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兰州中川机场新航站楼性能化防火设计
2012-03-08 10:27:36   来源:   

牛小强

(兰州市公安消防支队  甘肃  兰州730010)

 

摘要:介绍兰州兰州中川机场新航站楼应用性能化防火设计解决防火分区面积过大、安全疏散过长等问题,保证消防安全。设计10个火灾场景,以EVACNET4软件模拟航站楼各部分人员疏散时间;以FDS模拟烟气运动,得到可用疏散时间。经模拟分析,各场景下均能安全疏散。设计2个场景模拟顶棚及幕墙钢结构的防火安全性。结果显示,在现有的防火安全条件下,火灾不会影响钢结构的安全。建议部分钢结构使用薄型防火涂料进行防火保护。

关键词:机场航站楼;防火分区;疏散距离;钢结构;性能化防火设计

1 前言

    大型航站楼根据其使用功能和流程要求,在建筑设计上通常采用大跨度高大空间结构,具有空间设计复杂、空间之间开敞连通的特点,不易形成防火分区分隔,尤其是办票大厅和候机厅建筑空间高,单层面积大,步行距离长,因其功能需要常常作为一个防火分区考虑,因而带来防火分区超大、疏散距离超长等问题,难以达到防火规范规定的要求。笔者根据消防安全工程学原理,以兰州中川机场新航站楼为例,采用性能化设计的方法对防火分区、人员安全疏散、火灾烟气蔓延、钢结构安全、消防设施配置等进行模拟分析,并优化完善其防火设计。

2 机场航站楼概况

    

    兰州中川机场新航站楼建筑面积6.3万㎡,建设选址位于现航站楼南侧,采用两层(局部设夹层)的T型指廊式构型。航站楼结构形式为:下部钢筋混凝土框架结构,上部钢结构,屋面钢网架结构;主楼局部最高点建筑高度42.6m,最低点22.46m;指廊檐口高度27.1m,指廊最高点高度28.1m。新建航站楼全部作为国内候机使用,一层为到达层建筑面积27692m2,主要功能为行李提取厅、行李分拣厅、远机位候机厅、迎客大厅、设备用房、办公用房等;夹层建筑面积5075m2,为到达通道、中转厅及设备管廊;二层为出发层,建筑面积 25937m2,主要功能有办票大厅、安检区、近机位候机厅以及商业夹层。老航站楼一层局部改建为国内贵宾候机厅,二层局部改建为新老航站楼连廊。地下室及交通衔接厅建筑面积4259m2,主要为航站楼与综合交通之间衔接的通道,主要功能有衔接通道、设备用房及部分商业设施。

3 需要性能化设计解决的问题

    兰州中川机场新航站楼与国内所有规模类似的机场一样,建筑规模较大、功能复杂,且有较大的尺度空间,难以完全套用常规的消防规范来解决和处理消防问题。首先航站楼出发大厅旅客从办票、托运行李、通过安检到候机厅登机的整个过程,检查程序连续且有严格划分的隔离区和非隔离区,对消防安全来讲,加大了离港出发层防火分区的面积和疏散的距离。其次,为了满足航站楼高峰小时旅客流量容纳空间及航站楼工艺流程的连续性,要求建筑采用开敞大厅、空间流动和导向的建筑空间划分方式,本工程建筑设计最大防火分区面积达到了3.7万m2,致使航站楼离港出发层的建筑面积远远超出了现行建筑设计防火规范的防火分区面积限值。而工艺流程的特殊性又要求空间的连续性和流动性,因此无法按一般的防火设计规范要求来划分防火分区。通过建筑性能化防火设计解决以上防火分区、安全疏散、烟气控制、结构保护、消防设施配置等方面的消防安全难题,成为国内通行的解决方法,根据航站楼建筑的结构、功能、工艺流程和内部可燃物等实际情况,结合建筑空间的组织、大空间疏散路线及疏散出口设置,优化完善消防报警和消防控制系统、疏散指示系统、自动灭火系统和防烟排烟系统等技术手段,构建本工程消防安全体系。

3.1 防火分区面积过大

    中川机场新航站楼设计将出发离港层与到港通道划分将为一个防火分区,建筑面积37835m2,行李分拣厅与行李提取厅、迎客大厅为一个防火分区,航站楼部分地下室及交通衔接厅作为独立的防火分区。这三部分防火分区均超过了《建筑设计防火规范》(GB50016-2006)(以下简称“建规”)防火分区允许最大面积为2500m2的规定。

3.2 安全疏散疏散距离过长

    航站楼出发大厅为满足旅客办票、托运行李、安检、候机、登机的功能需要,离港出发层、行李提取厅的疏散距离超过国家建设工程消防技术标准规范30m限值上限,出发大厅内距安全出口最远点的疏散距离达到60m(建规5.3.13条规定:建筑内的观众厅、多功能厅、餐厅 、营业厅和阅览室等,其室内任何一点至最近安全出口的直线距离不宜大于30m)。

3.3 防烟分区面积过大

    航站楼出发大厅高度均大于6m,没有划分防烟分区,且不具备自然排烟条件(高度大于12m或者自然排烟口距该防烟分区最远点的水平距离超过30m)。整个大厅作为一个防烟分区,排烟量大,火灾时需要开启大厅内全部排烟风机,能源消耗量大。

3.4 采用大量明钢结构

    新航站楼的建筑顶部和侧面使用了大量的裸露的明钢结构,主要分为屋顶钢网架和侧面钢支柱两个部分,大面积使用钢结构材料也是性能化设计要考虑的问题。

4 性能化设计解决方案

4.1 出发离港层与到港通道

    针对新航站楼出发离港层与到港通道防火分区面积过大、并且疏散距离过长的的问题:性能化设计提出了“亚安全区”的概念,“亚安全区”成立需要通过合理消防设计,控制其他区域所产生的烟气不进入“亚安全区”,禁止在此区域内布置营业网点和进行商业活动,利用场模拟软件模拟在此设计条件下能否满足人员疏散的要求。

4.2 行李分拣厅与行李提取厅、迎客大厅

    针对新航站楼行李分拣厅与行李提取厅、迎客大厅防火分区面积过大、疏散距离过长的的问题:性能化设计考虑大厅蓄烟能力(大厅层高达7.8m)和自动消防设失施效的极端情况,利用场景模拟软件FDS对各火灾场景的烟气流动进行定量模拟分析,量化烟气危来临时间,与人员疏散模拟分析结果进行对比,不断调整防火分隔方式和消防设施的设置,直到满足人员安全疏散条件为止。

4.3 地下室及交通衔接厅

    针对新航站楼地下室及地下交通衔接厅防火分区面积过大、疏散距离过长的的问题:调整地下室部分区域的使用功能,将部分公共活动用房改为设备用房,使防火分区面积和疏散距离符合建规要求。

4.4 建筑顶部和侧面

    针对新航站楼的建筑顶部和侧面使用了大量的裸露的明钢结构的问题:性能化设计对钢结构周围空间进行危险源分析研究,采用场模拟和经验公式计算的方式进行定量分析,根据分析结果确定钢结构的保护方式、部位和耐火极限,如果分析结果达到安全指标,则可不做进一步保护。

5 火灾场景的设置

    本计算对象为出发离港层办票大厅、候机厅、行李分拣厅、行李提取厅、迎客大厅、航站楼部分地下室及交通衔接厅等,在设计火灾场景时,选择火灾危害较大且最有可能发生的火灾场景作为计算火灾场景,应具有代表性。性能化设计提出的解决方案考虑了起火点处的火灾荷载和起火点直接封堵疏散出口,使人员因心理作用向背离起火点方向疏散的情况,共设计了10个最快达到危险状态的典型火灾场景,见表1。

表1 火灾场景设计

场景号

楼层

功能

可燃物

火灾规模/MW

火灾类型

备  注

1

远机位候机厅

商品、货架等

6.0

快速火

自动灭火系统失效

2

行李分拣厅

行李

20.0

快速火

3

行李提取厅

行李 

8.0

快速火

4

国内到达大厅

商品、货架等

8.3

快速火

5

2

到港通道

杂物、纸篓等

2.5

快速火

6

3

办票大厅

行李

8.0

快速火

7

3

近机位候机厅

商品、货架等

6.0

快速火

8

3

候机厅贵宾室

桌椅、沙发等

12.0

快速火

9

-1

交通衔接厅

商品、货架等

9.0

快速火

10

-1

地下衔接通道

杂物、纸篓等

2.5

快速火

6 人员安全疏散设计模拟分析

6.1 人员疏散安全判定准则

    人员疏散安全具体判定准则是如果人员疏散时间(RSET)小于安全疏散时间(ASET),则疏散是安全的,疏散设计合理;反之则不安全,需要修改设计。

6.1 人员疏散时间(RSET)EVACNET4模拟

    本次人员疏散时间计算采用美国佛罗里达大学的凯斯库(Kisko)等人开发的EVACNET4人员疏散计算模型。该软件对建筑划分网格,根据建筑实际位置用弧线连接而建立网络模型。通过计算可以模拟出人员疏散过程,获得人员疏散到安全区或亚安全区的时间。

    以疏散情况较为复杂的候机厅贵宾室(场景8)为例,根据机场设计高峰小时旅客吞吐量2616人次确定疏散人流数量,设计疏散人数为1244人/h。

    设计疏散路线:候机厅一部分人员利用9部楼梯疏散,另一部分人员通过9部登机桥通道疏散到一层室外,其余部分人员通过陆侧安检,经过大厅可直接疏散到引桥外门,引桥外的平台和登机桥可以视为室外安全区域。

    软件模拟计算结果显示该场景下人员全部疏散完毕所需时间为450s,考虑240s的人员疏散准备时间(火灾报警时间与疏散预动时间之和)及1.5倍安全系数,候机厅发生火灾时,人员全部安全疏散完毕时间为915s。10个场景的人员疏散时间见表2。

表2 各场景的人员疏散时间

场景号

起火位置

火灾报警时间/s

疏散预动时间/s

疏散运动时间/s

疏散总时间/s

1

远机位候机厅

180

90

260

660

2

行李分拣厅

180

80

360

800

3

行李提取厅

200 

120

300

770

4

国内到达大厅

180

120

240

660

5

到港通道

180

120

250

675

6

办票大厅

180

90

240

530

7

近机位候机厅

150

90

420

870

8

候机厅贵宾室

150

90

450

915

9

交通衔接厅

180

120

400

900

10

地下衔接通道

180

90

420

900

7 烟气控制系统模拟分析

7.1 人员生命安全判定

    烟气对人生命安全的影响指标主要包括烟气层高度、烟气温度、烟气毒性和能见度。设定安全判定为:清晰高度以上空间内烟气平均温度不大于180℃;清晰高度以下空间内烟气平均温度不大于50℃,能见度不低于10m。大厅的烟气层最小清晰高度Hq=1.6+0.1H(H为排烟空间的建筑净高度)。计算得出,候机大厅Hq取4m,出发大厅Hq取5.6m、地下层Hq取2.0m。

7.2 安全疏散时间(ASET)FDS模拟

    以场景8为例,在设置的排烟条件下,候机厅贵宾室发生12MW快速火,取高度4m的烟气横截面和纵剖面进行温度场图和能见度云图分析发现:候机厅贵宾室发生火情后,产生大量高温烟气,一部分通过自然排烟口排出室外,另一部分在顶棚蓄积并沉降,在1130s时在4m高度开始有部分烟气能见度小于10m;温度场分布以着火点为中心呈温度辐射降低状态,1130s时候机厅除着火点外其余部分4m高度处温度均小于50℃。因此可以认为该场景ASET为1130s,面该场景下REST为915s,人员可以安全疏散。10个场景的人员疏散时间与安全疏散时间对比见表3。

表3 各场景REST和ASET对比

 

场景1

场景2

场景3

场景4

场景5

场景6

场景7

场景8

场景9

场景10

REST/s

660

800

770

660

675

530

870

915

900

900

ASET/s

980

1150

910

800

935

855

1320

1130

1375

1350

安全余度/s

320

350

140

140

260

325

450

215

475

475

8 钢结构保护模拟分析

8.1 钢结构安全判据

    钢结构安全判据为:如果火灾下钢结构可能达到的最高温度小于其设定临界温度,则可以不采取防火保护措施;否则,应进行防火保护。根据实验研究,建筑钢材的临界失效温度为537℃。在该温度下,钢的屈服应力将会降低到其正常值的60%。当钢材的温度小于300℃时,其强度下降较小,而超过300℃以后,强度下降较为迅速。从保守安全角度出发,选取300℃作为钢结构安全判据的温度指标。

7.2 钢结构耐火性能FDS模拟

    设置两处火灾场景:场景1,二层办票大厅内办票岛处发生火灾,火源位置A处的屋顶钢结构件距离火源最近;场景2,候机厅中部商店内可燃商品发生火灾,火源位置B处的屋顶钢结构件距离火源最近。2个场景采用FDS模拟计算结果汇总表见表4。

表4 火灾中最不利条件下屋顶钢构件的温度

火源位置

A

B

火灾最大规模/MW

6.0

18.0

屋顶最低点钢结构高度/m

19.6

13.0

屋顶最低点钢结构与火源距离/m

20.8

11.0

平均火焰高度/m

3.39

5.23

屋顶最低点钢构件温度/℃

72.8

231.6

    从模拟结果可以看出,火源位置A、B两处屋顶在2400s内基本保持在250℃以内,并且温度随时间的变化不明显,即该火源对顶部屋面钢结构不会造成破坏。分析其原因,候机厅为大空间结构,发生火灾时烟气很快到达屋顶,并继续向四周顶棚更高的位置处扩散,烟气蔓延空间很大,基本很难在火源的正上方形成一个辐射量很强的热烟气层,因此火源正上方温度很难达到一个较高值。考虑到火焰高度,距楼面高度大于8m的屋顶钢桁架可不进行防火保护。

9 性能化设计结论

(1)防火分区、安全疏散的性能化设计方案。通过对10个典型火灾场景的模拟分析发现,在火灾探测报警系统正常工作的情况下,人员疏散时间小于安全疏散时间,且有大于140s以上安全余度,说明性能化设计方案是可行的,能够达到设定的防火安全目标。

(2)航站楼大面积高大空间设计,能够有效地起到蓄烟和稀释作用,10m以上的空间高度减缓了烟气沉降到人体高度的速度,直到模拟结束仍未达到威胁人员安全的极限条件,有利于人员的疏散逃生。

(3)钢结构的性能化设计方案。通过对两个典型部位火灾场景的模拟分析发现,在现有的防火安全条件下,火灾不会影响到钢结构的安全,航站楼钢柱部分8m以下需涂刷薄型防火涂料进行防火保护,8m以上仅作防腐防锈处理。

(4)航站楼单层面积大,疏散距离长,旅客心理压力大较大,增加了疏散过程中发生如人流交叉拥堵、踩踏等事故的可能性。受目前疏散模拟软件功能的限制,本次疏散模拟忽略了人员的心理状态以及可能的偶然突发事件对疏散过程的影响。而从模拟的结果来看,人员疏散时间超过了15min,较长的疏散时间增加了发生事故的可能性。因此,疏散过程中机场人员对旅客人群的组织指挥,保持人群心理稳定,确定合理的人流疏散方向,是相当重要。

 

    作者简介: 牛小强,男,甘肃省兰州市公安消防支队建筑审核科高级工程师,工程硕士,主要从事建筑工程消防监督管理工作,兰州市城关区均家滩364号,730010。联系电话:0931-4605858、13893227289

 

参考文献

[1]GB 50016-2005. 建筑设计防火规范[S]

[2] GB 50045-95. 高层民用建筑设计防火规范[S]

[3]朱蕾.大型航站楼的消防设计探讨[J].消防科学与技术,2008.27(11):807-809

[4]刘菲.上海自然博物馆消防设计特点浅析[J].消防技术与产品信息量.2011.9:26-30.

[5]乔旭,刘志强,姜明理,刑玉军.某机场航站楼钢结构火灾安全性评估[J].消防科学与技术,2010,8:119-121.

[6]许剑方.福州海峡国际会展中心性能化防火设计与分析[J].消防科学与技术,2010,8:109-112.

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