膜结构封闭储煤棚消防安全设计论述

史学岩

摘要：随着膜结构封闭储煤棚在煤炭仓储领域中的应用，膜结构封闭储煤棚与钢结构封闭储煤棚在结构形式、封闭材料及消防风险因素等方面的不同，对其消防安全性设计提出了不同的要求。文章介绍了膜结构的特性和膜材料的特性，分析了影响膜结构安全的风险因素，论述了膜结构储煤棚内部消防防火、通风设施的设置等，为膜结构储煤棚安全系统的设计提供一定的参考。

关键词：膜结构;储煤棚;膜材料;风险因素;消防设施

近年来，国内外出现了一种索膜结构或气膜建筑的新型建筑结构形式。此类建筑是由高强薄膜材料及加强构件（钢索或空气）通过一定方式使其内部产生预张应力以形成某种空间形状并且能承受一定的外荷载作用的空间建筑结构。该结构能够覆盖大跨度空间，具有经济性、施工周期短等优点。

膜结构封闭储煤棚是在为满足煤炭仓储的同时，降低环境污染和建设投资而选择的一种新型建筑结构。煤场封闭后相对露天煤场通风条件差，煤炭中会挥发氢气、甲烷等可燃气体，在生产作业时还会有大量粉尘悬浮在空气中，可能引发煤粉、可燃气体爆炸事故，存在消防风险。目前，膜结构建筑相关的消防设计、施工安装和验收等方面也尚无针对性的国家和行业标准、规范。文章针对膜结构封闭储煤棚的消防问题，优化防范火灾的设计方案，以期增加膜结构封闭储煤棚针对火灾事故的抗风险能力。

一、 膜结构封闭储煤棚的结构类型

（一）气承式膜结构封闭储煤棚

气承式膜结构封闭储煤棚（如图1所示）是将膜材固定于闭合刚性支承或基础上，利用风机对膜建筑室内持续送风，保持一定的内气压，通过内外压力差确保膜面足够刚度，以维持稳定形态、抵抗外部荷载。

（二）索网膜结构封闭储煤棚

索网膜建筑充分利用高强度拉索的材料性能，通过钢桁架和索网有机结合，形成稳定结构体系，是骨架式膜结构的一种。索网是由互相正交的两组索组成的双向正交索网结构，外层围护结构为柔性膜材。索网膜结构示意图如图2所示。

二、 膜材的组成及特性

膜材料由基材和涂层构成。膜材料的基材为玻璃纤维或聚酯纤维织物，表面涂层为添加了稳定剂、阻燃剂的聚氯乙烯PVC或聚四氟乙烯PTFE等聚合物[1]。 膜材示意图如图3所示。

膜材的防火性能按照GB8624-2012《建筑材料及制品燃烧性能分级》的规定进行测试并确定等级。通过膜材燃烧实验，针对工程中常用的PVC、PVDF膜材，燃烧性能等级为B1级[2]，燃烧时无燃烧滴落物，具有自熄性，不会造成火势的扩大蔓延。加涂PVDF材料的PVC膜材具有极好的耐高温性能，离开明火后0.3s内自熄[3]。

通过膜材料燃烧特性试验[4]得知：当火焰不直接接触膜材时，膜不会燃烧破洞。当火焰直接接触膜材时，膜发生热解、收缩变形，继而出现破洞现象。

通过对PVC膜材的热解及燃烧特性实验[5]得知：添加了阻燃耐老化剂TiO2的PVC膜材，能够提高PVC膜材的燃点、热解稳定性及阻燃效果，且有明显的抑烟效果，可以有效减少CO的生成，从而减少PVC膜材的烟毒性。

三、膜结构封闭储煤棚消防风险因素

据调查，封闭煤场火灾产生的主要原因是煤中会有氢气、甲烷等可燃气体。基于膜结构封闭储煤棚的消防风险因素，膜结构除了环保性能，还应具备足够的防火、防爆性能，确保煤棚能长期稳定运行。

（一）明火及高温烟气

对于膜结构建筑，虽然膜材多数是难燃或不燃材料，但膜材本身仍不能直接接触明火和高温，所以膜材料自身无耐火极限，一旦膜材料被烧融烧穿，将会严重影响结构内外气压平衡，最终会导致膜结构失去封闭作用。

（二）瓦斯等有毒气体和煤粉扬尘

堆积的煤炭由于自热，会产生瓦斯气体，在生产过程中，当瓦斯达到一定浓度时遇明火易发生爆炸。同时，煤在运输、装卸、粉碎等操作过程中会向大气逸散产生粉尘。由于煤尘本身具有燃爆性，当悬浮在空气中的煤尘积累过多达到爆炸极限时，遇到引燃热源就会发生燃爆。

四、膜结构封闭建筑的消防设计

根据膜结构储煤棚的结构形式、封闭材料及消防风险因素，膜结构封闭建筑在消防设计时应结合新技术深入思考，优化消防设计方案，提升膜结构封闭储煤场的安全性能，有效防止火灾事故的发生，最大限度降低火灾可能带来的损失。保证人员生命安全及结构整体稳定性是膜结构防火设计的基本要求。

（一）消防系统

消防设计遵循“预防为主、防消结合”的方针，根据煤场消防相关设计规范，煤场火灾危险性为丙类，封闭后需设置固定消防炮灭火系统和室内外消火栓系统。

封闭煤场内必须保证每个点都至少有2路消防水到达着火点，不得有死角。由于膜结构储煤棚面积较大，应设自动灭火设施，推荐用自动寻踪消防炮。自动寻踪消防炮的控制操作方式有消防中心自动、远控和现场应急控制三种。现场操作时，消防炮能使两股水柱到达煤场任何点，在特殊情况下应允许单台消防炮动作。

（二）监测系统

监测系统包括图像火灾监测系统、瓦斯监测系统和粉尘监测系统等。监测系统可以实现探测区域内温度、瓦斯气体浓度、粉尘浓度信息的实时采集、处理与动作信號输出。

图像火灾监测系统可以利用火灾探测器敏锐感知到火灾产生的红外线，然后利用图像火灾探测分析技术分析火灾，通过火灾监测系统能确保全天候监控，监控区域覆盖率达到100%，无盲区、无死角，一旦发生火情，可以迅速可靠地发出报警信号。火灾探测器视场范围如图4所示。

根据瓦斯常会聚集在顶部的特点，瓦斯监测系统的监测点应设置在煤棚顶部。当瓦斯浓度超过安全值时，自动报警并连锁通风系统转入事故状态，将瓦斯排出[6]。考虑到环保要求，气体排出时需加设空气排放过滤设施。

在煤堆附近、传送带附近等易产生煤粉的区域设置煤粉浓度检测仪。当煤粉浓度超标时，连锁控制系统启动排风装置进行排放，确保操作人员安全。

（三）智慧消防预警系统

智慧消防预警系统（如图5所示）基于物联网、大数据等现代信息技术，将分散的火灾监控设备、火灾报警系统、智慧消防用水等设备连成网络，使关口前移，实时采集系统火警、故障、联动动作、监管等各种信息，对采集到的数据进行云台数据分析、挖掘和趋势分析，实现科学预警火灾的目标。一旦发生火灾，在短时间内，相关报警和事件信息通过手机短信、语音电话和App推送等手段，迅速通知到相关人员，在发出警报的同时，还可以通过自动消防灭火装置启动自动灭火设备和消防联动设备。

（四）排烟通风措施

在煤场通风方面，气承式膜结构储煤棚在结构上与索膜结构储煤棚仍有区别。

气承式膜结构储煤棚的智能控制系统可监测气膜内外的压差比。在火灾发生时，气承式膜结构应结合自身系统所需的充气风机设备，打开消防疏散门，当压力低于设定的安全下限时，压差检测器会自动启动备用风机进行充气，为人员逃生争取时间，并能够在膜体压力达到安全值时自动停止运行备用风机。

索膜结构可以采用机械排风与自然排风相结合的送排风模式，通过设置适当数量的顶排或侧排，增大风扇进气量，来有效降低烟气温度，保证满足安全性要求。同时，配合先进的火灾探测技术，尽可能在火灾初期及时排出烟气。

（五）膜材降温措施

以工程中常用的PVDF膜材为例，膜材的热分解温度在316℃以上。通过模拟火灾温度场分布[7]可知，当发生火灾并开启消防疏散门后，受气体对流和压力影响，烟气温度降低显著，膜面最高温度远低于膜材燃烧分解的临界温度，膜材料不会燃烧。

当火势较大，开启消防疏散门无法降低膜面温度时，在外围可增设消防水炮或喷淋装置为膜材冷却辅助降温。根据着火位置的不同，消防水炮或喷淋装置对膜结构的危险受热位置进行降温，比如距离着火点近的位置和高热空气容易堆积的位置等。

（六）疏散报警系统

据统计，火灾中85%以上的人员死亡归咎于烟气的影响，膜结构在设计时应考虑烟气疏散时间，保障人员安全。

气承膜结构有特定的临界破洞面积，通过MATLAB仿真计算可得到膜结构的临界破洞面积。当气膜破洞大于临界破洞面积时气膜结构将会倒塌[8]。气承膜结构有维持形态的最小内外压差，当内外压差小于维持形态的最小内外压差时，气承膜结构将不能维持形状。压力传感器实时传送气膜结构内外压差，通过计算软件计算内外压差下降速度以及气承膜结构能维持其形状的时间。

在消防通道及运煤通道口设置一定数量的手动火灾报警按钮。一旦发生火灾，由火灾报警区域开始，启动疏散通道的消防应急照明、疏散指示系统及声光警报器，声光报警器带有语音提示功能，同时设置语音同步器，向煤棚内实时播报剩余逃离时间，提醒人员在规定时间内安全撤离，保障人员安全。

五、结语

膜结构储煤棚随着大型储煤棚封闭建设需求应运而生，具有传统建筑结构无法比拟的优势，应用前景十分广泛。该类建筑的消防安全设计需从材料、通风、消防、监测、除尘等方面认真深入探讨，结合最新技术，完善优化消防系统，有效防控火灾，以减少财产损失，提供安全保障。

参考文献：

[1]孙琳璘，杨斌.谈气膜建筑的应用与前景[J].山西建筑，2016，42（08）： 20-21.

[2]周洋，孙卓尔，钱铖.建筑膜材及气膜结构性能特点与应用现状[J].新型建筑材料，2016，43（08）：96-99.

[3]肖龙，郭建斌，肖亚成.气承式充气膜煤棚的优点和应用前景[J].煤炭工程，2012（10）：65-66+70.

[4]张媛媛，朱国庆，韩如适.气承膜建筑材料燃烧特性试验[J].消防科学与技术，2013，32（04）：360-363.

[5]周金炬.PVC膜材对火反应及火灾下气承式膜结构整体稳定性研究[D].江苏：中国矿业大学，2020.

[6]祝燕云，赵保华，王剑利，苏瑞杰，王启栋.气膜储煤棚通风系统设计研讨[J].暖通空调，2017，47（05）：89-92.

[7]申躍奎，王张萍，彭成波，吴波.矩形充气膜结构的火灾温度场及烟气分布[J].工业建筑，2014，44（09）：78-82.

[8]Lei Zhang，Guo-qing Zhu.Structural Stability Analysis of Pneumatic Membrane Architecture under Influence of Internal Fire[J].Procedia Engineering， 2014（71）：629-636.