超高層建筑電氣防火設(shè)計研究

李張源 張 軍，2

（1.泰國格樂大學(xué)國際學(xué)院工程技術(shù)管理系，泰國 曼谷 10220；2.濱州學(xué)院山東省黃河三角洲生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濱州 256603）

0 引言

隨著中國城市化進(jìn)程的逐步推進(jìn)，城市人口聚集效應(yīng)加劇，城市內(nèi)土地資源越來越緊張[1]。為提高土地使用率，采用超高層建筑成了城市解決土地危機(jī)最直接的方法，在一定程度上緩解城市的土地緊張問題。但是，超高層建筑中人員密集，商業(yè)、經(jīng)濟(jì)高度集中，各類型電氣設(shè)備設(shè)施大量應(yīng)用，其電氣火災(zāi)也不容忽視[2-3]。超高層建筑的特殊性，影響超高層建筑的電氣防火設(shè)計需要多個專業(yè)與系統(tǒng)通力配合，不僅需要確保各消防系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，也需要保障超高層建筑的安全用電需求。因此超高層建筑的電氣防火設(shè)計，對高層建筑內(nèi)的供電保障、消防應(yīng)急照明、預(yù)警系統(tǒng)與應(yīng)急預(yù)案都提出更高的要求[4-5]，使超高層建筑電氣防火更科學(xué)是超高層建筑建設(shè)必須解決的問題。

由于超高層建筑及其電氣防火的特殊性，因此該文以中國某超高層建筑為例，設(shè)計超高層建筑電氣防火方案，并針對工程實(shí)踐過程中所存在的問題，提出有針對性的建議，也為同類型超高層建筑的的電氣防火設(shè)計提供借鑒。

1 超高層建筑電氣火災(zāi)分析

在進(jìn)行具體的超高層建筑防火設(shè)計前，先通過相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研，了解相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，為該文后續(xù)的研究打好理論基礎(chǔ)。

1.1 電氣火災(zāi)原理

電氣火災(zāi)發(fā)生機(jī)理可歸納為電接觸、弧光放電和電發(fā)熱3種認(rèn)證理論。

1.1.1 電接觸理論

導(dǎo)體與導(dǎo)體、導(dǎo)體與元器件的接觸點(diǎn)，因?yàn)槎搪冯娏鞲邷厝刍佑|電阻減少，短路回路導(dǎo)通，短路電流增大[6]。由于線路界面過小、斷路器整定值過大等原因，因此，當(dāng)短路保護(hù)電氣動作時間過長時，短路電路接觸產(chǎn)生高溫，導(dǎo)致電路絕緣層等可燃物燃燒，引發(fā)電氣火災(zāi)。

1.1.2 弧光放電理論

當(dāng)導(dǎo)體接入電路或者從電路斷開時，如果電路電壓超20V，被斷開電流超過0.25 A，就會在弧隙差中產(chǎn)生一團(tuán)強(qiáng)光、高溫氣體（即電弧）。

空氣的擊穿場強(qiáng)為30 kV/cm，超高層建筑中的電路電壓一般在400 V 以下[7]，正常情況下是不會產(chǎn)生空氣間隙擊穿導(dǎo)電的，但是在電路短路時，只需要電路電壓超過12V，電流超過0.2A，就會產(chǎn)生足以產(chǎn)生局部擊穿場強(qiáng)的高壓，而產(chǎn)生電弧，并因?yàn)榇罅慨a(chǎn)熱而造成電氣火災(zāi)。

1.1.3 電發(fā)熱理論

電氣元件與電路都存在電阻，導(dǎo)致通電過程的損耗。而其中損耗的能源就有可能轉(zhuǎn)換為熱能，提高電氣元件和電路的溫度。當(dāng)溫度超過一定范圍后，就會破壞絕緣強(qiáng)度，甚至產(chǎn)生巨大熱效應(yīng)與磁效應(yīng)。當(dāng)這些熱能超過限定值時，導(dǎo)體溫度上升，并導(dǎo)致可燃物燃燒。

1.2 建筑電氣火災(zāi)的原因

建筑中由于電氣故障所導(dǎo)致火災(zāi)的具體原因包括3 個方面[8]。

1.2.1 電路短路導(dǎo)致火災(zāi)

電路短路是導(dǎo)致電氣火災(zāi)最常見的原因之一，建筑中由于電路老化，導(dǎo)致電路短路故障，進(jìn)而導(dǎo)致電氣火災(zāi)的概率非常高。這是由于電路短路回路的電流急速增加，在該過程中將產(chǎn)生大量熱量，線路絕緣層等可燃物燃燒，由此產(chǎn)生建筑安全隱患。單相電路短路示意如圖1 所示。

圖1 單相電路短路示意圖

在正常回路中，回路電流：I=U/（R+r），在回路短路后，相當(dāng)于負(fù)載電阻被移除回路，使回路的電阻值急劇減少，此時回路電路：Id=U/r，由于r<>I。一般情況下，電路短路后的電流將增加數(shù)十倍，由此所產(chǎn)生的高溫，將導(dǎo)致線路絕緣層等可燃物燃燒，從而導(dǎo)致建筑火災(zāi)。

1.2.2 接觸不良導(dǎo)致火災(zāi)

電路回路是由相應(yīng)導(dǎo)電元件構(gòu)成的，元件間通過機(jī)械接觸進(jìn)行導(dǎo)電（電接觸），也由此產(chǎn)生接觸電阻，導(dǎo)電元件接觸發(fā)熱示意圖如圖2 所示。

圖2 導(dǎo)電元件電接觸發(fā)熱示意圖

式中：R 為負(fù)載電阻，r 為接觸電阻。根據(jù)電熱公式，計算電路的發(fā)熱量QD，如公式（1）所示。

根據(jù)公式（1），計算QD對r的導(dǎo)數(shù)式，如公式（2）所示。

由公式（2）可知，當(dāng)接觸電阻與負(fù)載電阻相同時，電路發(fā)熱量達(dá)到最高。通常狀況下，電路中的負(fù)載電阻要明顯大于接觸電阻（即（R-r）>0）。因此，當(dāng)線路中出現(xiàn)接觸不良，導(dǎo)致接觸電阻增大時，電路發(fā)熱量會相應(yīng)增大，從而引燃線路絕緣物德國材料，造成火災(zāi)事故。

1.2.3 線路漏電導(dǎo)致火災(zāi)

線路絕緣體由于老化等因素，線路絕緣體的絕緣性能下降，線路電流向外部泄露，電流流入接地物，產(chǎn)生電弧引發(fā)火災(zāi)。

圖3 中，L1～L3 為火線，N為零線，If為漏電電流。當(dāng)線路漏電時，除了漏電電弧產(chǎn)生火花，產(chǎn)生電氣火災(zāi)威脅外，也會由于線路短路故障，產(chǎn)生電氣火災(zāi)。

圖3 線路漏電示意圖

1.3 超高層電氣火災(zāi)特點(diǎn)

超高層建筑電氣火災(zāi)的滅火救援工作非常困難，主要包括以下兩個方面：一方面，超高層建筑的電梯井、電纜井等豎向井道，在火災(zāi)發(fā)生時容易形成煙倉效應(yīng)，極易引發(fā)火災(zāi)的快速擴(kuò)散；另一方面，超高層建筑內(nèi)的人員集中，垂直疏散距離長，增加了人員疏散難度；此外，可用于超高層建筑消防的外部救援設(shè)備。因此，超高層電氣火災(zāi)只能通過消防系統(tǒng)進(jìn)行防治。

2 超高層建筑電氣防火案例設(shè)計

通過確定研究架構(gòu)，選定合適的研究方法，選用實(shí)用的研究工具，確定該文的具體研究流程，制定研究方案。

2.1 案例對象分析

該文選用中國湖北省武漢市市某具體的超高層建筑作為研究對象，研究該超高層建筑的電氣防火方案。該文選定的超高層建筑位于武漢市武昌區(qū)，建筑總面積29 萬m2，建筑包括地下4 層，和兩組分別為43 層公寓和49 層辦公的塔樓，建筑最高205m，地下1 層為購物區(qū)，地下2、3、4 層為停車場。按照防火規(guī)范，該建筑樓為一類高層。

案例建筑集公寓住宅、辦公、商業(yè)于一體，照明設(shè)備、自動扶梯、中央空調(diào)等用電設(shè)備大量使用，用電總負(fù)荷超2萬kW·h。一方面，根據(jù)電發(fā)熱理論，即使其中只有少部分電能轉(zhuǎn)換為熱能，也可能導(dǎo)致局部過熱而導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生；另一方面，在導(dǎo)體接入電路或者從電路斷開時，也存在因?yàn)榫植繐舸﹫鰪?qiáng)高壓，產(chǎn)生電弧，并大量產(chǎn)熱而造成電氣火災(zāi)。同時，建筑內(nèi)供電線路總長數(shù)十千米，集膚效應(yīng)損耗和熱阻線損現(xiàn)象明顯，且住戶、商家用電設(shè)備繁雜，供電線路管理困難，一旦出現(xiàn)線路短路情況，就容易因?yàn)槎搪冯娏鳟a(chǎn)生高溫，導(dǎo)致電路絕緣層等可燃物燃燒，引發(fā)電氣火災(zāi)。

一旦在高層建筑內(nèi)產(chǎn)生電氣火災(zāi)，由于超高層建筑的特點(diǎn)，其電氣火災(zāi)的滅火救援非常困難。一方面，超高層建筑的電梯井、電纜井等豎向井道，在火災(zāi)發(fā)生時容易形成煙倉效應(yīng)，極易導(dǎo)致火勢快速蔓延；另一方面，超高層建筑內(nèi)的人員集中，垂直疏散距離長，極大加劇人員疏散難度；此外，可用于超高層建筑消防的外部救援設(shè)備。因此，超高層電氣火災(zāi)只能通過自身消防系統(tǒng)進(jìn)行防治。

由于超高層電氣火災(zāi)發(fā)生的突發(fā)性，及其巨大的火災(zāi)救援難度，因此超高層的電氣防火設(shè)計應(yīng)該嚴(yán)格遵循《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB 50045-95）中“預(yù)防為主，防消結(jié)合”的工作方針，基于超高層建筑電氣火災(zāi)的原因及其特點(diǎn)，以“自防自救”為目標(biāo)，從超高層的整體設(shè)計出發(fā)，設(shè)計相應(yīng)的消防系統(tǒng)。

由于超高層建筑內(nèi)的人員密度大，且有大量電器，導(dǎo)致超高層建筑火災(zāi)的輻射范圍廣、蔓延途徑多，外力對超高層建筑電氣火災(zāi)的控制難度較大。而且，世界最高的消防登高梯也只有100 m，即超高層電氣火災(zāi)的外部救援難度大，為此超高層建筑的電氣防火設(shè)計應(yīng)該“以預(yù)防為主，防患于未然”，要求超高層建筑通過內(nèi)部消防系統(tǒng)就可以迅速地控制火勢。

2.2 電氣防火總體設(shè)計

在負(fù)一樓西南角布設(shè)一個200m2的消防控制室與150m2的應(yīng)急備用電源室。消防控制室用于監(jiān)控超高層所有主要電路的安全情況，并負(fù)責(zé)超高層所有電氣火災(zāi)的監(jiān)控，以及消防設(shè)備/設(shè)施的聯(lián)動；應(yīng)急備用電源室負(fù)責(zé)在火災(zāi)發(fā)生時，作為應(yīng)急備用電源為疏散照明、防煙排煙、防火門等消防子系統(tǒng)提供電源。

超高層電氣防火的總體設(shè)計如圖4 所示。

圖4 超高層電氣防火總體設(shè)計

在超高層的電氣防火中，由消防控制室負(fù)責(zé)對建筑內(nèi)主要電器的用電安全與電路安全進(jìn)行檢控，及時進(jìn)行電氣火災(zāi)預(yù)報。在通過煙感探測器、溫度探測器檢測到建筑物內(nèi)火災(zāi)時，及時啟動應(yīng)急備用電源，并通過應(yīng)急備用電路與消防通信網(wǎng)，與消火栓等消防設(shè)備/設(shè)施聯(lián)動，引導(dǎo)人員撤離，隔離并迅速撲滅電氣火災(zāi)。

防火系統(tǒng)及其相關(guān)設(shè)備設(shè)施的總體設(shè)計情況見表1。

表1 防火系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備設(shè)施

2.3 應(yīng)急電源監(jiān)控設(shè)計

正常供電電源中斷后，應(yīng)急電源應(yīng)在 1.5 h 內(nèi)保證應(yīng)急備用照明的照度，并保證持續(xù)供電時間不小于60min。為保證電氣火災(zāi)發(fā)生后，超高層建筑內(nèi)的消防設(shè)備得到可靠供電，需要配置應(yīng)急電源監(jiān)控系統(tǒng)，以保證因?yàn)槿粘Ｊ褂妙l率不高，所導(dǎo)致的管理和維護(hù)過程的疏忽。

應(yīng)急電源監(jiān)控系統(tǒng)通過設(shè)置多種信號傳感器，實(shí)現(xiàn)消防設(shè)備電源狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控，反饋消防設(shè)備電源工作狀態(tài)，自動判斷是否存在短路、開路等故障，確保消防系統(tǒng)的可靠性，其具體工作流程設(shè)計如圖5 所示。

圖5 應(yīng)急電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

消防設(shè)備供電電源與控制室之間采用RYSJ-2*1.5 進(jìn)行通信，采用BYJ-2*2.5 供電，實(shí)時監(jiān)控各主備回路的電流、開閉狀態(tài)，以判斷應(yīng)急電源會否存在故障。

2.4 自動報警系統(tǒng)設(shè)計

采用煙感、溫感火災(zāi)探測器，在火災(zāi)初期及時監(jiān)測超高層建筑內(nèi)的電氣火災(zāi)，以降低電氣火災(zāi)帶來的巨大損失。

區(qū)域內(nèi)的煙感、溫感火災(zāi)探測器的設(shè)置數(shù)量計算如公式（3）所示。

式中：S為探測面積，A為探測器保護(hù)面積，K為修正參數(shù)，根據(jù)超高層建筑內(nèi)不用區(qū)域的人員密度情況選擇適當(dāng)?shù)男拚齾?shù)。一般而言，容納500～2000 人的建筑內(nèi)區(qū)域內(nèi)取值0.9～1.0，2000 人以上的建筑內(nèi)區(qū)域取值0.8～0.9。

煙感、溫感火災(zāi)探測器除了可以自動進(jìn)行電氣火災(zāi)的聲光報警外，還通過網(wǎng)絡(luò)在消防控制室內(nèi)設(shè)置自動報警主機(jī)，對超高層建筑內(nèi)布設(shè)的所有探測器進(jìn)行火災(zāi)報警集中控制。

樓層內(nèi)的電氣火災(zāi)探測器布設(shè)情況如圖6 所示。

圖6 電氣火災(zāi)探測器布設(shè)

2.5 應(yīng)急備用照明設(shè)計

2.5.1 備用照明燈具設(shè)置

在監(jiān)控機(jī)房、消防電梯機(jī)房、消防控制機(jī)房、發(fā)電機(jī)房等重要區(qū)域設(shè)置火災(zāi)備用照明，以保證電氣火災(zāi)發(fā)生時，高層建筑內(nèi)部消防系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.5.2 火災(zāi)疏散指示標(biāo)志設(shè)置

在疏散通道、前室出口、樓梯間等設(shè)置火災(zāi)疏散指示燈。其中，整個建筑（包括公寓住宅、商場與辦公區(qū)域）疏散通道的標(biāo)志照度大于1.0 1x，樓梯間等區(qū)域的標(biāo)志照度大于5.01x；商場內(nèi)的營業(yè)廳、餐廳等區(qū)域的標(biāo)志照度大于3.01x。

2.6 聯(lián)動控制系統(tǒng)設(shè)計

在自動報警主機(jī)接收到火災(zāi)自動報警后，根據(jù)預(yù)定程序，首先切斷非消防用電線路，強(qiáng)制啟動應(yīng)急照明；然后，自動噴灑、消火栓泵自動控制啟動，并接受其反饋信息，控制相關(guān)層正壓送風(fēng)與排煙。

在消防控制室自動報警主機(jī)的集中控制下，聯(lián)動控制系統(tǒng)的具體設(shè)計如下。

2.6.1 消火栓聯(lián)動控制

采用8 根1.5 mm2銅芯軟導(dǎo)線，連接消火栓泵與自動報警主機(jī)。自動報警主機(jī)在接收到火災(zāi)報警后，對消火栓的啟動、運(yùn)行、壓力開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程自動控制，實(shí)現(xiàn)消火栓與超高層建筑內(nèi)其他消火裝置的聯(lián)動。

2.6.2 自動噴水滅火系統(tǒng)聯(lián)動控制

報警閥壓力動作信號直接控制設(shè)備的啟動，同時通過8根1.5 mm2銅芯軟導(dǎo)線，連接消火栓泵與自動報警主機(jī)，接受自動報警主機(jī)的遠(yuǎn)程控制啟動，實(shí)現(xiàn)自動噴水滅火系統(tǒng)與其他消火裝置的聯(lián)動。

2.6.3 防煙排煙系統(tǒng)聯(lián)動控制

當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，防火分區(qū)內(nèi)的加壓送風(fēng)口附近的火災(zāi)探測器發(fā)出聯(lián)動觸發(fā)信號，由控制器啟動相應(yīng)樓層送風(fēng)口和加壓送風(fēng)機(jī)，加壓送風(fēng)口和加壓送風(fēng)機(jī)動作信號均反饋至消防控制器。

消防聯(lián)動控制器上采用總線線路（4 根1.5 mm2線徑銅芯軟導(dǎo)線）控制送風(fēng)口、排煙口（窗）（閥）的打開或密閉。在消防控制室采用專用線路（8 根1.5 mm2線徑銅芯軟導(dǎo)線）控制防煙風(fēng)機(jī)、排煙風(fēng)機(jī)等設(shè)備的啟動或停止。

2.6.4 防火門聯(lián)動控制

發(fā)生火災(zāi)時，防火分區(qū)內(nèi)的感煙火災(zāi)探測器報警發(fā)出聯(lián)動觸發(fā)信號，聯(lián)動現(xiàn)場的防火卷簾控制器。防火卷簾控制器控制防火卷簾下降至距樓板面1.8m 處，以方便人員從此處疏散逃離，之后控制防火卷簾下降到樓板面，關(guān)閉疏散通道。

2.6.5 應(yīng)急疏散照明指示系統(tǒng)聯(lián)動控制

除地下負(fù)一樓的集中應(yīng)急備用電源外，超高層建筑的應(yīng)急照明燈具均自帶蓄電池組，供電時間大于60 min，電源轉(zhuǎn)換時間小于5 s，平時由兩路220 V 電壓電源供電，蓄電池處于浮充狀態(tài)，發(fā)生火災(zāi)時，由消防聯(lián)動控制器（設(shè)于消防控制室）切斷其兩路供電電源，蓄電池組作為第三路備用電源自動投入使用，點(diǎn)亮照明燈具。

火災(zāi)確認(rèn)后，從發(fā)生火災(zāi)所在的報警區(qū)域開始，按樓層遠(yuǎn)近，和防火分區(qū)的遠(yuǎn)近，這樣依次自動啟動建筑物內(nèi)設(shè)于疏散通道上所有的消防應(yīng)急疏散照明，應(yīng)急疏散照明全部點(diǎn)亮的時間小于5s。

3 結(jié)語

由于超高層建筑土地利用率極高，因此在我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程中發(fā)揮了巨大的作用。同時，超高層建筑中人員密集，商業(yè)、經(jīng)濟(jì)高度集中，各類型電氣設(shè)備設(shè)施大量應(yīng)用，其電氣火災(zāi)風(fēng)險也不容忽視。該文以國內(nèi)某超高層建筑為例進(jìn)行研究，不僅是超高層建筑電氣防火研究的一次新的嘗試，同時也為國內(nèi)超高層建筑的電氣防火設(shè)計提供借鑒。