城市消防的新課題

濟(jì)南市消防支隊(duì)防火處 | 徐玉濤

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和建筑科技的長(zhǎng)足進(jìn)步，具有新的設(shè)計(jì)概念和結(jié)構(gòu)形式的公共建筑不斷涌現(xiàn)，這些建筑大多符合智能建筑（綠色建筑）的標(biāo)準(zhǔn)，成為城市建設(shè)與發(fā)展的特色標(biāo)志。這些新型建筑對(duì)現(xiàn)行的建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范提出了巨大的挑戰(zhàn)。

新建筑、新材料、新技術(shù)、新設(shè)計(jì)帶來(lái)的消防新挑戰(zhàn)

城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，各種現(xiàn)代化公共設(shè)施、住宅小區(qū)的興建，使得我國(guó)城市人口密集處越來(lái)越多，也使得火災(zāi)發(fā)生的因素越來(lái)越復(fù)雜，火災(zāi)的防范和救援工作越來(lái)越難。

例如，許多大型展館、會(huì)所、場(chǎng)館、娛樂(lè)場(chǎng)所等建筑中，龐大的規(guī)模和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)使得消防安全隱患越來(lái)越多；許多新型的建筑材料、裝修裝飾材料、供電供氣供水等設(shè)備隱藏著消防安全的不利因素，而且一旦發(fā)生火災(zāi)后消防救援工作難以有效展開，損失巨大。

2010 年5 月31 日，南通在建第一高樓“中南匯泉國(guó)際廣場(chǎng)”在進(jìn)行外部裝修時(shí)33 層外墻保溫層發(fā)生火災(zāi)，并沿外墻保溫層迅速蔓延至整棟大樓，過(guò)火樓層24 層，高達(dá)70 米,南通市消防部門勘查后，認(rèn)定此次災(zāi)害成因有兩點(diǎn)，一是電焊工在切割立柱鋼筋時(shí)操作不當(dāng)，二是裝飾公司在外墻保溫工程施工過(guò)程中使用了燃燒性能為B2 級(jí)的可燃保溫材料，導(dǎo)致火災(zāi)蔓延擴(kuò)大。

中國(guó)正處于歷史上最大的建設(shè)熱潮之中。建成的世界十幢最高的建筑中，有六幢落戶中國(guó)，還有更高的建筑正在規(guī)劃中。這些高樓大廈都在盡力采用先進(jìn)的建筑技術(shù)和新型建筑材料，努力為人們展現(xiàn)低碳的未來(lái)。然而，換一種角度思考，各種新材料、新能源、新工藝、新技術(shù)的投入使用，也會(huì)為我們帶來(lái)許多復(fù)雜的尚未認(rèn)識(shí)和掌控的新的火災(zāi)問(wèn)題。

廣州的珠江大廈是中國(guó)第一批綠色多功能建筑之一，見圖3。它遇到消防挑戰(zhàn)也是目前許多綠色建筑的典型案例。消防難題除了包括垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能發(fā)電板、金屬吊頂冷卻系統(tǒng)、雙重幕墻外，還包括了綠化屋頂、噴淋系統(tǒng)供水、消防通道、以及避難層。

首先是安裝在珠江大廈的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組就對(duì)消防工作帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)引發(fā)火災(zāi)的案例雖然很少見，但卻是實(shí)實(shí)在在發(fā)生過(guò)。因此，對(duì)在有人員載荷的區(qū)域使用風(fēng)力發(fā)電這項(xiàng)技術(shù)和采用什么樣的策略來(lái)保證建筑及人員的安全的問(wèn)題就引起了消防審核專家的關(guān)注。建筑設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)給出的消防策略是使用耐火構(gòu)件將風(fēng)力電動(dòng)機(jī)外部元件（主要是機(jī)械構(gòu)件）和建筑相隔離，以使外部的火勢(shì)無(wú)法蔓延至建筑內(nèi)部；同時(shí)將風(fēng)力電動(dòng)機(jī)內(nèi)部元件（主要是電氣構(gòu)件）放置于防火室中并配備消防法規(guī)針對(duì)電氣設(shè)備所要求的滅火系統(tǒng)。針對(duì)這個(gè)罕見的案例，設(shè)計(jì)師們?cè)谧詈蟮脑O(shè)計(jì)方案中增加了通向風(fēng)力發(fā)電機(jī)的消防通道以方便消防作業(yè)，此外，他們還運(yùn)用事故類型分析方法建立了相應(yīng)的消防安全設(shè)計(jì)和應(yīng)急預(yù)案。

將綠化屋頂列為火災(zāi)隱患并不是一個(gè)新概念。植物本身就是潛在的可燃物，會(huì)對(duì)該建筑和臨近的建筑物構(gòu)成消防隱患；除了火災(zāi)對(duì)建筑物屋頂?shù)挠绊懲猓蓓斁G化物在火災(zāi)事故發(fā)生時(shí)會(huì)阻礙直升機(jī)的著陸，對(duì)空降逃生產(chǎn)生影響。

節(jié)約用水設(shè)計(jì)是珠江大廈綠色建筑設(shè)計(jì)的重要組成部分。節(jié)水方案之一是使用雨水或其他灰水作為自動(dòng)噴淋系統(tǒng)的水源。但是在實(shí)際使用時(shí)，為清除這種不凈水中的腐蝕性微生物消除其在管道（特別是鐵質(zhì)管道）壁聚集和腐蝕管道的風(fēng)險(xiǎn)，還需要額外增加水質(zhì)檢測(cè)和過(guò)濾環(huán)節(jié)。

圖3 廣州珠江大廈

大型的園林設(shè)計(jì)在綠色建筑項(xiàng)目里是眾望所歸。但是在具體的實(shí)施中，設(shè)計(jì)師們往往會(huì)忽視對(duì)消防通道的設(shè)計(jì)和建造，新穎的綠化園景可能成為了消防車輛的障礙物，增加的綠化面積也許是通過(guò)壓縮消防車道的寬度換來(lái)的。屋頂玻璃上的遮陽(yáng)檐篷主要用來(lái)為對(duì)玻璃幕墻以及其他外在元件的遮陽(yáng)，但是這些遮陽(yáng)檐篷會(huì)干擾消防員出入，限制消防器材的使用。具有重量輕和透明特點(diǎn)的玻璃幕墻是現(xiàn)代建筑中常用的，但是在火災(zāi)事故中玻璃的爆裂會(huì)破壞和影響消防作業(yè)的安全。消防作業(yè)需要有能讓消防車輛出入的作業(yè)區(qū)域。這個(gè)區(qū)域應(yīng)該有足夠的地面承重能力、凈空高度和足夠大的作業(yè)準(zhǔn)備區(qū)域。這樣的區(qū)域?qū)Τ呓ㄖ浪璧脑铺蒈嚫又匾４送猓ＡТ皫?lái)的較強(qiáng)反射效果會(huì)產(chǎn)生光污染，使消防員無(wú)法看清建筑，從而影響消防作業(yè)。

在許多亞洲國(guó)家，避難層空間是其文化的一部分。根據(jù)地方法規(guī)，每12 至20 層需配備避難層。避難層可在火災(zāi)應(yīng)急狀況下對(duì)驚恐的人群實(shí)施有效管理并進(jìn)行分區(qū)式的疏散，它同時(shí)也對(duì)火災(zāi)中的傷殘人群提供暫時(shí)的庇護(hù)。設(shè)置避難層與高效利用建筑空間和將避難空間設(shè)計(jì)為他用產(chǎn)生了沖突。

珠江大廈的頂部采用玻璃封頂，夏季高溫時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生熱障效應(yīng)和火災(zāi)時(shí)煙氣早期分層現(xiàn)象。熱障效應(yīng)和煙氣早期分層現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致煙氣在與之相連的空間內(nèi)蔓延，并使頂棚下的感煙探測(cè)器不能及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。如果建筑內(nèi)頂層的空間高度較高，煙氣的溫度在上升過(guò)程中因卷吸周圍空氣而不斷降低，上升到頂部的煙氣溫度就可能激發(fā)不了自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)，這將會(huì)影響系統(tǒng)對(duì)早期火災(zāi)的預(yù)警。

知名消防專家李芳認(rèn)為火災(zāi)的預(yù)防本身就是綠色建筑的一個(gè)重要設(shè)計(jì)。為考慮節(jié)約而采用的建筑設(shè)計(jì)可能在火災(zāi)時(shí)對(duì)環(huán)境、對(duì)建筑本身產(chǎn)生更大的負(fù)面影響，例如火災(zāi)中釋放的煙氣對(duì)環(huán)境的影響、對(duì)建筑設(shè)施等資源的破壞，施放的滅火劑對(duì)建筑的影響等。只有在建筑設(shè)計(jì)中使用經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)的最好的和先進(jìn)的消防安全設(shè)計(jì)，才能做到既有助于減小火災(zāi)發(fā)生的可能性，又有助建筑實(shí)現(xiàn)預(yù)期的創(chuàng)造性設(shè)計(jì)的目的。

建筑性能化防火設(shè)計(jì)為消防帶來(lái)的新視野

對(duì)火災(zāi)的研究和火災(zāi)模化技術(shù)的應(yīng)用推動(dòng)了消防安全工程學(xué)這一新學(xué)科的飛速發(fā)展；越來(lái)越多的大體量、多功能、大空間的建筑帶來(lái)了大量傳統(tǒng)防火設(shè)計(jì)方法無(wú)法解決的難題，又催生了一種以消防安全工程學(xué)為基礎(chǔ)的新的建筑防火技術(shù)——性能化防火設(shè)計(jì)方法（Performance-based Fire Protection Design）， 也可稱之為“火災(zāi)安全工程設(shè)計(jì)法”（Fire safety engineering method）。

由于性能化防火設(shè)計(jì)方法具有非常強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，已成為當(dāng)前建筑防火領(lǐng)域最先進(jìn)的技術(shù)之一，是人們關(guān)注的最前沿、最活躍的研究領(lǐng)域。

目前而言，建筑物的防火設(shè)計(jì)一般應(yīng)依據(jù)國(guó)家現(xiàn)行的防火設(shè)計(jì)規(guī)范及相關(guān)的工程建筑規(guī)范進(jìn)行。只有對(duì)于現(xiàn)行國(guó)家和地方消防技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)未明確規(guī)定的、或按規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施確有困難，并影響建筑使用功能的一些特殊、大型的工程項(xiàng)目可以就整座建筑物或建筑物中的某些特殊部位應(yīng)用性能化設(shè)計(jì)方法。不同性質(zhì)、不同功能的建筑物，需要采用性能化設(shè)計(jì)方法解決的問(wèn)題不盡相同。但總體上看，大致涉及6 個(gè)方面：建筑內(nèi)部的防火分區(qū)劃分及分隔形式問(wèn)題；建筑內(nèi)人員的安全疏散設(shè)計(jì)問(wèn)題；建筑內(nèi)防排煙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題；建筑內(nèi)滅火系統(tǒng)的設(shè)置問(wèn)題；鋼結(jié)構(gòu)的耐火保護(hù)問(wèn)題；新產(chǎn)品、新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用問(wèn)題等。

實(shí)際上，建筑消防工作是一個(gè)有機(jī)的整體，單純孤立地強(qiáng)調(diào)某一環(huán)節(jié)并不能保證整個(gè)建筑物的安全，建立一種依據(jù)特定建筑物火災(zāi)特性的更安全、合理的新型建筑防火設(shè)計(jì)方法和評(píng)價(jià)方法已經(jīng)迫在眉睫。為了說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，不得不提及馬斯達(dá)公司總部大樓，見圖4。

圖4 馬斯達(dá)公司總部大樓

馬斯達(dá)爾總部大樓高七層，總占地面積為134662 平方米，由商業(yè)區(qū)、零售商業(yè)區(qū)和文化區(qū)（包含園景區(qū)）組成。整個(gè)建筑注重自然通風(fēng)，具備遮陽(yáng)和吸熱功能。其標(biāo)志性建筑特色是11個(gè)有自然通風(fēng)和冷卻的功能的風(fēng)錐，這些風(fēng)錐還為建筑內(nèi)部提供了柔和的日光，見圖5， 6，7。其它關(guān)鍵的設(shè)計(jì)還包括巨大的屋頂——可提供自然遮蔽，并組成世界上最大的光伏太陽(yáng)能電池板陣列。屋頂?shù)牟ɡ藸钕聦咏Y(jié)構(gòu)，有助于增強(qiáng)屋頂支柱的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。建筑外圍部分使用了玻璃墻體以阻斷太陽(yáng)熱，同時(shí)又不影響欣賞風(fēng)景。此外，該建筑還包括接地管道、空中花園、地下人行通道等。

圖5 馬斯達(dá)爾總部標(biāo)志性建筑特色是11個(gè)風(fēng)錐。

圖6 向整個(gè)建筑提供自然通風(fēng)（熱空氣被吸至頂樓，然后被風(fēng)帶走）和自然光照明的風(fēng)錐體。

圖7 屋頂?shù)牟ɡ藸钕聦咏Y(jié)構(gòu)，有助于增強(qiáng)屋頂支柱的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

建筑中的11 個(gè)風(fēng)錐體除了向整個(gè)建筑提供自然通風(fēng)和自然光照明外，也是支撐建筑上方檐篷結(jié)構(gòu)以及建筑本身的一部分，因此，這些風(fēng)錐屬于建筑結(jié)構(gòu)框架的一部分，這也意味著它們的耐火等級(jí)受相應(yīng)規(guī)范的約束。同樣，這些風(fēng)錐又是中庭的一部分，規(guī)范要求其要有與相區(qū)域的防火隔離。依照建筑承重構(gòu)件的不同功能，設(shè)計(jì)規(guī)范提供了不同的選項(xiàng)，如使用膨脹型涂層可使構(gòu)件達(dá)到1.5 小時(shí)的耐火極限；使用噴淋系統(tǒng)也可達(dá)到保護(hù)暴露于高溫下鋼架的目的。為了美觀，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)希望使用暴露的鋼架。由于沒有防火涂層，這就與所期望的消防安全目標(biāo)產(chǎn)生了更多的挑戰(zhàn)。

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在這個(gè)項(xiàng)目上采用了性能化防火設(shè)計(jì)手段。設(shè)計(jì)分析的核心元件是由無(wú)防火涂層的管狀鋼架結(jié)構(gòu)，分析的目標(biāo)是該結(jié)構(gòu)在最可能發(fā)生的火災(zāi)場(chǎng)景下溫度以及對(duì)鋼架結(jié)構(gòu)的性能影響。

在采用性能化設(shè)計(jì)的分析中，設(shè)計(jì)師們審核了建筑使用功能、燃料載荷、可引發(fā)嚴(yán)重火災(zāi)的危害，考慮到的變量包括了火災(zāi)位置、大小，噴淋系統(tǒng)的影響和中庭空間的形狀。分析中他們結(jié)合使用FDS 和SAFIR，制作了火災(zāi)模擬場(chǎng)景，并為不同的設(shè)計(jì)制定了相應(yīng)的保護(hù)方案（見圖8）。

圖8 馬斯達(dá)爾公司總部大樓的火災(zāi)場(chǎng)景電腦模擬

圖9 建筑物煙氣運(yùn)動(dòng)的模擬圖

關(guān)于高層建筑中庭消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝問(wèn)題始終是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，該項(xiàng)目的中庭防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)和安裝也使用了性能化設(shè)計(jì)方法。首先，設(shè)計(jì)師在電腦上模擬了該建筑中庭在火災(zāi)情況下受障礙物、氣溫和玻璃窗位置影響的煙氣運(yùn)動(dòng)，在并此基礎(chǔ)上對(duì)人員疏散、疏散距離、耐受條件和消防系統(tǒng)的安裝位置做出分析。在分析過(guò)程中，為證明排煙所需的機(jī)械通風(fēng)量大小、判斷是否可以完全使用自然通風(fēng)代替機(jī)械通風(fēng)，設(shè)計(jì)工程師們用CFD 軟件模擬了相關(guān)的場(chǎng)景并在多項(xiàng)參數(shù)方面給出了評(píng)估，見圖9。

所有這些消防安全的解決方案都對(duì)綠色建筑的節(jié)能有著積極的影響。

總之，通過(guò)馬斯達(dá)爾公司總部大樓的案例可以看到性能化設(shè)計(jì)方法是解決特殊復(fù)雜建筑防火設(shè)計(jì)超規(guī)范問(wèn)題的有效手段，為提高建筑的消防安全水平、實(shí)現(xiàn)消防安全與經(jīng)濟(jì)合理的統(tǒng)一，更大限度地滿足建筑的使用功能等方面功不可沒。在具體的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)上，通過(guò)控制火災(zāi)規(guī)模來(lái)解決結(jié)構(gòu)抗火問(wèn)題、通過(guò)煙氣分析解決排煙系統(tǒng)設(shè)置問(wèn)題、通過(guò)控制煙氣和優(yōu)化疏散設(shè)施或方案來(lái)解決人員安全疏散的問(wèn)題等也為我們展示了該項(xiàng)技術(shù)的魅力。