膜結(jié)構(gòu)是一種全新的建筑結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)通過彎曲內(nèi)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(jié)構(gòu)體系，廣泛運(yùn)用于大型展覽館和體育中心。
然而新的建筑形式對(duì)傳統(tǒng)的建筑防火設(shè)計(jì)理念提出了新的挑戰(zhàn)。其獨(dú)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(shè)計(jì)方法，從建筑物的整體安全性去考慮，合理靈活地選擇各項(xiàng)防火措施，確保膜建筑的防火安全性。
一、膜結(jié)構(gòu)建筑物的特點(diǎn)和火災(zāi)危險(xiǎn)性
膜結(jié)構(gòu)建筑物特點(diǎn)就是建筑體量龐大化，結(jié)構(gòu)用材輕靈化、通透化。它的火災(zāi)危險(xiǎn)性主要表現(xiàn)在①火災(zāi)蔓延快。膜建筑內(nèi)部有較大和較高的吹拔空間，一旦發(fā)生火災(zāi)，各種垂直通道將起拔火桶作用，當(dāng)煙氣到達(dá)膜面以下時(shí)，頂部熱氣流水平運(yùn)動(dòng)，致使火災(zāi)橫向擴(kuò)大。②疏散困難。膜空間巨大，疏散距離長，加之火災(zāi)時(shí)煙霧的干擾，增大了疏散難度。另外，大空間內(nèi)人員多，疏散時(shí)容易發(fā)生滯留。③撲救難度大。我們?nèi)狈渚冗@類大空間建筑物火災(zāi)的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，往往會(huì)遇到例如：熱輻射強(qiáng)，煙霧濃，火勢(shì)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(nèi)攻偵察、火場供水等都帶來不少困難。
二、膜結(jié)構(gòu)建筑物的防火設(shè)計(jì)
2.1防火設(shè)計(jì)的原則
膜結(jié)構(gòu)建筑物按照現(xiàn)行法規(guī)很難實(shí)現(xiàn)其特殊空間的安全性評(píng)價(jià)，以及為了提高建筑物整體安全性能，而試圖減輕有關(guān)防火措施等方面的問題。所以我們提出性能化防火設(shè)計(jì)，通過計(jì)算機(jī)模擬和危險(xiǎn)評(píng)估，在制定膜建筑的防火方案時(shí)，綜合考慮地區(qū)、規(guī)模、用途、空間構(gòu)成、建筑材料等方面，預(yù)測火災(zāi)時(shí)的火勢(shì)蔓延、煙氣流動(dòng)、疏散、結(jié)構(gòu)的狀態(tài)等性狀并確定評(píng)價(jià)方法，以得出適應(yīng)火災(zāi)各階段的防火對(duì)策。
2.2建筑防火設(shè)計(jì)
2.2.1總平面布置
膜建筑通常作為一個(gè)城市的標(biāo)志性建筑，性質(zhì)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(diǎn)和功能要求很難實(shí)現(xiàn)規(guī)范要求——設(shè)置穿過建筑物的消防車道，所以在設(shè)環(huán)行消防車道的同時(shí)，靠近膜建筑建立一個(gè)高標(biāo)準(zhǔn)的消防站是十分必要的。美國的丹佛國際機(jī)場在滿足國際民航消防救護(hù)“兩分鐘到達(dá)跑道終端”要求的同時(shí)，將三個(gè)消防站分布在膜結(jié)構(gòu)航站樓附近。
2.2.2防火分區(qū)劃分
國內(nèi)現(xiàn)行的《建規(guī)》和《高規(guī)》分別規(guī)定，當(dāng)其設(shè)有火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)和自動(dòng)滅火系統(tǒng)，且采用不燃材料或難燃材料裝修時(shí)，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(dú)立的使用空間劃分防火分區(qū)時(shí)，其面積將超出我國現(xiàn)行規(guī)范的指標(biāo)。目前世界上的丹佛國際機(jī)場(51000 m2)、日本東京TOKYO DOME(46755 m2)均將整個(gè)主體膜空間做成一個(gè)防火分區(qū)，國外消防技術(shù)規(guī)范對(duì)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(xué)依據(jù)，但發(fā)達(dá)國家的防火滅火技術(shù)相對(duì)先進(jìn)，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(shù)規(guī)范的前提下，有選擇性的進(jìn)行借鑒。所以我們通過性能化的設(shè)計(jì)采取以下幾個(gè)補(bǔ)救措施。①主體空間可不再作防火分隔，但面積必須嚴(yán)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(nèi)。有關(guān)資料也表明，一個(gè)8000～10000平方米的展館，足以獨(dú)立作為任何性質(zhì)的國際標(biāo)準(zhǔn)展廳使用；②膜空間和與之相連的部分之間必須設(shè)置有效的防火分隔設(shè)施，防止火勢(shì)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(shè)施、疏散誘導(dǎo)系統(tǒng)及疏散出口個(gè)數(shù)、寬度的設(shè)計(jì)，應(yīng)在執(zhí)行現(xiàn)行規(guī)范的基礎(chǔ)上，積極借鑒國外同類建筑消防設(shè)計(jì)的先進(jìn)做法，優(yōu)化設(shè)計(jì)，以彌補(bǔ)面積超標(biāo)造成的不足。
2.2.3防煙分區(qū)劃分及防排煙設(shè)計(jì)
在防火分區(qū)面積已經(jīng)超標(biāo)的情況下，筆者認(rèn)為在膜空間內(nèi)防煙分區(qū)的劃分及防排煙優(yōu)化設(shè)計(jì)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(nèi)無構(gòu)造柱與梁，是一個(gè)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(nèi)很難適用。所以我們可以針對(duì)它特殊的結(jié)構(gòu)體系，按照NFPA9214的煙控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)大空間區(qū)域進(jìn)行防煙設(shè)計(jì)，利用空間上方結(jié)構(gòu)體系，掛上以耐火纖維為基材的輕質(zhì)幕布，平時(shí)卷起，在火災(zāi)報(bào)警后自動(dòng)放下，懸停于一定高度進(jìn)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(jī)械排煙。在高大的空間內(nèi)熱煙氣流運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，實(shí)踐證明在大空間建筑物內(nèi)若風(fēng)機(jī)安裝方式或風(fēng)量配置不當(dāng)，反而會(huì)造成煙氣彌散，擴(kuò)大煙氣的危害范圍。
這里我們提出“煙羽流”的概念。在火災(zāi)中，隨著燃燒的進(jìn)行，高溫燃燒產(chǎn)物在浮力驅(qū)動(dòng)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(zhì)量不斷增加，同時(shí)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(dá)頂棚時(shí)將會(huì)橫向散開，形成上部熱煙氣層，由于受空氣自然流動(dòng)和機(jī)械排風(fēng)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(shí)間的推移慢慢下降。
這類超大空間建筑物的排煙設(shè)計(jì)可考慮分為三個(gè)步驟；第一步是控?zé)?，即通過一定的送風(fēng)強(qiáng)度將火災(zāi)煙氣吹向一個(gè)固定的空間內(nèi)，使煙氣不會(huì)無規(guī)則擴(kuò)散；美國丹佛國際機(jī)場膜結(jié)構(gòu)航站樓內(nèi)上下均設(shè)有大功率送排風(fēng)機(jī)，平時(shí)送進(jìn)10％的新鮮空氣，火災(zāi)時(shí)則送進(jìn)100％的新鮮空氣，送風(fēng)強(qiáng)度很大，經(jīng)測試，擴(kuò)散的煙氣不會(huì)超過20％。第二步是蓄煙，即利用建筑物自身的大空間條件設(shè)計(jì)“儲(chǔ)煙倉”將煙氣蓄積，形成距地面有一定高度的無煙層(儲(chǔ)煙倉容積的確定要經(jīng)過計(jì)算，太小則上升的煙羽流將迅速充滿空間，太大就會(huì)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(jī)構(gòu)通過計(jì)算機(jī)模擬證明：如果一個(gè)煙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)適當(dāng)，可以防止煙在30～45 min內(nèi)聚集在距地面3～4m處。這段時(shí)間對(duì)于人員疏散是極其寶貴的，同時(shí)也給滅火創(chuàng)造了有利條件。
然而新的建筑形式對(duì)傳統(tǒng)的建筑防火設(shè)計(jì)理念提出了新的挑戰(zhàn)。其獨(dú)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(shè)計(jì)方法，從建筑物的整體安全性去考慮，合理靈活地選擇各項(xiàng)防火措施，確保膜建筑的防火安全性。
一、膜結(jié)構(gòu)建筑物的特點(diǎn)和火災(zāi)危險(xiǎn)性
膜結(jié)構(gòu)建筑物特點(diǎn)就是建筑體量龐大化，結(jié)構(gòu)用材輕靈化、通透化。它的火災(zāi)危險(xiǎn)性主要表現(xiàn)在①火災(zāi)蔓延快。膜建筑內(nèi)部有較大和較高的吹拔空間，一旦發(fā)生火災(zāi)，各種垂直通道將起拔火桶作用，當(dāng)煙氣到達(dá)膜面以下時(shí)，頂部熱氣流水平運(yùn)動(dòng)，致使火災(zāi)橫向擴(kuò)大。②疏散困難。膜空間巨大，疏散距離長，加之火災(zāi)時(shí)煙霧的干擾，增大了疏散難度。另外，大空間內(nèi)人員多，疏散時(shí)容易發(fā)生滯留。③撲救難度大。我們?nèi)狈渚冗@類大空間建筑物火災(zāi)的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，往往會(huì)遇到例如：熱輻射強(qiáng)，煙霧濃，火勢(shì)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(nèi)攻偵察、火場供水等都帶來不少困難。
二、膜結(jié)構(gòu)建筑物的防火設(shè)計(jì)
2.1防火設(shè)計(jì)的原則
膜結(jié)構(gòu)建筑物按照現(xiàn)行法規(guī)很難實(shí)現(xiàn)其特殊空間的安全性評(píng)價(jià)，以及為了提高建筑物整體安全性能，而試圖減輕有關(guān)防火措施等方面的問題。所以我們提出性能化防火設(shè)計(jì)，通過計(jì)算機(jī)模擬和危險(xiǎn)評(píng)估，在制定膜建筑的防火方案時(shí)，綜合考慮地區(qū)、規(guī)模、用途、空間構(gòu)成、建筑材料等方面，預(yù)測火災(zāi)時(shí)的火勢(shì)蔓延、煙氣流動(dòng)、疏散、結(jié)構(gòu)的狀態(tài)等性狀并確定評(píng)價(jià)方法，以得出適應(yīng)火災(zāi)各階段的防火對(duì)策。
2.2建筑防火設(shè)計(jì)
2.2.1總平面布置
膜建筑通常作為一個(gè)城市的標(biāo)志性建筑，性質(zhì)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(diǎn)和功能要求很難實(shí)現(xiàn)規(guī)范要求——設(shè)置穿過建筑物的消防車道，所以在設(shè)環(huán)行消防車道的同時(shí)，靠近膜建筑建立一個(gè)高標(biāo)準(zhǔn)的消防站是十分必要的。美國的丹佛國際機(jī)場在滿足國際民航消防救護(hù)“兩分鐘到達(dá)跑道終端”要求的同時(shí)，將三個(gè)消防站分布在膜結(jié)構(gòu)航站樓附近。
2.2.2防火分區(qū)劃分
國內(nèi)現(xiàn)行的《建規(guī)》和《高規(guī)》分別規(guī)定，當(dāng)其設(shè)有火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)和自動(dòng)滅火系統(tǒng)，且采用不燃材料或難燃材料裝修時(shí)，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(dú)立的使用空間劃分防火分區(qū)時(shí)，其面積將超出我國現(xiàn)行規(guī)范的指標(biāo)。目前世界上的丹佛國際機(jī)場(51000 m2)、日本東京TOKYO DOME(46755 m2)均將整個(gè)主體膜空間做成一個(gè)防火分區(qū)，國外消防技術(shù)規(guī)范對(duì)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(xué)依據(jù)，但發(fā)達(dá)國家的防火滅火技術(shù)相對(duì)先進(jìn)，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(shù)規(guī)范的前提下，有選擇性的進(jìn)行借鑒。所以我們通過性能化的設(shè)計(jì)采取以下幾個(gè)補(bǔ)救措施。①主體空間可不再作防火分隔，但面積必須嚴(yán)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(nèi)。有關(guān)資料也表明，一個(gè)8000～10000平方米的展館，足以獨(dú)立作為任何性質(zhì)的國際標(biāo)準(zhǔn)展廳使用；②膜空間和與之相連的部分之間必須設(shè)置有效的防火分隔設(shè)施，防止火勢(shì)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(shè)施、疏散誘導(dǎo)系統(tǒng)及疏散出口個(gè)數(shù)、寬度的設(shè)計(jì)，應(yīng)在執(zhí)行現(xiàn)行規(guī)范的基礎(chǔ)上，積極借鑒國外同類建筑消防設(shè)計(jì)的先進(jìn)做法，優(yōu)化設(shè)計(jì)，以彌補(bǔ)面積超標(biāo)造成的不足。
2.2.3防煙分區(qū)劃分及防排煙設(shè)計(jì)
在防火分區(qū)面積已經(jīng)超標(biāo)的情況下，筆者認(rèn)為在膜空間內(nèi)防煙分區(qū)的劃分及防排煙優(yōu)化設(shè)計(jì)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(nèi)無構(gòu)造柱與梁，是一個(gè)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(nèi)很難適用。所以我們可以針對(duì)它特殊的結(jié)構(gòu)體系，按照NFPA9214的煙控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)大空間區(qū)域進(jìn)行防煙設(shè)計(jì)，利用空間上方結(jié)構(gòu)體系，掛上以耐火纖維為基材的輕質(zhì)幕布，平時(shí)卷起，在火災(zāi)報(bào)警后自動(dòng)放下，懸停于一定高度進(jìn)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(jī)械排煙。在高大的空間內(nèi)熱煙氣流運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，實(shí)踐證明在大空間建筑物內(nèi)若風(fēng)機(jī)安裝方式或風(fēng)量配置不當(dāng)，反而會(huì)造成煙氣彌散，擴(kuò)大煙氣的危害范圍。
這里我們提出“煙羽流”的概念。在火災(zāi)中，隨著燃燒的進(jìn)行，高溫燃燒產(chǎn)物在浮力驅(qū)動(dòng)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(zhì)量不斷增加，同時(shí)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(dá)頂棚時(shí)將會(huì)橫向散開，形成上部熱煙氣層，由于受空氣自然流動(dòng)和機(jī)械排風(fēng)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(shí)間的推移慢慢下降。
這類超大空間建筑物的排煙設(shè)計(jì)可考慮分為三個(gè)步驟；第一步是控?zé)?，即通過一定的送風(fēng)強(qiáng)度將火災(zāi)煙氣吹向一個(gè)固定的空間內(nèi)，使煙氣不會(huì)無規(guī)則擴(kuò)散；美國丹佛國際機(jī)場膜結(jié)構(gòu)航站樓內(nèi)上下均設(shè)有大功率送排風(fēng)機(jī)，平時(shí)送進(jìn)10％的新鮮空氣，火災(zāi)時(shí)則送進(jìn)100％的新鮮空氣，送風(fēng)強(qiáng)度很大，經(jīng)測試，擴(kuò)散的煙氣不會(huì)超過20％。第二步是蓄煙，即利用建筑物自身的大空間條件設(shè)計(jì)“儲(chǔ)煙倉”將煙氣蓄積，形成距地面有一定高度的無煙層(儲(chǔ)煙倉容積的確定要經(jīng)過計(jì)算，太小則上升的煙羽流將迅速充滿空間，太大就會(huì)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(jī)構(gòu)通過計(jì)算機(jī)模擬證明：如果一個(gè)煙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)適當(dāng)，可以防止煙在30～45 min內(nèi)聚集在距地面3～4m處。這段時(shí)間對(duì)于人員疏散是極其寶貴的，同時(shí)也給滅火創(chuàng)造了有利條件。