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大型膜结构建筑的消防设计和验收细节,以及实例,实操细节

2018-04-15 10:42:48 广州凯诺毕尔建筑技术有限公司 阅读

大型膜结构建筑的消防设计和验收

 

一、膜结构中建筑膜材的化学成分,在燃烧中的化学反应。

膜结构建筑,从1997年的上海八万人体育场开始,逐步进入中国,大型膜结构作为一种新的建筑结构形式,以其独特的材料特性:透光隔热,散射的透光特性,在大跨度的建筑应用越来越多,它不像玻璃,阳光直射令人不舒服,所以膜结构逐步以它独特的造型,现代化质感,透光节能的优越性能,令越来越多的业主接受这种建筑形式。

膜结构的膜材主要以玻璃纤维或聚酯丝作为基层,其涂层主要有以下三类:

1、  聚氯乙烯,英文简称PVC(Polyvinyl chloride),膜结构建筑行业称之为PVC建筑膜材。

因它的价格适中,而且国产的PVC膜材生产厂商,也因为质量达到一些进口品牌的水平,因而大范围使用在中小型膜结构屋面。大型膜结构建筑,在早期也有使用,例如,在2003年竣工的江苏宜兴体育场,采用的是PVC建筑膜材,至今12年了,还在使用。

2000年在云南曲靖竣工的卡丁车赛场膜结构,至今16年还在使用。据统计,超过2万平米的国内大型膜结构,尚未有采用国产的PVC建筑膜材的记录。

 

2、  聚四氟乙烯,也称PTFE涂层(或特氟龙)形成基层的保护层,简称PTFE建筑膜材,所以这种膜材使用寿命可以达到50年以上,。

例如1973在美国拉文大学建成的PTFE膜结构大伞,经历42年现在还在使用,作为永久性膜结构的材料,确实已经得到时间的验证。因为PTFE的膜材,其自洁性优异,使用寿命可达到50年以上,已经越来越多的体育场场馆、大型公共建筑采用它。

例如,在2004年建成的澳门奥林匹克运动场,作为当时2005东亚运动会的主会场,其屋顶也是采用PTFE建筑膜材,至今11年还在使用。

 

3、  ETFE膜材,中文名为乙烯-四氟乙烯共聚物,简称ETFE建筑膜材ETFE材的厚度通常小于0.25mm,是一种透明膜材。

 201511月竣工的广西贵港体育场,其中有6千多平米的体育场看台前沿飘蓬,采用单层的ETFE建筑膜材。

2008年北京奥运会国家体育馆及国家游泳中心等场馆中也采用这种膜材料。

因为ETFE膜材,没有受力基层,所以强度非常低,在室外的ETFE膜结构,如果采用单层,在膜面下层必须另外附加钢索来加强ETFE膜屋面的强度,实际上就是将ETFE膜屋面分隔成小单元,将膜面的外荷载传递到钢索上,然后由钢索传递到受力结构上。

 

 

二、建筑膜材在燃烧中的化学反应

    室外的建筑膜材,无论是PVC膜材、PTFE建筑膜材,ETFE建筑膜材,它们的防火性能最低也是B2级防火,即有明火时会熔融,火苗熄灭则不燃烧,达到阻燃或不然级别的防火。

由于它们都是高分子聚合物,高温烧烤时候,熔融的滴漏现象无法避免。

目前只有室内的A级防火建筑膜,它们在燃烧时候基本没有滴漏现象,因为它们的基层是玻璃纤维,而且不受外荷载的影响,只承担自重和初始张力,这些涂层都非常薄!有些薄到无法焊接,只能按生产厂商提供的膜材卷长和幅宽制作膜单元。

 

  、大型膜结构建筑物的特点和火灾危险性 
      大型膜结构建筑物最大特点就是建筑体量庞大化,结构大跨度,大空间,轻灵化、通透化。

它的火灾危险性主要表现在:

1)、火灾蔓延快。膜建筑内部有较大和较高的吹拔空间,一旦发生火灾,各种垂直通道将起拔火桶作用,当烟气到达膜面以下时,顶部热气流水平运动,致使火灾横向扩大。

2)、疏散困难。大空间、大跨度的膜结构建筑,疏散距离长,加之火灾时烟雾的干扰,增大了疏散难度。另外,膜结构建筑的大空间内人员多,疏散时容易发生滞留。

3)、扑救难度大,作为公共建筑,面积大,通道长,大部分场馆在举行活动时,人员多而密集。

在火苗的燃烧中,膜屋面受高温烧烤,会产生一些融化高分子聚合物的滴漏,如果不能及时疏散,引起的伤害、灼烧等会比较严重。 


、大型膜结构建筑物的防火设计 
4.1防火设计的原则 
      
膜结构建筑物按照现行法规很难有完备的安全性评价,以及为了提高建筑物整体安全性能,而试图减轻有关防火措施等方面的问题。所以建议性能化防火设计,通过计算机模拟和危险评估,在制定膜建筑的防火方案时,综合考虑地区、规模、用途、空间构成、建筑材料等方面,预测火灾时的火势蔓延、烟气流动、疏散、结构的状态等性状并确定评价方法,以得出适应火灾各阶段的防火对策。 


    4.2
建筑防火设计 
   4.2.1
总平面布置 
      
膜建筑通常作为一个城市的标志性建筑,性质重要,占地面积很大,建筑总长度都比较大,有些甚至超过三百米,根据膜建筑的特点和功能要求很难实现规范要求——设置穿过建筑物的消防车道,所以在设环行消防车道的同时,靠近膜建筑建立一个高标准的消防站是十分必要的。

另外膜结构的屋面,既是屋面材料,又是受力构件,大型膜结构建筑空间大,膜结构屋面没有足够的悬挂、设置喷淋设施的地方,因此消防的设计和布置,主要考虑地面设置。

 
    4.2.2
防火分区划分 
      
国内现行的《建规》和《高规》分别规定,当其设有火灾自动报警系统和自动灭火系统,且采用不燃材料或难燃材料装修时,地上部分防火分区的允许最大建筑面积分别为5000m23000m2。大型膜结构建筑以其大空间的使用功能需要,在以展厅或独立的使用空间划分防火分区时,其面积将超出我国现行规范的指标。

我们建议通过性能化的设计采取以下几个补救措施。

1)    单体空间可不再作防火分隔,但面积必须严格控制,不能一味的追求“大”。特别是展览中心、体育馆,宜控制在800010000平方米以内。有关资料也表明,一个800010000平方米的展馆、体育场馆,足以独立满足任何性质的国际标准展览、或举行体育赛事;

2)膜空间单元和与之相连的单元,必须设置有效的防火分隔设施,防止火势向膜空间以外的其它空间蔓延;

3)、防烟分区的划分、排烟设施、疏散诱导系统及疏散出口个数、宽度的设计,应在执行现行规范的基础上,积极借鉴国外同类建筑消防设计的先进做法,优化设计,以弥补面积超标造成的不足。 甚至需要模拟疏散流程,获得真实疏散数据。
    4.2.3
防烟分区划分及防排烟设计 
      
在防火分区面积已经超标的情况下,建议在膜单元内,应该将防烟分区的划分、防排烟优化的设计优先考虑,有时应该比防火分区更加重要来考虑! 
    1
.防烟分区的划分 
       
大型膜建筑在主体大单元无构造柱与梁,是一个连续完整的空间。所以传统建筑中以防火分区来划分防烟分区,而在大型膜结构建筑的膜单元内很难适用。所以针对它特殊的结构体系,按照NFPA9214的烟控系统标准对大空间区域进行防烟设计,利用空间上方结构体系,挂上以A级防火的、耐火的玻璃纤维为基材的轻质幕布,也是目前在大型重要公共建筑中使用的A级防火室内PTFE建筑膜材,平时卷起,在火灾报警后自动放下,悬停于一定高度进行防烟分区,划分的面积在1000平方米左右,代替了传统的挡烟垂壁,效果明显。

     这种A级防火的玻璃纤维PTFE建筑膜,由于用在室内,所以它的PTFE涂层很薄,即使在高温燃烧中也基本不产生滴漏。

我们在珠海长隆大马戏B馆的设计中,就采用该装置,在消防设计专家论证过程顺利通过。 


    2
.膜单元间的排烟 
      
膜单元间的排烟主要依靠机械排烟。在高大的空间内热烟气流运动复杂,实践证明在大型膜结构建筑物内,若风机安装方式或风量配置不当,反而会造成烟气弥散,扩大烟气的危害范围。 
       
在火灾中,随着燃烧的进行,高温燃烧产物在浮力驱动下流向顶棚,在火源上方形成了“烟羽流”。沿着羽流轴线,周围的冷空气受到横向卷吸,冷空气与羽流中的热烟气发生掺混,因而随着高度上升体积增大,羽流质量不断增加,同时羽流的平均温度和燃烧产物的平均浓度不断下降。羽流到达顶棚时将会横向散开,形成上部热烟气层,由于受空气自然流动和机械排风作用,羽流烟气不断向上充填,烟气层的厚度不断增加,在上部烟气层和下部洁净空气层中间出现比较明显的分界面,并且它随着时间的推移慢慢下降。 
      
这类超大空间建筑物的排烟设计可考虑分为三个步骤;

第一步是控烟,即通过一定的送风强度将火灾烟气吹向一个固定的空间内,使烟气不会无规则扩散;或者在膜结构的单元布置设计中,考虑有序的空气流动方向,也即是将大型膜结构的设计中,单元的走向布置,按照一定的空气流动方向设计。

第二步是蓄烟,即利用建筑物自身的大空间条件设计“储烟仓”将烟气蓄积,形成距地面有一定高度的无烟层(储烟仓容积的确定要经过计算,太小则上升的烟羽流将迅速充满空间,太大就会使周围的冷空气大量地混入热气羽流,烟雾颗粒和有毒气体的温度和浓度则被降低而失去浮力)

第三是排烟。国外研究机构通过计算机模拟证明:如果一个烟控系统设计适当,可以防止烟在3045 分钟内聚集在距地面34米处。这段时间对于人员疏散是极其宝贵的,同时也给灭火创造了有利条件。 
      
一个设计良好的排烟系统在及时排除烟气的同时,应在一定时间内提供适当的无烟气污染层高度。现行建筑排烟量通常按照《高规》提供的换气次数来确定,实验和计算机表明这种方法并不严密,并没有考虑到建筑空间的差异和火灾强度因素的影响。针对膜结构这种超大空间建筑物,结合国外先进的研究成果,提出以下设计方法。 
 1
)、确定火灾强度和火场大小; 
 2
)、确定烟层高层; 
 3
)、计算烟气上升过程中吸卷入的空气量;(烟气量+吸卷入的空气量=排风量) 
 4
)、 验算由防烟幕布构成的“储烟仓”的深度和面积是否能够承接烟气; 
 5
)、确定排风口部位位置、大小; 
 6
)、分析其他可能影响排烟效果的因素。 
   

4.2.4安全疏散设计 
       
火灾时期人员能否安全及时地疏散到安全区域是判断建筑物防火设计是否符合要求的重要指标。 
       
针对大型膜结构展览及体育场馆,其高大空间场所大部分布置在首层、二层的特点,建议在设计中采用多设置疏散通道和疏散门的做法。

一层人员可由各个疏散通道直通室外。

二层大空间场所的疏散以直通室外地面为最佳方式。即在二楼大厅的四周或两则外墙处设置直通室外地面的大跨度台阶或连廊加台阶,这样可以极大的方便二层室内人员直接疏散到室外安全地带,而不必在慌乱中四处寻找室内的防烟楼梯,沿楼梯下到首层再跑出室外。这样做也分流了一部分疏散人员,减轻了一层疏散压力,争取了疏散时间。

当然,当二层内疏散距离过长时,在内部适当的位置增设一些防烟楼梯间也是必要的。 
       
疏散时个人的行为在很大程度上受人群内其它人的影响和限制,疏散往往表现为“群体行为”。由于恐慌心理和对疏散路线的不熟悉,疏散过程并不容易,特别是在这种大空间建筑物里,人们往往是按照他们进入的路线疏散而不是去往最近的疏散出口。烟气的能见度对人员的疏散也造成严重的制约,一般浓度的烟气需经1001000倍的洁净空气稀释才能达到确保安全疏散所必须的最低能见度8;这说明一旦受到烟气的污染,人员在烟气场中辨别疏散路径的困难很大。所以对于疏散指示标志和诱导装置的设置是非常重要的。 
       
现行规范规定,疏散走道的标志宜设在疏散走道及其转角处距地面1.00m以下的墙面上。而大型膜结构建筑内没有走道隔墙,其疏散指示标志无法设置,如果在大空间四周墙体上设置,由于空间太大,距离远,在烟雾的干扰下,人们也很难看清。所以建议参照国外某些大型赌场的做法,在大空间大厅地面醒目位置处设置连续贯穿的、照明度较强的脚印型疏散指示标志灯带,上敷高强度的钢化玻璃保证不被损坏,火灾时发亮,通向各个疏散出口,人们只要踏着脚印即能进入安全区域。

 
 4.2.5
火灾自动报警装置和自动灭火系统的设置 
       
通常建筑中所广泛使用的火灾探测器大多数以烟气浓度和温度为信号进行探测的,且大多数为顶棚式安装。普通建筑的楼层高度多数在6m以下,火灾烟气能很快到达顶棚,因此这类探测器是适用的。然而在大型膜结构建筑中,烟气在上升过程中不断受到冷却和稀释,在达到顶棚时浓度和温度都大大降低,不足以启动火灾探测器。随着火灾自动报警系统技术的不断发展,我们可以采用诸如双波段图象型火灾探测、光截面图象感烟火灾探测、空气采样等先进的火灾探测技术,使膜空间内火灾早期报警难的问题得以解决。 
     
大型膜结构建筑空间一般为大跨度无柱空间,沿建筑四壁布置室内消火栓,膜空间中部区域势必得不到两股水柱的同时保护。所以建议在设置室内灭火系统时,在四周墙壁或看台上设置空气加压移动式消防水炮。它可根据空气加压的大小确定射程,确保膜空间及其中部区域的安全。

因此,也建议设置类似园林绿化中的喷灌系统,改为类似的地面喷淋灭火系统,在大型的膜结构建筑中,屋面离地面少则几米,多则几十米,像白云国际机场的膜结构屋面,离地有45,屋面的喷淋系统无法承担地面的消防功能。

而且,有些膜结构的建筑屋面只有预应力钢索和膜,像广东佛山家具博览城的中庭膜结构,它是一个直径将近90的中庭膜结构屋面,离地有50,全部由预应力拉索和PTFE建筑膜组合成的整体张拉膜建筑,没有钢结构 ,实施喷淋不现实。
  

五、大型膜结构建筑物的消防验收

膜结构通常作为子分部工程,应按现行国家标准《建筑工程施工质量验收统一标准》GB50300和本规程的规定,按制作分项工程、安装分项工程,每个分项工程按具体情况可划分为一个或若干个检验批,分别进行工程验收。与膜结构相关的钢结构分项工程的验收,应按现行国家标准《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205执行。与膜结构相关的索结构分项工程,应按现行国家行业标准《索结构技术规程》

1、  钢结构的消防验收有国家规范,防火涂料等要求明确,在本文不再赘述;

2、  索结构的消防验收,在国家规范里面也没有,预应力钢索,作为膜结构建筑广泛使用的构件。因为预应力钢索,在施加预应力时候肯定有变形,如果采用防火涂料,在张拉过程开裂、剥落,无法控制。建议不作硬性规定。

3、膜结构消防检验、验收资料应该符合下列要求:

1)  、 膜材供应商提供的消防检测报告;另外膜材供应商提供由中国国家消防检测中心-都江堰消防检测中心提供的三年内的检测报告;

2)  、建议监理取证的膜材试件,当地检测机构再做消防检测。建议具体做法:现场选取部分单元在膜材在边界上不裁开,直接通焊,到现场后再裁剪检测试件,确保抽样检测的随机性;

3)  、疏散标识,因为大型膜结构的建筑空间大,离地距离大,地面人群无法识别屋面设置的标识,因此,建议类似机场候机楼登机导向牌,在地面上树立指示导向标识;

4)  、膜结构的环边,结构落地位置,或者膜边界落地位置,必须设置足够的消防灭火设施;

5)  、空气支承的膜结构在验收,应急出口的标识必须清晰;

6)  、大型膜结构建筑,发生火灾时候,通常在夜晚,因此疏散标识必须具有夜光指示,发生火灾时,大型膜结构的空间内的照明已经丧失,因此大型膜结构建筑的消防验收,必要时在晚上关灯测试标识。


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