论木结构建筑的电气防火设计

邹皖峰 王桂君

1 木结构建筑的火灾

木结构建筑[1]（以下简称“木建”）自古就有，随着时代的发展，建筑电气设施为木建增添了新的元素，但也给它带来了火灾隐患。据调查，木建的电气火灾源[2]主要来自明火、电气设施和雷击，图1、2为因电气或雷击原因发生火灾的木建。

图1 电气火灾——武当山遇真宫Fig.1 Electrical fire—Wudang Mountain Yuzhen Palace

图2 雷击火灾——普惠寺大雄宝殿Fig.2 Lightning fire—Main Hall of Pratt Whitney Temple

表1列出三类火灾源产生的原因：

表1 木结构建筑火灾源及原因Tab.1 Wood structure fire sources and causes

1）明火引起的火灾显而易见，不再赘述。

2）电气设施的老化、使用不合格的电气产品等是导致大部分火灾的原因。这类电气产品由于长时间处于插电状态或过负荷运行，极有可能导致电线过热、接头短路等现象，从而引起火灾。它一般初起于电气柜火灾、电缆接头处等。因为线路运行状况无法用肉眼看见，这类火灾起初很难被发现。有时虽被发现，其火势已无法控制。

3）木建多处于公园、林区等依山傍水的场所，地势空旷，易遭受雷击侵扰。而且与钢混结构建筑不同，木结构建筑没有天然的法拉第笼，它对雷击形成的静电感应、电磁感应、闪电感应、电涌侵入等的屏蔽效果不好，易造成电子设备的损坏和火灾。因此，对于雷击产生的火灾也需要重视。

针对木建的火灾隐患，我国GB 50016—2014《建筑设计防火规范》[3]、GB 50116—2013《火灾自动报警系统设计规范》[4]都给出了相应要求。笔者结合相关规范要求，从电气角度探讨木结构建筑的电气防火措施。

2 木建的FAS

对于木建，明火或电气设施导致的火灾，在燃烧早期极易产生烟气或高温。如果能提前探测火情，及时采取防火联动，可大大减少人员伤亡和财产损失。针对这种情况，火灾自动报警系统（FAS）为木结构建筑带上了可靠的护身符。

2.1 FAS的定义

图3 FAS系统的典型结构示意图Fig.3 Typical structure of FAS system

FAS系统是探测火灾早期特征、发出火灾报警信号，为人员疏散、防止火灾蔓延和启动灭火设备提供控制与指示的消防系统。图3为FAS系统的典型结构示意图。在火灾早期，FAS利用感烟或感温探测器，対木建的环境进行实时监测;当探测器检测到烟气或高温时，便将信号传输到报警控制器，由值班人员进行火灾确认；如报警控制器自带联动控制功能，可由值班人员或控制器确认后联动消防设备进行灭火。

木建FAS系统设计有其特殊性，依据GB 50016—2014、GB 50116—2013的设计原则，下面简要探讨如何设计FAS系统。

2.2 设置FAS的界限形式选择

在GB 50016—2014第11.0.13条规定“总建筑面积大于1 500 m2的木结构公共建筑应设置火灾自动报警系统，木结构住宅建筑内应设置火灾探测与报警装置。”该规范对公共与住宅建筑是否设置FAS给出了明确的界限。其次，该规范在第11章对民用的木建层数、建筑高度、建筑面积、燃烧性能、耐火极限，防火间距等做了详细规定。

表2为规范对建筑层数及高度的要求。规范也特别指出，商店、体育馆类的木建限制仅能采用单层。因此，从规范的限制可以看出我国木建的规模都较小，仅需设置火灾探测器和报警装置，达到提醒人员即可，不必设计带有自控功能的FAS。只有在超过一定规模或设有需要联动控制的消防设备时，FAS系统才会被使用。

表2 木结构建筑的允许层数及高度Tab.2 Allowable number of layers and height of wood structure building

而针对需设置FAS的木建，FAS的设计多采用两种形式：区域报警系统和集中报警系统。区域报警系统的典型特征是不需要联动消防设备，仅需自动报警；集中报警系统不仅需要报警，而且要联动消防设备。根据GB 50116—2013的第3.2条，两者的区别如表3所示。

表3 区域报警系统与集中报警系统的区别Tab.3 The difference between the regional alarm system and the centralized alarm system

由于木建的特殊性，其消防设备的选择直接关系到FAS系统形式的选择。因此，应与消防专业人员确认消防设备的动作方式后，再进行FAS系统形式的选择。

2.3 报警区域和探测区域的划分

为了迅速确定火灾发生部位，并解决消防系统的联动设计问题，还需对报警区域和探测区域进行划分。报警区域可以根据GB 50016—2014第11.0.3的防火墙划分原则，先确定防火分区的边界，把每个防火分区作为一个报警区域。探测区域主要根据建筑功能及探测器的性能进行设计。如木建的坡屋顶较普遍，其采用的封闭吊顶或屋顶下密闭空间较多；有些木建设有发电机间、配电间、锅炉房等设备用房；这些空间应划分为单独的探测区域。

2.4 探测器的选择及安装

只有对火灾的感知有灵敏而准确的“嗅觉”，才能及时预防火灾。因此，探测器的灵敏度和准确率直接关系到FAS的性能。其灵敏度不仅取决于自身特性，也取决于探测器的安装环境和位置。在木建中，大多以采用点型感烟探测器为主。但对于山区高海拔地区，宜选择离子型感烟探测器；在封闭吊顶或屋顶下密闭空间，因不宜安装点型探测器，选择缆式线型感温探测器效果更好；而对于居住木建，木材燃烧时由于空气不足会产生一氧化碳，可增加一氧化碳探测器，提示居住者或消防人员避免中毒。

对于探测器安装位置的要求，在有吊顶的空间里，探测器安装简单。但在无吊顶的坡屋顶空间，如图4所示，火灾探测器的保护面积及半径取决于屋顶坡度、房间高度h等参数。一般随着屋顶坡度和层高的增加，因烟气在屋脊处的聚集效应明显且探测器受到其他环境的影响变小，探测器的保护半径和灵敏度会相应提高。其安装位置依据GB 50116—2013，当装于锯齿形屋顶和坡度大于15°的人字形屋顶时，宜在屋脊的垂直面上安装一排探测器。

图4 火灾探测器安装示意图Fig.4 Installation of fire detectors

此外，木结构屋顶的导热性相比混凝土楼板较小，其热屏障效应很小。因此对于点型感烟探测器距顶棚的距离可不用考虑，但应保证雷电间距。

3 木建的电气火灾监控系统

除了对外界火灾进行监测外，电路相间短路、过负荷运行、泄露电流等也是造成火灾的隐患之一。针对这些情况，电气火灾监控系统当之无愧成为“火灾隐患的听诊器”。

3.1 电气火灾监控系统

该系统主要由电气火灾监控器、剩余电流式/测温式电气火灾监控探测器组成。探测器通过监测线路上的漏电电流和温度，来预防由短路、过载等产生的火灾隐患。其系统方案如图5所示。

图5 电气火灾监控系统示意图Fig.5 Electrical fire monitoring system diagram

3.2 系统形式的确定

木结构建筑的电气火灾监控系统设计可依据GB 50016—2014第10.2.7条划定的建筑范围，为非消防负荷设置电气火灾监控系统。

系统形式可根据木建的规模、FAS形式及后期管理方式，选择独立式/非独立式探测方案。一般木建的建筑规模较小，很少设有消防控制室，如果电气火灾探测器设置数量不超过8个时，可采用独立式探测器，并直接接入FAS系统或值班室显示装置即可。如采用非独立式方案，电气火灾的报警信息及故障信息应在报警控制器或显示装置上显示，但不应影响正常供电系统工作。木建常用的火灾监控系统如图6所示。

图6 独立式/非独立式探测器的电气火灾监控系统Fig.6 Stand - alone / detachable detector for electrical fi re monitoring system

3.3 探测器的选择

剩余电流式探测器主要通过检测电流的不平衡度来实现探测功能，其设置主要取决于:1）配电系统的接线形式；2）线路的漏电电流。剩余电流式探测器的接线形式仅适用于TN-C-S或TN-S系统。当今，新建木建的配电系统多采用TN-C-S或TN-S，该探测器正适用。但许多木结构古建筑电气设施是早年设计的，其设计已达不到当前要求。如当时对总等电位的设计并无要求，在后期改造中，需要对此类建筑的接线形式进行重新布局，才能科学设置剩余电流式探测器。其次，考虑到每个供电系统都有自然漏流，在调试探测器的剩余电流阈值时应躲过自然漏流，防止误动作。由于木建的自然漏流较小，可适当调低自然漏流最大值与剩余电流最低值的区间，从而提高探测器的灵敏度。

测温式探测器主要通过探测发热部件的温度变化来监测火灾隐患。为了提高探测的灵敏度，可采用接触式布置，其安装部位可设在电缆接头、端子、重点发热部件等部位。如配电柜等是极易着火的部位，可将探测器布置在箱内，并将信号传至值班室。

4 雷击火灾的电气防火设计

从防火角度看，雷电导致火灾的根本原因主要是由于闪电感应、电涌侵入等影响[5]。闪电感应是闪电放电时，在金属导体产生的雷电静电感应和雷电电磁感应，它可能使金属部件之间产生火花放电；而电涌侵入是由于雷电对电缆线路及金属管道等作用，雷电波沿管线侵入屋内的现象。木建的金属物主要包括电缆进线、设备管道、钢窗、吊顶等，这些都为造成雷击火灾提供了充足的物理条件。

为防止闪电对这些金属物产生电气影响，主要应：1）设置接闪装置；2）对金属物进行等电位联结。

图7为防雷击火灾的电气示意图。其中，接闪装置主要包括接闪装置、引下线和接地装置，它能引导雷电流疏散至大地。对于木建来说，其基础一般采用砌筑基础、伐形基础、桩基础等形式[7]，基础内没有钢筋或钢筋的截面达不到接地体要求的，需单独设置人工环形接地体。考虑到土壤的电阻率，接地装置的冲击接地电阻应按GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》[8]进行接地体长度的计算，一般采用2.5 m管型/角钢接地体即可。为了将雷电流散入大地而不产生过电压，接地体的埋地深度不小于0.5 m。

此外，木结构建筑不像钢混结构有金属框架，应防止防雷装置与金属物的间隙过小而产生反击，依据GB 50057—2010，接闪装置与金属物或线路应保证间距的算式如下：

式中：Sa3——空气中的间隔距离，m；

lx——引下线计算点到连接点的长度,m；

kc——分流系数。

图7 防雷击火灾的电气示意图Fig.7 Electrical schematic diagram for lightning protection

例如：接闪装置与屋面材料之间，金属门窗与引下线之间，电缆进线、弱电线缆、金属管道与接地体之间等都应保证一定的电气间隙,但是许多金属物件并不是固定的，难以保证电气间隙。为更有效地降低电位差和防止电气反击，设计将防雷装置与电气和电子系统做总等电位联结，并共用接地装置。该措施不仅让整个建筑的金属物形成一个等势体，而且也无形地生成了一个电气屏蔽区，再配合使用相应等级的电涌保护器SPD，可极大衰减雷击电磁场的强度并有效阻止雷击电磁脉冲的侵入。

5 小结

笔者针对木建的火灾现象，分析火灾产生的根本原因。探讨通过采取火灾自动报警系统、电气火灾监控系统及防雷接地系统，多方位地对火灾隐患进行监控和抑制。此外，虽然这些措施都能有效地监测到火灾隐患，但往往火灾多因相关人员发现得不及时而造成，因此，除采取上述措施外，将火灾的报警信息准确及时地通知到相关负责人员，并迅速进行排查，才是杜绝火险的有效方法。

[1] 龚迎春,蔡芸,任海青.我国木结构产业发展机遇与挑战[J].林产工业,2016,43(7):6-10.

[2] 刘红雅.浅议古建筑火灾危险性及安全防火措施[J].科技信息,2010(2):395-396.

[3] GB 50016—2014 建筑设计防火规范[S].北京:中国计划出版社,2014.

[4] GB 50116—2013 火灾自动报警系统设计规范[S].北京:中国计划出版社,2013.

[5] 白丽娟.故宫博物院古建筑防雷保护工作的回顾[J].故宫博物院院刊,2005(5):344-377.

[6] 王时煦.园林古建的防雷与防火[J].中国园林,1994,10(3):40-45.

[7] 雷文亮.木结构古建筑地基基础的构造做法[J].山西建筑,2014,40(17):64-65.

[8] GB 50057—2010 建筑物防雷设计规范[S].北京:中国计划出版社,2010.