超高层建筑防火构造设计探析

2021-12-07桐城市科技创新服务中心

门窗 2021年11期

金贝桐城市科技创新服务中心

1 前言

随着社会经济的发展，城市建设速度越来越快，规模越来越大，高层建筑乃至超高层建筑因为能够最大限度地利用城市的土地资源，因而在现代化城市中发挥着非常重要的作用。必须要在建筑设计过程中高度重视消防安全，通过科学的防火构造设计来最大限度地降低火灾隐患，减少火灾损失。本文将重点探讨超高层建筑防火构造设计，希望能够对相关从业者有所帮助。

2 超高层建筑火灾的危害性

超高层建筑一旦发生火灾，由于其楼层高，人员多，结构复杂，疏散路线长，所以其危害性要远远大于普通建筑。超高层建筑的火灾危害性，在以下四个方面体现得尤其明显。

2.1 火势蔓延快

高层建筑一旦发生火灾，其排气道、管道井、楼梯间诸如此类的竖向井道设施，如果没有做好防火分隔，就会成为火灾蔓延的通道，使得火势会在很短时间内迅速蔓延扩大。研究数据表明，在火灾刚刚出现的时候，烟气扩散速度在水平向通常只有0.3m/s；然而一旦火势逐渐壮大，高温状态下引发热对流时，水平方向烟气扩散速度会增加到0.5m/s～0.8m/s。然而如果烟气沿竖向井蔓延，其垂直扩散速度高到3m/s～4m/s。这样的蔓延速度意味着，一栋100m的超高层建筑，火势在没有有效阻挡的情况下，半分钟就可以从地面蔓延至顶层。而且超高层建筑的高度越高，风速越快，也会加速火势蔓延。通常情况下建筑物10m位置的风速如果为5m/s，则其在30m、60m、90m的风速分别为8.7m/s、12.3m/s、15m/s，并且随着高度继续增加，这一数据还会继续增加，使得火势的控制和扑救难度进一步增加。

2.2 人员疏散难度高

超高层建筑的巨大危害性还在于人员疏散非常困难，所以往往导致很大的人员伤亡。一方面，建筑本身高度高，层数多，人员疏散的线路长，时间长；另一方面，高层建筑中的人员总量大，疏散通道相对有限，导致疏散困难。再加上一旦发生火灾，极快的火势会迅速蔓延，浓烈的烟雾不仅会影响疏散，会直接危及人员生命。统计数据表明，烟熏在火灾中导致死亡的各种原因中占比最高。

2.3 消防灭火难度大

火灾发生以后，超高层建筑灭火的困难和障碍非常多。高层建筑结构十分复杂，层数高、功能多、人员密集、垂直方向上人员疏散距离远，加之火灾事故发生时容易造成恐慌，火灾所产生的烟气也会对人员视觉和呼吸系统造成影响，导致人员疏散中很容易出现踩踏事故，提高事故伤亡概率。火势过快的蔓延，同时伴有强烈的热辐射和浓烈的烟雾，使得消防队员往往无法有效堵截。建筑高度过高，而通常的消防灭火设施高度有限，所以室外灭火难以有效开展，室内消防给水设施则是主要扑救设施，但是一旦火势大范围蔓延，很容易出现室内消防用水不足的问题。再加上建筑高度过高，容积率较大，人员疏散时间过长。加拿大一项关于人员疏散的科学实验中，设定高层建筑中每一楼层固定容纳200人，沿着1.1m宽的楼梯进行人员疏散，结果显示：11层高的建筑中，全部人员疏散需要的6.5min，50层高的建筑中，全部人员疏散则需要近130min。可见高层建筑随着层高的逐渐增加，人员疏散时长增加，而且受火势迅速蔓延和烟雾的影响，人员疏散难度势必大大提升。

2.4 火灾隐患多

当前城市中的高层建筑普遍都有多元化功能，很多都是融合商业、办公、住宅、观光等多种功能，内部具有相对较多的可燃易燃物，再加上高层建筑复杂的电气系统，如果管理不善，则很容易会引发火灾事故。所以，高层建筑火灾防控一直以来都是社会关注的重点。

2.5 钢结构耐火性不够

传统的建筑施工建设中普遍使用混凝土材料，但是对于高层建筑而言，混凝土材料不足以支撑高强度的负载，所以，通常使用钢结构开展高层建筑施工。虽然钢结构质轻，可以承载较高的负载，但是，在防火性能方面表现出劣势。通常情况下，普通的建筑钢材在600℃的条件下，会出现变形扭曲的问题，自身承载力大大降低，所以，钢结构建筑在火灾中极易出现坍塌问题，进而造成更加严重的事故。为了提升钢结构的耐火性，一般在开展前期建设和安装时，会在结构外表面涂抹一层防火涂料，但是这些涂料具有一定的耐火时限，通常在2h～3h，所以还是很难从根本上解决火灾隐患

3 超高层建筑防火设计的措施

对于超高层建筑来说，要想做好防火安全，首先必须要在设计过程中综合考虑建筑的实际功能，严格依据国家对于消防安全的相关规定，展开全面的防火疏散设计。超高层建筑的防火设计，要高度重视以下内容。（1）要确保高层建筑的总体安全性和畅通运行，要确保与相邻建筑之间的具备足够的防火间距，通过科学的规划广场、空地、绿化等设施，从而保证消防通道的畅通性，确保火灾发生时，消防车能够方便开展消防工作。（2）要针对超高层建筑的实际情况，科学划分防火分区。防火分区的划分，一方面要基于防火墙做好水平分区，另一方面要基于耐火楼板来做好垂直分区；这样才能够保证在火灾发生时，有效阻止火势的大范围蔓延。此外要必须特别重视管道、线路设计中，对火势蔓延的有效防范和阻止。（3）要基于建筑的实际情况，确保建筑梁、柱、防火门等基本构建的耐火极限符合相关标准和要求，这也在很大程度上决定火灾发生后结构的支撑能力，以及防火分区的隔火能力合理设计疏散出口和楼梯，并保证建筑内的最远疏散距离符合消防相关规定；另外要保证疏散通道具备良好的防火封闭、排烟措施，为人员疏散尽量提供好的条件。（4）建筑内部的装修，以及家具、隔断的材料，尽量不要选择可燃甚至易燃材料，这样既能够有效降低火灾隐患也能够在火灾发生时起到一定的阻燃效果。（5）要保证建筑的消防给水系统的科学性和有效性，一方面要保证消防用水量和水压符合消防要求，另一方面要保证建筑内部最不利点的水压以及消防距离。（6）建筑内部要建立完善的、可靠的火灾报警系统、智能化灭火系统；并且要推动各种系统之间的有力联动，从而实现火灾的报警、灭火、排烟、疏散等系统一体化运行，以最大程度提高火灾反应时间，提升火灾的初期控制能力，加快人员的安全疏散。总的来说，超高层建筑务必要在设计阶段就严格执行国家消防安全相关法律法规，严格依据相关的规定和标准执行，同时要综合考虑建筑的主体结构、暖通、电气、给排水等多系统，从而保障整个防火疏散系统的科学性和有效性。

4 超高层建筑防火构造设计要点

4.1 超高层建筑的特殊防火设计要求

按照我国当前的《高层建筑防火设计规范》中的相关条款，超高层建筑的防火构造设计，必须严格遵守普通高层建筑的相关要求，在此基础上，还有以下针对超高层建筑（建筑高度超过100m）的专门性要求。（1）超高层建筑的电缆井、管道井，必须以耐火极限不低于楼板的不燃材料实施每层之间的分割。（2）超高层建筑务必要具备符合相关标准的避难层或避难间。（3）对于标准层建筑面积在1000m2以上的超高层公共建筑，应当在屋顶设置满足相关要求的直升机停机坪，或者能够满足直升机救援的相关设施。（4）超高层建筑要求内部的消防最不利点，必须要具备0.15MPa以上的消防栓静水压，以保证发生火灾时能够消防栓能够有效实施灭火；如果高位消防水箱无法实现这一标准，必须要通过增压措施来达成这一标准。（5）超高层建筑中处理一些有特殊说明的空间，都必须要具备自动喷淋系统。

4.2 楼梯设计

超高层建筑的楼梯，是发生火灾时的重要通道，所以要求建筑疏散楼梯至少要具备1h的耐火极限。这也决定了疏散楼梯必须要采用不燃烧体，钢筋混凝土是最常用的能够保障1h耐火极限的材料。另外，疏散楼梯要尽量避免使用螺旋、扇形楼梯，如果无法避免，则要确保满足两个要求：上下两级平面角度不超过10°，距离扶手250mm处保证踏步深度在220mm以上。

4.3 防火门设计

防火门是整个消防安全系统中最重要的基本结构之一，主要包括门框、门扇、控制设备等主要构建，这些构建的性能也在很大程度上决定了防火门的防火能力和隔烟能力。防火门依据其耐火能力，有甲乙丙三种级别，甲级最高，丙级最低；依据燃烧特性，有非燃烧和难燃烧体两种类型，前者的材料为钢板、石棉板、矿棉等不燃材料构成的，而后者则是采用的不燃材料覆盖内部的可燃材料的形式。

4.4 防火墙设计

防火墙是为了阻止火灾发展和蔓延，同时减少热辐射而设置的具有较高耐火性的墙体，由不燃材料构成。对于超高层建筑，防火墙是划分防火分区的关键构件。按照相关要求，建筑防火墙至少要具备3h的耐火极限，对于一些有特殊要求的建筑，甚至需要4h。防火墙的材料主要以全现浇钢筋混凝土、框架结构砌体填充墙为主。对于防火墙的位置、性能、构造以及耐火极限等，有以下基本要求。（1）一般情况下，防火墙必须要直接建设在建筑基础，或者建筑承重结构上。（2）防火墙横截面中心线，与天窗端面的距离必须要控制在4m以内。（3）防火墙通常不能设置在建筑的转角位置，如果防火墙与转角位置距离较近，必须要满足内转角两侧门窗的边缘距离必须要超过4m。（4）一般情况下防火墙上不得开设门窗，如果基于某种情况无法避免，则使用的门窗必须要是固定的，或者当火灾发生后能够自动闭合，且要求门窗必须满足甲级防火标准。（5）通常情况下防火墙上不得有管道贯穿，尤其是可燃气体、甲乙丙类液体务必要禁止贯穿。如果有其他管道无法避免从防火墙穿过，需要对管道与墙的缝隙处采用防火材料进行完全的填充；如果管道为可燃物或难燃物，还需要对墙面两侧实施针对性的防火措施。