目录 第l章高层建筑火灾… 第1节高层建筑火灾知识 第2节高层建筑火灾的蔓延… 第3节高层建筑火灾教训 第4节旅馆火灾的统计分析…………… 第2章高层建筑总平面防火设计 第1节高层建筑及其分类………………… 第2节高层建筑消防车道 ……37 第3节高层建筑防火间距 第4节高层建筑总平面防火设计举例 第3章高层建筑内部装修防火 第1节内部装修与火灾成因 第2节建筑材料的耐火性能及其检测分级 第3节建筑装修材料的防火性能 第4节建筑防火涂料及其施工………… 2551958 第5节高层建筑内部装修防火标准………………… 第6节商层建筑内部装修防火构造与施工 第4章高层建筑防火分区…………… 第1节防火分区的设计标准 第2节水平防火分区及其分隔设施 第3节竖向防火分区及其分隔设施…… 第4节高层建筑中庭的防火设计 第5节防火分区的构造与施工………………………… 第6节高层建筑防火分区设计举例 第5章高层建筑耐火等级与耐火设计………… 第1节火灾荷载与火灾参数 第2节高层建筑耐火等级… 第3节混凝土结构的耐火性能… 第4节高层钢结构的耐火设计 第5节高层钢结构防火构造与施工………………………………… 第6节高层建筑防火构造………………………………… 第6章高层建筑防烟与排烟设计 第1节烟的性质及危害 第2节烟在建筑物内的流动… 第3节烟气控制的预测 第4节高层建筑防排烟设计概述
第5节自然排烟设计…… 第6节正压防烟设计……… 第了节机槭排烟设计……………… 第8节防排烟系统的构造与施工………………… 第9节高层建筑防排烟设计举例………… 第?章高层建筑安全疏散设计 第1节高层建筑安全分区与疏散路线………… 556 第2节安全疏散时间与距离 第3节安全出口… 第4节安全瓏散的预测 第5节疏散楼梯………… ,, 第6节避难层(间)… 第?节辅助疏散设施 第8节消防电梯 ……… 第9节高层建筑安全疏散设计举例………… 第8章高层建筑电气防火与火灾自动报警系统概述… 第1节高层建筑消防电源与配电………… 193 第2节高层建筑应急照明… 96 第3节火灾自动报警系统简介…… 198 第4节火灾自动报警系统设计…… …200 第5节自动消防联动控制系统简介 第6节高层建筑应急广播 第9章高层建筑灭火系统 第1节高层建筑灭火系统设计原则 第2节高层建筑灭火系统消防用水量的计算 第3节髙层建筑室内消火栓给水系统 第4节闭式自动喷水灭火系统 第5节开式自动喷水灭火系统…… 第6节高层建筑其它灭火设施简介 第7节高层建筑灭火系统施工安装与维护管理… 第10章地下建筑防火设计 第1节地下建筑简介…………… 第2节地下建筑火灾的特点…………………………"…"…"" 第3节地下建筑设计的防火问题… 第4节防排烟与安全疏散……………………"……"… 241 第5节适合地下建筑的消防设备……… 第11章现代高层建筑防火设计实例… 第1节北京京广中心大厦防火设计… 由“ 第2节陕西信息大厦防火设计 参考文献
第1章高层建筑火灾 第1节高层建筑火灾知识 所谓建筑火灾,是指烧损建筑物及其容纳物品的燃烧现象。髙层建筑火灾,是指高层 建筑内某一空间燃烧起火,进而发展到某些防火分区或整个高层建筑的火灾。由于高层建 筑空间高大,人员、物资集中,火灾在烟囱效应作用下发展蔓延快,消防救助困难,因而 具有极大的危险性。 在某一防火分区或建筑空间,可燃物在刚刚着火、火源范围很小时,由于建筑空间相 对于火源来说,一般都比较大,空气供应充足, 80%火灾荷载烧掉 所以,燃烧状况与开敞的空间基本相同。随着火根 源范围的扩大,火焰在最初着火的可燃物上延 有焰燃烧 烧,或者引燃附近的可燃物,当防火分区的墙 壁、屋顶等开始影响燃烧的继续发展时,一般说 来,就完成了一个发展阶段,即火灾初期。建筑 旺盛期 防火分区火灾一般可分为三个时间区间(图1 I.1初期火灾(轰燃前 图1-1火灾的发展过程 防火分区内的可燃物,因某种原因被引起燃烧,一边消耗分区内的氧气,一边扩大燃 烧范围。若燃烧范围进一步扩大,火灾温度就会急剧上升,并发生轰燃 初期火灾时,着火分区的平均温度低,而且燃烧速度较低,对建筑结构的破坏为也比 较低。 在火灾的初起阶段,虽然火灾分区的平均温度低,但在燃烧区域及其周围的温度较高 在局部火焰高温的作用下,使得附近可燃物受热分解、燃烧,火灾规模扩大,并导致火灾 分区全面燃烧,一般把火灾由初期转变为全面燃烧的瞬间,称为轰燃( Flash over)。轰燃 经历的时间短暂,它的出现,标志着火灾由初期进入旺盛期,火灾分区内的平均温度急剧 上升。若在轰燃之前在住人员逃不出火灾分区,就会有生命危险。 1.2旺盛期火灾(轰燃后) 轰燃后,空气从破损的门窗进入起火分区,使分区内产生的可燃气体与未完全燃烧的 可燃气体一起燃烧。此后,火灾温度随时间的延长而持续上升,在可燃物即将烧尽时达到 最高。 在此期间,火灾分区内所有的可燃物全都进入燃烧,并且火焰充满整个空间。门窗圾 璃破碎,为燃烧提供了较充足的空气,使火灾温度升高,一般可达110C左右,破坏力很 强,建筑物的可燃构件,如木质门、木质隔墙及可燃装修等,均被烧着,并对建筑结构产
生威胁 1.3衰减期(熄灭) 经过火灾旺盛期之后,火灾分区内可燃物大都被烧尽,火灾温度渐渐降低,直至熄灭。 般把火灾温度降低到最高值的80%作为火灾旺盛期与衰减期的分界。这一阶段虽然有焰 燃烧停止,但火场的余热还能维持一段时间的高温。衰减期温度下降速度是比较慢的。 2初期火灾 当火灾分区的局部燃烧形成之后,由于受可燃物的燃烧性能、分布状况、通风状况、起 火点位置、散热条件等的影响,燃烧发展一般比较缀慢,并会出现下述情况之 (1)当最初着火物与其它可燃物隔离放置时,着火源燃尽,而并未延及其它可燃物,导 致燃烧熄灭。此时,只有火警而未成灾。 (2)在酎火结构建筑内,若门窗密闭,通风不足时,燃烧可能自行熄灭;或者受微弱 通风量的限制,火灾以缓慢的速度燃烧 3)当可燃物与通风条件良好时,火灾能够发展到整个分区,出现轰燃现象,使分区 内的所有可燃物表面都出现有焰燃烧。 以木垛(木条垛)为火源,进行分区 火焰及高温气体 热辐射计内火灾实验,测定的热辐射结果如图1-2 所示。当火焰到达屋顶后,其表面积在屋 ˇ木换底面到国的距离9m面上急剧增大,迅速把高温烟气覆盖于 无顶时的计算值 整个屋顶面上。由此对分区内各点的辐 射热通量也迅速增大,致使墙壁、地面及 分区内其他可燃物进入热分解阶段,为 发展到轰燃提供了条件 与叠木操的距离(m) 初期火灾的持续时间,即火灾轰燃 之前的时间,对建筑物内人员的疏散,重 图1-2烟层对地面的辐射热 要物资的抢救,以及火灾扑救,都具有重 要意义。若建筑火灾经过诱发成长,一且达到轰燃,则该分区内未逃离火场的人员,生命 将受到威胁。国外研究人员提出如下不等式 p+ta+t≤ (1-1) 式中t—从着火到发现火灾所经历的时间 t——从发现火灾到开始疏散之间所耽误的时间; 转移到安全地点所需的时间 t——火灾现场出现人们不能忍受的条件的时间 现在,利用自动火灾报警器可以减少t,而且在大多数情况下,效果比较明显。但在住 人员能否安全地疏散,则取决于火灾发展速度的大小,即取决于t。很显然,在评价某一分 区的火灾危险性时,轰燃之前的时间是一个重要因素。这段时间延缓得越长,就会有更长 的时间发现和扑灭火灾,并可以使人员安全撒离。 从防火的角度来看,建筑物耐火性能好,建筑密闭性好,可燃物少,则火灾初期燃烧 缓慢,甚至会出现窒熄灭火、有“火警”而无火灾的结果。从灭火角度来看,火灾初期燃
烧面积小,只用少量水就可以把火扑灭,因而是扑救火灾的最好时机。为了及早发现并及 时扑灭初期火灾,对于重要的建筑物,最好能够安装自动火灾报警和自动灭火设备 3轰燃( Flash over) 轰燃是建筑火灾发展过程中的特有现象,是指房间内的局部燃烧向全室性火灾过渡的 现象。 国外火灾理论专家为了探明轰燃发生的必要条件,在3.64m×3.64m×2.43m(长x宽 Ⅹ高)的房间内进行了一系列实验。实验以木质家具为燃烧试件,并在地板上铺设了纸张 以家具燃烧产生的热量,点燃地板上的纸张,来确定全室性猛烈燃烧的开始时间,即出现 轰燃的时间。通过实验得出的结论是:地板平面上发生轰燃须有约20kW/m2的热通量或天 花板下接近600C的高温。此外,从实验中观察到,只有可燃物的燃烧速度超过40g/s时 才能达到轰燃。同时认为,点燃地板上纸张的能量,主要是来自吊顶下的热烟气层的辐射 火焰加热后的房间上部表面的热辐射也占有·定比例,而来自燃烧试件的火焰相对较少 31轰燃时的极限燃烧速度 为了研究轰燃时的极限燃烧速度,我们先用第5章第1节中将要详细讨论的一个问题 的结论,即室内木垛火灾在通风控制的条件下,其燃烧速度(质量)由下式给出: m= kAwI(kg/s) (1-2) 式中m——以质量消耗表示的燃烧速庋(kg/s); Aw—通风开口的面积(m2); H一一通风开口的高度(m); k——常量,约为0.09(kg/m2·s); AH通风参数。 在2.9m×3.75m×2,7m的房间内,进行燃烧木垛的火灾实验燃烧速度是通过称量可 燃物的重量而进行连续监控的。以燃烧速度m为纵坐标,通风参数AwH为横坐标,整理 实验结果如图1-3所示。可以发现,这些实验中火灾的轰燃(吊顶下烟气层温度超过600 火焰从开口或缝隙处喷出)出现在一个确定的区域内,即图1-3中阴影部分内。根据实验研 究,得出了出现轰燃现象的极限燃烧速度的经验公式如下 刀根现=500+33.3AwH(g/s) (1-3) 实验中发现,如果燃烧速度小于约8g/s时,木垛火灾就不会岀现轰燃,可见木垛火灾 出现轰燃的燃烧速度,是纸张出现轰燃燃烧速度的2倍。而且,当通风参数AwH值小于 0.8m时,也不会出现轰燃 上述研究证明,燃烧速度必须超过一个极限值,而且很可能要维持一段时间后,才能 发生轰燃。从实验中观察到,可燃家具在燃烧速度很高时,就会发生轰燃,例如,在高度 为28m的房间内,燃烧一个聚氨酯泡沫的椅子,280s后即达到轰燃(地板上的热通量为 20kW/m2,最高燃烧速度为15g/s),皮革椅子会出现112g/的最高燃烧速度·很快就达到 轰燃指标
通风控制型燃烧 料控制型燃烧 通风参数AH(m") 图1-3室内燃烧速度与通风参数 木垛质量:18~36kg},45~55kg(△),60~74kg);80~91kg(▲),98~103kg(◆) 阴影区表示火焰从门口喷出和吊顶处烟层温度≥600℃ 3.2赉燃时的临界放热速度 根据托马斯等人关于轰燃表示了一个热不稳定性的观点,人们进行了火灾模型试验研 究,并提出了计算轰燃临界放热速度的实验公式 Rro= 610(hxArAwHt )2 (kW/s) (1-4) 式中hk-—有效热系数(W/m2·K); Ax-—火灾房间的内表面积(m2); Qpo—在吊顶下产生大约500C的热烟层所需的放热速度(kW/s)。 利用公式(1-4),可以对实际房间发生轰 Qo随着火史位置的变化 燃所必须具备的火灾规模,做出比较保守的 (房间:3m×3m×2.3m)表1-1 估计,为此,还要掌握有关物质和建筑中常 起火点位置 Qso(kW/s) 见物品在燃烧时的放热速度。 实验证明,临界放热速度Qp是随起火靠 近墙壁 400 点位置的变化而变化的,如表1-1所示 3.3影晌轰燃的因素 为了掌握影响轰燃的因素,人们进行了大量实际规模的建筑火灾实验和模型试验,发 现袭燃的出现,除了前述建筑物及其容纳物品的燃烧性能、起火点位置之外,还与内装修 材料的厚度、开口条件、材料的含水率等因素有关。图1-4是内部装修为55mm的胶合板 火源木垛长度为18cm时,不同开口率与轰燃时间的关系图15是内部装修为难燃胶合板, 厚度为55mm,火源木垛长度为8cm,可燃物的含水率不同时与轰燃时间的关系。 4分区火灾的旺盛期 室内火灾经过轰燃后,整个房间立即被火焰包围,室内可燃物的外露表面全部燃烧起 来。由于轰燃之际,门、窗玻璃已经破坏,为火灾提供了比较稳定的、充分的通风条件,所 以,在此阶段的燃烧将发展到最大值,并且可产生高达1100右的高温。在此高温下,房 间的顶棚及墙壁的表面抹灰层发生剥落,混凝土预制楼板、梁、柱等构件也会发生爆裂剥
落的破坏现象,在高温热应力作用下,甚至发生断裂破坏。在此阶段,铝制品的窗框被熔 化,钢窗整体向内弯曲,无水幕保护的防火卷帘也向加热一侧弯曲 八A 开口率 含水率 --15.2% 166% 21.2% 时间(min) 图1-4开口率与轰燃时间 图1-5材料含水率与轰燃时间 火灾旺盛期随着可魅物的消耗,其分解产物渐渐减少,火势逐渐衰减。室内靠近顶棚 处能见度渐渐提高;只有地板上堆集的残留可燃物,如大截面木材、堆放的书籍、棉制品 等,还将持续燃烧。 本节主要讨论耐火结构建筑火灾旺盛期的燃烧速度和温度 4.1火灾旺盛期的燃烧速度 在本世纪40年代末,日本的川越和关根等学者,为了对室内火灾的状态进行系统的研 究,对实际房间和小模型房间进行了多种实验。在实验中,设定不同通风开口面积,测定 室内可燃物——木垛的燃烧速度。为了导出燃烧速度与开口面积的关系,首先提出如下假 设 (1)可燃物是纤维系列材料组成的 (2)燃烧速度是由开口处的通风量控制的,即通风控制型火灾; (3)火灾分区内气体温度是均匀的 这样,所研究的火灾分区就简化为如图1-6所 示的研究模型。若火灾分区内部与外部压力为已 知,则在廾口处流出和流进的气体流量,可由伯努 利方程来计算 在火灾分区中性平面上方y处任取1点(如图 1-6中点1),则该点的压力为: P,-pFgy (1-5) (a)压力分布 (b)空气流速分布 式中P。—中性面处(即y=0处)的压力; 图1-6燃烧速度计箅模型 P--火灾分区的气体密度 在通风开口外边点2处,涌流出的气体压力等于该平面处的大气压力:即 P2= P.-pgy (1-6)
式中p——室外空气密度。建立关于点1与点2的伯努利方程: P+二P+ (1-7) P12P2 式中v1与v2是点1和点2处的水平流速。当分区内各处温度均匀时,就没有浮力,因而也 不会有气流运动,故v1=0,把公式(1-5)、(1-6)代入公式(1-7)中,可得: P P Pg 假设从开日流经点2处的气体与点1处具有相同的温度,则有P1=P2,代入公式(1-8),并 整理得 2(Pa- PF)gy (1-9) P1 我们采用下标“F”代表火灾分区内气体,用下标“0”代表环境空气,于是公式(1-9)可 写成: (1-10) 公式(1-10)为计算火灾分区流出分区外气流速度的公式,同理可得计算流人火灾分区气流 速度的公式 2(PF-po)gy (1-11) 根据实验测定,火灾分区开口处气流流出与流人的速度一般约为5~10m/s。火灾分区 开口处的质量流速,可按下述公式求得: 流入;m0= aBp.l wody (1-12) 式中a--流通系数; B-开口的宽度; m—质量流速(kg/s); H—中性面至开口下边缘的距离; H”--中性面至开口上边缘的距离 因此有 H'+H"=F 将公式(1-10)、(1-11)分别代入公式(1-12)、(1-13),并积分,可得出 (1-14) Po (1-15) 从中性面到开口的上、下边缘的高度H"、H',可由火灾分区内的质量守恒来确定。在 稳定燃烧状态下(轰燃之后),若不计分区内热分解产生的气体,则有:
no = mF (1-16) 由此可得出: H PF 当通风开口的高度为H=H+H“时,则有: 1 Po (1-19) P 将公式(1-18)代入(1-14),可得 对于分区火灾旺盛期来说,比值P/P一般情况下为1.8~5之间,取P/p=3则: √[1+(A3/P)3] 取A=1.2kg/m3,对于门窗洞口来说,一般取a=0.7,g=9.81m/s2,空气流人的速度可 近似为 m0≈0.52Aw√H(kg/s) (1-21) 式中Aw—通风口面积; 通风口的高度; Aw=BH,数组Aw√F叫做通风参数 如果分区内发生了化学计量的燃烧,而1kg木材化学计量燃烧需要的空气量约为 5,7kg,所以对于木材来说,其燃烧速度为: m=0.52Aw√H=0.09Aw√H(kg/s) 5.5Aw√H(kg/min) (1-22) 公式(1-22)最初由日本学者川越博士提出,其形式是m=k·Aw√,其中k为不确 定系数,根据实验研究,其值约在55~6.0之间,公式(1-22)在推导过程中做了一些假 设,但与原川越公式是相符合的。燃烧速度m与通风参数Aw√的关系,如图1-7所示 应该指出的是,公式(1-22)是在通风控制型火灾的条件下导出的,故不适合于非通风 控制型火灾。因为当开口达到某一程度时,分区内的燃烧速度将不再受开口大小的影响,而 是取决于可燃物的表面积和燃烧性能。经试验研究发现,从通风控制型到燃料控制型火灾 的转变,主要取决于可燃物的表面积。例如,分区内木垛火灾在轰燃后的稳定燃烧阶段,分 解可燃物的能量主要是来自木垛内木炭的表面氧化。对于分区内纤维质(主要是木质)可
燃物的火灾,鉴别火灾类型的实验公式如下 5製 通风控制型 PAw√gh<0.235 (1-23) 燃料控制型 ●:实际规模 O:中等规撰 <0.290 (1-24) X:小规模 Aw√gH 10过渡区间:即0.235≤“8≤0.29,其火灾型式 通风参数AH(m34 是不确定的。式中Ar为可燃物的表面积 图1-7通风参数与燃烧速度 从大量火灾实验和实际火场的直观经验来说,燃料控 制型火灾一般燃烧不太猛烈,燃烧速度较低,温度也比较低。 4.2旺盛將火灾的温度 为了研究轰燃之后分区内旺盛期火灾对建筑物的破坏作用,以便进行防火设计和火灾 后建筑物的技术鉴定、加固,需要建立旺盛期火灾温度的预测模型。由于轰燃前初期火灾 平均温度相对较低,对建筑结构的破坏作用较小,故可忽略 不计。下面的计算中,t=0,是以轰燃为起点的。 分区火灾温度的预测模型如图1-8所示,为了简化计 算,提出假设条件如下: ↓ (1)火灾分区的燃烧是完全的,温度是均匀的 2)形成分区的内表面的热工性能是相同的 1-8火灾房间的热平衡 (3)分区边界的导热是一维的,边界是“无限大平板”。 研究图1-8所示火灾分区模型的热平衡,可以列出方程如下: QH= QB+QL Qw+QR (1-25) 式中Qn—火灾分区燃烧放热速度 从开口的辐射热损失速度; Q1.一从开口空气对流的热损失速度; Qw火灾分区边界导热损失速度 QR—使火灾分区内气体升温的热损失速度(忽略不计) 公式(1-25)各项计算如下: 4.2.1火灾分区燃烧放热速度QH 对于通风控制型火灾,其燃烧放热速度可由下式计算: (1-26) 式中C——可燃物的燃烧比热。在燃烧放热计算中,要把其它可燃物换算为木材,即求 当量木材”放热速度,木材的C值常取188kJ/g 用公式(1-26)计算可燃物的放热速度时假定了从开始(即轰燃后的瞬间)直到所有可 燃物被烧尽,Q保持常数。此外,还应该指出,如果火灾房间的燃烧为燃料控制型时,计 算出的放热速度偏高。但是,对于防火设计来说,该公式已经能够满足工程设计的精度要