防火隔离带在博物馆建筑中的应用

范维松

（武警学院研究生四队，河北　廊坊）

摘要：针对大型展厅面积过大造成防火分区划分困难的问题，提出了在建筑内设置一定宽度的隔离带作为防火分隔的方法。以某工程实例为研究对象，通过点源模型和数值模拟方法对防火隔离带的设置位置及宽度进行了分析和计算，得出设置8.5m宽的防火隔离带可以有效阻止火势蔓延，并通过FDS模拟的方法对防火隔离带可靠性进行分析论证，模拟结果表明设置防火隔离带的消防设计是可行的。

关键词：大型展厅；防火分区；防火隔离带；FDS模拟

1　引言

随着社会经济的高速发展，商场、展厅、博物馆等造型新颖的大型建筑如雨后春笋般建造起来，有些建筑的面积高达到几万、十几万平方米。我国现行的消防规范规定普通民用建筑的防火分区面积最大为5000m2，商场防火分区面积最大为10000m2，这就给大型建筑的防火分隔带来了一定的困难。

近年来，一些设计单位和消防科研机构开始引入室内防火隔离带的概念，利用其逻辑的、新颖的防火分隔方式来解决大空间建筑中无法采用防火墙、防火卷帘等物理分割方式进行防火分区划分的难题。由于受烟气流动特性、室内燃烧能量、消防设施、人员、物品流动以及后期安全管理等诸多因素的影响，其设置方法不能简单等同于室外防火隔离带。本文针对某大型展厅防火分隔困难的问题，提出了设置室内防火隔离带的方法，并对其可行性进行了性能化分析研究，对防火隔离带设计要求进行了初步探讨。

2　工程概况及防火分隔方案

2.1　工程概况

某古生物博物馆地上主体四层，地下一层，建筑高度23.95m，地下室高度为6.00m，总建筑面积26495m2。地上部分建筑面积18035m2主要由各办公区域、设备机房以及各类展厅等组成，地下一层建筑面积8640m2，由设备用房、储藏间、临时展厅等组成。该博物馆建筑地下一层共划分为7个防火分区，其平面布置及防火分区的划分情况如表1所示。

2.2　消防设计难点

根据GB 50016-2014《建筑设计防火规范》第5.3.1条的相关规定，地下一层设置了自动喷水灭火系统，防火分区的最大允许建筑面积为1000m2。但该建筑防火分区7建筑面积2073.15m2，不符合规范的相关规定。在实际工程中，对厂房等普通大空间建筑进行防火分区划分时一般采用防火分隔水幕或防火卷帘进行分隔，但是这两种传统的划分方法存在以下弊端。

（1）博物馆等含有大量珍惜文物且部分文物忌水，遇水可能造成不可逆转的损失，因此，传统的防火分隔水幕进行防火分区划分的方法便不再适用。

（2）大面积使用防火卷帘可靠性差，可能会发生火灾发生时，防火卷帘不能及时下降的情况。

（3）博物馆建筑属于人员密集场所，参观人员中儿童占较大比例，发生火灾时，防火卷帘的下降可能会引起人员恐慌，对疏散造成不利的影响。

2.3　防火分隔方案

防火隔离带一般应用于森林、草原和外墙保温材料等处，针对展厅火灾蔓延的特点，在地下一层展览大厅内采用设置防火隔离带的方式来进行防火分隔，以有效阻止火势在展厅内的任意蔓延。

该展厅长82.5m，最大宽度33m。为了保证防火分隔的有效性，在展厅的中部，即距离展厅西侧40m处纵向设置一定宽度的防火隔离带，具体划分形式如图1所示。

3　火灾场景分析

3.1　火灾场景设置

火灾场景设置时，为保证火灾场景的安全可靠性，一般选择最不利于防火的条件下设计火灾。为验证防火隔离带的有效性，假设该展厅火灾发生在靠近防火隔离带位置，并且在自动喷水灭火设施、防排烟等设施失效的最不利情况下发生。

3.2　火灾发展过程概述

火灾发展过程一般经历阴燃、增长、充分发展、衰退直至最终熄灭等阶段，考虑到展厅内火灾一般为固体可燃物质火灾，发生燃烧的物质多为木质以及塑料展板等本文在进行分析时，火灾的阴燃初始阶段和熄灭阶段热释放度率相对较少。因此，主要考虑反映了火灾发展快慢程度的火灾增长阶段和反映了火灾可能达到最高热释放速率的充分发展阶段火势蔓延对防火隔离带的影响。

根据NFPA手册，火灾可分为极快、快速、中等和缓慢四种类型。由于展厅在实际工程中对材料的选择、展品的布置等已考虑到防火因素，在实际火灾发展过程中一般不会发生超快速火。大量的试验及火灾案例表明，木材等纤维素材、塑料等合成材料物品从起火到旺盛阶段热释放速率大体按t2增长。本建筑中可燃物为一些木质、塑料展板以及聚合物模型，在模拟计算时，设计火灾按照t2快速火发展，火灾增长系数取0.046kW/s2。

3.3　最大火灾热释放速率的确定

火势发展到充分发展阶段后由于通风及燃料缺乏等原因，火灾的热释放速率将趋于定值，该定值即为火灾的最大热释放速率。该展厅距离消防队3.5km，考虑火灾发生时的实际情况，消防队可在10min之内控制火势，假设火灾在10min内均保持持续增长的最不利状态，此时火灾的最大了释放速率为：

Q=kt2=0.047×6002=16.92MW （1）

即火势在最不利的火灾情况下所能达到的最大火灾热释放速率16.92MW。

3.4　防火隔离带宽度的计算

热传递的过程大致可以分为热传导、热对流以及热辐射三种形式。热传导需要物质之间相互接触才能发生，通过防火隔离带进行物理分隔后，防火隔离带两侧不具备发生热传导的条件，可不予考虑；热对流方式表现为火源的热气流喷出后就向上升腾，其对相邻可燃物火灾蔓延的影响较热辐射方式要小得多，可次要考虑；热辐射方式是建筑内部火灾蔓延的主要方式，在进行防火隔离带的设计时，可仅考虑辐射对可燃物质的影响。

3.4.1　火焰对目标可燃物的直接热辐射

由于火源的不规则形状，往往难以使用经典的辐射换热公式来确定其可燃性，在消防工程实际应用中，往往采用点火源模型测试其辐射热通量。点火源模型简单，经实验验证其精度较高，根据点火源模型热辐射通量公式，可燃物接受的热辐射通量与火源距离关系如下：

q=Q/12πR2 （2）

式中，Q为火源热释放速率，kW；R为可燃物距离火源的距离，m。

3.4.2　烟气层对目标可燃物的热辐射

室内火灾发生之后，由于顶棚的阻挡作用，火羽流形成水平流动的顶棚射流向四面扩展，随着顶棚射流的不断卷吸作用，其质量和温度不断上升，对室内物体具有热辐射作用，物体的辐射力为：

E=εσTS4 （3）

式中，ε为烟气层发射率，一般取1；σ为史蒂芬玻尔兹曼常数，其值为5.67×10–11，kW/（m2·K4）；TS为热烟气层温度，K。

顶棚下单位面积可燃物所接受到的来自热烟气层的有效热辐射通量为：

qs=εσTS4×A1×F0/A2 （4）

式中，F0为热烟气层对可燃物的辐射角系数；A1为热烟气层的表面积，m2；A2为可燃物的表面积，m2。

根据角系数的相对性，可燃物对热烟气层的辐射角系数FS为：

FS=A1×F0/A2 （5）

在火灾发生时，可燃物质上方10m×10m范围之外的热烟气层辐射角系数较低，在计算物质的热辐射可以忽略不计，根据辐射角系数计算公式，可燃物质上方10m×10m方形范围内可燃物质对热烟气层的辐射角系数FS=0.24。

我们建立该展厅FDS模型，对距离着火物质8m范围内烟气层能达到的最高温度进行模拟，如图2所示。

根据模拟的结果可知，烟气层所能达到的最高温度为254℃。根据公式（4）和式（5）可以得出烟气层对可燃物质的热辐射通量为qs。

qs=εσTS4FS=0.972kW/m2 （6）

3.4.3　防火隔离带设置宽度

当物体表面接收到的热辐射通量达到引燃该材料的了辐射通量临界值时，该物体可被引燃。根据美国消防协会以及参考DGJ 08-88-2006《上海市建筑防排烟技术规程》的有关数据，得出物质的临界辐射通量可按照NFPA的实验测试结果确定，表2为典型燃烧物质的临界辐射热通量。展厅中有大量易燃的木质和聚合物展板，易燃物品引燃所需的最小热流量为10kW/m2。因此，本文把10kW/m2作为火灾在防火区域间蔓延的临界辐射热通量。

当建筑内发生火灾时，则相邻建筑所接受到的辐射热通量主要来源于火源的热辐射和烟气层的热辐射两部分。发生火灾时，相邻物体受到的辐射热通量q如式（7）所示：

q=qs+qf=0.97+16900/12πR2 （7）

式中，qs为热烟气层对目标可燃物的热辐射通量，kW/m2；qf为火源对目标可燃物的直接热辐射通量，kW/m2。

把Q=16.9MW，q=20kW/m2代入得到R=7.06m，安全系数的取值在1.2～1.6之间，防火隔离带的宽度应在8.5～ 11.3m之间，取8.5m。

4　软件模拟法验证防火隔离带的可靠性

4.1　模拟软件的选用以及工作原理

本文运用火灾动力学模拟软件FDS对该火灾场景进行模拟计算，通过数值方法求解Navier-Stokes方程分析燃烧过程中烟气和热传导的过程。用FDS软件建立该展厅模型，对防火隔离带另一侧的可燃物接受到的辐射热通量进行测试。当防火隔离带一侧接受到的辐射热通量达到10kW/m2，即火源可以引燃防火隔离带另一侧的物质，则认为防火隔离带设置失效。

4.2　火灾场景模拟计算

本文通过FDS软件对该展厅进行建模，假设在靠近防火隔离带处发生火灾，在防火隔离带的另一侧共选取了三个测试点：可燃物正对火焰的一侧；可燃物的上侧；墙壁（考虑墙壁展板）。对于边界条件，本文作出以下假设：

（1）建筑净高：6.0m

（2）气象条件：环境温度为23℃，不考虑风的影响，即风速为0m/s

（3）模拟时间：900s

（4）火灾规模：16.92MW

（5）防火隔离带宽度为8.5m

4.3　火灾模拟结果

在模拟时间内，防火隔离带另一侧三个测试点处接受到的辐射热通量如图3所示。

由图3可知，在模拟时间内墙壁处在800s时所接收到的最大热释放速率最大，为0.55kW/m2；可燃物正对火焰的一面在600s时所接收到的最大热释放速率最大，为2.45kW/m2；可燃物上方820s时所接收到的最大热释放速率最大，为1.2kW/m2。在所设的三个典型的测试点处，物质接收到的辐射热通量均小于10kW/m2。因此，根据模拟结果，通过设置宽度为8.5m的防火隔离带可以有效地阻止火势蔓延。

5　结论与建议

5.1　结论

通过对某大型地下展厅防火隔离带的设计，得出在自喷、防排烟系统失效的最不利情况下，该展厅可以通过设置宽度为8.5m防火隔离带的方法阻止火势向防火隔离带另一侧蔓延，满足建筑防火的需求。在实际工程中，大空间建筑防火分区面积过大且传统防火分隔方式不适用时，在通过理论分析以及性能化评估等技术手段验证其可靠性后，可以考虑根据建筑物的特点采用室内防火隔离带进行防火分隔。

5.2　建议

（1）防火隔离带是通过在一定距离内隔离可燃物进行防火分隔的方式，因此在日常要加强消防管理，防火隔离带处不应堆放可燃物质。

（2）我国对于防火隔离带的使用还没有明确的规范以及技术标准，在实际工程中使用防火隔离带代替传统的防火分隔方式时不可任意扩大防火分区，而是需要考虑建筑的使用功能、空间条件、火灾荷载以及消防设施等综合因素，确定防火隔离带的位置以及宽度，并且需要性能化模拟的手段检测防火隔离带的可靠性。

（3）虽然通过模拟发现烟气对可燃物热辐射影响作用远小于火焰的热辐射作用，但烟气的流动对人员疏散有一定影响，防火隔离带仅能阻止火势的蔓延而无法有效控制烟气的流动。所以，在实际工程中设置防火隔离带时，还应考虑火灾自动报警系统和防排烟设施等配合使用。

参考文献

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