城市消防的新課題

濟南市消防支隊防火處 | 徐玉濤

隨著社會經濟的飛速發展和建筑科技的長足進步，具有新的設計概念和結構形式的公共建筑不斷涌現，這些建筑大多符合智能建筑（綠色建筑）的標準，成為城市建設與發展的特色標志。這些新型建筑對現行的建筑防火設計規范提出了巨大的挑戰。

新建筑、新材料、新技術、新設計帶來的消防新挑戰

城鎮化進程的加快，各種現代化公共設施、住宅小區的興建，使得我國城市人口密集處越來越多，也使得火災發生的因素越來越復雜，火災的防范和救援工作越來越難。

例如，許多大型展館、會所、場館、娛樂場所等建筑中，龐大的規模和復雜的結構使得消防安全隱患越來越多；許多新型的建筑材料、裝修裝飾材料、供電供氣供水等設備隱藏著消防安全的不利因素，而且一旦發生火災后消防救援工作難以有效展開，損失巨大。

2010 年5 月31 日，南通在建第一高樓“中南匯泉國際廣場”在進行外部裝修時33 層外墻保溫層發生火災，并沿外墻保溫層迅速蔓延至整棟大樓，過火樓層24 層，高達70 米,南通市消防部門勘查后，認定此次災害成因有兩點，一是電焊工在切割立柱鋼筋時操作不當，二是裝飾公司在外墻保溫工程施工過程中使用了燃燒性能為B2 級的可燃保溫材料，導致火災蔓延擴大。

中國正處于歷史上最大的建設熱潮之中。建成的世界十幢最高的建筑中，有六幢落戶中國，還有更高的建筑正在規劃中。這些高樓大廈都在盡力采用先進的建筑技術和新型建筑材料，努力為人們展現低碳的未來。然而，換一種角度思考，各種新材料、新能源、新工藝、新技術的投入使用，也會為我們帶來許多復雜的尚未認識和掌控的新的火災問題。

廣州的珠江大廈是中國第一批綠色多功能建筑之一，見圖3。它遇到消防挑戰也是目前許多綠色建筑的典型案例。消防難題除了包括垂直軸風力發電機、太陽能發電板、金屬吊頂冷卻系統、雙重幕墻外，還包括了綠化屋頂、噴淋系統供水、消防通道、以及避難層。

首先是安裝在珠江大廈的風力發電機組就對消防工作帶來巨大挑戰。風力發電機引發火災的案例雖然很少見，但卻是實實在在發生過。因此，對在有人員載荷的區域使用風力發電這項技術和采用什么樣的策略來保證建筑及人員的安全的問題就引起了消防審核專家的關注。建筑設計團隊給出的消防策略是使用耐火構件將風力電動機外部元件（主要是機械構件）和建筑相隔離，以使外部的火勢無法蔓延至建筑內部；同時將風力電動機內部元件（主要是電氣構件）放置于防火室中并配備消防法規針對電氣設備所要求的滅火系統。針對這個罕見的案例，設計師們在最后的設計方案中增加了通向風力發電機的消防通道以方便消防作業，此外，他們還運用事故類型分析方法建立了相應的消防安全設計和應急預案。

將綠化屋頂列為火災隱患并不是一個新概念。植物本身就是潛在的可燃物，會對該建筑和臨近的建筑物構成消防隱患；除了火災對建筑物屋頂的影響外，屋頂綠化物在火災事故發生時會阻礙直升機的著陸，對空降逃生產生影響。

節約用水設計是珠江大廈綠色建筑設計的重要組成部分。節水方案之一是使用雨水或其他灰水作為自動噴淋系統的水源。但是在實際使用時，為清除這種不凈水中的腐蝕性微生物消除其在管道（特別是鐵質管道）壁聚集和腐蝕管道的風險，還需要額外增加水質檢測和過濾環節。

圖3 廣州珠江大廈

大型的園林設計在綠色建筑項目里是眾望所歸。但是在具體的實施中，設計師們往往會忽視對消防通道的設計和建造，新穎的綠化園景可能成為了消防車輛的障礙物，增加的綠化面積也許是通過壓縮消防車道的寬度換來的。屋頂玻璃上的遮陽檐篷主要用來為對玻璃幕墻以及其他外在元件的遮陽，但是這些遮陽檐篷會干擾消防員出入，限制消防器材的使用。具有重量輕和透明特點的玻璃幕墻是現代建筑中常用的，但是在火災事故中玻璃的爆裂會破壞和影響消防作業的安全。消防作業需要有能讓消防車輛出入的作業區域。這個區域應該有足夠的地面承重能力、凈空高度和足夠大的作業準備區域。這樣的區域對超高建筑消防所需的云梯車更加重要。此外，玻璃窗帶來的較強反射效果會產生光污染，使消防員無法看清建筑，從而影響消防作業。

在許多亞洲國家，避難層空間是其文化的一部分。根據地方法規，每12 至20 層需配備避難層。避難層可在火災應急狀況下對驚恐的人群實施有效管理并進行分區式的疏散，它同時也對火災中的傷殘人群提供暫時的庇護。設置避難層與高效利用建筑空間和將避難空間設計為他用產生了沖突。

珠江大廈的頂部采用玻璃封頂，夏季高溫時往往會產生熱障效應和火災時煙氣早期分層現象。熱障效應和煙氣早期分層現象會導致煙氣在與之相連的空間內蔓延，并使頂棚下的感煙探測器不能及時發出報警信號。如果建筑內頂層的空間高度較高，煙氣的溫度在上升過程中因卷吸周圍空氣而不斷降低，上升到頂部的煙氣溫度就可能激發不了自動噴水滅火系統，這將會影響系統對早期火災的預警。

知名消防專家李芳認為火災的預防本身就是綠色建筑的一個重要設計。為考慮節約而采用的建筑設計可能在火災時對環境、對建筑本身產生更大的負面影響，例如火災中釋放的煙氣對環境的影響、對建筑設施等資源的破壞，施放的滅火劑對建筑的影響等。只有在建筑設計中使用經過實踐檢驗的最好的和先進的消防安全設計，才能做到既有助于減小火災發生的可能性，又有助建筑實現預期的創造性設計的目的。

建筑性能化防火設計為消防帶來的新視野

對火災的研究和火災?；夹g的應用推動了消防安全工程學這一新學科的飛速發展；越來越多的大體量、多功能、大空間的建筑帶來了大量傳統防火設計方法無法解決的難題，又催生了一種以消防安全工程學為基礎的新的建筑防火技術——性能化防火設計方法（Performance-based Fire Protection Design）， 也可稱之為“火災安全工程設計法”（Fire safety engineering method）。

由于性能化防火設計方法具有非常強大的技術優勢，已成為當前建筑防火領域最先進的技術之一，是人們關注的最前沿、最活躍的研究領域。

目前而言，建筑物的防火設計一般應依據國家現行的防火設計規范及相關的工程建筑規范進行。只有對于現行國家和地方消防技術規范和標準未明確規定的、或按規范和標準實施確有困難，并影響建筑使用功能的一些特殊、大型的工程項目可以就整座建筑物或建筑物中的某些特殊部位應用性能化設計方法。不同性質、不同功能的建筑物，需要采用性能化設計方法解決的問題不盡相同。但總體上看，大致涉及6 個方面：建筑內部的防火分區劃分及分隔形式問題；建筑內人員的安全疏散設計問題；建筑內防排煙系統的設計問題；建筑內滅火系統的設置問題；鋼結構的耐火保護問題；新產品、新技術、新工藝的應用問題等。

實際上，建筑消防工作是一個有機的整體，單純孤立地強調某一環節并不能保證整個建筑物的安全，建立一種依據特定建筑物火災特性的更安全、合理的新型建筑防火設計方法和評價方法已經迫在眉睫。為了說明這個問題，不得不提及馬斯達公司總部大樓，見圖4。

圖4 馬斯達公司總部大樓

馬斯達爾總部大樓高七層，總占地面積為134662 平方米，由商業區、零售商業區和文化區（包含園景區）組成。整個建筑注重自然通風，具備遮陽和吸熱功能。其標志性建筑特色是11個有自然通風和冷卻的功能的風錐，這些風錐還為建筑內部提供了柔和的日光，見圖5， 6，7。其它關鍵的設計還包括巨大的屋頂——可提供自然遮蔽，并組成世界上最大的光伏太陽能電池板陣列。屋頂的波浪狀下層結構，有助于增強屋頂支柱的結構穩定性。建筑外圍部分使用了玻璃墻體以阻斷太陽熱，同時又不影響欣賞風景。此外，該建筑還包括接地管道、空中花園、地下人行通道等。

圖5 馬斯達爾總部標志性建筑特色是11個風錐。

圖6 向整個建筑提供自然通風（熱空氣被吸至頂樓，然后被風帶走）和自然光照明的風錐體。

圖7 屋頂的波浪狀下層結構，有助于增強屋頂支柱的結構穩定性。

建筑中的11 個風錐體除了向整個建筑提供自然通風和自然光照明外，也是支撐建筑上方檐篷結構以及建筑本身的一部分，因此，這些風錐屬于建筑結構框架的一部分，這也意味著它們的耐火等級受相應規范的約束。同樣，這些風錐又是中庭的一部分，規范要求其要有與相區域的防火隔離。依照建筑承重構件的不同功能，設計規范提供了不同的選項，如使用膨脹型涂層可使構件達到1.5 小時的耐火極限；使用噴淋系統也可達到保護暴露于高溫下鋼架的目的。為了美觀，設計團隊希望使用暴露的鋼架。由于沒有防火涂層，這就與所期望的消防安全目標產生了更多的挑戰。

設計團隊在這個項目上采用了性能化防火設計手段。設計分析的核心元件是由無防火涂層的管狀鋼架結構，分析的目標是該結構在最可能發生的火災場景下溫度以及對鋼架結構的性能影響。

在采用性能化設計的分析中，設計師們審核了建筑使用功能、燃料載荷、可引發嚴重火災的危害，考慮到的變量包括了火災位置、大小，噴淋系統的影響和中庭空間的形狀。分析中他們結合使用FDS 和SAFIR，制作了火災模擬場景，并為不同的設計制定了相應的保護方案（見圖8）。

圖8 馬斯達爾公司總部大樓的火災場景電腦模擬

圖9 建筑物煙氣運動的模擬圖

關于高層建筑中庭消防系統的設計和安裝問題始終是設計的難點，該項目的中庭防排煙系統設計和安裝也使用了性能化設計方法。首先，設計師在電腦上模擬了該建筑中庭在火災情況下受障礙物、氣溫和玻璃窗位置影響的煙氣運動，在并此基礎上對人員疏散、疏散距離、耐受條件和消防系統的安裝位置做出分析。在分析過程中，為證明排煙所需的機械通風量大小、判斷是否可以完全使用自然通風代替機械通風，設計工程師們用CFD 軟件模擬了相關的場景并在多項參數方面給出了評估，見圖9。

所有這些消防安全的解決方案都對綠色建筑的節能有著積極的影響。

總之，通過馬斯達爾公司總部大樓的案例可以看到性能化設計方法是解決特殊復雜建筑防火設計超規范問題的有效手段，為提高建筑的消防安全水平、實現消防安全與經濟合理的統一，更大限度地滿足建筑的使用功能等方面功不可沒。在具體的設計細節上，通過控制火災規模來解決結構抗火問題、通過煙氣分析解決排煙系統設置問題、通過控制煙氣和優化疏散設施或方案來解決人員安全疏散的問題等也為我們展示了該項技術的魅力。