大型仓库防火分隔带设计和预期财产损失研究

张 军，周德闯，汪 箭＊

（1.合肥市消防支队，合肥，230061；2.中国科技大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026）

0 引言

为满足现代建筑在保持其功能性、美观性设计的同时不降低消防安全水平的要求，建筑防火性能化设计方法已在许多国家得到应用［1］。倪照鹏［2］指出，英国于1985年完成了建筑规范，包括防火规范的性能化规定。新规范规定“必须建造一座安全的建筑”，但不详细规定应如何实现这一目标。因此，根据这样的规定，只要建筑审核官员认为设计所采用的消防措施能提供不低于规格式规范规定的安全水平，建筑设计者就可以采取任何消防措施。何亚平［3］指出，如果火灾危险性增加后，能够采取其他消防强化措施，使得建筑的防火等级不低于火灾危险性，即安全裕度大于零，那么这种情形也是可以接受的；防火等级与火灾危险性之间的关系，类似于承重能力与荷载的供求关系。

大型仓储物品库具有面积大、物品堆积密集等特点，建筑结构的特殊性、空间规模的超大性、火灾荷载的可变性使其火灾特性有别于普通建筑。对于普通公共建筑来说，人员安全是消防设计的首要安全目标［4］，而对于大型仓储物品库，由于其内部一般仅仅存在少量员工，这些员工通常对仓库道路和出口的布置较为熟悉，在发生火灾时能较快撤离到室外安全地点。鉴于大型仓库主要功能是存储货物，因此除了要保障人员安全外，防止火灾在仓库内的大面积蔓延，降低火灾的财产损失也极为重要。本文结合某大型仓库的消防性能化设计实例，通过对防火分隔带的计算和火灾预期财产损失的定量分析来评价其消防安全水平。

1 项目概况

该大型仓库为单层结构，建筑面积为145279m2，包含冰箱生产车间、收料仓库、出料仓库及相关周边配套设施等，建筑耐火等级为二级。按照项目基本工艺对仓库建筑面积的要求，收料仓库占地面积达到15360m2才能满足冰箱产品堆放的基本需要，其中大部件仓库建筑面积达到9600m2，小部件仓库建筑面积达到5760m2，才能满足物流的基本要求，每个区块内初始设立的防火分隔带宽度为6m。基本工艺及物流对收料仓库及区块面积的大小要求如图1所示。

图1 工艺和物流对收料仓库的面积要求Fig.1 Space requirements of processes and logistics on the warehouse

按照《建筑设计防火规范 GB 50016－2006》第3.3.2条和第3.3.3条的规定［5］，设置自动灭火系统的单层仓库的最大允许占地面积为12000m2，单层仓库每个防火分区的最大允许建筑面积为3000m2。该大部件收料仓库占地面积已达到15360m2，最大防火分区的面积达9600m2，占地面积和防火分区面积均超出国内消防设计标准。如按规范划分防火分区，则不能满足本项目的工艺要求，因此需采用性能化方法进行消防安全设计。

基于“性能化设计仓库安全水平不低于处方式设计仓库”的设计理念，即如果采用替代的消防安全设计方案能够达到不低于现行规范要求采取的消防措施所能达到的安全性能，则这样的替代设计方案也应该是可以接受的。把这个设计理念应用到本项目中，可以理解为两点含义：第一点，本项目仓库防火分区面积超出规范要求，如果采取其他消防加强措施，现有性能化设计仓库的安全水平不低于处方式设计仓库的安全水平，即现有仓库的火灾危险性不高于处方式仓库，那么这是可以接受的；第二点，本项目仓库在进行性能化设计后，需要达到建筑的防火等级不低于火灾危险性，即安全裕度大于零。作为两点含义的论证依据，为达到人员安全疏散和降低火灾损失的目标，还需将安全目标进一步描述为设计目标，例如：通过设置防火分隔带，阻止火灾在堆垛之间的蔓延、减小火灾规模；喷涂防火涂料，加强钢结构耐火保护，延长钢结构的耐火时间等。篇幅所限，本文以大部件收料仓库为例，对大型仓库进行性能化设计，分析喷淋系统失效情况下的火灾发展事件树，对防火分隔带设计的有效性和预期财产损失进行分析。

2 防火分隔带的设计

2.1 火蔓延规律及热释放速率分析

经危险源辨识［6］，该收料仓库内的第Ⅰ类危险源为冰箱，包括冰箱外壳纸包装和冰箱材料不发泡塑料，火灾荷载较大。第Ⅱ类危险源为电动拖车和电动叉车电气起火，以及生产管理人员携带的带电设备和人员的误操作和违规行为等。仓库中的冰箱主要以堆垛形式存放，火灾在堆垛内沿着排列的传播蔓延如图2抽象表示，其中每个格子代表一组单元（9个冰箱）。假定起火点位于堆垛侧边为A处的一组单元，起火之后，火灾会沿横向和竖向方向分别向其两侧蔓延。按单元被引燃的先后顺序将所有单元分组，火焰蔓延的先后顺序可表现为A→B→C→D→E→F→G→H。由此可以看出，火灾在堆垛内蔓延首先呈金字塔状蔓延，然后呈斜屋状蔓延，直至蔓延至整个堆垛。

图2 单元A起火后，火灾在堆垛内蔓延Fig.2 The order of fire spreading from unit A

以EFRA［7］开展的单个冰箱的燃烧实验结果为基础，每组单元（9个冰箱）的热释放速率约有1.62MW。假设一个堆垛的火灾热释放速率基本等同于将各时间段中起火单元热释放速率曲线的叠加结果，按照快速t2火［8，9］的设计方法，本项目大部件收料仓库中最大一个堆垛在1473秒时可达到最大热释放速率102MW。

由于收料仓库危险性等级为仓库危险级II级，建筑最大净高13.5米，故采用K＝360，74℃，端压力0.45MPa的ESFR快速反应喷头，按照国际惯例12个喷头进行计算，计算流量为158L／S，火灾延续时间为1小时，该参数高于《自动喷淋灭火系统设计规范GB50084》标准［10］。喷淋系统会显著影响火灾热释放速率的大小，如果喷淋系统有效，早期火灾将被抑制，此时受损的冰箱数量很少。如果喷淋系统失效，那么火灾会增长到一个堆垛的热释放速率；如果喷淋系统失效、防火分隔带也失效，那么火灾将会蔓延至整个防火分区的所有堆垛。

2.2 防火分隔带设置

NFPA 92B［11］给出了为避免因火源热辐射引起火蔓延的最小距离计算方法，如式1所示。

其中，其中，R为可燃物与火源中心的距离，m；Q为火源的热释放速率，kW；q″为临界引燃辐射热流量。

本文中火源具有面积大且动态变化的特点，为确定防火分隔带的最佳宽度，分别采用点源模型、线源模型和面源模型进行计算。下面根据堆垛火灾原型建立点火源、线火源和面火源模型，如图3所示。

图3 点源（a）、线源（b）和面源（c）模型算法示意图Fig.3 Schematic diagram of point source（a），line source（b）and area source（c）model

（1）点火源模型

如图3（a）所示，将着火码垛产生的热释放速率集中到码垛中心点位置，着火点离目标点A的距离L＝a／2＋R，由式（1）得：

根据面积为a2的着火码垛产生的热释放速率符合t2火的发展规律，有·a2＝αt2，因此

代入（2）式得

其中，R为着火码垛的最小安全距离；α为火灾增长速率，为0.047kW／s2；q″为临界引燃辐射热流量，取 NFPA 92B建议值10kW／m2；为单位面积燃料的热释放速率，参照NFPA92B标准，塑料堆垛的单位面积热释放速率为300kW／m2；t取t2火增长至火源最大功率102MW的时间1473s，以上参数取值下同。点源模型计算得堆垛之间防火分隔带最小宽度为7.23m。

（2）线火源模型

如图3（b）所示，将着火码垛产生的热释放速率均分到中心线上，在中心线上取微元△x，微元对A点处产生的辐射为：

在a长度范围内，对此式进行从0到a取积分并整理，即可得着火码垛对A点的总辐射强度q。

求解方程取正值，方程的解为：

q取临界辐射引燃热通量10kW／m2时，代入数据，求得最小安全距离R＝0.006544t。t取t2火增长至火源最大功率102MW的时间1473s，计算得堆垛之间防火分隔带最小宽度为9.64m。

（3）面火源模型

如图3（c）所示，将着火码垛产生的热释放速率均分到堆垛面上，在面上取微元dxdy，微元对A点处产生的辐射为：

在a2的面积范围内，对上式进行面积分并整理，即可得着火码垛对A点的总辐射强度q。为单位面积燃料的热释放速率300kW／m2，102MW的热释放速率对应340m2的燃烧面积，因此a值为18.44m；利用mathematica软件对式（10）进行数值积分，计算得当q为临界辐射引燃热通量10kW／m2时，堆垛之间防火分隔带的宽度为8.68m。

以上点源模型、线源模型和面源模型计算的防火分隔带最小宽度分别为7.23m、9.64m、8.68m，线源模型和面源模型计算结果最为接近，鉴于面源模型积分计算的不便性，文献［12］建议在工程应用中使用相对简单的点源和线源模型。从以上计算结果看，点源模型计算的防火分隔带宽度最小，线源模型计算结果9.64m最为保守，因此本文保守取防火分隔带宽度为10m，并建议工程估算采用线源模型为宜。

3 消防系统有效性分析和预期财产损失评估

3.1 有效性分析

建筑火灾一旦发生后，能不能在最短的时间内发现并扑救，将火灾控制在一个较小的状态，以减小火灾的直接损失和人员伤亡，这很大程度上取决于该建筑物内防灭火措施的有无和可靠性。该仓库发生火灾后，影响火场环境的主要消防系统有喷淋系统、排烟系统及防火分隔带，由此建立该仓库火灾的事件树如图4所示。需要说明的是，当喷淋系统有效时，火灾将在初期阶段被扑灭，此时受损的冰箱数量很小，因此对于大型仓库来说，计算预期财产损失主要考虑喷淋系统失效时的事件。

对于排烟系统的有效性，相关的研究数据还不是很多。日本东京消防厅从1989年至1998年所作关于各种消防设备完好率的统计结果表明，排烟设备的设备完好率为97.4%［4］。因此本文仓库排烟系统的有效概率按此统计数值取为97.4%。

对于防火分隔带的有效性，暂时还缺乏这方面的统计数据，研究表明导致防火分隔带失效的主要原因有飞火和分隔带里面存在可燃物搭桥。在本项目中，着火后携带火星的纸箱碎片在一定条件下可能成为飞火；在仓库运营中，堆垛间叉车的存在将两个堆垛的可燃物搭桥连接起来，如果发生火灾也可能导致火灾在堆垛之间的蔓延。由飞火导致的防火分隔带失效概率取为0.026［13］；起火堆垛周围叉车搭桥空间存在概率为最大堆垛周长除以仓库内道路总长，即（57×2＋20×2）／（120×2＋80×3）＝154／480＝0.32，根据运营部门提供的数据，叉车一天24小时工作时间为早上8点至晚上10点，因此时间存在概率为14／24＝0.58，并假设发生火灾后，操作人员丢弃叉车的概率为0.5，那么叉车搭桥连接起火堆垛和相邻堆垛导致分隔带失效的概率为0.32×0.58×0.5＝0.0928。

在排烟系统有效情况下，防火分隔带失效的概率为0.0928；排烟系统失效情况下，防火分隔带失效的概率为0.026＋0.0928＝0.1188。有了这些消防系统的有效概率之后，根据图4的事件树即可计算出各个火灾场景发生的概率，如表1。

图4 喷淋系统失效下仓库火灾的事件树Fig.4 Event tree of warehouse fire while sprinkler system fails

表1 各个火灾场景发生概率Table.1 The occurrence probability of fire scenarios

表2 火灾场景的模拟结果Table.2 Simulation results of fire scenarios

采用FDS软件对表1中的4个火灾场景进行模拟，得到每个场景的火灾蔓延程度如表2。从火灾场景的模拟结果可以看出，防火分隔带设置10m宽可有效防止火蔓延发生，该模拟结果验证了线源模型关于防火分隔带宽度的计算结果；现有6m宽的防火分隔带无法阻止火灾蔓延，收料仓库内堆垛可燃物将会发生全面燃烧。

3.2 预期财产损失分析

基于以上各火灾场景的概率分析和FDS模拟结论，可以估算当前设计10m宽防火隔离带以及按照处方式设计的仓库预期财产损失。现收料仓库内总共约可堆放12000台冰箱，一个最大堆垛约可堆放2000台冰箱。当喷淋系统失效、分隔带有效时（概率0.0229＋0.8836＝0.9065），估算火灾损毁冰箱为2000台；当喷淋系统失效、分隔带失效时（概率0.0031＋0.0904＝0.0935），估算火灾损毁冰箱为12000台。按照处方式设计的仓库，其防火分区最大面积可达3000m2，因此总共可堆放冰箱数可考虑为现有仓库的0.3125倍，即12000台×0.3125＝3750台。当喷淋系统失效时，由于没有足够宽的防火分隔带，火灾将蔓延至整个处方式仓库，估计火灾损毁冰箱为3750台。各工况下的预期财产损失对比如表3所示。

表3 仓库火灾的预期财产损失Table.3 The expected property loss of warehouse fire

由表3可以看出，设置10m宽分隔带可把火灾预期财产损失约降低为原来6m宽分隔带的1／4，而收料仓库设置10m宽分隔带的性能化设计方案比处方式设计仓库的预期财产损失略小。实际上，处方式设计的仓库并没有防止堆垛间火蔓延应设置防火分隔带的概念，堆垛间的通道宽度可远小于10m，即可堆放冰箱数大于0.3125倍的计算台数。这将导致全面燃烧损失冰箱数超过3750台，因此处方式仓库预期的财产损失将大于3750台。综上，可以得出性能化设计的收料仓库低于处方式设计仓库预期财产损失的结论。

4 结论及建议

本文运用消防性能化设计方法对某大型仓储物品库进行了消防系统的优化设计和预期财产损失的评估，计算结果显示：将仓库原有的6m宽防火分隔带拓展到10m的宽度，可以有效的防止火蔓延，并可以达到“低于处方式设计仓库的预期财产损失”的安全目标。主要结论及建议如下：

（1）在大型仓储物品库的性能化设计过程中，为体现“性能化设计仓库安全水平不低于处方式设计仓库”的设计理念，应进行必要的消防系统有效性分析和预期财产损失评估。

（2）在防止火蔓延的安全隔离带宽度计算中，点源模型计算结果最小，线源模型和面源模型结果较为接近，且线源模型结果最保守，建议在工程应用中使用较简单的线火源模型进行估算。

（3）为达到“低于处方式设计仓库的预期财产损失”的安全目标，建议进行消防性能化设计前、消防性能化设计后、处方式设计方法三者预期财产损失的综合对比。

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