高隔间玻璃隔断 中庭区域防火性能设计

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摘 要: 以某会展中心中庭区域的防火高隔间玻璃隔断材料是否满足防火性能要求为工程案例 ,采用性能化防火设计的思想 , 设定了四个最不利的火灾场景 ,针对这四个火灾场景采用 CFD 方法 ,计算防火玻璃材料表面温度和辐射热流两个火灾动力学参数 ,并将计算的结果与安全性能判据进行对比分析。 研究结果表明 ,在该会展中心使用防火玻璃材料作为隔断是可行的 , 但必须确保消防设施的有效性。


1、前 言:

 随着我国经济的发展 ,展览馆、体育馆、写字楼等各类现代建筑大量涌现 ,在建筑防火设计中 ,建筑防火分区与防火隔断的要求让建筑师在建筑装饰效果与建筑防火上处于进退两难的境地。 防火玻璃的出现使这一难题迎刃而解。然而 ,我国目前对玻璃的防火性能的研究和建筑防火设计的相关规定却相对滞后 ,这就给建筑防火设计和消防审查验收带来了困难。

 我国的建筑防火设计主要依据现行的“处方式”防火设计规范 ,规范以条文的形式规定出设计参数和技术指标 ,建筑的防火设计和消防审查验收都必须以此为依据。 目前 ,对于玻璃的防火设计主要依据的规范有: 《建筑设计防火规范》 ( GB50016)、《高层民用建筑设计防火规范》 ( GB50045)、《建筑用安全玻璃防火玻璃》 ( GB15763. 1)、《镶玻璃构件耐火试验方法》 ( GB12513)等 ,这些规范是按照相关的耐火极限规定 , 而对于各类玻璃构件的实际耐火性能缺乏科学数据 , 因此使用玻璃时缺乏设计、审查和验收的依据 ,甚至会出现与现行防火规范不相适应的地方 ,这就需要采用性能化的设计思想。

 性能化防火设计方法是运用消防安全工程学的原理与方法 ,依据建筑物的结构、用途和内部可燃物分布等方面的具体情况 ,对建筑的火灾危害性和风险性进行定量的预测和评估 ,从而得出优化的防火设计方案 , 选择相应的消防措施 ,为建筑物提供合理的防火保护。性能化防火设计方法在不降低建筑物总体安全水平的同时 ,大大提升了建筑设计师的自由度 ,并对新材料、新工艺及新技术的使用具有非常大的促进作用。

  笔者将以某会展中心为研究对象 ,运用性能化设计方法研究其中庭区域内防火高隔间玻璃隔断材料是否满足防火性能的要求。


2、问题的提出:

 某会展中心是一座超大空间结构的建筑 ,用于大型展览和会议。 在展厅内部中心沿纵向中心线全长设有宽 40 m 的两层建筑 ,第一层标高 7. 5 m ,作为展览休息室 ,第二层标高 15 m,作为贵宾休息室。 这两个中心区域是通过 12个 26 m× 12 m 的中庭相连通。 中庭延伸至 30 m高的屋顶。 为了方便起见 ,把上述所关注的部分称为“中庭区域”。每一层有两堵南北向的防火墙 , 将整个中庭分成三个防火分区。 中庭区域每层有一条东西向的通廊 ,通廊两侧间断地设有一系列盒子间 ,用于展览室、会议室以及 V IP休息室。

 盒子间边墙、防烟楼梯和墙体将中心区域与展览大厅相隔离 ,中庭区域除了用于防火隔断的构件材料外均按国家相关规范设计 ,按照规范要求的隔断构件应为耐火极限 180 min 的保持隔热性和完整性的

材料。目前选用的隔断构件材料为保证 72 min的完整性且不具备隔热性的防火玻璃 ,这种材料是否能够满足防火性能要求 ,需要采用性能化方法以及火灾模型设计 ,研究在最不利条件下玻璃材料表面温度和热辐射情况。


3、火灾场景设计:

 火灾场景的设定 ,即根据可燃物的分布与荷载等情况对危险源进行辨识 ,这是评估建筑火灾危害性、控制危险发生的依据 ,也是性能化防火设计的基础 ,其核心是确定火灾的热释放速率随时间的变化规律。 由于热释放速率决定着烟气的产生量、状态参数及流动的驱动力 ,从而对烟气的流动和蔓延产生决定性的影响。

 针对本文涉及的建筑结构 ,考虑到自动扶梯和观光电梯距离防火玻璃很近 ,因此设置了自动扶梯和观光电梯两个火灾场景。另外 ,考虑盒子间内火灾对防火高隔间玻璃隔断的影响 ,一旦盒子间内防火玻璃隔断失效 ,火灾产生的烟气会蔓延到展厅 ,所以需要在盒子间设置火灾场景。

 由于盒子间内设有自动喷水灭火系统 ,为了分析盒子间内火灾场景 , 有必要分析自动喷水灭火系统的

有效性。 笔者采用美国 NIST 开发的自动喷头热响应模型 ( DETACT -Q S)对自动喷头的热响应性能进行计算。选用的标准喷头动作温度为 68℃ , RTI= 110( m· s) 0. 5 ,自动喷头至火源中心的最大水平距离为 2. 12 m, 顶棚高度为 3. 0 m,选取常年平均温度 20℃。计算结果为: 喷头开启时间是 234. 5 s,对应的火源功率为 644kW。

 根据以上分析 ,笔者设置四个火灾场景 ,表 1给出了火灾场景的位置、水喷淋动作、火灾规模及增长速率等情况 ,图 1给出了火灾场景的热释放速率情况。

1  火灾场景设计

 

火灾场景

火源位置


水喷淋

火灾增长速率

火灾规模






场景 1

距离地面 7. 5 m高平

-

中速火

750 kW

台的自动扶梯上











场景 2

距离地面 9. 0 m

-

快速火

2 M W

的观光电梯内













场景 3

盒子间内


动作

快速火

644 kW







场景 4

盒子间内


失效

快速火

5 M W

图 1  火灾场景的热释放速率曲线

图 1  火灾场景的热释放速率曲线

4、CFD模拟分析:

 针对设定的四个火灾场景,利用 FDS软件进行模拟计算。一方面分析火灾发生在自动扶梯和观光电梯上对防火玻璃完整性的影响; 另一方面分析盒子间内火灾对玻璃完整性的影响。由于盒子间内装有自动喷水灭火系统 ,笔者研究了在系统正常动作情况下盒子间内火灾发展情况,同时为了强调自动喷水灭火系统的重要性,也进一步分析系统失效时带来不安全的因素。

 

4. 1、火灾场景:

 1计算结果分析火灾场景 1是发生在地面至 7. 5 m 高平台的自动扶梯上的火灾。 火源中心水平距离防火高隔间玻璃隔断 3. 0m ,竖直距离地面 4. 5 m,火源强度为 500 kW /m2 ,着火面积为 1. 5 m2 ,火源功率为 750 kW ,中速火发展。

 图 2给出了中庭区域烟羽流温度场 ,图 3给出了中庭区域 300℃烟羽流等值面。 从图 2和图 3可以看出 , 火灾产生后天花板处的温度约为 30℃ ,除了天花板受烟羽流影响的范围外 ,烟羽流不会靠近防火玻璃分隔区域 ,火羽流不会直接影响防火玻璃分隔段 ,主要通过辐射与对流传递热量。在设定的火灾条件下 ,防火玻璃最大外表面温度不超过 30℃ ,即最大温升小于 10℃ , 最大表面辐射热流率小于 1. 0 kW /m2 ,如图 4所示。

图 2  火灾场景 1中庭区域烟羽流温度场  图 3  火灾场景 1中庭区域 30°C烟羽流等值面

图 2  火灾场景 1中庭区域烟羽流温度场  图 3  火灾场景 1中庭区域 30°C烟羽流等值面

 图 4 火灾场景 1盒子间防火玻璃外表面温度场和辐射热流场 ( 300 s)

 

图 4 火灾场景 1盒子间防火玻璃外表面温度场和辐射热流场 ( 300 s)

4. 2、火灾场景:

 2计算结果分析火灾场景 2是发生在观光电梯内 9. 0 m 高处的火灾。 火源中心距离防火高隔间玻璃隔断 3. 0 m,火源强度为500 kW /m2 ,着火面积为 4 m2 ,火源功率为 2 MW,快速火发展。

 图 5给出了中庭区域烟羽流温度场 ,图 6给出了中庭区域 30℃烟羽流等值面。从图 5和图 6可以看出 ,火灾发生后天花板处温度约为 50℃ ,除了天花板受烟羽流直接影响的范围外 ,烟羽流不会靠近防火玻璃分隔区域 ,火羽流不会直接影响防火玻璃分隔段 ,主要通过辐射与对流传递热量。在设定火灾条件下 ,防火玻璃最大外表面温度不超过 90℃ ,即最大温升小于 80℃ ,最大表面辐射热流率小于 4. 0 kW /m2 ,如图 7所示。

 图 5  火灾场景 2中庭区域烟羽流温度场 图 6 火灾场景 2中庭区域 30℃烟羽流等值面

图 5  火灾场景 2中庭区域烟羽流温度场  图 6火灾场景 2中庭区域 30℃烟羽流等值面

4. 3、火灾场景:

 3和火灾场景 4计算结果分析火灾场景 3和火灾场景 4是发生在盒子间的火灾 ,区别在于自动喷水灭火系统是否失效。 为了强调自动喷水灭火系统的重要性 ,笔者将这两个场景放在一起进行分析比较。

 火灾场景 3是自动喷水灭火系统有效工作的场景。根据前面计算的结果 ,喷头在 234. 5 s时动作 ,此时对应的火源功率为 644 kW ,所以假设火灾按照 t 2 火增长到 644 kW。 图 8给出了不同时刻玻璃表面温度分布情况 ,从图中可以看出 ,防火玻璃处最高温度维持在220℃。 根据《镶玻璃构件耐火试验方法》中给出的玻璃温度随时间变化的计算公式: T - To = 345 lg ( 8t+1) ,计算得出 72 min时玻璃温度为 932℃。比较分析认为 ,在该火灾场景下不会对玻璃完整性产生影响。

图7 火灾场景 2盒子间防火玻璃外表面温度场和辐射热流场 ( 300 s)

图 7 火灾场景 2盒子间防火玻璃外表面温度场和辐射热流场 ( 300 s)

图 8	火灾场景 3不同时刻玻璃处温度分布

  火灾场景 4是自动喷水灭火系统失效的场景。 火灾按照t 2 火增长到 5 MW。图 9给出了不同时刻玻璃表面温度分布情况 ,从图中可以看出 ,盒子间内离开口最远处防火玻璃温度先达到 720℃ ,并且在 700 s后防火玻璃处最高温度一直稳定在 720℃。虽然根据《镶玻璃构件耐火试验方法》提供的计算公式 ,当防火玻璃耐火时间为 72 min时 ,玻璃的温度为 932℃ ,但是由于在实际火灾时防火玻璃表面温度上升很快 ,给防火玻璃能否保持完整性带来了不安全因素。因此 ,需要加强安全管理和日常维护 ,确保自动喷水灭火系统有效动作。

图 9  火灾场景 4不同时刻玻璃处温度分布

图 9  火灾场景 4不同时刻玻璃处温度分布


5、结论:

 笔者运用性能化方法研究了中庭区域隔断材料不能符合相关规范要求的防火设计问题 ,研究结果如下:

( 1)对火灾发生在自动扶梯和观光电梯的火灾场景进行了分析 ,可以看出: 火灾所产生烟羽流均不会对中庭区域的防火高隔间玻璃隔断区域产生影响; 火羽流也无法直接作用于防火高隔间玻璃隔断 ,主要是通过辐射与对流向防火玻璃传递热量。在设定火灾条件下 ,防火玻璃的外表面温升与辐射热流率均远小于破坏临界值 (耐火时间 72 min所对应的临界值 )。 从外部的火灾影响来说 ,利用防火玻璃作为隔断是可行的。

( 2)对火灾发生在盒子间内 ,分析了自动喷水灭火系统系统有效和失效的两种情况 ,说明了自动喷水灭火系统的重要性。结果表明: 当自动喷水灭火系统有效工作时 ,防火玻璃能够保证其完整性; 当自动喷水灭火系统失效时 ,这就给判断防火玻璃的有效性带来不安全的因素 ,需要对消防设施加以重点维护和管理。

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