膜結構是一種全新的建筑結構形式，它以優(yōu)良的織物為材料，利用柔性鋼索或剛性支撐結構通過彎曲內面力傳送，將膜面繃緊，從而形成具有一定剛度、張力，能夠覆蓋大跨度空間的結構體系，廣泛運用于大型展覽館和體育中心。
然而新的建筑形式對傳統(tǒng)的建筑防火設計理念提出了新的挑戰(zhàn)。其獨特的空間組合在防火分區(qū)的劃分、疏散距離的確定等方面都超出了現(xiàn)行規(guī)范的要求。所以我們提出了性能化的防火設計方法，從建筑物的整體安全性去考慮，合理靈活地選擇各項防火措施，確保膜建筑的防火安全性。
一、膜結構建筑物的特點和火災危險性
膜結構建筑物特點就是建筑體量龐大化，結構用材輕靈化、通透化。它的火災危險性主要表現(xiàn)在①火災蔓延快。膜建筑內部有較大和較高的吹拔空間，一旦發(fā)生火災，各種垂直通道將起拔火桶作用，當煙氣到達膜面以下時，頂部熱氣流水平運動，致使火災橫向擴大。②疏散困難。膜空間巨大，疏散距離長，加之火災時煙霧的干擾，增大了疏散難度。另外，大空間內人員多，疏散時容易發(fā)生滯留。③撲救難度大。我們缺乏撲救這類大空間建筑物火災的實戰(zhàn)經(jīng)驗，往往會遇到例如：熱輻射強，煙霧濃，火勢蔓延速度快、途徑多等很多困難，給消防滅火的登高作業(yè)、內攻偵察、火場供水等都帶來不少困難。
二、膜結構建筑物的防火設計
2.1防火設計的原則
膜結構建筑物按照現(xiàn)行法規(guī)很難實現(xiàn)其特殊空間的安全性評價，以及為了提高建筑物整體安全性能，而試圖減輕有關防火措施等方面的問題。所以我們提出性能化防火設計，通過計算機模擬和危險評估，在制定膜建筑的防火方案時，綜合考慮地區(qū)、規(guī)模、用途、空間構成、建筑材料等方面，預測火災時的火勢蔓延、煙氣流動、疏散、結構的狀態(tài)等性狀并確定評價方法，以得出適應火災各階段的防火對策。
2.2建筑防火設計
2.2.1總平面布置
膜建筑通常作為一個城市的標志性建筑，性質重要，占地面積很大，建筑總長度都在220 m以上，根據(jù)膜建筑的特點和功能要求很難實現(xiàn)規(guī)范要求——設置穿過建筑物的消防車道，所以在設環(huán)行消防車道的同時，靠近膜建筑建立一個高標準的消防站是十分必要的。美國的丹佛國際機場在滿足國際民航消防救護“兩分鐘到達跑道終端”要求的同時，將三個消防站分布在膜結構航站樓附近。
2.2.2防火分區(qū)劃分
國內現(xiàn)行的《建規(guī)》和《高規(guī)》分別規(guī)定，當其設有火災自動報警系統(tǒng)和自動滅火系統(tǒng)，且采用不燃材料或難燃材料裝修時，地上部分防火分區(qū)的允許建筑面積分別為5000m2和3000m2。膜建筑由于其大空間使用功能的需要，在以展廳或獨立的使用空間劃分防火分區(qū)時，其面積將超出我國現(xiàn)行規(guī)范的指標。目前世界上的丹佛國際機場(51000 m2)、日本東京TOKYO DOME(46755 m2)均將整個主體膜空間做成一個防火分區(qū)，國外消防技術規(guī)范對這類使用功能的膜建筑不按固定面積劃分防火分區(qū)固然有其科學依據(jù)，但發(fā)達國家的防火滅火技術相對先進，我們不能簡單的效仿或等效采用，而只能在執(zhí)行我國防技術規(guī)范的前提下，有選擇性的進行借鑒。所以我們通過性能化的設計采取以下幾個補救措施。①主體空間可不再作防火分隔，但面積必須嚴格控制，不能一味的追求“大”。特別是展覽中心，宜控制在8000～10000平方米以內。有關資料也表明，一個8000～10000平方米的展館，足以獨立作為任何性質的國際標準展廳使用；②膜空間和與之相連的部分之間必須設置有效的防火分隔設施，防止火勢向膜空間以外的其它空間蔓延；⑧防煙分區(qū)的劃分、排煙設施、疏散誘導系統(tǒng)及疏散出口個數(shù)、寬度的設計，應在執(zhí)行現(xiàn)行規(guī)范的基礎上，積極借鑒國外同類建筑消防設計的先進做法，優(yōu)化設計，以彌補面積超標造成的不足。
2.2.3防煙分區(qū)劃分及防排煙設計
在防火分區(qū)面積已經(jīng)超標的情況下，筆者認為在膜空間內防煙分區(qū)的劃分及防排煙優(yōu)化設計比防火分區(qū)更加重要。
1．防煙分區(qū)的劃分
膜建筑在主體大空間內無構造柱與梁，是一個連續(xù)完整的空間。所以通常普通建筑中以防火分區(qū)劃分防煙分區(qū)在膜空間內很難適用。所以我們可以針對它特殊的結構體系，按照NFPA9214的煙控系統(tǒng)標準對大空間區(qū)域進行防煙設計，利用空間上方結構體系，掛上以耐火纖維為基材的輕質幕布，平時卷起，在火災報警后自動放下，懸停于一定高度進行防煙分區(qū)，劃分的面積在1000平方米左右，代替了傳統(tǒng)的擋煙垂壁，效果明顯。
2．膜空間的排煙
膜空間的排煙主要依靠機械排煙。在高大的空間內熱煙氣流運動復雜，實踐證明在大空間建筑物內若風機安裝方式或風量配置不當，反而會造成煙氣彌散，擴大煙氣的危害范圍。
這里我們提出“煙羽流”的概念。在火災中，隨著燃燒的進行，高溫燃燒產(chǎn)物在浮力驅動下流向頂棚，在火源上方形成了“煙羽流”。沿著羽流軸線，周圍的冷空氣受到橫向卷吸，冷空氣與羽流中的熱煙氣發(fā)生摻混，因而隨著高度上升體積增大，羽流質量不斷增加，同時羽流的平均溫度和燃燒產(chǎn)物的平均濃度不斷下降。羽流到達頂棚時將會橫向散開，形成上部熱煙氣層，由于受空氣自然流動和機械排風作用，羽流煙氣不斷向上充填，煙氣層的厚度不斷增加，在上部煙氣層和下部潔凈空氣層中間出現(xiàn)比較明顯的分界面，并且它隨著時間的推移慢慢下降。
這類超大空間建筑物的排煙設計可考慮分為三個步驟；第一步是控煙，即通過一定的送風強度將火災煙氣吹向一個固定的空間內，使煙氣不會無規(guī)則擴散；美國丹佛國際機場膜結構航站樓內上下均設有大功率送排風機，平時送進10％的新鮮空氣，火災時則送進100％的新鮮空氣，送風強度很大，經(jīng)測試，擴散的煙氣不會超過20％。第二步是蓄煙，即利用建筑物自身的大空間條件設計“儲煙倉”將煙氣蓄積，形成距地面有一定高度的無煙層(儲煙倉容積的確定要經(jīng)過計算，太小則上升的煙羽流將迅速充滿空間，太大就會使周圍的冷空氣大量地混入熱氣羽流，煙霧顆粒和有毒氣體的溫度和濃度則被降低而失去浮力。)，第三是排煙。國外研究機構通過計算機模擬證明：如果一個煙控系統(tǒng)設計適當，可以防止煙在30～45 min內聚集在距地面3～4m處。這段時間對于人員疏散是極其寶貴的，同時也給滅火創(chuàng)造了有利條件。
一個設計良好的排煙系統(tǒng)在及時排除煙氣的同時，應在一定時間內提供適當?shù)臒o煙氣污染層高度。現(xiàn)行建筑排煙量通常按照《高規(guī)》提供的換氣次數(shù)來確定，實驗和計算機表明這種方法并不嚴密，并沒有考慮到建筑空間的差異和火災強度因素的影響。針對膜結構這種超大空間建筑物，我們結合國外先進的研究成果提出以下設計方法。
確定火災強度和火場大??；
確定煙層高層；
計算煙氣上升過程中吸卷入的空氣量；(煙氣量+吸卷入的空氣量＝排風量)
驗算由防煙幕布構成的“儲煙倉”的深度和面積是否能夠承接煙氣；
確定排風口部位位置、大小；
分析其他可能影響排煙效果的因素。
2.2.4安全疏散設計
火災時期人員能否安全及時地疏散到安全區(qū)域是判斷建筑物防火設計是否符合要求的重要指標。
針對膜結構展覽樓和體育場館的高大空間場所大部分布置在首層或2層的特點，一層人員可由各個疏散通道直通室外。二層大空間場所的疏散以直通室外地面為方式。即在二樓大廳的四周或兩則外墻處設置直通室外地面的大跨度臺階或連廊加臺階，這樣可以極大的方便二層室內人員直接疏散到室外安全地帶，而不必在慌亂中四處尋找室內的防煙樓梯，沿樓梯下到首層再跑出室外。這樣做也分流了一部分疏散人員，減輕了一層疏散壓力，爭取了疏散時間。如沙特利雅得大學膜結構體育館在二層看臺的兩側位置分別設置了寬度為62.5m、34.5m的大臺階直通室外地面。當然，當二層內疏散距離過長時，在內部適當?shù)奈恢迷鲈O一些防煙樓梯間也是必要的。
疏散時個人的行為在很大程度上受人群內其它人的影響和限制，疏散往往表現(xiàn)為“群體行為”。由于恐慌心理和對疏散路線的不熟悉，疏散過程并不容易，特別是在這種大空間建筑物里，人們往往是按照他們進入的路線疏散而不是去往最近的疏散出口。煙氣的能見度對人員的疏散也造成嚴重的制約，一般濃度的煙氣需經(jīng)100～1000倍的潔凈空氣稀釋才能達到確保安全疏散所必須的最低能見度8m；這說明一旦受到煙氣的污染，人員在煙氣場中辨別疏散路徑的困難很大。所以對于疏散指示標志和誘導裝置的設置是非常重要的。
現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，疏散走道的標志宜設在疏散走道及其轉角處距地面1.00m以下的墻面上。而膜空間內沒有走道隔墻，其疏散指示標志無法設置，如果在大空間四周墻體上設置，由于空間太大，在煙霧的干擾下，人們也很難看清。所以我們可以參照國外某些大型*的做法，在大空間大廳地面醒目位置處設置連續(xù)貫穿的、照明度較強的腳印型疏散指示標志燈帶，上敷高強度的鋼化玻璃保證不被損壞，火災時發(fā)亮，通向各個疏散出口，人們只要踏著腳印即能進入安全區(qū)域。
2.2.5火災自動報警裝置和自動滅火系統(tǒng)的設置
通常建筑中所廣泛使用的火災探測器大多數(shù)以煙氣濃度和溫度為信號進行探測的，且大多數(shù)為頂棚式安裝。普通建筑的樓層高度多數(shù)在6m以下，火災煙氣能很快到達頂棚，因此這類探測器是適用的。然而在很高的膜空間中，煙氣在上升過程中不斷受到冷卻和稀釋，在達到頂棚時濃度和溫度都大大降低，不足以啟動火災探測器。隨著火災自動報警系統(tǒng)技術的不斷發(fā)展，我們可以采用諸如雙波段圖象型火災探測、光截面圖象感煙火災探測、空氣采樣等先進的火災探測技術，使膜空間內火災早期報警難的問題得以解決。
膜空間一般為大跨度無柱空間，沿建筑四壁布置室內消火栓，膜空間中部區(qū)域勢必得不到兩股水柱的同時保護。所以在設置室內滅火系統(tǒng)時，可參照日本巨蛋Big Egg(TOKOY DOEM)的設計，在四周墻壁或看臺上設置空氣加壓移動式消防水炮。它可根據(jù)空氣加壓的大小確定射程，確保膜空間及其中部區(qū)域的安全。
另外在大廳四壁適當位置上可考慮設置帶架水槍，以便當展廳上半部的橫幅、彩帶、氣球之類的可燃物著火后，可有效的組織撲救。
然而新的建筑形式對傳統(tǒng)的建筑防火設計理念提出了新的挑戰(zhàn)。其獨特的空間組合在防火分區(qū)的劃分、疏散距離的確定等方面都超出了現(xiàn)行規(guī)范的要求。所以我們提出了性能化的防火設計方法，從建筑物的整體安全性去考慮，合理靈活地選擇各項防火措施，確保膜建筑的防火安全性。
一、膜結構建筑物的特點和火災危險性
膜結構建筑物特點就是建筑體量龐大化，結構用材輕靈化、通透化。它的火災危險性主要表現(xiàn)在①火災蔓延快。膜建筑內部有較大和較高的吹拔空間，一旦發(fā)生火災，各種垂直通道將起拔火桶作用，當煙氣到達膜面以下時，頂部熱氣流水平運動，致使火災橫向擴大。②疏散困難。膜空間巨大，疏散距離長，加之火災時煙霧的干擾，增大了疏散難度。另外，大空間內人員多，疏散時容易發(fā)生滯留。③撲救難度大。我們缺乏撲救這類大空間建筑物火災的實戰(zhàn)經(jīng)驗，往往會遇到例如：熱輻射強，煙霧濃，火勢蔓延速度快、途徑多等很多困難，給消防滅火的登高作業(yè)、內攻偵察、火場供水等都帶來不少困難。
二、膜結構建筑物的防火設計
2.1防火設計的原則
膜結構建筑物按照現(xiàn)行法規(guī)很難實現(xiàn)其特殊空間的安全性評價，以及為了提高建筑物整體安全性能，而試圖減輕有關防火措施等方面的問題。所以我們提出性能化防火設計，通過計算機模擬和危險評估，在制定膜建筑的防火方案時，綜合考慮地區(qū)、規(guī)模、用途、空間構成、建筑材料等方面，預測火災時的火勢蔓延、煙氣流動、疏散、結構的狀態(tài)等性狀并確定評價方法，以得出適應火災各階段的防火對策。
2.2建筑防火設計
2.2.1總平面布置
膜建筑通常作為一個城市的標志性建筑，性質重要，占地面積很大，建筑總長度都在220 m以上，根據(jù)膜建筑的特點和功能要求很難實現(xiàn)規(guī)范要求——設置穿過建筑物的消防車道，所以在設環(huán)行消防車道的同時，靠近膜建筑建立一個高標準的消防站是十分必要的。美國的丹佛國際機場在滿足國際民航消防救護“兩分鐘到達跑道終端”要求的同時，將三個消防站分布在膜結構航站樓附近。
2.2.2防火分區(qū)劃分
國內現(xiàn)行的《建規(guī)》和《高規(guī)》分別規(guī)定，當其設有火災自動報警系統(tǒng)和自動滅火系統(tǒng)，且采用不燃材料或難燃材料裝修時，地上部分防火分區(qū)的允許建筑面積分別為5000m2和3000m2。膜建筑由于其大空間使用功能的需要，在以展廳或獨立的使用空間劃分防火分區(qū)時，其面積將超出我國現(xiàn)行規(guī)范的指標。目前世界上的丹佛國際機場(51000 m2)、日本東京TOKYO DOME(46755 m2)均將整個主體膜空間做成一個防火分區(qū)，國外消防技術規(guī)范對這類使用功能的膜建筑不按固定面積劃分防火分區(qū)固然有其科學依據(jù)，但發(fā)達國家的防火滅火技術相對先進，我們不能簡單的效仿或等效采用，而只能在執(zhí)行我國防技術規(guī)范的前提下，有選擇性的進行借鑒。所以我們通過性能化的設計采取以下幾個補救措施。①主體空間可不再作防火分隔，但面積必須嚴格控制，不能一味的追求“大”。特別是展覽中心，宜控制在8000～10000平方米以內。有關資料也表明，一個8000～10000平方米的展館，足以獨立作為任何性質的國際標準展廳使用；②膜空間和與之相連的部分之間必須設置有效的防火分隔設施，防止火勢向膜空間以外的其它空間蔓延；⑧防煙分區(qū)的劃分、排煙設施、疏散誘導系統(tǒng)及疏散出口個數(shù)、寬度的設計，應在執(zhí)行現(xiàn)行規(guī)范的基礎上，積極借鑒國外同類建筑消防設計的先進做法，優(yōu)化設計，以彌補面積超標造成的不足。
2.2.3防煙分區(qū)劃分及防排煙設計
在防火分區(qū)面積已經(jīng)超標的情況下，筆者認為在膜空間內防煙分區(qū)的劃分及防排煙優(yōu)化設計比防火分區(qū)更加重要。
1．防煙分區(qū)的劃分
膜建筑在主體大空間內無構造柱與梁，是一個連續(xù)完整的空間。所以通常普通建筑中以防火分區(qū)劃分防煙分區(qū)在膜空間內很難適用。所以我們可以針對它特殊的結構體系，按照NFPA9214的煙控系統(tǒng)標準對大空間區(qū)域進行防煙設計，利用空間上方結構體系，掛上以耐火纖維為基材的輕質幕布，平時卷起，在火災報警后自動放下，懸停于一定高度進行防煙分區(qū)，劃分的面積在1000平方米左右，代替了傳統(tǒng)的擋煙垂壁，效果明顯。
2．膜空間的排煙
膜空間的排煙主要依靠機械排煙。在高大的空間內熱煙氣流運動復雜，實踐證明在大空間建筑物內若風機安裝方式或風量配置不當，反而會造成煙氣彌散，擴大煙氣的危害范圍。
這里我們提出“煙羽流”的概念。在火災中，隨著燃燒的進行，高溫燃燒產(chǎn)物在浮力驅動下流向頂棚，在火源上方形成了“煙羽流”。沿著羽流軸線，周圍的冷空氣受到橫向卷吸，冷空氣與羽流中的熱煙氣發(fā)生摻混，因而隨著高度上升體積增大，羽流質量不斷增加，同時羽流的平均溫度和燃燒產(chǎn)物的平均濃度不斷下降。羽流到達頂棚時將會橫向散開，形成上部熱煙氣層，由于受空氣自然流動和機械排風作用，羽流煙氣不斷向上充填，煙氣層的厚度不斷增加，在上部煙氣層和下部潔凈空氣層中間出現(xiàn)比較明顯的分界面，并且它隨著時間的推移慢慢下降。
這類超大空間建筑物的排煙設計可考慮分為三個步驟；第一步是控煙，即通過一定的送風強度將火災煙氣吹向一個固定的空間內，使煙氣不會無規(guī)則擴散；美國丹佛國際機場膜結構航站樓內上下均設有大功率送排風機，平時送進10％的新鮮空氣，火災時則送進100％的新鮮空氣，送風強度很大，經(jīng)測試，擴散的煙氣不會超過20％。第二步是蓄煙，即利用建筑物自身的大空間條件設計“儲煙倉”將煙氣蓄積，形成距地面有一定高度的無煙層(儲煙倉容積的確定要經(jīng)過計算，太小則上升的煙羽流將迅速充滿空間，太大就會使周圍的冷空氣大量地混入熱氣羽流，煙霧顆粒和有毒氣體的溫度和濃度則被降低而失去浮力。)，第三是排煙。國外研究機構通過計算機模擬證明：如果一個煙控系統(tǒng)設計適當，可以防止煙在30～45 min內聚集在距地面3～4m處。這段時間對于人員疏散是極其寶貴的，同時也給滅火創(chuàng)造了有利條件。
一個設計良好的排煙系統(tǒng)在及時排除煙氣的同時，應在一定時間內提供適當?shù)臒o煙氣污染層高度。現(xiàn)行建筑排煙量通常按照《高規(guī)》提供的換氣次數(shù)來確定，實驗和計算機表明這種方法并不嚴密，并沒有考慮到建筑空間的差異和火災強度因素的影響。針對膜結構這種超大空間建筑物，我們結合國外先進的研究成果提出以下設計方法。
確定火災強度和火場大??；
確定煙層高層；
計算煙氣上升過程中吸卷入的空氣量；(煙氣量+吸卷入的空氣量＝排風量)
驗算由防煙幕布構成的“儲煙倉”的深度和面積是否能夠承接煙氣；
確定排風口部位位置、大小；
分析其他可能影響排煙效果的因素。
2.2.4安全疏散設計
火災時期人員能否安全及時地疏散到安全區(qū)域是判斷建筑物防火設計是否符合要求的重要指標。
針對膜結構展覽樓和體育場館的高大空間場所大部分布置在首層或2層的特點，一層人員可由各個疏散通道直通室外。二層大空間場所的疏散以直通室外地面為方式。即在二樓大廳的四周或兩則外墻處設置直通室外地面的大跨度臺階或連廊加臺階，這樣可以極大的方便二層室內人員直接疏散到室外安全地帶，而不必在慌亂中四處尋找室內的防煙樓梯，沿樓梯下到首層再跑出室外。這樣做也分流了一部分疏散人員，減輕了一層疏散壓力，爭取了疏散時間。如沙特利雅得大學膜結構體育館在二層看臺的兩側位置分別設置了寬度為62.5m、34.5m的大臺階直通室外地面。當然，當二層內疏散距離過長時，在內部適當?shù)奈恢迷鲈O一些防煙樓梯間也是必要的。
疏散時個人的行為在很大程度上受人群內其它人的影響和限制，疏散往往表現(xiàn)為“群體行為”。由于恐慌心理和對疏散路線的不熟悉，疏散過程并不容易，特別是在這種大空間建筑物里，人們往往是按照他們進入的路線疏散而不是去往最近的疏散出口。煙氣的能見度對人員的疏散也造成嚴重的制約，一般濃度的煙氣需經(jīng)100～1000倍的潔凈空氣稀釋才能達到確保安全疏散所必須的最低能見度8m；這說明一旦受到煙氣的污染，人員在煙氣場中辨別疏散路徑的困難很大。所以對于疏散指示標志和誘導裝置的設置是非常重要的。
現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，疏散走道的標志宜設在疏散走道及其轉角處距地面1.00m以下的墻面上。而膜空間內沒有走道隔墻，其疏散指示標志無法設置，如果在大空間四周墻體上設置，由于空間太大，在煙霧的干擾下，人們也很難看清。所以我們可以參照國外某些大型*的做法，在大空間大廳地面醒目位置處設置連續(xù)貫穿的、照明度較強的腳印型疏散指示標志燈帶，上敷高強度的鋼化玻璃保證不被損壞，火災時發(fā)亮，通向各個疏散出口，人們只要踏著腳印即能進入安全區(qū)域。
2.2.5火災自動報警裝置和自動滅火系統(tǒng)的設置
通常建筑中所廣泛使用的火災探測器大多數(shù)以煙氣濃度和溫度為信號進行探測的，且大多數(shù)為頂棚式安裝。普通建筑的樓層高度多數(shù)在6m以下，火災煙氣能很快到達頂棚，因此這類探測器是適用的。然而在很高的膜空間中，煙氣在上升過程中不斷受到冷卻和稀釋，在達到頂棚時濃度和溫度都大大降低，不足以啟動火災探測器。隨著火災自動報警系統(tǒng)技術的不斷發(fā)展，我們可以采用諸如雙波段圖象型火災探測、光截面圖象感煙火災探測、空氣采樣等先進的火災探測技術，使膜空間內火災早期報警難的問題得以解決。
膜空間一般為大跨度無柱空間，沿建筑四壁布置室內消火栓，膜空間中部區(qū)域勢必得不到兩股水柱的同時保護。所以在設置室內滅火系統(tǒng)時，可參照日本巨蛋Big Egg(TOKOY DOEM)的設計，在四周墻壁或看臺上設置空氣加壓移動式消防水炮。它可根據(jù)空氣加壓的大小確定射程，確保膜空間及其中部區(qū)域的安全。
另外在大廳四壁適當位置上可考慮設置帶架水槍，以便當展廳上半部的橫幅、彩帶、氣球之類的可燃物著火后，可有效的組織撲救。