基于deac的建筑防火性能化模擬研究

基于deac的建筑防火性能化模擬研究

1大推動中國博物館建筑高度分析保定市關漢卿大劇院和博物館是一座集會議、展覽、休閑、娛樂于一體的綜合文化建筑。建筑群主要功能包括關漢卿大劇院、電影城、博物館和名人苑等部分,總建筑面積為66745m2,其中地上建筑面積49320m2,地下建筑面積17425m2。大劇院包括一個1403座的觀眾廳和一個334座的多功能廳;影城包括9個放映廳,總座位數(shù)為1449座;博物館為大型博物館,建筑規(guī)模為21227m2。大劇院部分地上主體4層,局部8層,博物館部分地上3層,大劇院檐口高度為21.35m,博物館檐口高度為23.68m。整組建筑被一個連續(xù)的金屬屋頂連接為一個整體的螺旋曲面屋面,屋頂檐口從博物館入口處始,至大劇院入口處止,呈逐漸升起的姿態(tài),屋頂檐口的高度為13.25～23.68m。以舞臺塔為中心,屋頂?shù)牧硪粭l軌跡邊線呈螺旋上升形態(tài),高度從32.15～40.15m。建筑中心為螺旋形結構鋼架,最高點高度為60.25m。沿中心舞臺塔內(nèi)環(huán)覆蓋玻璃屋頂,該處下方為半室外空間。目前,我國劇院建筑沒有專項防火設計規(guī)范,主要依據(jù)GB50016-2006《建筑設計防火規(guī)范》和GB50045-95(2005年版)《高層民用建筑設計防火規(guī)范》進行設計。從人員疏散的角度分析,保定市關漢卿大劇院人員主要活動的室內(nèi)部分的最高高度(4層)距離首層地面16.5m,五層人員活動的半室外屋頂平臺距離首層地面22.5m,博物館人員可到達的高度(3層)距離首層地面13m。雖然大劇院局部6～8層的上人高度超過24m,其中最高的8層達到35.8m,但這些樓層的房間為設備用房和控制室,平時無人,檢修和演出時房間內(nèi)的工作人員數(shù)量也很少,且工作人員熟悉疏散路徑,能夠很快找到疏散出口。此外,雖然大劇院舞臺的高度達到40m,博物館大廳的高度達到28m,但主要為空間效果及造型等方面的需要,并沒有給人員疏散帶來困難。人員的疏散條件與普通高層建筑有較大差別,而與普通多層建筑相似。因此,該建筑按現(xiàn)行國家標準GB50016-2006進行防火設計。2需要性能設計解決的問題2.1大推動私家車防火分區(qū)根據(jù)GB50016-2006規(guī)定,一、二級耐火等級民用建筑當設有自動滅火系統(tǒng)時,地上建筑最大允許防火分區(qū)建筑面積為5000m2。大劇院貫通首層至4層的觀眾休息廳為一個防火分區(qū),因為使用功能及建筑構造的特殊性,無法使用防火墻和防火卷簾在各層進行防火分隔,總建筑面積為6177m2;博物館2層及3層的開放展廳因為受屋頂結構影響,無法設置防火卷簾,與首層的名人苑大廳連通,為一個防火分區(qū),總建筑面積為5409m2。以上防火分區(qū)的建筑面積均大于5000m2,不能滿足GB50016-2006第5.1.7條的規(guī)定。2.2安全決策消耗2.2.1接收點設置在把樓梯間GB50016-2006第5.3.13條第3款規(guī)定:樓梯間的首層應設置直通室外的安全出口或在首層采用擴大封閉樓梯間。當層數(shù)不超過4層時,可將直通室外的安全出口設置在離樓梯間小于等于15m處。大劇院有4部疏散樓梯(如圖1所示)、博物館有1部疏散樓梯(如圖2所示)不能直通室外,需要通過門廳或休息廳到達室外,疏散樓梯的出口至通向室外的出口的疏散距離超過15m。2.2.2大劇院禮堂大劇院觀眾廳的池座和樓座內(nèi)的部分觀眾需要通過相鄰防火分區(qū)的休息廳再到達室外或疏散樓梯內(nèi)。圖3～圖5顯示了觀眾廳各層通往休息廳的出口。2.2.3防火系統(tǒng)的安全疏散需要設置在樓間GB50016-2006第5.3.2條規(guī)定:公共建筑內(nèi)的每個防火分區(qū)、一個防火分區(qū)內(nèi)的每個樓層,其安全出口的數(shù)量應經(jīng)計算確定,且不應少于2個。根據(jù)GB50016-2006第5.3.13條的規(guī)定,一、二級耐火等級的其他民用建筑中直接通向疏散走道的房間疏散門至最近安全出口的最大距離不應超過40m,若該房間疏散門位于袋形走道內(nèi),則至最近安全出口的最大距離不應超過22m。建筑物內(nèi)全部設置自動噴水滅火系統(tǒng)時,其安全疏散距離可增加25%。GB50016-2006第7.4.4條規(guī)定:建筑物中的疏散樓梯間在各層的平面位置不應改變。大劇院的6～8層為設備房和控制室,受建筑構造的影響,只布置了一部疏散樓梯,且該疏散樓梯在5層進行了轉換。由于只有一部疏散樓梯,6層和7層的最大疏散距離超出了規(guī)范的要求。3性能化防火設計目標的初步調(diào)整方案針對需要進行性能化防火設計的問題,根據(jù)保定市關漢卿大劇院和博物館性能化防火設計目標、功能目標和性能目標,依據(jù)國家有關建筑防火規(guī)范及其防火原則,同時考慮項目的功能需求,提出了以下初步調(diào)整方案。3.1防火分區(qū)3.1.1燃燒性能評估(1)休息廳僅作為通道及人員臨時休息場所使用,內(nèi)部不應擺放沙發(fā)、軟椅等高分子易燃材料制成的座椅,應盡量選用不燃材料制成的輕質(zhì)桌椅。(2)休息廳內(nèi)裝修材料的燃燒性能等級不應低于B1級,且應盡量采用不燃材料裝修。(3)3層休息平臺的吧臺只能使用電加熱,不應使用燃氣加熱。(4)休息廳內(nèi)凈高超過12m的中庭部位應設置消防水炮或大空間智能型主動噴水滅火裝置進行保護。(5)休息廳內(nèi)凈高超過12m的中庭部位應設置紅外光束感煙火災探測系統(tǒng)、光截面圖像感煙火災探測系統(tǒng)等適宜大空間使用的感煙火災探測系統(tǒng)。(6)休息廳內(nèi)的中庭開口部位設置高度不小于500mm的擋煙垂壁,各層回廊和中庭頂部分設排煙系統(tǒng)。3.1.2增加前室墻設置條件的范圍和高度(1)防火分區(qū)內(nèi)裝修材料的燃燒性能等級不應低于B1級,且應盡量采用不燃材料裝修。(2)首層名人苑中固定展覽物的制作材料的燃燒性能等級不應低于B1級。(3)2層的專題展廳使用防火墻及甲級防火門與相鄰區(qū)域分隔,同時增設通往辦公區(qū)的甲級防火門和階梯,并在辦公區(qū)增設乙級防火門,形成通過樓梯間的前室,使專題展廳內(nèi)的人員可通過辦公區(qū)的疏散樓梯進行疏散。(4)3層咖啡廳只能使用電加熱,不應使用燃氣。(5)凈高超過12m的中庭部位應設置消防水炮或大空間智能型主動噴水滅火裝置保護。(6)凈高超過12m的中庭部位應設置紅外光束感煙火災探測系統(tǒng)、光截面圖像感煙火災探測系統(tǒng)等適宜于大空間使用的感煙火災探測系統(tǒng)。(7)2層及3層的展廳吊頂下方設置高度不小于1m的擋煙垂壁以延緩展廳發(fā)生火災后產(chǎn)生的煙氣對其他區(qū)域人員的影響。若吊頂鏤空率大于50%,擋煙垂壁可設置在吊頂內(nèi)。3.2安全決策消耗3.2.1疏散樓梯的安全設計(1)大劇院觀眾廳西側的兩個疏散樓梯的出口走道處原設計的防火卷簾改為防火墻和甲級防火門,辦公室使用耐火極限不低于2h的不燃燒實墻和乙級防火門與走道進行分隔,觀眾廳通往走道的門應為甲級防火門。該直通室外的疏散走道應采用不可燃材料裝修。(2)大劇院觀眾廳東側的疏散樓梯首層出口處使用防火卷簾和甲級防火門形成直通室外的疏散走道,防火卷簾處再設置固定的高度不小于500mm的擋煙垂壁,紀念品商店使用耐火極限不低于2h的不燃燒實墻或C類防火玻璃與走道進行分隔,開口處設置乙級防火門或火災時能自行關閉的防火玻璃門(可通過電磁門吸控制防火玻璃門的開啟)。該直通室外的疏散走道應采用不可燃材料裝修。(3)大劇院觀眾廳南側的疏散樓梯的出口通往休息廳。通過上文對休息廳的性能化防火設計調(diào)整方案增強休息廳的安全性,保證疏散樓梯內(nèi)的人員通過休息廳再到達室外的安全性。該疏散樓梯內(nèi)人員疏散的安全性將通過模擬計算確認。(4)博物館名人苑中部的疏散樓梯的出口通往禮儀大廳。通過上文對名人苑的性能化防火設計調(diào)整方案增強名人苑的安全性,保證疏散樓梯內(nèi)的人員通過禮儀大廳再到達室外的安全性。該疏散樓梯內(nèi)人員疏散的安全性通過模擬計算確認。3.2.2休息廳內(nèi)外引氣排放氣大劇院觀眾廳內(nèi)的部分疏散門通向相鄰防火分區(qū)(休息廳),人員需通過休息廳內(nèi)直通室外的出口或疏散樓梯間疏散。通過上文對休息廳的性能化防火設計調(diào)整方案增強休息廳的安全性,保證觀眾廳內(nèi)的人員通過休息廳疏散的安全性。觀眾廳內(nèi)人員疏散的安全性通過模擬計算確認。3.2.3疏散樓梯間及走道的設置大劇院的6～8層僅布置設備房和控制室,這些房間平時無人,檢修及演出時人數(shù)也很少,且工作人員對疏散路徑熟悉,在火災發(fā)生時可以很快找到疏散出口疏散。因此,大劇院6～8層可只設置一部疏散樓梯。為進一步提高人員疏散的安全性,提出如下優(yōu)化設計方案:(1)大劇院6～8層內(nèi)所有的房間均采用防火墻和甲級防火門與相鄰區(qū)域分隔,內(nèi)部需設置火災自動報警系統(tǒng)、自動滅火系統(tǒng)和排煙系統(tǒng)。(2)6～8層的疏散樓梯間應按防煙樓梯間設置,樓梯入口前需設置防煙前室。(3)在5層的樓梯轉換處,6～8層疏散樓梯間的出口應直接通向5層疏散樓梯間的前室。(4)如圖6所示,6層走道內(nèi)進行正壓送風,送風量按走道內(nèi)最大兩個入口門洞風速不小于0.7m/s計算確定(樓梯間入口的門洞不計算在內(nèi)),走道內(nèi)使用不可燃材料裝修。走道一端的甲級防火門改為雙扇門,兩扇門的開啟方向不同,以相互借用疏散。(5)7層機房不應直接向樓梯間前室開門,建議增設一條疏散走道通往疏散樓梯間,通往疏散樓梯間的2個門之間的距離不小于5m。為減小機房著火后對人員疏散的影響,機房的疏散門與樓梯間入口門之間的距離不應小于5m。4火災場景與后果設定火災場景是建筑物性能化防火設計和消防安全性能評估分析中,針對設定的消防安全設計目標,綜合考慮火災的可能性與潛在的后果,從可能的火災場景中選擇出供分析的火災場景。通常,應根據(jù)最不利原則選擇火災風險較大的火災場景作為設定火災場景。根據(jù)保定市關漢卿大劇院和博物館不同區(qū)域的用途及其可燃物數(shù)量與分布情況,結合建筑的結構特點、防火分隔以及主動消防設施的設置狀況,共設置了3個火源位置,分析確定了8個具有代表性的設定火災場景,見表1?；馂脑鲩L系數(shù)0.04689kW/s2。5火災擴散和煤氣流的分析運用火災動力學模擬軟件FDS對建筑內(nèi)的火災及煙氣蔓延情況進行模擬計算,得到各火災場景下的火災蔓延及煙氣流動狀態(tài)。5.1基于建筑實際應用,根據(jù)建筑的使用功能和空間特性,可根據(jù)煙氣的運動規(guī)律計算火災場景,可把煙氣層溫度變化分對于火災蔓延控制目標,主要利用火災發(fā)展分析工具,根據(jù)建筑的使用功能和空間特性等設定相應的火災場景,模擬煙氣的運動規(guī)律,計算煙氣層的溫度,并以此判斷能否將火災控制在設定的防火區(qū)域內(nèi)。5.2煙氣層溫度根據(jù)相關試驗,可燃物品被引燃所需的最小熱流為10kW/m2。火災的輻射熱為10kW/m2時,約相當于煙氣層的溫度達到360～400℃時的狀態(tài)。因此,將360℃作為火災在防火區(qū)域間蔓延的極限溫度,即煙氣層溫度大于該值時,火災將通過熱輻射在防火區(qū)域間蔓延;當煙氣層溫度小于該值時,可認為火災不會通過熱輻射的方式在防火區(qū)域間蔓延。5.3大院和博物館建筑內(nèi)煙氣運動情況fds分析FDS是通過數(shù)值方法求解湍流方程分析燃燒過程中的煙氣擴散和熱傳導,包含燃燒模型、熱輻射模型和熱解模型等。通過分析預測煙氣的流動狀態(tài)并獲得有關火災的熱動力學參數(shù),驗證建筑內(nèi)的消防設施能否阻止火災煙氣達到影響人員疏散安全的極限值。針對設定火災場景,運用模擬軟件FDS對建筑內(nèi)煙氣運動情況進行模擬分析,得到如下結論:(1)大劇院和博物館的公共大廳體量大,高度高,蓄煙空間大,在自動滅火系統(tǒng)和排煙系統(tǒng)均有效的情況下,火災產(chǎn)生的煙氣和熱量能夠被較快地排出,能見度下降緩慢,除火源附近外,空間溫度沒有明顯變化。(2)對于大劇院和博物館的公共大廳,火災發(fā)生在首層時,產(chǎn)生的煙氣容易對上層人員的疏散造成影響,而火災發(fā)生在其他層時,煙氣不容易對下層人員造成影響。(3)在6層設備層的疏散走道內(nèi)設置正壓送風系統(tǒng)可以延緩煙氣進入疏散走道內(nèi)的過程,給人員創(chuàng)造更多的疏散時間。(4)對于博物館,室外風速會影響自然排煙口的排煙效果,減少人員的可用疏散時間,因此高側窗在建筑兩側應盡量均勻布置,且應注意開啟方式,盡量采用下懸窗,以減小室外風的影響。(5)各安全出口附近清晰高度處各項參數(shù)的極限值如表2所示。6員工安全配置工程的模擬分析6.1人員疏散時間對于人員安全疏散的設計目標,主要應滿足人員在火災環(huán)境下安全疏散到建筑的室內(nèi)外安全區(qū)域的性能要求。因此,需要對人員可用疏散時間和人員必需疏散時間進行比較,其中人員可用疏散時間(TASET)為從火災發(fā)生到火災發(fā)展至威脅人員安全疏散時的時間間隔;人員必需疏散時間(TRSET)為人員從火災發(fā)生到疏散至安全區(qū)域所需要的實際時間。為實現(xiàn)安全疏散的功能目標,疏散設計應滿足綜合判定標準:TASET>TRSET。6.2疏散安全性分析該項目各區(qū)域通過計算機人員疏散模擬軟件進行計算得到的TRSET,與各火災場景下的TASET進行比較,判斷各區(qū)域內(nèi)人員疏散的安全性。其結果如表3、表4所示。7火災危險性下的安全疏散通過對人員的疏散模擬分析,并與火災煙氣模擬計算結果進行比較,可以得出以下結論:(1)在自動噴水滅火系統(tǒng)和機械排煙系統(tǒng)均有效的情況下,對于各個設定火災場景和疏散場景,大劇院和博物館內(nèi)的人員均能夠在危險來臨之前通過