苑 軍,肖春花,姚 斌

(1.天津市消防總隊,天津,300040;2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室,安徽合肥,230026)

多層建筑群內(nèi)消防設(shè)施強化方案研究

苑 軍1,肖春花2,姚 斌2

(1.天津市消防總隊,天津,300040;2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室,安徽合肥,230026)

由于建筑綠化及地面承重結(jié)構(gòu)安全等功能需要,某多層高檔建筑群難以按照現(xiàn)行規(guī)范要求設(shè)置消防車道,使消防車無法進入,給滅火救援帶來一定的困難。以某企業(yè)總部為例,針對該問題提出了強化火災(zāi)自動報警系統(tǒng)、室外消火栓給水系統(tǒng)和兼職消防隊伍建設(shè)等消防強化方案。通過數(shù)值模擬方法對整個建筑群內(nèi)的火災(zāi)發(fā)展趨勢進行模擬研究,分析火災(zāi)對建筑附近人員安全和周圍建筑安全的影響,論證了該消防強化方案的有效性,可為類似建筑提供參考。

多層建筑群;消防車道;兼職消防隊;火災(zāi)自動報警系統(tǒng);室外消火栓

0 引言

設(shè)置消防車道的目的是當某建筑內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時,為消防車滅火救援工作提供便捷通暢的行駛路線,保證消防車能及時到達火場,開展滅火救援任務(wù)?！督ㄖO(shè)計防火規(guī)范》(GB50016-2006)[1]第6.0.2條明確規(guī)定:有封閉內(nèi)院或天井的建筑物,當其短邊長度大于24.0m時,宜設(shè)置進入內(nèi)院或天井的消防車道。

消防車道的設(shè)置需要考慮消防車的長、寬、高、重等因素,對設(shè)置區(qū)域道路寬度、回車條件和承重等方面都具有一定的要求。然而,隨著建筑形式的多樣化,特別是某些高檔的小區(qū),地面景觀綠化要求較高,導(dǎo)致地面無足夠的面積設(shè)置消防車道;此外,小區(qū)內(nèi)一般將地下一層設(shè)計為地下停車庫,使得消防車相當于在板上運行,而消防車的輪壓僅集中在板的局部[2],造成局部壓力較大,導(dǎo)致地面結(jié)構(gòu)承載能力不足。因此,由于景觀布局及結(jié)構(gòu)承重等方面的原因,某些多層建筑群中難以按上述規(guī)范要求設(shè)置消防車道。針對該問題,有人曾對某建筑周圍消防車道的設(shè)置進行了定性分析[3],提出了對于該類特殊布局的建筑群可靈活設(shè)置消防車道的結(jié)論。

本文利用系統(tǒng)安全的概念,基于“安全等價性”原則,結(jié)合某具體案例對多層建筑群內(nèi)消防車道的設(shè)置問題進行分析,提出消防強化方案,并采用煙氣模擬軟件FDS5[4]對整個建筑群內(nèi)的火災(zāi)發(fā)展趨勢進行模擬研究,通過分析火災(zāi)對周圍建筑及人員安全的影響,論證了消防強化方案的有效性。

1 工程案例概況及存在的問題

本文以某企業(yè)總部為研究對象進行詳細說明。建筑群用地呈矩形,南北向長96米,東西向長240米。東側(cè)布置兩棟五層商業(yè)建筑;西側(cè)布置有七層、五層分層式企業(yè)總部各一棟,層高4.2m,建筑面積800m2～900m2/層;中部布置10棟三層獨棟式總部建筑,層高3.6m,建筑面積為400m2～1000m2/棟。

該建筑群中部設(shè)有中心綠地,獨棟式總部沿街設(shè)置小院圍墻,使得該地塊形成封閉內(nèi)院,該企業(yè)總部屬于高檔小區(qū),所有房間窗戶均未設(shè)置防盜網(wǎng),為人員逃生提供條件,此外,小區(qū)內(nèi)設(shè)保安執(zhí)勤人員進行小區(qū)管理,并設(shè)有專門的辦公場所。按照規(guī)范要求,該企業(yè)總部內(nèi)需設(shè)置穿過建筑群的消防車道,如圖1所示。

但是,由于該企業(yè)總部屬于高檔小區(qū),綠地率要求較高;地下一層為停車場,承重能力有限,因此平時嚴格限制重型車輛進入;為使建筑群達到上部形成種植庭院,下部做地下車庫,形成獨特的臺地空間,自然形成人車分流的效果,建筑設(shè)計中將基地整體抬高了1.45米,區(qū)內(nèi)道路平時僅作為人行道使用。因此,由于綠化景觀、地下車庫和地面高差的限制,該企業(yè)總部內(nèi)難以設(shè)置消防車道,與規(guī)范要求不符。

圖1 案例布局及按規(guī)范要求設(shè)置的消防車道示意Fig.1 Layout of the case and fire-fighting access set according to norm

2 消防強化方案

針對該案例的特殊情況,本文著重強調(diào)“預(yù)防為主,防消結(jié)合”的方針,充分利用現(xiàn)有的技術(shù)和人力資源,通過加強消防設(shè)施的建設(shè)來彌補消防車輛無法到達的缺陷,盡可能將火災(zāi)控制在最小的范圍內(nèi)。具體的消防強化方案如下:

(1)強化火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的設(shè)置

及早發(fā)現(xiàn)火情對滅火的有效性有著重要的影響,火災(zāi)自動探測報警系統(tǒng)對于發(fā)現(xiàn)火情的及時性起著決定性的作用[5]。為了及時有效地判定火災(zāi)的發(fā)生,需要選擇合適的火災(zāi)探測報警裝置,本項目所涉及的建筑使用功能主要為辦公類型,在每個房間內(nèi)設(shè)置高靈敏感煙探測器進行早期火災(zāi)報警,使人們在火災(zāi)發(fā)生的初期即采取有效措施,從而抑制火災(zāi)的發(fā)展。

(2)強化室外消防給水系統(tǒng)的設(shè)置

當室內(nèi)火勢失去控制,發(fā)展為大規(guī)模的火災(zāi)時,室外消防給水系統(tǒng)能充分發(fā)揮作用,在沒有消防車救援的情況下,將室外消火栓的設(shè)置適當加密,保證短距離內(nèi)同一地點同時受到兩個或多個消火栓保護。同時設(shè)置手抬機動泵作為應(yīng)急取水設(shè)施。

為了進一步保障企業(yè)總部建筑群的火災(zāi)安全,保證火災(zāi)發(fā)生時具有有效的滅火設(shè)施,除在周邊道路上布置的市政消火栓之外,企業(yè)總部地塊內(nèi)應(yīng)設(shè)置室外消火栓。室外消火栓間距60m,單個消火栓保護半徑保守取為100m,布置多個室外消火栓(見圖2),使區(qū)內(nèi)任何地方均在兩個室外消火栓的有效保護范圍內(nèi)。室外消防用水量不小于15L/s,最不利點消火栓壓力不小于0.1MP,室外消防給水管網(wǎng)采用兩個進水口,消防給水管道呈環(huán)狀布置,室外消防給水管道的直徑不應(yīng)小于DN100。

(3)強化兼職消防隊伍的建設(shè)

滅火救援工作需要一定的專業(yè)人員進行,在沒有消防車到達的情況下,可在區(qū)內(nèi)利用保安人員建立一支兼職消防隊伍(見圖2),并為該消防隊伍配備以下消防裝備以便在緊急情況下及時實施滅火救援工作:機動消防泵、救生氣墊、個人防護裝備、ABC類滅火器、消防水槍、消防水帶;值班電話、手電筒等。

3 安全性論證

3.1 安全目標

本文所對多層建筑群進行安全分析的目標主要是保證人員生命安全和周圍建筑的火災(zāi)安全,即某建筑發(fā)生火災(zāi)時確保著火建筑內(nèi)的人員和滅火救援人員的人身安全,并且防止火災(zāi)蔓延至周圍建筑,以降低火災(zāi)的直接和間接損失。

3.2 危險判據(jù)

3.2.1 轟燃發(fā)生的臨界條件

轟燃是火災(zāi)增長階段能量突然釋放的過程,其經(jīng)歷的時間很短,但危害極大。案例中的多層建筑內(nèi)單個房間面積小,可燃物多,火災(zāi)快速增長過程中容易發(fā)生轟燃現(xiàn)象。本文在參考前人研究成果[6-8]的基礎(chǔ)上作保守考慮,選取轟燃發(fā)生的臨界條件為上部熱氣層溫度達到500℃。

圖2 室外消火栓布置和兼職消防隊位置圖Fig.2 Layout of the outside fire hydrant and position of pluralistic fire station

3.2.2 輻射熱流對人體的影響極限

根據(jù)人對熱輻射的耐受能力的研究資料,人對煙氣層等火災(zāi)環(huán)境的熱輻射的耐受極限是2.5kW/m2。相關(guān)實驗結(jié)果如表1所示。

據(jù)此,本報告選取人員對火災(zāi)熱輻射的耐受極限是2.5kW/m2。

3.2.3 輻射熱流對相鄰建筑物的影響極限

多層建筑群內(nèi)某建筑著火后,著火建筑對相鄰建筑的影響主要來源于熱輻射作用,當相鄰建筑表面的熱輻射通量達到引燃該表面物體的臨界熱輻射通量時,相鄰建筑就會被引燃,導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑?。常見可燃物的臨界熱輻射通量如表2所示。

表1 人體對熱輻射的耐受極限[9]Table 1 Human tolerance limits for heat radiation

表2 常見可燃物的臨界熱輻射通量[10]Table 2 Critical radiation intensity of common combustible

本案例屬于高檔小區(qū),出于安全性的要求,經(jīng)保守考慮后將著火建筑引燃相鄰建筑物的臨界熱輻射通量為8 kW/m2。

3.3火災(zāi)場景設(shè)置

從最不利條件出發(fā),選取獨棟式企業(yè)總部中的9#辦公樓一層發(fā)生火災(zāi)。獨棟企業(yè)總部辦公室內(nèi)無噴淋及排煙設(shè)施,參考上海市《建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》(DGJ080-88-2006),將計算過程中設(shè)定火源為 t2-快速增長火,穩(wěn)定火源功率取6MW[11]。

圖3 E3-1地塊整體模型圖Fig.3 Overall model of block E3-1

為了判斷真實火災(zāi)工況下感煙探測器的響應(yīng)時間,模型中在發(fā)生火災(zāi)的樓層中部距地面3m高處設(shè)置煙氣濃度測點。

在9#樓內(nèi)每層距地面高度為3m處分別設(shè)置四個測溫點,用以監(jiān)測建筑內(nèi)上層煙氣溫度,判定轟燃發(fā)生的臨界時間。

為了判斷室內(nèi)火災(zāi)發(fā)生后,熱輻射對建筑周圍人員(包括行人及滅火救援人員)以及相鄰建筑的影響,在建筑外部距地面2m高處設(shè)立輻射熱通量測點。

3.4 計算結(jié)果分析

3.4.1 火災(zāi)探測時間

計算過程中,根據(jù)一層中部距離地面高3m處煙氣濃度測點測得的結(jié)果,測點位置處在40s左右開始出現(xiàn)煙氣,考慮到感煙探測器具有一定的響應(yīng)閾值,取感煙探測器的響應(yīng)時間為60s。

3.4.2 室內(nèi)溫度變化

通過在三個樓層上部不同位置設(shè)置火災(zāi)煙氣溫度測點,設(shè)置位置如圖4所示。

圖4 各層溫度測點布置平面圖Fig.4 Layout of temperature measuring points in different floors

得到各樓層上部煙氣溫度隨隨時間變化關(guān)系如圖5所示。

從三個樓層煙氣溫度隨時間變化關(guān)系曲線中可以看出,各層煙氣溫度的變化趨勢都相同,先維持一段室溫,然后逐漸升高,最后趨于穩(wěn)定。但是,不同樓層煙氣溫度開始升高的時間點和最高溫度不同,各層煙氣溫度開始上升的時間分別約為:50s、400s、250s,各層測點最高溫度的平均值分別約:500℃、400℃、250℃。由于火災(zāi)煙氣在各層之間通過開敞樓梯間蔓延,火災(zāi)煙氣在樓梯間內(nèi)存在煙囪效應(yīng),導(dǎo)致三層煙氣溫度上升時間較二層早,煙氣在上升過程中受周圍空氣的冷卻作用又導(dǎo)致三層溫度低于二層。根據(jù)轟燃發(fā)生的臨界條件,本次模擬中一層在380s左右發(fā)生轟燃現(xiàn)象。

3.4.3 火災(zāi)對建筑周圍人員的影響

為了了解火災(zāi)對滅火人員和處于著火建筑四周道路上的行人的影響,在著火建筑周圍設(shè)置了5個輻射強度測點,設(shè)置位置如圖6所示。

得到不同位置處輻射強度隨時間變化關(guān)系如圖7所示。

測點1和測點2位于距著火建筑5m遠的道路上,其輻射強度增長最快,同一時刻的輻射強度最大,測點1的輻射強度在600s左右達到人體耐受極限2.5kW/m2,測點2的輻射強度在560s左右達到人體耐受極限;700s后,兩測點處的輻射強度平均 高達3.5 kW/m2。

圖5 各層測點煙氣溫度隨時間變化關(guān)系Fig.5 Curves that gas temperatures change with time in different floors

圖6 著火建筑外部輻射熱強度測點分布Fig.6 Layout of radiation intensity measuring point outside of the building on fire

測點3和測點4位于距著火建筑12m遠的相鄰室外消火栓處,其輻射強度增長最慢,同一時間的輻射強度最小,700s后,測點3的輻射強度維持在1.0kW/m2,測點4的輻射強度保持0.8 kW/m2,在模擬的1200s內(nèi)兩測點處的輻射強度均未達到人體的耐受極限。

圖7 外界各測點處輻射強度隨時間變化關(guān)系Fig.7 Curves that radiation intensity changes with time on outside measuring points

測點5位于距著火建筑10m遠消防隊員用水槍滅火處,其輻射強度的增長速率處于最快與最慢之間,最大輻射強度維持在2.0 kW/m2的水平,在1200s內(nèi)該測點處的輻射強度未達到人體的耐受極限。

由此可知:①為保證人員安全,必須在火災(zāi)發(fā)生后的9分鐘內(nèi)將所有人員撤離至著火建筑外圍10m遠處;②消防隊員在開展滅火工作時,其滅火所處位置離著火建筑至少應(yīng)保持10m遠。

3.4.4 火災(zāi)對相鄰建筑物的影響

美國消防協(xié)會NFPA92B標準[12]將與火源相距R處的可燃物接收到的火源輻射表示為:

式中:Q——火源熱釋放速率,kW;

xr——熱輻射系數(shù),表示火源熱釋放速率中輻射部分所占的比例;

R——可燃物距火源中心的距離,m。

從式(1)中可知,當火源參數(shù)確定之后,相鄰建筑可燃物接收到的火源輻射僅隨著可燃物距火源中心的距離而變化。案例中相鄰建筑與著火建筑之間的距離約10m,據(jù)上文計算結(jié)果,距著火建筑10m遠處的最大輻射強度為2.0kW/m2,遠小于臨界輻射通量8kW/m2。所以,著火建筑不會引燃該相鄰建筑物。隨著距離R的增加,輻射強度qf值將小于2.0kW/m2,因此,其它相鄰建筑也不存在被引燃危險。

3.5 兼職消防隊的有效性分析

為了彌補難以設(shè)置消防車道的不足,在企業(yè)總部內(nèi)利用保安人員建立一支兼職消防隊,并為其設(shè)置專門的辦公場所,配備必要的消防裝備。

按最不利情況考慮,將兼職消防隊辦公室設(shè)立于分層企業(yè)總部12#樓內(nèi),考慮火災(zāi)發(fā)生在距離兼職消防隊辦公室最遠點的獨棟企業(yè)總部10#樓內(nèi)。

3.5.1 兼職消防隊到達火場的時間

從火災(zāi)發(fā)生時刻開始,至兼職消防隊展開滅火工作止,其間經(jīng)歷的時間主要由以下幾個部分組成:

(1)火災(zāi)報警時間 Td

根據(jù)前文計算結(jié)果,火災(zāi)報警時間 Td為60s。(2)兼職消防隊的出警時間 Tr

公安部規(guī)定,公安消防隊的出警時間規(guī)定為冬天著裝登車一分鐘,夏天著裝登車45秒?？紤]到兼職消防隊與公安消防隊的差別,本報告在確定兼職消防隊出警時間時,在公安消防隊出警時間的基礎(chǔ)上延長50%,考慮冬天失火的最不利情況,將兼職消防隊的出警時間取為90s。

(3)兼職消防隊員運動時間 Tm

企業(yè)總部區(qū)內(nèi)無法通行消防車輛,必要情況下兼職消防隊僅能依靠手抬機動泵步行至起火部位,緊急情況下的步行速度取為2m/s,實際行走的距離約為240m,得出其運動時間為120s。

綜上所述,火災(zāi)發(fā)生時,兼職消防隊在最不利情況下到達火災(zāi)現(xiàn)場的總時間為 T=Td+Tr+Tm=60s+90s+120s=270s,即4.5分鐘。

兼職消防隊到達火災(zāi)現(xiàn)場的時間約270s,當兼職消防隊員到達火災(zāi)現(xiàn)場時,火災(zāi)尚處于穩(wěn)定燃燒階段,轟燃現(xiàn)象還未發(fā)生,僅有少量的煙氣從一層建筑開口溢出。多層建筑高度相對較低,此時兼職消防隊員可采用緩降器或救生氣墊開展救援工作。

3.5.2 公安消防隊到達火場的時間

公安消防隊到達火災(zāi)現(xiàn)場之間需要經(jīng)過的過程包括[13]:發(fā)現(xiàn)火情→報警→119接警了解情況→通知所轄區(qū)域消防中隊→消防中隊接警后拉電鈴→值班消防員、司機、指揮員穿好防護出警 →到達著火點。

發(fā)現(xiàn)火情和報警階段屬于火災(zāi)探測報警時間,這與上文所述的報警時間 Td相同,取為60s;消防中隊接警后拉電鈴到出警期間所用的時間即為上文所說的消防隊出警時間,按公安消防隊最不利情況選取為60s。

通知轄區(qū)消防中隊基本可與其報警通話過程同步進行,因此,本報告將報警通話過程和通知轄區(qū)消防中隊的總時間確定為60s。

距離該區(qū)域最近的消防中隊距著火建筑4.8公里,消防車的平均行車速度按市內(nèi)行車60公里/小時選取,則消防車行駛的時間為4.8分鐘,即288s。

根據(jù)以上分析結(jié)果,最近消防隊到達火場的時間大致是468s,即7.8分鐘。

公安消防隊到達火災(zāi)現(xiàn)場的時間約468s,此時建筑一層已經(jīng)發(fā)生轟燃,產(chǎn)生大量煙氣,且二層和三層內(nèi)也蓄積了較多的高溫?zé)煔?導(dǎo)致整個建筑都處于濃煙籠罩中。若在此時才開始利用消防車展開救援工作,被困人員受火災(zāi)煙氣影響時間較長,對救援不利。

3.5.3 比較分析

根據(jù)上文的分析,針對案例的實際情況,將兩種消防隊作一比較,以突出兼職消防隊的有效性。

表3 消防隊比較表Table 3 Comparison of the fire stations

由此可以證明,實際火災(zāi)工況下,多層建筑群內(nèi)設(shè)兼職消防隊可在火勢迅速擴大之前采取滅火措施,遇火勢不大時,兼職消防隊即可將火勢撲滅,火勢較大時,也能在早期采取有利措施開展施救工作,待公安消防隊到達后協(xié)助滅火救援。

4 結(jié)論

通過對企業(yè)總部案例消防強化方案的研究和火災(zāi)安全的分析,解決了多層建筑群內(nèi)由于功能限制難以修建消防車道的問題,為保障建筑群內(nèi)人員和建筑的消防安全,提出的強化方案可對類似多層建筑群提供借鑒作用:

(1)強化兼職消防隊的建設(shè),為兼職消防隊配備相應(yīng)的消防裝備。加強兼職消防隊的專業(yè)技能培訓(xùn),并與公安消防隊進行聯(lián)合演練。

(2)強化火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的設(shè)置,在多層建筑內(nèi)每層按規(guī)范要求設(shè)置感煙火災(zāi)探測器或氣、煙、溫復(fù)合探測器,且在每層樓梯口等明顯位置設(shè)置手動報警按鈕。

(3)強化室外消火栓的設(shè)置。保證室外消火栓的間距不應(yīng)大于60m,消火栓的保護半徑不應(yīng)超過100m等設(shè)置要求。

(4)保證人員疏散通道的暢通,如禁止在建筑外窗上設(shè)置防盜網(wǎng)等設(shè)施,如必須設(shè)置,應(yīng)在防盜網(wǎng)上開設(shè)利于人員進出的逃生口。

[1]GB50016-2006,建筑設(shè)計防火規(guī)范[S].

[2]呂強,糜斌,李旭陽.淺談消防車道的設(shè)計經(jīng)濟性與安全性[J].礦業(yè)安全與環(huán)保.2003,30:241-245.

[3]王松林.特殊形態(tài)高層建筑消防車道的設(shè)計分析[J].中國西部科技,2008,7(19):52-53.

[4]NIST Special Publication 1019-5.Fire Dynamics Simulator(Version 5)User’s Guide[M].U.S.Government printing office.Washington:2007.

[5]GB50116-98,火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范[S].

[6]Hagglund B,Jannson R,Onnermark B.Fire development in residential rooms after ignition from nuclear explosion[R],FOA C20016-DG(A3),Forsvarets Forskningsanstalt,Stockholm 1974.

[7]Fang J B,Breese J N.Fire Development in Residential Basement Rooms[R].1980;NSIR 80-2120 National Bureau of Standards,USA.

[8]Thomas P H.The growth of fire-ignition to full involvement[A].In Combustion Fundamentals of Fire[M],1995;ed.by G.Cox,Academic Press,London.

[9]Purser D A.Toxicity assessment of combustion products[A].SFPE Handbook of Fire Protection Engineering[M],NationalFire Protection Association,Quincy,Massachusetts,Third edition 2002,Chapter 2-6.

[10]The SFPE Handbook of Fire Protection Engineering[M].Society of Fire Protection Engineers and National Fire Protection,2008.

[11]DGJ08-88-2006,建筑防排煙技術(shù)規(guī)程[S].上海:上海市建筑建材業(yè)市場管理總站,2006.

[12]Standard for the Installation of Air-Conditioning and Ventilating Systems[S].NFPA92.

[13]公安部.公安消防部隊執(zhí)勤戰(zhàn)斗條令[S].2009.

Study on enhancements of fire fighting facilities in multi-story buildings

YUAN Jun1,XIAO Chun-hua2,YAO Bin2

(1.Fire Protection Bureau of Tianjin Municipality,Tianjin,300040,China;
2.State Key Lab.of Fire Science,USTC,Anhui Hefei,230026,China)

For landscape and structural safety,it is difficult to design fire-fighting access among some multi-story buildings by the requirements of current fire codes.This causes the difficulty of firefighting and rescue because of the difficulty for the entrance of fire engines.With regard to this problem,a headquarter is used as an example and some enhancements of fire fighting facilities such as automatic fire alarm system,outside hydrant system and pluralistic fire station are proposed in this paper.The fire development of the whole buildings is studied by numerical simulation.By analysis of the impact of the fire on persons and buildings nearby,the effectiveness of the enhancements is investigated.

Multi-story buildings;Fire-fighting access;Pluralistic firestation;Automatic fire alarm system;Outside hydrant system

TU998.1

A

1004-5309(2010)-0183-08

2010-07-03;修改日期:2010-08-21

苑軍(1970-),男,天津人,天津消防總隊保稅支隊防火處處長,高級工程師,研究方向為消防工程學(xué)。