浅论大跨度、大空间建筑防火分区的划分

【慧聪消防网】随着社会经济的快速发展，建筑面积达数万平方米，甚至达到几十万平方米的大型会展建筑越来越多地出现在各个城市中。《建筑设计防火规范》（GB50016-2006）第5.1.12条关于防火分区面积的规定明确，在安装各类消防设施的基础上，每个防火分区的最大允许建筑面积也不应大于10000m2。因此，大型、超大型会展中心与现行消防规范在防火分区、安全疏散等方面存在较大矛盾，防火分区的面积远远达不到规范的要求。本文根据会展类建筑的结构特点，提出利用“防火隔离带”对超大展厅进行适当的分隔，在保证消防安全的条件下尽量地满足建筑功能的特殊需求。

一、防火隔离带的设置条件

火灾中产生的烟气是导致人员伤亡、火灾蔓延扩大的主要因素，而会展中心大空间结构有足够大的蓄烟空间，合理设置烟气控制系统可以延缓和降低烟气危险来临时间，并且展览大厅和周围区域空间开阔，有利于及时开始疏散，如果再考虑能够有效防止火势在整个展厅内肆意蔓延的消防加强措施，则可以保障展厅内人员在安全疏散期间不会受到烟气的威胁。会展类建筑的展厅内部虽然不能采取严格的防火分隔措施将其划分为多个防火分区，但是如果借用森林火灾和草原火灾中常用的“防火隔离带”概念，利用“防火隔离带”将展厅划分为多个面积小于10000m2的防火单元，也能够起到有效阻止火势蔓延的作用。

“防火隔离带”的设置必须满足以下两个条件：1、该区域内严禁布置展位，保证无可燃物存在；2、达到一定的宽度条件，保证“防火隔离带”一侧发生火灾时，不会辐射引燃另一侧的可燃物。第一个条件可以通过地面设置相应的警戒标志和严格的管理来实现，第二个条件则需要通过相应的辐射理论来计算分析，以确定其需要的最小宽度值。

二、防火隔离带的设置计算

对于防火隔离带宽度的设计，主要从火源对防火隔离带另一侧展位的热辐射角度来考虑，包括火焰的直接辐射和热烟气层的辐射两部分，即

。

（一）火焰热辐射的影响

为计算火焰的热辐射场，一般把火焰模拟成位于火焰中心的一个点源。辐射热流值随着与火源的水平间距增大而减少，可用如下公式表示：

（1）

取L为防火隔离带宽度，D为火源直径，发生火灾时防火隔离带另一侧展位受到火焰的直接热辐射：

（2）

（二）热烟气热辐射的影响

展厅着火失去控制后，会在上层形成温度较高的热烟气层，可以把烟气层看成是一个真实的辐射面，从烟气层中到展台可燃物的辐射可由下式计算：

（3）

热烟气层温度与火源功率大小和烟气层高度有关，在忽略维护结构热量损失的前提下，烟气层温升可由下式近似计算：

（4）

羽流质量流量：

，

（5a）

，

（5b）

式中，

为对流热流量；

为虚点源位置；

为火源直径；

Heskestad模型虚点源位置由下式给出：

（6）

（7）

（三）临界辐射通量

NFPA对不同材料点燃的临界辐射通量进行了实验研究，结果表明：

l 对易燃物（如新闻用纸），其辐射热通量不得超过10kW/m2；

l 对一般材料（如装潢家具），其辐射热通量不得超过20kW/m2；

l 对难燃材料（如厚度超过25mm的木料），其辐射热通量不得超过40 kW/m2；

本文保守考虑假设计算对象展示物品为易燃展品，其辐射热通量的判据取为10kW/m2。

三、应用研究

我们设定某地一会展中心的展览部分呈椭圆形，长468m，宽130m左右，最高点标高为24m，单层展区面积达到40000m2，顶部为大跨度弧形钢结构，无法使用常规的防火分隔措施进行防火分区划分，故整个展区作为一个防火分区，但是其内部设计3条“防火隔离带”，将展区分成4个区域，如图1所示。

图1 某地会展中心防火隔离带设置示意图

影响防火隔离带宽度的重要参数就是火灾规模，展览类建筑可燃物多，种类复杂，火灾危险性较大。本文参考NFPA和上海市《建筑防排烟技术规程》的相关资料，考虑展厅内自动灭火系统不能及时启动的不利情况，展位高度为6m，火源设置为20MW快速t平方火。

当展厅内防火隔离带一侧发生20MW快速t平方火时，其另一层的展位可燃物受到的辐射强度为：

（8）

其中Ts为上部热烟气层温度，由公式(4)~(7)计算可得：

本文根据公式(8)分别绘制了烟气层温度为350K、400K、450K、500K、550K、和600K时的辐射通量和防火隔离带宽度的关系曲线，辐射通量是随着宽度的增加而逐渐减小的，如图2所示。从图中可以看出，当烟气层温度为550K时，距离火源7.6m位置处的辐射通量刚好达到10kW/m2，即会展中心内发生20MW失控火灾时，距离火源8m以外的位置受到的辐射热流不足以引燃该处展品，考虑一定的安全系数，建议会展建筑内的“防火隔离带”宽度不小于10m。

图2 距起火点不同距离处的辐射通量

四、结论

本文针对大型会展建筑很难设置物理防火分区消防问题提出利用“防火隔离带”将展厅分割成若干区域，并且根据辐射理论计算分析了“防火隔离带”宽度值，得到以下结论：

（一）“防火隔离带”可以作为一种新的防火分隔方式有效阻止火势在弧形结构的大跨度、大空间结构的展厅内蔓延，同时可以利用大空间的蓄烟能力延缓烟气下降速度，保障人员疏散安全。

（二）“防火隔离带”作为一种新型防火分隔方式，要求该区域加强日常消防管理工作，严禁在隔离带上布置任何展位和可燃物。

（三）根据理论公式，充分考虑展厅内自动灭火系统不能及时启动的不利情况，计算分析结果表明距离火源8m以外的位置受到的辐射热流不足以被引燃，考虑一定的安全系数，建议会展建筑内的“防火隔离带”宽度不小于10m。

注：

表示辐射热流值，

；

表示火热释放速率值，

；

表示火焰中心和火源边界之间的半径，

。

为热烟气层形状因素，保守取值1；

为烟气层的辐射率，保守取值1；

为史蒂芬-波耳兹曼常数，

；

为热烟气层温度。

为对流热流量，kW，取0.7

;

为流入烟气层的羽流质量流量，kg/s，由羽流模型计算给出；

为空气比热，取1.02kJ/kgּK。