地下建筑的防火设计及防火涂料应用研究

李朋威 ，张晖 ，游秀华 ，吴会军 ，3，杨建明

（1.广州大学 土木工程学院，广东 广州 510006；2.河南省基本建设科学实验研究院有限公司，河南 郑州 450016；3.广州大学 广东省建筑节能及应用技术重点实验室，广东 广州 510006）

0 前言

地下空间具有抗震性好、稳定性好、防护性好等优点，还具有隐蔽、隔音和恒温等特点。地下空间是拓展人类生存空间的一种宝贵的自然之源，至今尚未被充分开发利用。在城市化建设过程中，为缓解用地紧张，地下空间的开发利用已经成为城镇化发展的重要组成部分。

城市地下建筑的开发利用改善了城市生态环境，减轻地上交通拥堵，有效利用城市空间，为人们提供了更大的生活、娱乐、购物空间，改善了人们生存、生活空间的压力。国内对地下建筑的开发研究方面起步较晚，但发展很快，目前城市道路系统中的地下交通工程，地下商业综合体和地下步行街大量涌现，地下空间的开发利用逐步呈现系统化、多功能化、大面积化的发展趋势。

地下建筑具有其独特的特点，潮湿的环境，空间相对封闭，容易引发火灾事故，疏散扑救困难，危害严重，对地下建筑进行科学合理的防火设计至关重要。

目前关于地上建筑的火灾的研究已经比较成熟，在防火和灭火方面已经有了一整套成文的规定，对于地下建筑的防火、灭火则缺乏成熟的经验。在积极开发利用地下空间的同时，必须加强对地下建筑防火和灭火的研究，掌握地下建筑火灾的特点规律及防火灭火的有效方法，为地下建筑的防火设计工作创造有利条件。本文基于国内外相关研究成果，综述了地下建筑火灾特点，防火设计研究方法和防火材料在地下建筑的应用。

1 地下建筑火灾特点

地下建筑是处于地表以下的建筑，按功能可分为军用地下建筑、民用地下建筑、各种地下防空工程、工业用地下建筑、交通和通信地下建筑、地下仓库、地下综合体以及各种地下公用设施。

与地上建筑相比，地下建筑空间相对封闭，其火灾具有易发性、火情发现困难、火势蔓延快、泄爆能力差、温度上升比较快且高、有害烟气浓度高、扑救难度大、人员疏散困难等特点，如表1所示。

表1 地下建筑与地上建筑火灾特点比较

基于地下建筑火灾的特点，地下建筑火灾危害性更大，更容易形成火灾，而且火灾后不利于火灾扑救和安全疏散，一旦发生火灾就会造成巨大的人员伤亡和经济损失。

提高地下建筑的防火设施，有效避免地下空间火灾的发生，采取有效的灭火方法，降低火灾造成的经济损失，减少人员伤亡，刻不容缓。

2 基于预测模型的地下建筑防火设计

2.1 烟气预测模型

国内外大量火灾的统计表明，发生火灾时烟气是导致人员伤亡的最大因素，而地下建筑封闭性较高的特征，发生火灾时烟气浓度大、温度高。在地下建筑中烟气的危害更大，分析火灾发生时地下建筑内部烟气的流动状况，了解烟气运行规律，是进行防排烟设计的基础。

火灾烟气控制的研究方法，主要分为3种：（1）模型实验，通过等比例缩小实验对象制作一个对应的模型进行火灾实验，制作模型需要大量人力物力，目前应用还比较少；（2）计算机模拟，基于计算机软件来模拟发生火灾时地下建筑内部的烟气流动，探究烟气流动的规律，是目前研究地下建筑烟气流动情况常用的方法；（3）全尺度火灾实验，基于实际地下建筑空间进行火灾烟气实验，试验来有一定的难度，应用也比较少，只能针对一些特殊的建筑。

国外在计算机建立模型实验来研究地下建筑烟气流动规律方面已经很成熟。Suzuki K，Tanaka T[1]利用多层区域模型对在水平和倾斜的矩形管道设施的火灾实验2种情况下的温度数据进行了模型预测，结果与试验数据有很好的一致性；并且对地下车站烟气温度和流动规律进行了预测，建立了促进了解的有用性模型。Merci B，Maele K[2]利用数值模拟流体力学软件模拟了地下隧道的火灾时烟气流动规律及温度分布规律。Jain S等[3]运用CFD技术及CFASTD等模拟研究了地下隧道的火灾增长速度和烟雾运动规律,其模拟计算的速度和温度场如图 1（a）、（b）所示。

图1 CFD模拟烟气流动和温度

2.2 防火防烟分区的设计

地下建筑防火分区的设置比地上建筑的要求更高，并且地下建筑一般面积较大，建筑的用途种类比较复杂，给地下建筑的防火分区的设置增加了难度。

地下建筑的火灾火势蔓延较快，设置合理的防火防烟分区防止火势的扩大蔓延，减少不必要的伤亡和损失是非常有必要的。Lijun S等[4]指出大型地下建筑防火防烟分区设置存在以下问题，防火区间及分区划分原则的不确定性、防火分区面积指标取值具有不确定性,并以广州珠江新城核心区域地下空间为例分析了防火分区的设置：（1）采用防火墙、防火玻璃和防火玻璃门在商店与主人行道之间进行防火分隔，使各个商店成为独立的防火分区，各防火分区内商店通过防烟前室进入内部走道，再疏散到楼梯间、下沉广场或室外；（2）在主人行道内合理设置自动挡烟垂壁；（3）各商店防火分区内部通道通往主人行通道的安全出口设置常开甲级防火门；（4）商店及主人行通道设置自动喷水灭火系统和机械排烟系统；（5）商店各防火分区的内部走道设置加压送风系统，并用防火墙与商店分隔，与商店连通处设置防烟前室，该内部通道可以作为亚安全区设计。在发生火灾时内部走道起着疏散人群的重要作用，无论空间功能如何调整，内部通道的功能不能改变。

根据烟气预测模型，通过数值模拟方法可以对地下空间防火防烟分区进行模拟，探究防火防烟分区的合理性，研究成果较多。Yang X等[5]建立了一个大涡模拟模型来研究地下受限空间的火灾情况，从而分析现有的防火防烟分区是否合理。Xiang Y U等[6]提出了利用大型地下商业建筑中庭增强防火分隔的方案，并对几种火灾场景火势从一个区域向另一个区域蔓延的可能性进行了数值模拟实验，结果表明，这种方法可以有效阻止火灾蔓延，并符合规范要求。Nan Huaxiang、Xu W[7]基于城市地下综合体的特点提出应用步行街增强消防防火分区，通过理论计算和数值模拟验证了步行街作为火灾隔离的有效性，结果表明，该方案可以有效阻止火灾蔓延。进行数值模拟最常用的为FDS软件、CFD软件等，图2为使用FDS对某地下商场火灾后360 s其温度和烟气流动能见度数值模拟分析[8]，通过温度和能见度分析图可以清晰地看出所设计的防火分区、排烟方式是否合理。

图2 某地下FDS软件模拟温度和能见度

通过软件模拟地下建筑火灾时烟气流动规律，以及火势蔓延的规律，以此为基础进行防火防烟分区设计以及防排烟方式的设计，是一种有效的方法，但需要进一步的研究、分析，总结出一套适用的地下建筑防火分区规范。

2.3 人员疏散方式模型研究

地下建筑发生火灾时烟气的流动方向和人员的疏散方向往往是相同的，合理的人员疏散方式是在烟气弥漫到来之前使所有人员安全疏散。

目前应用比较多的方法：建立疏散模型，采用计算机软件对人员疏散过程进行模拟，评估疏散方式和疏散出口的合理性。常见的人员疏散模型包括离散型模型和连续型模型，离散型模型如格子气模型[9]、元胞自动机模型[10]，连续型模型如社会力模型[11]等。

利用建立模型软件模拟来研究地下建筑空间的人员疏散情况，可以很好地判断在火灾发生时所设置的疏散方式是否合理，进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 内装修材料的防火性能

在建筑物的防火中最理想的方法是预防起火，而室内装修材料在预防起火方面起着重要作用：其一，当火源起火火焰蔓延到装修材料时，所使用装饰材料具有良好的耐火阻火性能，火源没有可以维持燃烧的材料就无法持续燃烧。其二，当起火位置在装修材料附近时，装修材料具有较好的防火性能，能够阻止火势的进一步蔓延，火源燃烧一段时间后就会自行熄灭[12]。

市场上常见的装饰装修材料主要有无机矿物板、金属板、有机板、纤维织物、木质品、防火涂料、阻燃剂等。李博[13]通过分析建筑装修时室内装修材料的使用数量，总结出每100 m2内各种可燃易燃装修材料的使用情况（见表2）。

表2 每100 m2室内装修工程可燃易燃装修材料的用量

由表2可见，装修材料中有机高分子材料以及其他易燃材料占有很大一部分，这些可燃易燃材料，一旦遇火，火势蔓延速度极快，并产生大量的有毒、有害气体，很快使人窒息失去知觉而不能逃生，大大增加了火灾的隐患和危害。因此，提高室内装修材料的耐火阻火性能，做好火灾预防及防护，是非常有必要的。

3.2 防火涂料在地下建筑防火中的应用

根据GB 50222—2015《建筑内部装修设计防火规范》第3.4节要求，对地下建筑内部装饰装修材料耐火等级要求比地上建筑更高。在地下建筑发生火灾时，其内部的装饰装修材料首当其冲的要面临火焰的烘烤，而普通的装饰装修材料都是易燃烧的有机物、木质等材料组成，会加速火灾的蔓延，并且在燃烧过程中会产生大量的烟气和有毒气体，而地下建筑空间一般比较封闭，烟气很难排出，会在地下空间内流动增大受害面积，因此需要必须采取有效的措施，以增强地下建筑内部装修装饰材料的防火阻火性能。

防火涂料是在易燃的装饰装修材料表面涂上1层耐火的涂层，从而提高防火阻火性能。目前国内外高性能防火涂料主要有膨胀型和非膨胀型2种。膨胀型防火涂料主要是涂层受热膨胀后在装修材料表面形成1层致密的炭化层，从而达到防火阻火的目的[14]。非膨胀型防火涂料是从外部吸收大量的热量，在表面形成1层隔绝氧气的保护层来达到防火的目的，自身并不发生膨胀[15]。

高仲亮等[16]研究了在几种木质基材上涂覆不同量的防火涂料后的耐燃时间，如图3所示，可见在木质基材装饰材料上涂覆防火涂料可以有效提高其耐燃时间。

图 3 各基材在不同涂覆量下的耐燃时间

常见的防火涂料种类有：有机型防火涂料、无机型防火涂料、有机-无机结合型防火涂料和新型纳米复合型防火涂料。由于地下建筑对防火涂料的耐火阻火性能要求更高，对此国内外学者对不同种类的防火涂料及使用方法进行了大量研究。

王新刚等[17]分析了我国饰面防火涂料，指出饰面型防火涂料分为溶剂型和水性2种。溶剂型饰面防火涂料具有耐水和防潮的优点，但耐火性能较差，而水溶剂型饰面防火涂料耐火性较好，但防潮性能相对较差。

王芳芳等[18]利用有机和无机材料的结合制备出防火性能好、不污染环境、适用范围广的有机无机复合型纳米防火隔热涂料,可以作为隔热耐火的涂层。Zhang X等[19]研究了用氧化石墨烯纳米填充涂料来增强聚氨酯泡沫的阻燃性和抑烟性。Kruger S等[20]研究了在极端火灾情况下（高温，长燃烧时间）防火涂料的防火模拟。Das P等[21]研究了层状结构的高负载聚合物粘土纳米复合材料阻燃表面涂层的一种通用的、可扩展的、环保的涂料喷涂方法，可以适应不同的表面。

特别地，SiO2气凝胶是一种纳米多孔的新型建筑保温材料，具有导热系数低、耐火不燃[22]等特点。Koravos J等[23]研究了气凝胶涂层的防火性能，得出基材温度分别为160℃与200℃时，涂覆1 mm厚的气凝胶涂层比涂覆陶瓷涂层使表面温度分别降低了14℃和18℃，气凝胶涂层大大提高了基材在200℃的防火性能。表明SiO2气凝胶可以作为耐火涂层，并且已在地下建筑防火方面获得一定的应用。李建涛等[24]在无机胶凝材料和乳胶粉配制的粘结剂中加入SiO2气凝胶和各种助剂制备了一种薄层隧道防火涂料，并且确定了气凝胶的质量分数为4%时涂料的性能最佳。以SiO2气凝胶作为填料的防火涂料应用范围广，防火效果好，作为地下建筑防火涂料具有很好的发展前景。

通过地下建筑内部装修装饰材料表面涂抹防火涂层，可使建筑装修装饰材料耐火防火性能提升，成为地下建筑防火的重要措施。

4 结语

地下空间的开发利用对现代城市化的建设发展具有重要意义，在探索和利用地下空间的同时保障环境安全日益引起关注。针对地下建筑火灾特点及防火阻火方式，已开展了大量的研究工作，但还缺少系统的地下建筑阻火、防火、抗火的安全规范；地下空间开发利用的趋势具有面积大、人员密集、使用范围宽等特点，更增加了其防火难度，地下建筑防火设计将朝着集中化、系统化、规范化、高效安全化的方向发展。

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