李朋威 ，張暉 ，游秀華 ，吳會(huì)軍 ，3，楊建明

（1.廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.河南省基本建設(shè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究院有限公司，河南 鄭州 450016；3.廣州大學(xué) 廣東省建筑節(jié)能及應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510006）

0 前言

地下空間具有抗震性好、穩(wěn)定性好、防護(hù)性好等優(yōu)點(diǎn)，還具有隱蔽、隔音和恒溫等特點(diǎn)。地下空間是拓展人類生存空間的一種寶貴的自然之源，至今尚未被充分開(kāi)發(fā)利用。在城市化建設(shè)過(guò)程中，為緩解用地緊張，地下空間的開(kāi)發(fā)利用已經(jīng)成為城鎮(zhèn)化發(fā)展的重要組成部分。

城市地下建筑的開(kāi)發(fā)利用改善了城市生態(tài)環(huán)境，減輕地上交通擁堵，有效利用城市空間，為人們提供了更大的生活、娛樂(lè)、購(gòu)物空間，改善了人們生存、生活空間的壓力。國(guó)內(nèi)對(duì)地下建筑的開(kāi)發(fā)研究方面起步較晚，但發(fā)展很快，目前城市道路系統(tǒng)中的地下交通工程，地下商業(yè)綜合體和地下步行街大量涌現(xiàn)，地下空間的開(kāi)發(fā)利用逐步呈現(xiàn)系統(tǒng)化、多功能化、大面積化的發(fā)展趨勢(shì)。

地下建筑具有其獨(dú)特的特點(diǎn)，潮濕的環(huán)境，空間相對(duì)封閉，容易引發(fā)火災(zāi)事故，疏散撲救困難，危害嚴(yán)重，對(duì)地下建筑進(jìn)行科學(xué)合理的防火設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

目前關(guān)于地上建筑的火災(zāi)的研究已經(jīng)比較成熟，在防火和滅火方面已經(jīng)有了一整套成文的規(guī)定，對(duì)于地下建筑的防火、滅火則缺乏成熟的經(jīng)驗(yàn)。在積極開(kāi)發(fā)利用地下空間的同時(shí)，必須加強(qiáng)對(duì)地下建筑防火和滅火的研究，掌握地下建筑火災(zāi)的特點(diǎn)規(guī)律及防火滅火的有效方法，為地下建筑的防火設(shè)計(jì)工作創(chuàng)造有利條件。本文基于國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果，綜述了地下建筑火災(zāi)特點(diǎn)，防火設(shè)計(jì)研究方法和防火材料在地下建筑的應(yīng)用。

1 地下建筑火災(zāi)特點(diǎn)

地下建筑是處于地表以下的建筑，按功能可分為軍用地下建筑、民用地下建筑、各種地下防空工程、工業(yè)用地下建筑、交通和通信地下建筑、地下倉(cāng)庫(kù)、地下綜合體以及各種地下公用設(shè)施。

與地上建筑相比，地下建筑空間相對(duì)封閉，其火災(zāi)具有易發(fā)性、火情發(fā)現(xiàn)困難、火勢(shì)蔓延快、泄爆能力差、溫度上升比較快且高、有害煙氣濃度高、撲救難度大、人員疏散困難等特點(diǎn)，如表1所示。

表1 地下建筑與地上建筑火災(zāi)特點(diǎn)比較

基于地下建筑火災(zāi)的特點(diǎn)，地下建筑火災(zāi)危害性更大，更容易形成火災(zāi)，而且火災(zāi)后不利于火災(zāi)撲救和安全疏散，一旦發(fā)生火災(zāi)就會(huì)造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

提高地下建筑的防火設(shè)施，有效避免地下空間火災(zāi)的發(fā)生，采取有效的滅火方法，降低火災(zāi)造成的經(jīng)濟(jì)損失，減少人員傷亡，刻不容緩。

2 基于預(yù)測(cè)模型的地下建筑防火設(shè)計(jì)

2.1 煙氣預(yù)測(cè)模型

國(guó)內(nèi)外大量火災(zāi)的統(tǒng)計(jì)表明，發(fā)生火災(zāi)時(shí)煙氣是導(dǎo)致人員傷亡的最大因素，而地下建筑封閉性較高的特征，發(fā)生火災(zāi)時(shí)煙氣濃度大、溫度高。在地下建筑中煙氣的危害更大，分析火災(zāi)發(fā)生時(shí)地下建筑內(nèi)部煙氣的流動(dòng)狀況，了解煙氣運(yùn)行規(guī)律，是進(jìn)行防排煙設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

火災(zāi)煙氣控制的研究方法，主要分為3種：（1）模型實(shí)驗(yàn)，通過(guò)等比例縮小實(shí)驗(yàn)對(duì)象制作一個(gè)對(duì)應(yīng)的模型進(jìn)行火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，制作模型需要大量人力物力，目前應(yīng)用還比較少；（2）計(jì)算機(jī)模擬，基于計(jì)算機(jī)軟件來(lái)模擬發(fā)生火災(zāi)時(shí)地下建筑內(nèi)部的煙氣流動(dòng)，探究煙氣流動(dòng)的規(guī)律，是目前研究地下建筑煙氣流動(dòng)情況常用的方法；（3）全尺度火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，基于實(shí)際地下建筑空間進(jìn)行火災(zāi)煙氣實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)來(lái)有一定的難度，應(yīng)用也比較少，只能針對(duì)一些特殊的建筑。

國(guó)外在計(jì)算機(jī)建立模型實(shí)驗(yàn)來(lái)研究地下建筑煙氣流動(dòng)規(guī)律方面已經(jīng)很成熟。Suzuki K，Tanaka T[1]利用多層區(qū)域模型對(duì)在水平和傾斜的矩形管道設(shè)施的火災(zāi)實(shí)驗(yàn)2種情況下的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行了模型預(yù)測(cè)，結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)有很好的一致性；并且對(duì)地下車站煙氣溫度和流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了預(yù)測(cè)，建立了促進(jìn)了解的有用性模型。Merci B，Maele K[2]利用數(shù)值模擬流體力學(xué)軟件模擬了地下隧道的火災(zāi)時(shí)煙氣流動(dòng)規(guī)律及溫度分布規(guī)律。Jain S等[3]運(yùn)用CFD技術(shù)及CFASTD等模擬研究了地下隧道的火災(zāi)增長(zhǎng)速度和煙霧運(yùn)動(dòng)規(guī)律,其模擬計(jì)算的速度和溫度場(chǎng)如圖 1（a）、（b）所示。

圖1 CFD模擬煙氣流動(dòng)和溫度

2.2 防火防煙分區(qū)的設(shè)計(jì)

地下建筑防火分區(qū)的設(shè)置比地上建筑的要求更高，并且地下建筑一般面積較大，建筑的用途種類比較復(fù)雜，給地下建筑的防火分區(qū)的設(shè)置增加了難度。

地下建筑的火災(zāi)火勢(shì)蔓延較快，設(shè)置合理的防火防煙分區(qū)防止火勢(shì)的擴(kuò)大蔓延，減少不必要的傷亡和損失是非常有必要的。Lijun S等[4]指出大型地下建筑防火防煙分區(qū)設(shè)置存在以下問(wèn)題，防火區(qū)間及分區(qū)劃分原則的不確定性、防火分區(qū)面積指標(biāo)取值具有不確定性,并以廣州珠江新城核心區(qū)域地下空間為例分析了防火分區(qū)的設(shè)置：（1）采用防火墻、防火玻璃和防火玻璃門在商店與主人行道之間進(jìn)行防火分隔，使各個(gè)商店成為獨(dú)立的防火分區(qū)，各防火分區(qū)內(nèi)商店通過(guò)防煙前室進(jìn)入內(nèi)部走道，再疏散到樓梯間、下沉廣場(chǎng)或室外；（2）在主人行道內(nèi)合理設(shè)置自動(dòng)擋煙垂壁；（3）各商店防火分區(qū)內(nèi)部通道通往主人行通道的安全出口設(shè)置常開(kāi)甲級(jí)防火門；（4）商店及主人行通道設(shè)置自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)和機(jī)械排煙系統(tǒng)；（5）商店各防火分區(qū)的內(nèi)部走道設(shè)置加壓送風(fēng)系統(tǒng)，并用防火墻與商店分隔，與商店連通處設(shè)置防煙前室，該內(nèi)部通道可以作為亞安全區(qū)設(shè)計(jì)。在發(fā)生火災(zāi)時(shí)內(nèi)部走道起著疏散人群的重要作用，無(wú)論空間功能如何調(diào)整，內(nèi)部通道的功能不能改變。

根據(jù)煙氣預(yù)測(cè)模型，通過(guò)數(shù)值模擬方法可以對(duì)地下空間防火防煙分區(qū)進(jìn)行模擬，探究防火防煙分區(qū)的合理性，研究成果較多。Yang X等[5]建立了一個(gè)大渦模擬模型來(lái)研究地下受限空間的火災(zāi)情況，從而分析現(xiàn)有的防火防煙分區(qū)是否合理。Xiang Y U等[6]提出了利用大型地下商業(yè)建筑中庭增強(qiáng)防火分隔的方案，并對(duì)幾種火災(zāi)場(chǎng)景火勢(shì)從一個(gè)區(qū)域向另一個(gè)區(qū)域蔓延的可能性進(jìn)行了數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，這種方法可以有效阻止火災(zāi)蔓延，并符合規(guī)范要求。Nan Huaxiang、Xu W[7]基于城市地下綜合體的特點(diǎn)提出應(yīng)用步行街增強(qiáng)消防防火分區(qū)，通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值模擬驗(yàn)證了步行街作為火災(zāi)隔離的有效性，結(jié)果表明，該方案可以有效阻止火災(zāi)蔓延。進(jìn)行數(shù)值模擬最常用的為FDS軟件、CFD軟件等，圖2為使用FDS對(duì)某地下商場(chǎng)火災(zāi)后360 s其溫度和煙氣流動(dòng)能見(jiàn)度數(shù)值模擬分析[8]，通過(guò)溫度和能見(jiàn)度分析圖可以清晰地看出所設(shè)計(jì)的防火分區(qū)、排煙方式是否合理。

圖2 某地下FDS軟件模擬溫度和能見(jiàn)度

通過(guò)軟件模擬地下建筑火災(zāi)時(shí)煙氣流動(dòng)規(guī)律，以及火勢(shì)蔓延的規(guī)律，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行防火防煙分區(qū)設(shè)計(jì)以及防排煙方式的設(shè)計(jì)，是一種有效的方法，但需要進(jìn)一步的研究、分析，總結(jié)出一套適用的地下建筑防火分區(qū)規(guī)范。

2.3 人員疏散方式模型研究

地下建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)煙氣的流動(dòng)方向和人員的疏散方向往往是相同的，合理的人員疏散方式是在煙氣彌漫到來(lái)之前使所有人員安全疏散。

目前應(yīng)用比較多的方法：建立疏散模型，采用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)人員疏散過(guò)程進(jìn)行模擬，評(píng)估疏散方式和疏散出口的合理性。常見(jiàn)的人員疏散模型包括離散型模型和連續(xù)型模型，離散型模型如格子氣模型[9]、元胞自動(dòng)機(jī)模型[10]，連續(xù)型模型如社會(huì)力模型[11]等。

利用建立模型軟件模擬來(lái)研究地下建筑空間的人員疏散情況，可以很好地判斷在火災(zāi)發(fā)生時(shí)所設(shè)置的疏散方式是否合理，進(jìn)而采用更加高效安全的疏散方式。

3 地下建筑防火材料

3.1 內(nèi)裝修材料的防火性能

在建筑物的防火中最理想的方法是預(yù)防起火，而室內(nèi)裝修材料在預(yù)防起火方面起著重要作用：其一，當(dāng)火源起火火焰蔓延到裝修材料時(shí)，所使用裝飾材料具有良好的耐火阻火性能，火源沒(méi)有可以維持燃燒的材料就無(wú)法持續(xù)燃燒。其二，當(dāng)起火位置在裝修材料附近時(shí)，裝修材料具有較好的防火性能，能夠阻止火勢(shì)的進(jìn)一步蔓延，火源燃燒一段時(shí)間后就會(huì)自行熄滅[12]。

市場(chǎng)上常見(jiàn)的裝飾裝修材料主要有無(wú)機(jī)礦物板、金屬板、有機(jī)板、纖維織物、木質(zhì)品、防火涂料、阻燃劑等。李博[13]通過(guò)分析建筑裝修時(shí)室內(nèi)裝修材料的使用數(shù)量，總結(jié)出每100 m2內(nèi)各種可燃易燃裝修材料的使用情況（見(jiàn)表2）。

表2 每100 m2室內(nèi)裝修工程可燃易燃裝修材料的用量

由表2可見(jiàn)，裝修材料中有機(jī)高分子材料以及其他易燃材料占有很大一部分，這些可燃易燃材料，一旦遇火，火勢(shì)蔓延速度極快，并產(chǎn)生大量的有毒、有害氣體，很快使人窒息失去知覺(jué)而不能逃生，大大增加了火災(zāi)的隱患和危害。因此，提高室內(nèi)裝修材料的耐火阻火性能，做好火災(zāi)預(yù)防及防護(hù)，是非常有必要的。

3.2 防火涂料在地下建筑防火中的應(yīng)用

根據(jù)GB 50222—2015《建筑內(nèi)部裝修設(shè)計(jì)防火規(guī)范》第3.4節(jié)要求，對(duì)地下建筑內(nèi)部裝飾裝修材料耐火等級(jí)要求比地上建筑更高。在地下建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，其內(nèi)部的裝飾裝修材料首當(dāng)其沖的要面臨火焰的烘烤，而普通的裝飾裝修材料都是易燃燒的有機(jī)物、木質(zhì)等材料組成，會(huì)加速火災(zāi)的蔓延，并且在燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的煙氣和有毒氣體，而地下建筑空間一般比較封閉，煙氣很難排出，會(huì)在地下空間內(nèi)流動(dòng)增大受害面積，因此需要必須采取有效的措施，以增強(qiáng)地下建筑內(nèi)部裝修裝飾材料的防火阻火性能。

防火涂料是在易燃的裝飾裝修材料表面涂上1層耐火的涂層，從而提高防火阻火性能。目前國(guó)內(nèi)外高性能防火涂料主要有膨脹型和非膨脹型2種。膨脹型防火涂料主要是涂層受熱膨脹后在裝修材料表面形成1層致密的炭化層，從而達(dá)到防火阻火的目的[14]。非膨脹型防火涂料是從外部吸收大量的熱量，在表面形成1層隔絕氧氣的保護(hù)層來(lái)達(dá)到防火的目的，自身并不發(fā)生膨脹[15]。

高仲亮等[16]研究了在幾種木質(zhì)基材上涂覆不同量的防火涂料后的耐燃時(shí)間，如圖3所示，可見(jiàn)在木質(zhì)基材裝飾材料上涂覆防火涂料可以有效提高其耐燃時(shí)間。

圖 3 各基材在不同涂覆量下的耐燃時(shí)間

常見(jiàn)的防火涂料種類有：有機(jī)型防火涂料、無(wú)機(jī)型防火涂料、有機(jī)-無(wú)機(jī)結(jié)合型防火涂料和新型納米復(fù)合型防火涂料。由于地下建筑對(duì)防火涂料的耐火阻火性能要求更高，對(duì)此國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同種類的防火涂料及使用方法進(jìn)行了大量研究。

王新剛等[17]分析了我國(guó)飾面防火涂料，指出飾面型防火涂料分為溶劑型和水性2種。溶劑型飾面防火涂料具有耐水和防潮的優(yōu)點(diǎn)，但耐火性能較差，而水溶劑型飾面防火涂料耐火性較好，但防潮性能相對(duì)較差。

王芳芳等[18]利用有機(jī)和無(wú)機(jī)材料的結(jié)合制備出防火性能好、不污染環(huán)境、適用范圍廣的有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合型納米防火隔熱涂料,可以作為隔熱耐火的涂層。Zhang X等[19]研究了用氧化石墨烯納米填充涂料來(lái)增強(qiáng)聚氨酯泡沫的阻燃性和抑煙性。Kruger S等[20]研究了在極端火災(zāi)情況下（高溫，長(zhǎng)燃燒時(shí)間）防火涂料的防火模擬。Das P等[21]研究了層狀結(jié)構(gòu)的高負(fù)載聚合物粘土納米復(fù)合材料阻燃表面涂層的一種通用的、可擴(kuò)展的、環(huán)保的涂料噴涂方法，可以適應(yīng)不同的表面。

特別地，SiO2氣凝膠是一種納米多孔的新型建筑保溫材料，具有導(dǎo)熱系數(shù)低、耐火不燃[22]等特點(diǎn)。Koravos J等[23]研究了氣凝膠涂層的防火性能，得出基材溫度分別為160℃與200℃時(shí)，涂覆1 mm厚的氣凝膠涂層比涂覆陶瓷涂層使表面溫度分別降低了14℃和18℃，氣凝膠涂層大大提高了基材在200℃的防火性能。表明SiO2氣凝膠可以作為耐火涂層，并且已在地下建筑防火方面獲得一定的應(yīng)用。李建濤等[24]在無(wú)機(jī)膠凝材料和乳膠粉配制的粘結(jié)劑中加入SiO2氣凝膠和各種助劑制備了一種薄層隧道防火涂料，并且確定了氣凝膠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)涂料的性能最佳。以SiO2氣凝膠作為填料的防火涂料應(yīng)用范圍廣，防火效果好，作為地下建筑防火涂料具有很好的發(fā)展前景。

通過(guò)地下建筑內(nèi)部裝修裝飾材料表面涂抹防火涂層，可使建筑裝修裝飾材料耐火防火性能提升，成為地下建筑防火的重要措施。

4 結(jié)語(yǔ)

地下空間的開(kāi)發(fā)利用對(duì)現(xiàn)代城市化的建設(shè)發(fā)展具有重要意義，在探索和利用地下空間的同時(shí)保障環(huán)境安全日益引起關(guān)注。針對(duì)地下建筑火災(zāi)特點(diǎn)及防火阻火方式，已開(kāi)展了大量的研究工作，但還缺少系統(tǒng)的地下建筑阻火、防火、抗火的安全規(guī)范；地下空間開(kāi)發(fā)利用的趨勢(shì)具有面積大、人員密集、使用范圍寬等特點(diǎn)，更增加了其防火難度，地下建筑防火設(shè)計(jì)將朝著集中化、系統(tǒng)化、規(guī)范化、高效安全化的方向發(fā)展。

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