膜結構封閉儲煤棚消防安全設計論述

■ 史學巖 國能龍源電力技術工程有限責任公司

近年來，國內外出現了一種索膜結構或氣膜建筑的新型建筑結構形式。此類建筑是由高強薄膜材料及加強構件（鋼索或空氣）通過一定方式使其內部產生預張應力以形成某種空間形狀并且能承受一定的外荷載作用的空間建筑結構。該結構能夠覆蓋大跨度空間，具有經濟性、施工周期短等優點。

膜結構封閉儲煤棚是在為滿足煤炭倉儲的同時，降低環境污染和建設投資而選擇的一種新型建筑結構。煤場封閉后相對露天煤場通風條件差，煤炭中會揮發氫氣、甲烷等可燃氣體，在生產作業時還會有大量粉塵懸浮在空氣中，可能引發煤粉、可燃氣體爆炸事故，存在消防風險。目前，膜結構建筑相關的消防設計、施工安裝和驗收等方面也尚無針對性的國家和行業標準、規范。文章針對膜結構封閉儲煤棚的消防問題，優化防范火災的設計方案，以期增加膜結構封閉儲煤棚針對火災事故的抗風險能力。

一、膜結構封閉儲煤棚的結構類型

（一）氣承式膜結構封閉儲煤棚

氣承式膜結構封閉儲煤棚（如圖1所示）是將膜材固定于閉合剛性支承或基礎上，利用風機對膜建筑室內持續送風，保持一定的內氣壓，通過內外壓力差確保膜面足夠剛度，以維持穩定形態、抵抗外部荷載。

（二）索網膜結構封閉儲煤棚

索網膜建筑充分利用高強度拉索的材料性能，通過鋼桁架和索網有機結合，形成穩定結構體系，是骨架式膜結構的一種。索網是由互相正交的兩組索組成的雙向正交索網結構，外層圍護結構為柔性膜材。索網膜結構示意圖如圖2所示。

二、膜材的組成及特性

膜材料由基材和涂層構成。膜材料的基材為玻璃纖維或聚酯纖維織物，表面涂層為添加了穩定劑、阻燃劑的聚氯乙烯PVC或聚四氟乙烯PTFE等聚合物[1]。 膜材示意圖如圖3所示。

膜材的防火性能按照GB8624-2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》的規定進行測試并確定等級。通過膜材燃燒實驗，針對工程中常用的PVC、PVDF膜材，燃燒性能等級為B1級[2]，燃燒時無燃燒滴落物，具有自熄性，不會造成火勢的擴大蔓延。加涂PVDF材料的PVC膜材具有極好的耐高溫性能，離開明火后0.3s內自熄[3]。

通過膜材料燃燒特性試驗[4]得知：當火焰不直接接觸膜材時，膜不會燃燒破洞。當火焰直接接觸膜材時，膜發生熱解、收縮變形，繼而出現破洞現象。

通過對PVC膜材的熱解及燃燒特性實驗[5]得知：添加了阻燃耐老化劑TiO2的PVC膜材，能夠提高PVC膜材的燃點、熱解穩定性及阻燃效果，且有明顯的抑煙效果，可以有效減少CO的生成，從而減少PVC膜材的煙毒性。

三、膜結構封閉儲煤棚消防風險因素

據調查，封閉煤場火災產生的主要原因是煤中會有氫氣、甲烷等可燃氣體。基于膜結構封閉儲煤棚的消防風險因素，膜結構除了環保性能，還應具備足夠的防火、防爆性能，確保煤棚能長期穩定運行。

（一）明火及高溫煙氣

對于膜結構建筑，雖然膜材多數是難燃或不燃材料，但膜材本身仍不能直接接觸明火和高溫，所以膜材料自身無耐火極限，一旦膜材料被燒融燒穿，將會嚴重影響結構內外氣壓平衡，最終會導致膜結構失去封閉作用。

（二）瓦斯等有毒氣體和煤粉揚塵

堆積的煤炭由于自熱，會產生瓦斯氣體，在生產過程中，當瓦斯達到一定濃度時遇明火易發生爆炸。同時，煤在運輸、裝卸、粉碎等操作過程中會向大氣逸散產生粉塵。由于煤塵本身具有燃爆性，當懸浮在空氣中的煤塵積累過多達到爆炸極限時，遇到引燃熱源就會發生燃爆。

四、膜結構封閉建筑的消防設計

根據膜結構儲煤棚的結構形式、封閉材料及消防風險因素，膜結構封閉建筑在消防設計時應結合新技術深入思考，優化消防設計方案，提升膜結構封閉儲煤場的安全性能，有效防止火災事故的發生，最大限度降低火災可能帶來的損失。保證人員生命安全及結構整體穩定性是膜結構防火設計的基本要求。

（一）消防系統

消防設計遵循“預防為主、防消結合”的方針，根據煤場消防相關設計規范，煤場火災危險性為丙類，封閉后需設置固定消防炮滅火系統和室內外消火栓系統。

封閉煤場內必須保證每個點都至少有2路消防水到達著火點，不得有死角。由于膜結構儲煤棚面積較大，應設自動滅火設施，推薦用自動尋蹤消防炮。自動尋蹤消防炮的控制操作方式有消防中心自動、遠控和現場應急控制三種。現場操作時，消防炮能使兩股水柱到達煤場任何點，在特殊情況下應允許單臺消防炮動作。

（二）監測系統

監測系統包括圖像火災監測系統、瓦斯監測系統和粉塵監測系統等。監測系統可以實現探測區域內溫度、瓦斯氣體濃度、粉塵濃度信息的實時采集、處理與動作信號輸出。

圖像火災監測系統可以利用火災探測器敏銳感知到火災產生的紅外線，然后利用圖像火災探測分析技術分析火災，通過火災監測系統能確保全天候監控，監控區域覆蓋率達到100%，無盲區、無死角，一旦發生火情，可以迅速可靠地發出報警信號。火災探測器視場范圍如圖4所示。

根據瓦斯常會聚集在頂部的特點，瓦斯監測系統的監測點應設置在煤棚頂部。當瓦斯濃度超過安全值時，自動報警并連鎖通風系統轉入事故狀態，將瓦斯排出[6]。考慮到環保要求，氣體排出時需加設空氣排放過濾設施。

在煤堆附近、傳送帶附近等易產生煤粉的區域設置煤粉濃度檢測儀。當煤粉濃度超標時，連鎖控制系統啟動排風裝置進行排放，確保操作人員安全。

（三）智慧消防預警系統

智慧消防預警系統（如圖5所示）基于物聯網、大數據等現代信息技術，將分散的火災監控設備、火災報警系統、智慧消防用水等設備連成網絡，使關口前移，實時采集系統火警、故障、聯動動作、監管等各種信息，對采集到的數據進行云臺數據分析、挖掘和趨勢分析，實現科學預警火災的目標。一旦發生火災，在短時間內，相關報警和事件信息通過手機短信、語音電話和App推送等手段，迅速通知到相關人員，在發出警報的同時，還可以通過自動消防滅火裝置啟動自動滅火設備和消防聯動設備。

（四）排煙通風措施

在煤場通風方面，氣承式膜結構儲煤棚在結構上與索膜結構儲煤棚仍有區別。

氣承式膜結構儲煤棚的智能控制系統可監測氣膜內外的壓差比。在火災發生時，氣承式膜結構應結合自身系統所需的充氣風機設備，打開消防疏散門，當壓力低于設定的安全下限時，壓差檢測器會自動啟動備用風機進行充氣，為人員逃生爭取時間，并能夠在膜體壓力達到安全值時自動停止運行備用風機。

索膜結構可以采用機械排風與自然排風相結合的送排風模式，通過設置適當數量的頂排或側排，增大風扇進氣量，來有效降低煙氣溫度，保證滿足安全性要求。同時，配合先進的火災探測技術，盡可能在火災初期及時排出煙氣。

（五）膜材降溫措施

以工程中常用的PVDF膜材為例，膜材的熱分解溫度在316℃以上。通過模擬火災溫度場分布[7]可知，當發生火災并開啟消防疏散門后，受氣體對流和壓力影響，煙氣溫度降低顯著，膜面最高溫度遠低于膜材燃燒分解的臨界溫度，膜材料不會燃燒。

當火勢較大，開啟消防疏散門無法降低膜面溫度時，在外圍可增設消防水炮或噴淋裝置為膜材冷卻輔助降溫。根據著火位置的不同，消防水炮或噴淋裝置對膜結構的危險受熱位置進行降溫，比如距離著火點近的位置和高熱空氣容易堆積的位置等。

（六）疏散報警系統

據統計，火災中85%以上的人員死亡歸咎于煙氣的影響，膜結構在設計時應考慮煙氣疏散時間，保障人員安全。

氣承膜結構有特定的臨界破洞面積，通過MATLAB仿真計算可得到膜結構的臨界破洞面積。當氣膜破洞大于臨界破洞面積時氣膜結構將會倒塌[8]。氣承膜結構有維持形態的最小內外壓差，當內外壓差小于維持形態的最小內外壓差時，氣承膜結構將不能維持形狀。壓力傳感器實時傳送氣膜結構內外壓差，通過計算軟件計算內外壓差下降速度以及氣承膜結構能維持其形狀的時間。

在消防通道及運煤通道口設置一定數量的手動火災報警按鈕。一旦發生火災，由火災報警區域開始，啟動疏散通道的消防應急照明、疏散指示系統及聲光警報器，聲光報警器帶有語音提示功能，同時設置語音同步器，向煤棚內實時播報剩余逃離時間，提醒人員在規定時間內安全撤離，保障人員安全。

五、結語

膜結構儲煤棚隨著大型儲煤棚封閉建設需求應運而生，具有傳統建筑結構無法比擬的優勢，應用前景十分廣泛。該類建筑的消防安全設計需從材料、通風、消防、監測、除塵等方面認真深入探討，結合最新技術，完善優化消防系統，有效防控火災，以減少財產損失，提供安全保障。