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        論木結(jié)構(gòu)建筑的電氣防火設(shè)計

        2017-04-27 06:15:21鄒皖峰王桂君
        林產(chǎn)工業(yè) 2017年2期
        關(guān)鍵詞:木結(jié)構(gòu)探測器報警

        鄒皖峰 王桂君

        1 木結(jié)構(gòu)建筑的火災(zāi)

        木結(jié)構(gòu)建筑[1](以下簡稱“木建”)自古就有,隨著時代的發(fā)展,建筑電氣設(shè)施為木建增添了新的元素,但也給它帶來了火災(zāi)隱患。據(jù)調(diào)查,木建的電氣火災(zāi)源[2]主要來自明火、電氣設(shè)施和雷擊,圖1、2為因電氣或雷擊原因發(fā)生火災(zāi)的木建。

        圖1 電氣火災(zāi)——武當山遇真宮Fig.1 Electrical fire—Wudang Mountain Yuzhen Palace

        圖2 雷擊火災(zāi)——普惠寺大雄寶殿Fig.2 Lightning fire—Main Hall of Pratt Whitney Temple

        表1列出三類火災(zāi)源產(chǎn)生的原因:

        表1 木結(jié)構(gòu)建筑火災(zāi)源及原因Tab.1 Wood structure fire sources and causes

        1)明火引起的火災(zāi)顯而易見,不再贅述。

        2)電氣設(shè)施的老化、使用不合格的電氣產(chǎn)品等是導(dǎo)致大部分火災(zāi)的原因。這類電氣產(chǎn)品由于長時間處于插電狀態(tài)或過負荷運行,極有可能導(dǎo)致電線過熱、接頭短路等現(xiàn)象,從而引起火災(zāi)。它一般初起于電氣柜火災(zāi)、電纜接頭處等。因為線路運行狀況無法用肉眼看見,這類火災(zāi)起初很難被發(fā)現(xiàn)。有時雖被發(fā)現(xiàn),其火勢已無法控制。

        3)木建多處于公園、林區(qū)等依山傍水的場所,地勢空曠,易遭受雷擊侵擾。而且與鋼混結(jié)構(gòu)建筑不同,木結(jié)構(gòu)建筑沒有天然的法拉第籠,它對雷擊形成的靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)、閃電感應(yīng)、電涌侵入等的屏蔽效果不好,易造成電子設(shè)備的損壞和火災(zāi)。因此,對于雷擊產(chǎn)生的火災(zāi)也需要重視。

        針對木建的火災(zāi)隱患,我國GB 50016—2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》[3]、GB 50116—2013《火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》[4]都給出了相應(yīng)要求。筆者結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求,從電氣角度探討木結(jié)構(gòu)建筑的電氣防火措施。

        2 木建的FAS

        對于木建,明火或電氣設(shè)施導(dǎo)致的火災(zāi),在燃燒早期極易產(chǎn)生煙氣或高溫。如果能提前探測火情,及時采取防火聯(lián)動,可大大減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。針對這種情況,火災(zāi)自動報警系統(tǒng)(FAS)為木結(jié)構(gòu)建筑帶上了可靠的護身符。

        2.1 FAS的定義

        圖3 FAS系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Typical structure of FAS system

        FAS系統(tǒng)是探測火災(zāi)早期特征、發(fā)出火災(zāi)報警信號,為人員疏散、防止火災(zāi)蔓延和啟動滅火設(shè)備提供控制與指示的消防系統(tǒng)。圖3為FAS系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)示意圖。在火災(zāi)早期,F(xiàn)AS利用感煙或感溫探測器,対木建的環(huán)境進行實時監(jiān)測;當探測器檢測到煙氣或高溫時,便將信號傳輸?shù)綀缶刂破?,由值班人員進行火災(zāi)確認;如報警控制器自帶聯(lián)動控制功能,可由值班人員或控制器確認后聯(lián)動消防設(shè)備進行滅火。

        木建FAS系統(tǒng)設(shè)計有其特殊性,依據(jù)GB 50016—2014、GB 50116—2013的設(shè)計原則,下面簡要探討如何設(shè)計FAS系統(tǒng)。

        2.2 設(shè)置FAS的界限形式選擇

        在GB 50016—2014第11.0.13條規(guī)定“總建筑面積大于1 500 m2的木結(jié)構(gòu)公共建筑應(yīng)設(shè)置火災(zāi)自動報警系統(tǒng),木結(jié)構(gòu)住宅建筑內(nèi)應(yīng)設(shè)置火災(zāi)探測與報警裝置。”該規(guī)范對公共與住宅建筑是否設(shè)置FAS給出了明確的界限。其次,該規(guī)范在第11章對民用的木建層數(shù)、建筑高度、建筑面積、燃燒性能、耐火極限,防火間距等做了詳細規(guī)定。

        表2為規(guī)范對建筑層數(shù)及高度的要求。規(guī)范也特別指出,商店、體育館類的木建限制僅能采用單層。因此,從規(guī)范的限制可以看出我國木建的規(guī)模都較小,僅需設(shè)置火災(zāi)探測器和報警裝置,達到提醒人員即可,不必設(shè)計帶有自控功能的FAS。只有在超過一定規(guī)模或設(shè)有需要聯(lián)動控制的消防設(shè)備時,F(xiàn)AS系統(tǒng)才會被使用。

        表2 木結(jié)構(gòu)建筑的允許層數(shù)及高度Tab.2 Allowable number of layers and height of wood structure building

        而針對需設(shè)置FAS的木建,F(xiàn)AS的設(shè)計多采用兩種形式:區(qū)域報警系統(tǒng)和集中報警系統(tǒng)。區(qū)域報警系統(tǒng)的典型特征是不需要聯(lián)動消防設(shè)備,僅需自動報警;集中報警系統(tǒng)不僅需要報警,而且要聯(lián)動消防設(shè)備。根據(jù)GB 50116—2013的第3.2條,兩者的區(qū)別如表3所示。

        表3 區(qū)域報警系統(tǒng)與集中報警系統(tǒng)的區(qū)別Tab.3 The difference between the regional alarm system and the centralized alarm system

        由于木建的特殊性,其消防設(shè)備的選擇直接關(guān)系到FAS系統(tǒng)形式的選擇。因此,應(yīng)與消防專業(yè)人員確認消防設(shè)備的動作方式后,再進行FAS系統(tǒng)形式的選擇。

        2.3 報警區(qū)域和探測區(qū)域的劃分

        為了迅速確定火災(zāi)發(fā)生部位,并解決消防系統(tǒng)的聯(lián)動設(shè)計問題,還需對報警區(qū)域和探測區(qū)域進行劃分。報警區(qū)域可以根據(jù)GB 50016—2014第11.0.3的防火墻劃分原則,先確定防火分區(qū)的邊界,把每個防火分區(qū)作為一個報警區(qū)域。探測區(qū)域主要根據(jù)建筑功能及探測器的性能進行設(shè)計。如木建的坡屋頂較普遍,其采用的封閉吊頂或屋頂下密閉空間較多;有些木建設(shè)有發(fā)電機間、配電間、鍋爐房等設(shè)備用房;這些空間應(yīng)劃分為單獨的探測區(qū)域。

        2.4 探測器的選擇及安裝

        只有對火災(zāi)的感知有靈敏而準確的“嗅覺”,才能及時預(yù)防火災(zāi)。因此,探測器的靈敏度和準確率直接關(guān)系到FAS的性能。其靈敏度不僅取決于自身特性,也取決于探測器的安裝環(huán)境和位置。在木建中,大多以采用點型感煙探測器為主。但對于山區(qū)高海拔地區(qū),宜選擇離子型感煙探測器;在封閉吊頂或屋頂下密閉空間,因不宜安裝點型探測器,選擇纜式線型感溫探測器效果更好;而對于居住木建,木材燃燒時由于空氣不足會產(chǎn)生一氧化碳,可增加一氧化碳探測器,提示居住者或消防人員避免中毒。

        對于探測器安裝位置的要求,在有吊頂?shù)目臻g里,探測器安裝簡單。但在無吊頂?shù)钠挛蓓斂臻g,如圖4所示,火災(zāi)探測器的保護面積及半徑取決于屋頂坡度、房間高度h等參數(shù)。一般隨著屋頂坡度和層高的增加,因煙氣在屋脊處的聚集效應(yīng)明顯且探測器受到其他環(huán)境的影響變小,探測器的保護半徑和靈敏度會相應(yīng)提高。其安裝位置依據(jù)GB 50116—2013,當裝于鋸齒形屋頂和坡度大于15°的人字形屋頂時,宜在屋脊的垂直面上安裝一排探測器。

        圖4 火災(zāi)探測器安裝示意圖Fig.4 Installation of fire detectors

        此外,木結(jié)構(gòu)屋頂?shù)膶?dǎo)熱性相比混凝土樓板較小,其熱屏障效應(yīng)很小。因此對于點型感煙探測器距頂棚的距離可不用考慮,但應(yīng)保證雷電間距。

        3 木建的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)

        除了對外界火災(zāi)進行監(jiān)測外,電路相間短路、過負荷運行、泄露電流等也是造成火災(zāi)的隱患之一。針對這些情況,電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)當之無愧成為“火災(zāi)隱患的聽診器”。

        3.1 電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)

        該系統(tǒng)主要由電氣火災(zāi)監(jiān)控器、剩余電流式/測溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器組成。探測器通過監(jiān)測線路上的漏電電流和溫度,來預(yù)防由短路、過載等產(chǎn)生的火災(zāi)隱患。其系統(tǒng)方案如圖5所示。

        圖5 電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)示意圖Fig.5 Electrical fire monitoring system diagram

        3.2 系統(tǒng)形式的確定

        木結(jié)構(gòu)建筑的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計可依據(jù)GB 50016—2014第10.2.7條劃定的建筑范圍,為非消防負荷設(shè)置電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。

        系統(tǒng)形式可根據(jù)木建的規(guī)模、FAS形式及后期管理方式,選擇獨立式/非獨立式探測方案。一般木建的建筑規(guī)模較小,很少設(shè)有消防控制室,如果電氣火災(zāi)探測器設(shè)置數(shù)量不超過8個時,可采用獨立式探測器,并直接接入FAS系統(tǒng)或值班室顯示裝置即可。如采用非獨立式方案,電氣火災(zāi)的報警信息及故障信息應(yīng)在報警控制器或顯示裝置上顯示,但不應(yīng)影響正常供電系統(tǒng)工作。木建常用的火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)如圖6所示。

        圖6 獨立式/非獨立式探測器的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)Fig.6 Stand - alone / detachable detector for electrical fi re monitoring system

        3.3 探測器的選擇

        剩余電流式探測器主要通過檢測電流的不平衡度來實現(xiàn)探測功能,其設(shè)置主要取決于:1)配電系統(tǒng)的接線形式;2)線路的漏電電流。剩余電流式探測器的接線形式僅適用于TN-C-S或TN-S系統(tǒng)。當今,新建木建的配電系統(tǒng)多采用TN-C-S或TN-S,該探測器正適用。但許多木結(jié)構(gòu)古建筑電氣設(shè)施是早年設(shè)計的,其設(shè)計已達不到當前要求。如當時對總等電位的設(shè)計并無要求,在后期改造中,需要對此類建筑的接線形式進行重新布局,才能科學(xué)設(shè)置剩余電流式探測器。其次,考慮到每個供電系統(tǒng)都有自然漏流,在調(diào)試探測器的剩余電流閾值時應(yīng)躲過自然漏流,防止誤動作。由于木建的自然漏流較小,可適當調(diào)低自然漏流最大值與剩余電流最低值的區(qū)間,從而提高探測器的靈敏度。

        測溫式探測器主要通過探測發(fā)熱部件的溫度變化來監(jiān)測火災(zāi)隱患。為了提高探測的靈敏度,可采用接觸式布置,其安裝部位可設(shè)在電纜接頭、端子、重點發(fā)熱部件等部位。如配電柜等是極易著火的部位,可將探測器布置在箱內(nèi),并將信號傳至值班室。

        4 雷擊火災(zāi)的電氣防火設(shè)計

        從防火角度看,雷電導(dǎo)致火災(zāi)的根本原因主要是由于閃電感應(yīng)、電涌侵入等影響[5]。閃電感應(yīng)是閃電放電時,在金屬導(dǎo)體產(chǎn)生的雷電靜電感應(yīng)和雷電電磁感應(yīng),它可能使金屬部件之間產(chǎn)生火花放電;而電涌侵入是由于雷電對電纜線路及金屬管道等作用,雷電波沿管線侵入屋內(nèi)的現(xiàn)象。木建的金屬物主要包括電纜進線、設(shè)備管道、鋼窗、吊頂?shù)?,這些都為造成雷擊火災(zāi)提供了充足的物理條件。

        為防止閃電對這些金屬物產(chǎn)生電氣影響,主要應(yīng):1)設(shè)置接閃裝置;2)對金屬物進行等電位聯(lián)結(jié)。

        圖7為防雷擊火災(zāi)的電氣示意圖。其中,接閃裝置主要包括接閃裝置、引下線和接地裝置,它能引導(dǎo)雷電流疏散至大地。對于木建來說,其基礎(chǔ)一般采用砌筑基礎(chǔ)、伐形基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)等形式[7],基礎(chǔ)內(nèi)沒有鋼筋或鋼筋的截面達不到接地體要求的,需單獨設(shè)置人工環(huán)形接地體??紤]到土壤的電阻率,接地裝置的沖擊接地電阻應(yīng)按GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》[8]進行接地體長度的計算,一般采用2.5 m管型/角鋼接地體即可。為了將雷電流散入大地而不產(chǎn)生過電壓,接地體的埋地深度不小于0.5 m。

        此外,木結(jié)構(gòu)建筑不像鋼混結(jié)構(gòu)有金屬框架,應(yīng)防止防雷裝置與金屬物的間隙過小而產(chǎn)生反擊,依據(jù)GB 50057—2010,接閃裝置與金屬物或線路應(yīng)保證間距的算式如下:

        式中:Sa3——空氣中的間隔距離,m;

        lx——引下線計算點到連接點的長度,m;

        kc——分流系數(shù)。

        圖7 防雷擊火災(zāi)的電氣示意圖Fig.7 Electrical schematic diagram for lightning protection

        例如:接閃裝置與屋面材料之間,金屬門窗與引下線之間,電纜進線、弱電線纜、金屬管道與接地體之間等都應(yīng)保證一定的電氣間隙,但是許多金屬物件并不是固定的,難以保證電氣間隙。為更有效地降低電位差和防止電氣反擊,設(shè)計將防雷裝置與電氣和電子系統(tǒng)做總等電位聯(lián)結(jié),并共用接地裝置。該措施不僅讓整個建筑的金屬物形成一個等勢體,而且也無形地生成了一個電氣屏蔽區(qū),再配合使用相應(yīng)等級的電涌保護器SPD,可極大衰減雷擊電磁場的強度并有效阻止雷擊電磁脈沖的侵入。

        5 小結(jié)

        筆者針對木建的火災(zāi)現(xiàn)象,分析火災(zāi)產(chǎn)生的根本原因。探討通過采取火災(zāi)自動報警系統(tǒng)、電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)及防雷接地系統(tǒng),多方位地對火災(zāi)隱患進行監(jiān)控和抑制。此外,雖然這些措施都能有效地監(jiān)測到火災(zāi)隱患,但往往火災(zāi)多因相關(guān)人員發(fā)現(xiàn)得不及時而造成,因此,除采取上述措施外,將火災(zāi)的報警信息準確及時地通知到相關(guān)負責人員,并迅速進行排查,才是杜絕火險的有效方法。

        [1] 龔迎春,蔡蕓,任海青.我國木結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)[J].林產(chǎn)工業(yè),2016,43(7):6-10.

        [2] 劉紅雅.淺議古建筑火災(zāi)危險性及安全防火措施[J].科技信息,2010(2):395-396.

        [3] GB 50016—2014 建筑設(shè)計防火規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2014.

        [4] GB 50116—2013 火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2013.

        [5] 白麗娟.故宮博物院古建筑防雷保護工作的回顧[J].故宮博物院院刊,2005(5):344-377.

        [6] 王時煦.園林古建的防雷與防火[J].中國園林,1994,10(3):40-45.

        [7] 雷文亮.木結(jié)構(gòu)古建筑地基基礎(chǔ)的構(gòu)造做法[J].山西建筑,2014,40(17):64-65.

        [8] GB 50057—2010 建筑物防雷設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2010.

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