大型商業(yè)建筑性能化防火設(shè)計

廣東城建達設(shè)計院有限公司 廣東佛山 528000

摘要：本文主要針對大型商業(yè)建筑性能化的防火設(shè)計展開了探討，通過結(jié)合具體的工程實例，對存在的消防安全問題作了闡述，并給出了性能化的解決方案和相應(yīng)設(shè)計，以期能為有關(guān)方面的需要提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：商業(yè)建筑；性能化；防火設(shè)計

0 引言

伴隨著商業(yè)建筑的發(fā)展，其火災(zāi)的發(fā)生也呈現(xiàn)出上升的趨勢，大規(guī)模、大空間、多功能給商業(yè)建筑的防火和安全疏散設(shè)計帶來更多的困難。因此，我們必須要做好性能化防火的設(shè)計工作，以防止商業(yè)建筑重大火災(zāi)的發(fā)生。基于此，本文就大型商業(yè)建筑性能化的防火設(shè)計進行了探討，相信對有關(guān)方面的需要能有一定的幫助。

1 建筑工程概況

本工程屬一類高層綜合樓，按一級耐火等級設(shè)計，構(gòu)建若干個大中庭。該項目總建筑面積189456m2，建筑高度99.7m，共31層，地下1、2層為車庫，1～3層為商業(yè)裙房，4～31層為公寓。原設(shè)計商業(yè)裙房業(yè)態(tài)為建材家具，現(xiàn)經(jīng)營業(yè)態(tài)改造成普通商業(yè)。改造前由于其經(jīng)營業(yè)態(tài)的特殊性，家具建材等商品往往占據(jù)了營業(yè)廳較大的面積，顧客流量少于普通商業(yè)，主要是解決建筑內(nèi)人員疏散問題。

2 存在的消防安全問題

原建筑在建造之初經(jīng)過消防專家論證評估，由于經(jīng)營業(yè)態(tài)的特殊性，其疏散設(shè)計較普通商業(yè)建筑進行了適當(dāng)?shù)恼蹨p。后業(yè)主根據(jù)經(jīng)營需要，經(jīng)營業(yè)態(tài)由建材家具更改為普通商業(yè)。因此，性能化防火設(shè)計在本項目中主要是解決建筑內(nèi)人員荷載增多時的疏散問題，主要消防問題包括如下。

（1）建筑2層、3層疏散寬度不滿足規(guī)范的要求。依據(jù)現(xiàn)行《建筑設(shè)計防火規(guī)范》的要求，1層疏散寬度應(yīng)為50.79m，2層疏散寬度應(yīng)為51.28m，3層疏散寬度應(yīng)為47.45m。目前設(shè)計是：1層疏散寬度為69m，2層、3層疏散寬度為36.56m，不能滿足規(guī)范要求。

（2）首層有5部樓梯不能直通室外，需要通過室內(nèi)步行街向室外疏散，由疏散口直接通向室外的距離，最遠(yuǎn)疏散距離達48m，不滿足

《建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB50016-2014 要求。

3 性能化解決方案

3.1 設(shè)置人員安全疏散亞安全區(qū)

將臨步行街的商鋪劃分為各自獨立的防火單元，其內(nèi)部火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣將通過機械排煙系統(tǒng)及水噴淋自動滅火系統(tǒng)控制在本單元內(nèi)，即使少量煙氣溢出到中庭的公共區(qū)域，步行街內(nèi)探測器偵測后，立即啟動步行街內(nèi)的排煙風(fēng)機，保證中庭不受煙氣影響。另一方面，中庭內(nèi)公共區(qū)域主要作為人員走道，沒有商業(yè)活動，無火災(zāi)荷載，中庭內(nèi)本身火災(zāi)發(fā)生的概率極低，并且在中庭回廊內(nèi)設(shè)置了水噴淋自動滅火系統(tǒng)和自動排煙系統(tǒng)，同時在中庭頂部設(shè)置自動排煙系統(tǒng)及大空間自動掃描定位噴水滅火系統(tǒng)。通過以上措施，使中庭區(qū)域本身無火災(zāi)危險，也不會受到其他區(qū)域火災(zāi)蔓延的影響，成為一個相對安全的區(qū)域。因此，將室內(nèi)步行街定義為界于商鋪功能區(qū)域和室外之間的“亞安全區(qū)”。在此基礎(chǔ)上，將煙氣運動及人員安全疏散的計算結(jié)果進行對比，驗證發(fā)生火災(zāi)時各防火單元內(nèi)的煙氣是否對中庭內(nèi)的疏散人員構(gòu)成威脅。可見，本建筑改造項目均與人員疏散密切相關(guān)，問題的關(guān)鍵在于保證人員疏散時間內(nèi)人員的安全。

3.2 疏散寬度不足的解決方案

由于經(jīng)營業(yè)態(tài)改變、人員荷載增加、結(jié)合結(jié)構(gòu)等方面情況，在如圖 1 所示位置增加 4 部剪刀樓梯，解決疏散寬度不足的問題。

原建筑經(jīng)過 pathfinder 疏散模擬分析發(fā)現(xiàn)，在疏散之初 A、B 兩處易發(fā)生擁堵，如圖 2 所示，即使在疏散后期 B 處的擁堵依然十分嚴(yán)重，如圖 3 所示。

圖1 一層平面（改造后）

圖2 一層60s時人員疏散情況（改造前）

圖3 一層180s時人員疏散情況（改造前）

由此可推測，改造后建筑中部疏散通道的壓力會進一步加大。因此，在首層中部增設(shè)一條2.0m的疏散走道（如圖1陰影所示），以緩解步行街首層中部疏散通道的擁堵問題。

4 性能化設(shè)計論證

性能化消防設(shè)計的總體目標(biāo)為建筑物發(fā)生火災(zāi)后，建筑內(nèi)的人員能安全疏散到安全區(qū)域。對于本文分析的火災(zāi)場景建立了FDS模型，在相應(yīng)部位設(shè)置探測器用以準(zhǔn)確分析可用疏散時間，并且分析模擬商場內(nèi)著火情況下煙氣蔓延狀況。

4.1 火災(zāi)場景的設(shè)計

4.1.1 火源位置

模擬對象為首層發(fā)生火災(zāi)的商鋪以及整個亞安全區(qū)，如圖4所示。其中，首層起火店鋪面積約為260m2，整個亞安全區(qū)（包括首層～3層）總面積為8900m2，主要是驗證分析亞安全區(qū)兩側(cè)中小型商鋪發(fā)生火災(zāi)時對亞安全區(qū)內(nèi)疏散的影響。在模擬中設(shè)置當(dāng)?shù)赇伆l(fā)生火災(zāi)時，店鋪前門作為與亞安全區(qū)連通的開口面。根據(jù)建筑設(shè)計圖，該開口面尺寸為2m×2.4m。零售店鋪層高約為5m，店鋪內(nèi)按規(guī)范設(shè)置機械排煙系統(tǒng)。同時，店鋪內(nèi)設(shè)置自動噴水滅火系統(tǒng)和火災(zāi)自動報警系統(tǒng)，噴水滅火系統(tǒng)采用快速響應(yīng)噴頭。

圖4 起火店鋪位置及詳圖

4.1.2 火災(zāi)規(guī)模確定

火災(zāi)規(guī)模確定參照當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)DGJ08-88—2006《上海市工程建設(shè)規(guī)范-防排煙技術(shù)規(guī)程》中對各類火災(zāi)規(guī)模取值的規(guī)定，噴淋有效時其火災(zāi)規(guī)模為3MW。當(dāng)噴淋失效時，利用托馬斯轟燃公式進行計算，該公式是在室內(nèi)火災(zāi)轟燃試驗的基礎(chǔ)上得到的經(jīng)驗公式：

式中Q———發(fā)生轟燃時的熱釋放速率（kW）；

At———房間的內(nèi)表面積（m2）；

AW———通風(fēng)口面積（m2）；

HW———通風(fēng)口高度（m）。

根據(jù)火源所在房間的具體幾何參數(shù)，該商鋪發(fā)生火災(zāi)后轟燃時的最大火災(zāi)規(guī)模為8.8MW。

4.2 煙氣運動分析

火災(zāi)對人員的危害主要是火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣，一般從煙氣層高度、溫度、毒性氣體的深度、能見度等方面進行討論。參考建筑工程性能化消防設(shè)計與評估相關(guān)內(nèi)容，設(shè)定安全判定標(biāo)準(zhǔn)為：商場內(nèi)煙氣層最小清晰高度取2m，中庭內(nèi)煙氣層清晰高度按1.6+0.1H計算（H為中庭高度），清晰高度以下空間內(nèi)煙氣溫度不超過60℃，能見度不低于10m，CO濃度不超過500ppm。經(jīng)過分析，將可用疏散時間T匯總見表1。

表1 大型商場火災(zāi)場景分析

4.3 人員疏散分析

性能化評估使用的人員荷載參照現(xiàn)行規(guī)范，根據(jù)不同建筑的使用功能按建筑面積折算。根據(jù)設(shè)計單位提供的相關(guān)資料，計算出各商業(yè)區(qū)域的人數(shù)，利用pathfinder疏散模擬軟件對建筑內(nèi)人員整體疏散進行模擬計算，考慮火災(zāi)探測、報警時間及人員疏散行動時間等延遲因素，得到疏散時間。將改造前后的疏散結(jié)果進行對比分析，見表2，由于疏散樓梯和疏散通道的增設(shè)，保證了建筑改造后較改造前必須疏散時間沒有出現(xiàn)大幅的增長。

表2 改造前后必須疏散時間對比

4.4 人員安全分析

人員安全性判定通過比較必需人員疏散時間與可用安全疏散時間實現(xiàn)，見表3。

表3 人員疏散安全性判定

5 結(jié)語

綜上所述，大型商業(yè)建筑具有建筑體量大、面積大、層數(shù)多、裝修復(fù)雜、可燃物品多、疏散路徑長等特點，這給商業(yè)建筑的防火和安全疏散設(shè)計帶來更多的困難。因此，我們需要做好商業(yè)建筑性能化的防火設(shè)計工作，以為及時發(fā)現(xiàn)火災(zāi)、降低和消除火災(zāi)帶來幫助。

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分，來對建筑物抗震性能的目標(biāo)進行評定。

3、計算分析

在多遇地震的作用以及風(fēng)荷載的作用下，用Midas和Satwe兩種軟件來進行彈性時程分析以及反應(yīng)譜分析，用ETABS程序來對樓板及框支梁進行應(yīng)力的分析，分析其結(jié)構(gòu)構(gòu)件是否處在彈性階段，承載能力及變形能力是否滿足了現(xiàn)行的規(guī)范要求，是否能夠滿足“小震不壞”。

在設(shè)防烈度的地震作用下，用Satwe軟件對其進行中震彈性分析以及中震不屈服的分析，用程序?qū)蛑Я骸前搴图袅M行應(yīng)力的分析，分析結(jié)構(gòu)是否處在彈性狀態(tài)，是否能夠滿足“中震可修”。

在罕遇地震的作用下，用Midas和Satwe這兩種軟件來進行彈塑性時程的分析，彈塑性時程的分析采用的是安全評估法來進行分析的，通過對結(jié)構(gòu)的整體性能以及構(gòu)件的變形性能兩方面來考察抗震結(jié)構(gòu)其安全性能。其中結(jié)構(gòu)整體的性能評估從彈塑性層間的位移角、底部剪力、剪重比、塑性發(fā)展過程以及塑性的發(fā)展區(qū)域來進行評估；而構(gòu)件的變形性能評估則從構(gòu)件塑性的變形以及塑性的變形限制值大小相關(guān)系，關(guān)鍵部位上的關(guān)鍵構(gòu)件塑性的變形情況來對其結(jié)構(gòu)進行評估的。

在構(gòu)件變形的性能分析的中，分結(jié)構(gòu)塑性鉸分布的整體分析及結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷狀態(tài)性能對兩個階段來進行分析。首先進行結(jié)構(gòu)塑性鉸的分布整體分析，采用構(gòu)件的延性系數(shù)分級來進行結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震的性能評估，為了解結(jié)構(gòu)在罕遇地震的作用下從彈性到屈服及屈服后階段全過程的行為，判斷其結(jié)構(gòu)是否存在著可能的薄弱區(qū)，還需要進行結(jié)構(gòu)的構(gòu)件損傷狀態(tài)性能進行分析。

另外，在罕遇地震的作用下，再用ETABS程序來對樓板進行應(yīng)力的分析。

從分析的結(jié)果判斷，根據(jù)建筑物在罕遇地震的作用下，結(jié)構(gòu)層間的彈塑性位移以及層間的位移角是否滿足了規(guī)范限值的要求，結(jié)構(gòu)主要抗側(cè)力的構(gòu)件是否發(fā)生了嚴(yán)重破壞，是否滿足了“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。

4、技術(shù)措施

在整個設(shè)計過程中，針對建筑物超限的情況，從結(jié)構(gòu)體系以及構(gòu)造加強措施、結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計和布置、計算分析等幾個方面，來采取相應(yīng)的設(shè)計對策以及構(gòu)造的加強措施，確保該工程能夠安全和可靠。

五、結(jié)束語

基于性能的抗震設(shè)計在當(dāng)前的工程建設(shè)中并沒得到廣泛應(yīng)用，主要是因為工程的設(shè)計人員尚未完全的掌握該理論應(yīng)用方法，而且該理論仍存在一些問題，都有待進一步的研究及改進，工程的設(shè)計人員需要承擔(dān)較大的風(fēng)險。本文的探討希望能夠給超限高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)方向提供參考。

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內(nèi)容越來越復(fù)雜，難度越來越大。從另一個角度來說，我國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計對設(shè)計人員知

識的深度和廣度有了更多的要求。在此種情況下，現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設(shè)計程序已不能滿足設(shè)計人員的需求。例如有些力學(xué)模型不能適應(yīng)比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件形式，對某些構(gòu)件的承載力設(shè)計處理不理想或計算不準(zhǔn)確，這對建筑物的安全性缺乏保證。同時計算機程序的內(nèi)容和功能直接影響結(jié)構(gòu)設(shè)計水平。有時為了解決生產(chǎn)問題，配合軟件的能力，只能把計算過程簡化以滿足計算程序的能力。所以，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計中建筑的安全性，首先要開發(fā)出一款高精度軟件，這就需要設(shè)計者和計算機程序?qū)I(yè)人員合作去完成軟件開發(fā)，推新創(chuàng)新，不安于現(xiàn)狀，勇于承擔(dān)起這個任務(wù)。

五、結(jié)束語

通過對以上建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在問題的剖析，可以加強建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計人員重新認(rèn)識自己工作的重要性，明確自己的責(zé)任，提高對結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量安全問題的辨別能力，積累結(jié)構(gòu)設(shè)計中出現(xiàn)的問題作為經(jīng)驗，使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作行業(yè)逐步步入正軌，做到建筑物的設(shè)計更安全、更合理。把不與不法違規(guī)公司為伍，并切實把國家對建筑物的相關(guān)規(guī)定落到實處，不與規(guī)范，規(guī)定打擦邊球作為自己的工作原則，為提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中建筑的安全性出一份力。

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