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(dòng)中國(guó)博物館建筑高度分析保定市關(guān)漢卿大劇院和博物館是一座集會(huì)議、展覽、休閑、娛樂(lè)于一體的綜合文化建筑。建筑群主要功能包括關(guān)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(gè)1403座的觀眾廳和一個(gè)334座的多功能廳;影城包括9個(gè)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(gè)連續(xù)的金屬屋頂連接為一個(gè)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(tái)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(jié)構(gòu)鋼架,最高點(diǎn)高度為60.25m。沿中心舞臺(tái)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(guó)劇院建筑沒(méi)有專(zhuān)項(xiàng)防火設(shè)計(jì)規(guī)范,主要依據(jù)GB50016-2006《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》和GB50045-95(2005年版)《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)。從人員疏散的角度分析,保定市關(guān)漢卿大劇院人員主要活動(dòng)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(dòng)的半室外屋頂平臺(tái)距離首層地面22.5m,博物館人員可到達(dá)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(guò)24m,其中最高的8層達(dá)到35.8m,但這些樓層的房間為設(shè)備用房和控制室,平時(shí)無(wú)人,檢修和演出時(shí)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(tái)的高度達(dá)到40m,博物館大廳的高度達(dá)到28m,但主要為空間效果及造型等方面的需要,并沒(méi)有給人員疏散帶來(lái)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50016-2006進(jìn)行防火設(shè)計(jì)。2需要性能設(shè)計(jì)解決的問(wèn)題2.1大推動(dòng)私家車(chē)防火分區(qū)根據(jù)GB50016-2006規(guī)定,一、二級(jí)耐火等級(jí)民用建筑當(dāng)設(shè)有自動(dòng)滅火系統(tǒng)時(shí),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(gè)防火分區(qū),因?yàn)槭褂霉δ芗敖ㄖ?gòu)造的特殊性,無(wú)法使用防火墻和防火卷簾在各層進(jìn)行防火分隔,總建筑面積為6177m2;博物館2層及3層的開(kāi)放展廳因?yàn)槭芪蓓斀Y(jié)構(gòu)影響,無(wú)法設(shè)置防火卷簾,與首層的名人苑大廳連通,為一個(gè)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(diǎn)設(shè)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(yīng)設(shè)置直通室外的安全出口或在首層采用擴(kuò)大封閉樓梯間。當(dāng)層數(shù)不超過(guò)4層時(shí),可將直通室外的安全出口設(shè)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(guò)門(mén)廳或休息廳到達(dá)室外,疏散樓梯的出口至通向室外的出口的疏散距離超過(guò)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(guò)相鄰防火分區(qū)的休息廳再到達(dá)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(shè)置在樓間GB50016-2006第5.3.2條規(guī)定:公共建筑內(nèi)的每個(gè)防火分區(qū)、一個(gè)防火分區(qū)內(nèi)的每個(gè)樓層,其安全出口的數(shù)量應(yīng)經(jīng)計(jì)算確定,且不應(yīng)少于2個(gè)。根據(jù)GB50016-2006第5.3.13條的規(guī)定,一、二級(jí)耐火等級(jí)的其他民用建筑中直接通向疏散走道的房間疏散門(mén)至最近安全出口的最大距離不應(yīng)超過(guò)40m,若該房間疏散門(mén)位于袋形走道內(nèi),則至最近安全出口的最大距離不應(yīng)超過(guò)22m。建筑物內(nèi)全部設(shè)置自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)時(shí),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(yīng)改變。大劇院的6～8層為設(shè)備房和控制室,受建筑構(gòu)造的影響,只布置了一部疏散樓梯,且該疏散樓梯在5層進(jìn)行了轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)目標(biāo)的初步調(diào)整方案針對(duì)需要進(jìn)行性能化防火設(shè)計(jì)的問(wèn)題,根據(jù)保定市關(guān)漢卿大劇院和博物館性能化防火設(shè)計(jì)目標(biāo)、功能目標(biāo)和性能目標(biāo),依據(jù)國(guó)家有關(guān)建筑防火規(guī)范及其防火原則,同時(shí)考慮項(xiàng)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(píng)估(1)休息廳僅作為通道及人員臨時(shí)休息場(chǎng)所使用,內(nèi)部不應(yīng)擺放沙發(fā)、軟椅等高分子易燃材料制成的座椅,應(yīng)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(jí)不應(yīng)低于B1級(jí),且應(yīng)盡量采用不燃材料裝修。(3)3層休息平臺(tái)的吧臺(tái)只能使用電加熱,不應(yīng)使用燃?xì)饧訜帷?4)休息廳內(nèi)凈高超過(guò)12m的中庭部位應(yīng)設(shè)置消防水炮或大空間智能型主動(dòng)噴水滅火裝置進(jìn)行保護(hù)。(5)休息廳內(nèi)凈高超過(guò)12m的中庭部位應(yīng)設(shè)置紅外光束感煙火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)、光截面圖像感煙火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)等適宜大空間使用的感煙火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)。(6)休息廳內(nèi)的中庭開(kāi)口部位設(shè)置高度不小于500mm的擋煙垂壁,各層回廊和中庭頂部分設(shè)排煙系統(tǒng)。3.1.2增加前室墻設(shè)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(jí)不應(yīng)低于B1級(jí),且應(yīng)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(jí)不應(yīng)低于B1級(jí)。(3)2層的專(zhuān)題展廳使用防火墻及甲級(jí)防火門(mén)與相鄰區(qū)域分隔,同時(shí)增設(shè)通往辦公區(qū)的甲級(jí)防火門(mén)和階梯,并在辦公區(qū)增設(shè)乙級(jí)防火門(mén),形成通過(guò)樓梯間的前室,使專(zhuān)題展廳內(nèi)的人員可通過(guò)辦公區(qū)的疏散樓梯進(jìn)行疏散。(4)3層咖啡廳只能使用電加熱,不應(yīng)使用燃?xì)狻?5)凈高超過(guò)12m的中庭部位應(yīng)設(shè)置消防水炮或大空間智能型主動(dòng)噴水滅火裝置保護(hù)。(6)凈高超過(guò)12m的中庭部位應(yīng)設(shè)置紅外光束感煙火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)、光截面圖像感煙火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)等適宜于大空間使用的感煙火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)。(7)2層及3層的展廳吊頂下方設(shè)置高度不小于1m的擋煙垂壁以延緩展廳發(fā)生火災(zāi)后產(chǎn)生的煙氣對(duì)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(shè)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(shè)計(jì)(1)大劇院觀眾廳西側(cè)的兩個(gè)疏散樓梯的出口走道處原設(shè)計(jì)的防火卷簾改為防火墻和甲級(jí)防火門(mén),辦公室使用耐火極限不低于2h的不燃燒實(shí)墻和乙級(jí)防火門(mén)與走道進(jìn)行分隔,觀眾廳通往走道的門(mén)應(yīng)為甲級(jí)防火門(mén)。該直通室外的疏散走道應(yīng)采用不可燃材料裝修。(2)大劇院觀眾廳東側(cè)的疏散樓梯首層出口處使用防火卷簾和甲級(jí)防火門(mén)形成直通室外的疏散走道,防火卷簾處再設(shè)置固定的高度不小于500mm的擋煙垂壁,紀(jì)念品商店使用耐火極限不低于2h的不燃燒實(shí)墻或C類(lèi)防火玻璃與走道進(jìn)行分隔,開(kāi)口處設(shè)置乙級(jí)防火門(mén)或火災(zāi)時(shí)能自行關(guān)閉的防火玻璃門(mén)(可通過(guò)電磁門(mén)吸控制防火玻璃門(mén)的開(kāi)啟)。該直通室外的疏散走道應(yīng)采用不可燃材料裝修。(3)大劇院觀眾廳南側(cè)的疏散樓梯的出口通往休息廳。通過(guò)上文對(duì)休息廳的性能化防火設(shè)計(jì)調(diào)整方案增強(qiáng)休息廳的安全性,保證疏散樓梯內(nèi)的人員通過(guò)休息廳再到達(dá)室外的安全性。該疏散樓梯內(nèi)人員疏散的安全性將通過(guò)模擬計(jì)算確認(rèn)。(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(guò)上文對(duì)名人苑的性能化防火設(shè)計(jì)調(diào)整方案增強(qiáng)名人苑的安全性,保證疏散樓梯內(nèi)的人員通過(guò)禮儀大廳再到達(dá)室外的安全性。該疏散樓梯內(nèi)人員疏散的安全性通過(guò)模擬計(jì)算確認(rèn)。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(mén)通向相鄰防火分區(qū)(休息廳),人員需通過(guò)休息廳內(nèi)直通室外的出口或疏散樓梯間疏散。通過(guò)上文對(duì)休息廳的性能化防火設(shè)計(jì)調(diào)整方案增強(qiáng)休息廳的安全性,保證觀眾廳內(nèi)的人員通過(guò)休息廳疏散的安全性。觀眾廳內(nèi)人員疏散的安全性通過(guò)模擬計(jì)算確認(rèn)。3.2.3疏散樓梯間及走道的設(shè)置大劇院的6～8層僅布置設(shè)備房和控制室,這些房間平時(shí)無(wú)人,檢修及演出時(shí)人數(shù)也很少,且工作人員對(duì)疏散路徑熟悉,在火災(zāi)發(fā)生時(shí)可以很快找到疏散出口疏散。因此,大劇院6～8層可只設(shè)置一部疏散樓梯。為進(jìn)一步提高人員疏散的安全性,提出如下優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jí)防火門(mén)與相鄰區(qū)域分隔,內(nèi)部需設(shè)置火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、自動(dòng)滅火系統(tǒng)和排煙系統(tǒng)。(2)6～8層的疏散樓梯間應(yīng)按防煙樓梯間設(shè)置,樓梯入口前需設(shè)置防煙前室。(3)在5層的樓梯轉(zhuǎn)換處,6～8層疏散樓梯間的出口應(yīng)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(jìn)行正壓送風(fēng),送風(fēng)量按走道內(nèi)最大兩個(gè)入口門(mén)洞風(fēng)速不小于0.7m/s計(jì)算確定(樓梯間入口的門(mén)洞不計(jì)算在內(nèi)),走道內(nèi)使用不可燃材料裝修。走道一端的甲級(jí)防火門(mén)改為雙扇門(mén),兩扇門(mén)的開(kāi)啟方向不同,以相互借用疏散。(5)7層機(jī)房不應(yīng)直接向樓梯間前室開(kāi)門(mén),建議增設(shè)一條疏散走道通往疏散樓梯間,通往疏散樓梯間的2個(gè)門(mén)之間的距離不小于5m。為減小機(jī)房著火后對(duì)人員疏散的影響,機(jī)房的疏散門(mén)與樓梯間入口門(mén)之間的距離不應(yīng)小于5m。4火災(zāi)場(chǎng)景與后果設(shè)定火災(zāi)場(chǎng)景是建筑物性能化防火設(shè)計(jì)和消防安全性能評(píng)估分析中,針對(duì)設(shè)定的消防安全設(shè)計(jì)目標(biāo),綜合考慮火災(zāi)的可能性與潛在的后果,從可能的火災(zāi)場(chǎng)景中選擇出供分析的火災(zāi)場(chǎng)景。通常,應(yīng)根據(jù)最不利原則選擇火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)較大的火災(zāi)場(chǎng)景作為設(shè)定火災(zāi)場(chǎng)景。根據(jù)保定市關(guān)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(jié)合建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、防火分隔以及主動(dòng)消防設(shè)施的設(shè)置狀況,共設(shè)置了3個(gè)火源位置,分析確定了8個(gè)具有代表性的設(shè)定火災(zāi)場(chǎng)景,見(jiàn)表1?；馂?zāi)增長(zhǎng)系數(shù)0.04689kW/s2。5火災(zāi)擴(kuò)散和煤氣流的分析運(yùn)用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDS對(duì)建筑內(nèi)的火災(zāi)及煙氣蔓延情況進(jìn)行模擬計(jì)算,得到各火災(zāi)場(chǎng)景下的火災(zāi)蔓延及煙氣流動(dòng)狀態(tài)。5.1基于建筑實(shí)際應(yīng)用,根據(jù)建筑的使用功能和空間特性,可根據(jù)煙氣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律計(jì)算火災(zāi)場(chǎng)景,可把煙氣層溫度變化分對(duì)于火災(zāi)蔓延控制目標(biāo),主要利用火災(zāi)發(fā)展分析工具,根據(jù)建筑的使用功能和空間特性等設(shè)定相應(yīng)的火災(zāi)場(chǎng)景,模擬煙氣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,計(jì)算煙氣層的溫度,并以此判斷能否將火災(zāi)控制在設(shè)定的防火區(qū)域內(nèi)。5.2煙氣層溫度根據(jù)相關(guān)試驗(yàn),可燃物品被引燃所需的最小熱流為10kW/m2?；馂?zāi)的輻射熱為10kW/m2時(shí),約相當(dāng)于煙氣層的溫度達(dá)到360～400℃時(shí)的狀態(tài)。因此,將360℃作為火災(zāi)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(shí),火災(zāi)將通過(guò)熱輻射在防火區(qū)域間蔓延;當(dāng)煙氣層溫度小于該值時(shí),可認(rèn)為火災(zāi)不會(huì)通過(guò)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(yùn)動(dòng)情況fds分析FDS是通過(guò)數(shù)值方法求解湍流方程分析燃燒過(guò)程中的煙氣擴(kuò)散和熱傳導(dǎo),包含燃燒模型、熱輻射模型和熱解模型等。通過(guò)分析預(yù)測(cè)煙氣的流動(dòng)狀態(tài)并獲得有關(guān)火災(zāi)的熱動(dòng)力學(xué)參數(shù),驗(yàn)證建筑內(nèi)的消防設(shè)施能否阻止火災(zāi)煙氣達(dá)到影響人員疏散安全的極限值。針對(duì)設(shè)定火災(zāi)場(chǎng)景,運(yùn)用模擬軟件FDS對(duì)建筑內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行模擬分析,得到如下結(jié)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(dòng)滅火系統(tǒng)和排煙系統(tǒng)均有效的情況下,火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣和熱量能夠被較快地排出,能見(jiàn)度下降緩慢,除火源附近外,空間溫度沒(méi)有明顯變化。(2)對(duì)于大劇院和博物館的公共大廳,火災(zāi)發(fā)生在首層時(shí),產(chǎn)生的煙氣容易對(duì)上層人員的疏散造成影響,而火災(zāi)發(fā)生在其他層時(shí),煙氣不容易對(duì)下層人員造成影響。(3)在6層設(shè)備層的疏散走道內(nèi)設(shè)置正壓送風(fēng)系統(tǒng)可以延緩煙氣進(jìn)入疏散走道內(nèi)的過(guò)程,給人員創(chuàng)造更多的疏散時(shí)間。(4)對(duì)于博物館,室外風(fēng)速會(huì)影響自然排煙口的排煙效果,減少人員的可用疏散時(shí)間,因此高側(cè)窗在建筑兩側(cè)應(yīng)盡量均勻布置,且應(yīng)注意開(kāi)啟方式,盡量采用下懸窗,以減小室外風(fēng)的影響。(5)各安全出口附近清晰高度處各項(xiàng)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(shí)間對(duì)于人員安全疏散的設(shè)計(jì)目標(biāo),主要應(yīng)滿足人員在火災(zāi)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(duì)人員可用疏散時(shí)間和人員必需疏散時(shí)間進(jìn)行比較,其中人員可用疏散時(shí)間(TASET)為從火災(zāi)發(fā)生到火災(zāi)發(fā)展至威脅人員安全疏散時(shí)的時(shí)間間隔;人員必需疏散時(shí)間(TRSET)為人員從火災(zāi)發(fā)生到疏散至安全區(qū)域所需要的實(shí)際時(shí)間。為實(shí)現(xiàn)安全疏散的功能目標(biāo),疏散設(shè)計(jì)應(yīng)滿足綜合判定標(biāo)準(zhǔn):TASET>TRSET。6.2疏散安全性分析該項(xiàng)目各區(qū)域通過(guò)計(jì)算機(jī)人員疏散模擬軟件進(jìn)行計(jì)算得到的TRSET,與各火災(zāi)場(chǎng)景下的TASET進(jìn)行比較,判斷各區(qū)域內(nèi)人員疏散的安全性。其結(jié)果如表3、表4所示。7火災(zāi)危險(xiǎn)性下的安全疏散通過(guò)對(duì)人員的疏散模擬分析,并與火災(zāi)煙氣模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,可以得出以下結(jié)論:(1)在自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)和機(jī)械排煙系統(tǒng)均有效的情況下,對(duì)于各個(gè)設(shè)定火災(zāi)場(chǎng)景和疏散場(chǎng)景,大劇院和博物館內(nèi)的人員均能夠在危險(xiǎn)來(lái)臨之前通過(guò)