的最大热释放速率、消防系统的可靠性等要素，项目建筑设计火灾场景如表1所示。表1火灾场景设计与计算结果表9编号火灾场景描述场景设计目的可用安全疏散时间F-1地下1层中庭起火，假设消防设施失效，排烟系统失效，火灾类型为完全发展的t2快速火灾，最大热释放速率稳定在4MW分析该区域烟气蔓延过程和中庭自然排烟效果，计算场景危险到达时间，为论证人员疏散的安全性提供比较依据。>1200sF-21层中庭走廊区域起火，t2快速火，火源功率3.3MW。分析该区域烟气蔓延过程和中庭自然排烟效果，计算场景危险到达时间，为论证人员疏散的安全性提供比较依据。>1200sF-31层中庭走廊区域起火，假设消防设施失效，排烟系统失效，火灾类型为完全发展的t2快速火灾，最大热释放速率稳定在4MW。同上894sF-43层防火分区商铺内起火，消防系统正常启动，t2快速火，火源功率3.3MW分析该区域烟气蔓延过程，计算场景危险到达时间，为论证人员疏散的安全性提供比较依据。>1200sF-53层防火分区商铺内起火，假设消防设施失效，排烟系统失效，火灾类型为完全发展的t2快速火灾，最大热释放速率稳定在8MW。同上750s3.3 人员疏散场景设置与计算结果本项目中考虑的火灾危害是指对人员的直接危害（如烟气危害）。紧密围绕如前所述的安全目标，根据3.2确立的可能的火灾场景，分析人员特性并结合设定的火灾探测时间与模拟计算得到的人员准备运动时间和运动时间，分析火灾危险性，即火灾烟气到达危险状态的可能性，最终评估人员能否安全疏散。人员疏散场景设置如表2所示：表2人员疏散场景设计与计算结果表编号场景描述楼层疏散时间/s.S-1该疏散场景对建筑进行整体疏散，所有安全出口与对外出口均正常运行。1层:386s2层:620s3层:336s4层:244s-1层:293sS-2分区疏散，火灾发生在地下一层的防火分区E的中央，人员可以通过三个楼梯进行疏散。123sS-3火灾发生在一楼中庭走廊区域中央附近，防火分区A和防火分区B内的人员可以通过三个主出口向室外疏散。265sS-4火灾发生在三楼防火分区B的一家商店内，B分区内的人员通过该分区内的楼梯向下疏散199s3.4 结算模拟结果与消防安全难点分析笔者利用目前世界上火灾安全工程界常用的火灾动力学场模拟软件Fire Dynamic Simulator（FDS）对已设定的火灾场景中商场和中庭火灾蔓延烟气运动过程进行模拟。同时采用由格林威治大学的EXODUS的开发团队采用C+语言编制的人员疏散工程软件BuildingExodus定量模拟人员疏散过程。该软件模型中考虑了人与人之间、人与结构之间和人与环境之间的相互作用，并尝试在软件中引入人与人之间、人与火之间以及人与结构之间的交互作用。模型跟踪每一个人在建筑物中的移动轨迹，他们或者走出建筑物，或者被火灾产物，如热、烟和有毒气体等所伤害，进而影响疏散过程。3.4.1 中庭与公共回廊之间防火分隔中庭走廊商铺设置防火分隔玻璃和自动喷水灭火系统的目的是为了防止火灾在起火层商铺和中庭之间发生蔓延，当近中庭走廊商铺发生火灾时，烟羽流在浮力作用下上升并撞击顶棚产生沉降（或浮力驱动力不足时也会产生沉降）。在这种情况下，防火分隔的作用为阻隔烟气的蔓延，使其对人员疏散不产生重大影响。同时通过中庭的自然排烟设置，将蔓延至中庭的部分烟气通过顶部高侧窗排出。综合分析如下：1. 火灾场景F-5计算结果可知，1200s内在3层各测点和顶棚各测点中，均没有出现温度高于60的情况，说明烟气温度不会对人的身体造成影响。图3也显示着火店铺附近位置及顶棚位置温度均在安全范围内。建筑三、四层区域在着火后1200s内在2m高度处关键部位均没有出现能见度低于10m的情况，而3层人员的局部疏散时间为265s，说明烟气能见度不会对人员身体和疏散造成影响，因此可以认为防火分隔方式是有效的。图3 三层近中庭店铺火灾场景F-5测点位置温度变化情况2. 关于建筑中庭的防火分隔问题，在美国消防协会生命安全规范（NFPA101，Life Safety Code）第8.6.7节中提出了相应的要求10，在本项目的防火分隔措施设置上，工程设置均符合NFPA的相关规定。同时根据人员疏散结果分析，在1.5倍计算疏散时间基础上，且在发生火灾并有安全出口失效的情况下，发生火灾的防火分区ASET均远大于RSET，能够保证烟气层界面的高度高于该疏散口地面上方人员安全高度，可以确保人员疏散的安全性。3. 中庭内部或与之相邻的走廊部位，存在的可燃物较少，而且中庭又是人员活动频繁，24小时值班有人的场所，很难想象在这个地方能发生有规模的火灾。水喷淋头加防火玻璃（钢化玻璃或防火玻璃）作为中庭防火分隔的做法，参考了NFPA101的有关规定，符合国际通用做法，同时，又有相关科研院所的相关实验作为依据，与复合防火卷帘相比，这种做法更为经济、效果更为理想，是较为可行中庭防火分隔解决方案，已经在一些大型商业建筑及会展中心工程中使用11-14。表3中庭及周边区域采用防火玻璃分隔的工程案例建筑名称建筑及中庭参数防火分隔方法广州太古汇总建筑面积462388m2，其中地上面积293393m2。裙楼商业中心设计有多个中庭，每个中庭上有天窗。商场与回廊之间采用防火玻璃分隔。沿商场店铺玻璃墙和玻璃门的一侧，安装加密喷淋保护。北京京澳中心主题建筑为两栋高22层，66m*68m的方形大厦。两栋建筑的1-5层位共享型中庭，中庭高24m，长68m，宽为13m。该中庭与3-5层主楼的办公区相连。原设计拟采用复合防火玻璃，后改为水喷淋头保护12mm厚钢化玻璃的方案广州正佳广场基地东西长229m，南北长237m，建筑面积约为295950m2，地上七层，建筑内部围绕几个七层通高的中庭，防火墙和防火固定玻璃墙作防火分隔，中庭走廊设置喷淋系统3.4.2中庭排烟根据高层民用建筑设计防火规范规定：净空高度超过12m的中庭，应设置机械排烟设施，这主要是考虑空间太高，烟气由于“层化”现象而缺乏浮力，停止上升。这种现象取决热压、空间密闭性、空间体量等各种因素影响。根据计算结果分析:1. 以火灾场景F-1为例，表4列出了此火灾场景下的中庭自然排烟烟气运动和温度变化模拟结果。表4 火灾场景F-1-Y截面不同时刻的烟气运动情况模拟时间动态截图120s300s600s1200s表5 火灾场景F-1-Y截面不同时刻的烟气温度分布模拟时间动态截图120s300s600s1200s火灾场景F-1自然排烟的模拟结果显示，地下1层中庭区域发生火灾后，烟气在中庭空间内迅速垂直上升，到达到顶层。自然排烟口全部联动打开，烟气由排烟口排出室外。计算结果显示，从火源中心Y方向及各层2m处的能见度温度截图来看，20min内，各层中庭区域回廊内的能见度均大于10m，空气层温度除火源羽流外均不超过60°C。因此，在中庭最不利火灾场景情况下，中庭自然排烟环境可提供不小于20min的人体耐受时间，这段时间内人员可以安全疏散。因此，目前设计中采用的中庭自然排烟策略能达到相应的排烟效果和安全度。2. 连接建筑各商业区域的中庭顶部设置的可开启的高侧窗，作为“近室外的准安全区域”实际上将建筑划分出了合理的防火分隔，顶部高侧窗可全部打开进行自燃排烟，保证了“准安全区域”的可能性11。中庭设置防火玻璃和可开启窗户后，中庭内连接各单元之间的走廊可作为人员疏散最直接的方向，人员不仅可以垂直疏散，更可以水平向相邻建筑区块疏散，从而大大增强了疏散能力；同时窗户的开启，可将火灾产生的烟气迅速排出，防止高温烟气对人员造成伤害，为人员疏散争取时间。3.4.2人员疏散安全性中庭发生火灾时，由于中庭将各层贯通，疏散时考虑整座商业建筑将同时进行疏散，而位于火源附近的人员将优先疏散。各层疏散宽度及疏散距离均按照规范要求设置。分析中运用计算结果偏保守的疏散软件BuildingExodus对整个疏散过程进行模拟，可得到如下结论：整栋大楼中人数约35472人，所有人员疏散至室外时间约为17分30秒。各层人员疏散时间总结如表2。从疏散模拟中可以看出，地下1层由于部分人员可以直接疏散至室外，虽然疏散人员较多，但疏散时间并未延长很多，人员在5min之内即全部进入室外或楼梯间。1层人员虽然可以直接疏散至室外地面，但由于楼上各层疏散人员均在楼梯间等待，因此人员在7min之内即全部疏散至室外安全区域。而2-4层人员主要通过楼梯垂直疏散，各层人员在楼梯口安全走道处会出现短暂排队现象，所有人员在11min内全部进入楼梯间内。各中庭区域仅做人员流通用途，人员较少，均能很快疏散完毕。当建筑内发生火灾时，按照现有疏散楼梯的设置，也能保证了人员疏散的安全性。根据人员疏散模拟结果，图4列出了最不利情况下（疏散过程中，人员不能越过着火区域进行逃生，同时乘以1.5倍的疏散时间）的ASET与RSET比较，由图可以看出，在发生火灾并有安全出口失效的情况下，发生火灾的防火分区ASET均远大于RSET，可以确保人员疏散的安全性。图4 火灾发生时最不利情况下：ASET与RSET时间比较4 结论笔者采用了消防性能化设计的方法，对某大型商业购物中心的火灾危险性、防排烟措施的有效性和人员安全等方面进行了分析评估。通过分析论证，主要得出以下结论：1. 通过相关消防安全装备和设施，商业建筑形成了设定在商场和中庭之间：l 将火势及烟气控制在租户区的店铺范围内；l 将火势及烟气蔓延控制在着火楼层；l 排出流入中庭空间烟气；的三道防线，有效防止在火灾发生时烟气直接进入中庭。因此，经过项目组的模拟计算证明中庭回廊和中庭之间不设置防火卷帘的防火分隔措施是可行的。中庭防火分隔措施虽然有所变化，但通过严格控制中庭内部的火灾荷载，并未扩大中庭的危害。而从中庭的烟气蔓延及人员疏散安全分析也可知，在选取的中庭可信最不利火灾场景下，RSET均小于ASET，且留有一定的安全余量，可见中庭的防火分隔措施能够保障人员的安全。2.3. 中庭自然排烟系统可以有效排除中庭火灾的烟气。而通过烟气模拟及人员疏散模拟，在选取的中庭可信最不利火灾场景下，RSET均小于ASET，且留有一定的安全余量，在各火灾场景下环境均不会影响人员疏散安全。4. 通过消防性能化设计，经送专家评审组评审，认为本项目整体消防策略具有一定的合理性和可靠性，能够达到国家相关消防规范所要求的安全等级。同时专家组还对项目提出了如下建议：a) 建筑首层与地下部分应完全分开。b) 面向十字交叉通道的门均应采用甲级防火门，单个商铺面积不应大于300m2，商铺之间应采用耐火时间大于2.00h的不燃烧实体墙进行分隔。c) 十字交叉通道内的中庭部分应增设消防水炮灭火系统。d) 应增设漏电火灾报警系统。参考文献1 陈炜. 大型商业购物中心中建筑消防设计探索.安徽建筑,2008.4.2 卢小平. 广州太古汇消防性能化设计探讨J.消防科学与技术,2007:26(4).3 马震聪. 对大型购物中心消防处理的探索J. 4 GB.2006.GB 50016-2006.建筑设计防火规范.中华人民共和国国家标准,中国国家标准化管理委员会. 中华人民共和国建设部批准.5 GB.2005.GB 50045-95. 高层民用建筑设计防火规范.中华人民共和国国家标准,中国国家标准化管理委员会. 中华人民共和国建设部批准.6 GB 500*201*.建筑设计防火规范（整合修订征求意见稿）(2010.7.5).中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局联合发布.7 GB.2009.GB 15763.1-2009. 建筑用安全玻璃 第1部分：防火玻璃. 中华人民共和国国家标准, 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会发布.8 范维澄,孙金华,陆守香等.火灾风险评估方法学M.北京:科学出版社,2006.9 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