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第二節(jié)火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)計(jì)
本節(jié)介紹了什么是火災(zāi)場(chǎng)景,如何設(shè)定火災(zāi)場(chǎng)景,包括火源功率的設(shè)定,火災(zāi)增長(zhǎng)分析等。
一、火災(zāi)場(chǎng)景
火災(zāi)場(chǎng)景是對(duì)一次火災(zāi)整個(gè)發(fā)展過(guò)程的定性描述,該描述確定了反映該次火災(zāi)特征并區(qū)別于其他可能火災(zāi)的關(guān)鍵事件?;馂?zāi)場(chǎng)景通常要定義引燃、火災(zāi)增長(zhǎng)階段、完全發(fā)展階段、衰退階段以及影響火災(zāi)發(fā)展過(guò)程的各種消防措施和環(huán)境條件。
火災(zāi)、建筑和人員之間的相互作用會(huì)形成一種非常復(fù)雜的系統(tǒng)。因此,為了采用確定性評(píng)估大型復(fù)雜建筑的消防安全,需要做一些保守的簡(jiǎn)化。根據(jù)這一理論,有一些因素會(huì)對(duì)火災(zāi)場(chǎng)景做出貢獻(xiàn),而許多因素對(duì)火災(zāi)場(chǎng)景的貢獻(xiàn)并不顯著。通過(guò)仔細(xì)選擇對(duì)火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)計(jì)影響較大的因素,然后運(yùn)用適當(dāng)?shù)挠?jì)算技術(shù),可以較容易地得到等效安全解決方案?;馂?zāi)場(chǎng)景的確定應(yīng)根據(jù)最不利的原則確定,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,如:火災(zāi)發(fā)生在疏散出口附近并令該疏散出口不可利用、自動(dòng)滅火系統(tǒng)或排煙系統(tǒng)由于某種原因失效等?;馂?zāi)風(fēng)險(xiǎn)較大的火災(zāi)場(chǎng)景一般應(yīng)包括發(fā)生概率高,但火災(zāi)危害不一定最大,或者火災(zāi)危害大,但發(fā)生概率低的火災(zāi)場(chǎng)景。
火災(zāi)場(chǎng)景必須能描述火災(zāi)引燃、增長(zhǎng)和受控火災(zāi)的特征以及煙氣和火勢(shì)蔓延的可能途徑、設(shè)置在建筑室內(nèi)外的所有滅火設(shè)施的作用、每一個(gè)火災(zāi)場(chǎng)景的可能后果。在設(shè)計(jì)火災(zāi)場(chǎng)景時(shí),應(yīng)確定設(shè)定火源在建筑物內(nèi)的位置及著火房間的空間幾何特征,例如火源是在房間中央、墻邊、墻角還是門(mén)邊等以及空間高度、開(kāi)間面積和幾何形狀等。
確定可能火災(zāi)場(chǎng)景可采用下述方法:故障類(lèi)型和影響分析、故障分析、如果-怎么辦分析、相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、工程核查表、危害指數(shù)、危害和操作性研究、初步危害分析、故障樹(shù)分析、事件樹(shù)分析、原因后果分析和可靠性分析等。
在進(jìn)行火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)該指定設(shè)定火源的位置及空間的幾何形狀,如有必要,還應(yīng)指定房間內(nèi)火源的位置,例如火是否在房間中央、墻邊、墻角或門(mén)邊。在消防隊(duì)員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)始撲救之前,建筑物內(nèi)火災(zāi)的位置同樣會(huì)造成撲救延遲。例如,消防隊(duì)員撲救高層建筑中較高樓層的火災(zāi)的準(zhǔn)備時(shí)間要比比單層建筑火災(zāi)要。
二、設(shè)定火災(zāi)
在設(shè)定火災(zāi)時(shí),一般不考慮火災(zāi)的引燃階段、衰退階段,而主要考慮火災(zāi)的增長(zhǎng)階段及全面發(fā)展階段。但在評(píng)價(jià)火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)時(shí),不應(yīng)忽略火災(zāi)的陰燃階段;在評(píng)價(jià)建筑構(gòu)件的耐火性能時(shí),不應(yīng)忽略火災(zāi)的衰退階段。
在設(shè)定火災(zāi)時(shí),可采用用熱釋放速率描述的火災(zāi)模型和用溫度描述的火災(zāi)模型。在計(jì)算煙氣溫度、濃度、煙氣毒性、能見(jiàn)度等火災(zāi)環(huán)境參數(shù)時(shí),宜選用采用熱釋放速率描述的火災(zāi)模型,
在設(shè)定火災(zāi)時(shí),需分析和確定建筑物的基本情況,包括:建筑物內(nèi)的可燃物、建筑結(jié)構(gòu)、平面布置、建筑物的自救能力與外部救援力量等。
在進(jìn)行建筑物內(nèi)可燃物的分析時(shí),應(yīng)著重分析以下因素:
①潛在的引火源;
②可燃物的種類(lèi)及其燃燒性能;
③可燃物的分布情況;
④可燃物的火災(zāi)荷載密度。
在分析建筑的結(jié)構(gòu)和平面布置時(shí),應(yīng)著重分析以下因素:
①起火房間的外形尺寸和內(nèi)部空間情況;
②起火房間的通風(fēng)口形狀及分布、開(kāi)啟狀態(tài);
③房間與相鄰房間、相鄰樓層及疏散通道的相互關(guān)系;
④房間的圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件和材料的燃燒性能、力學(xué)性能、隔熱性能、毒性性能及發(fā)煙性能。
在分析和確定建筑物的自救能力與外部救援力量時(shí),應(yīng)分析以下因素:
①建筑物的消防供水情況和建筑物室內(nèi)外的消火栓滅火系統(tǒng);
②建筑內(nèi)部的自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)和其他自動(dòng)滅火系統(tǒng)(包括各種氣體滅火系統(tǒng)、干粉滅火系統(tǒng)等)的類(lèi)型與設(shè)置場(chǎng)所;
③火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的類(lèi)型與設(shè)置場(chǎng)所;
④消防隊(duì)的技術(shù)裝備、到達(dá)火場(chǎng)的時(shí)間和滅火控火能力;
⑤煙氣控制系統(tǒng)的設(shè)置情況。
在確定火災(zāi)發(fā)展模型時(shí),應(yīng)至少分析下列因素:
①初始可燃物對(duì)相鄰可燃物的引燃特征值和蔓延過(guò)程;
②多個(gè)可燃物同時(shí)燃燒時(shí)熱釋放速率的疊加關(guān)系;
③火災(zāi)的發(fā)展時(shí)間和火災(zāi)達(dá)到轟燃所需時(shí)間;
④滅火系統(tǒng)和消防隊(duì)對(duì)火災(zāi)發(fā)展的控制能力;
⑤通風(fēng)情況對(duì)火災(zāi)發(fā)展的影響;
⑥煙氣控制系統(tǒng)對(duì)火災(zāi)發(fā)展蔓延的影響;
⑦火災(zāi)發(fā)展對(duì)建筑構(gòu)件的熱作用。
對(duì)于建筑物內(nèi)的初期火災(zāi)增長(zhǎng),可根據(jù)建筑物內(nèi)的空間特征和可燃物特性采用下述方法之一確定:
①實(shí)驗(yàn)火災(zāi)模型;
②火災(zāi)模型;
③MRFC火災(zāi)模型;
④按疊加原理確定火災(zāi)增長(zhǎng)的模型。
在有條件時(shí),應(yīng)盡量采用實(shí)驗(yàn)?zāi)P汀5捎谀壳昂芏鄬?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是在大空間條件下采用大型錐形量熱計(jì)測(cè)量的結(jié)果,并沒(méi)有考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,因此在應(yīng)用中應(yīng)注意實(shí)驗(yàn)邊界條件和通風(fēng)條件與應(yīng)用條件的差異。
對(duì)于面積較小的著火空間,判斷達(dá)到轟燃時(shí)的臨界熱釋放速率可采用公式5-4-1計(jì)算。對(duì)于面積較大的著火空間,可采用空間內(nèi)熱煙氣層的溫度達(dá)到500℃~600℃或單位地板面積接受的輻射熱流量達(dá)到20kW作為著火房間達(dá)到轟燃的標(biāo)志。
對(duì)于火災(zāi)從轟燃到最高熱釋放速率之間的增長(zhǎng)階段,可以假設(shè)當(dāng)轟燃發(fā)生時(shí),火災(zāi)的熱釋放速率同時(shí)增長(zhǎng)到最大值,此時(shí)房間內(nèi)可燃物的燃燒方式多為通風(fēng)控制燃燒,熱釋放速率將保持最大值不變。
火災(zāi)的最大熱釋放速率可根據(jù)火災(zāi)發(fā)展模型結(jié)合滅火系統(tǒng)的滅火效果來(lái)計(jì)算確定。滅火系統(tǒng)的滅火效果可以考慮以下三種情況:
①在滅火系統(tǒng)的作用下,火災(zāi)最終熄滅;
②火災(zāi)被控制到恒穩(wěn)狀態(tài)。在滅火系統(tǒng)的作用下,熱釋放速率的不再增長(zhǎng),而是以一個(gè)恒定熱釋放速率燃燒;
③火災(zāi)未受限制。這代表了滅火系統(tǒng)失效的情況。
滅火系統(tǒng)的有效控火時(shí)間可按下述方式考慮:
①對(duì)于自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng),可采用頂棚射流的方法確定噴頭的動(dòng)作時(shí)間,再考慮一定安全系數(shù)(如1.5)后確定該系統(tǒng)的有效作用時(shí)間;
②對(duì)于智能控制水炮和自動(dòng)定位滅火系統(tǒng),水系統(tǒng)的有效作用時(shí)間可按火災(zāi)探測(cè)時(shí)間、水系統(tǒng)定位和動(dòng)作時(shí)間之和乘以一定安全系數(shù)計(jì)算;
③對(duì)于消防隊(duì)控火,可計(jì)算從火災(zāi)發(fā)生到消防隊(duì)有效地控制火勢(shì)的時(shí)間,一般按15min考慮。
三、火災(zāi)增長(zhǎng)分析
(一)描述可燃物燃燒性能的主要參數(shù)
①可燃物的點(diǎn)火性能,通常采用單位面積可燃物在一定功率熱輻射作用下的點(diǎn)火時(shí)間表示,s;
②可燃物的熱值,kJ/kg;
③單位面積上的質(zhì)量損失速率,kg/㎡.s;
④單位面積上的熱釋放速率,kJ/㎡.s;
⑤毒性氣體的生成率,Kg/Kg;
⑥煙氣的遮光性,一般采用減光系數(shù)表示,m-1。
(二)可燃物的狀況及火災(zāi)荷載密度
可燃物的狀況主要考慮可燃物的形狀、分布、堆積密度、高度、含水率、可燃燒的類(lèi)型或燃燒性能等。
建筑物內(nèi)的火災(zāi)荷載密度用室內(nèi)單位地板面積的燃燒熱值表示
一個(gè)空間內(nèi)的火災(zāi)荷載密度也可以參考同類(lèi)型建筑內(nèi)火災(zāi)荷載密度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)確定,在進(jìn)行此類(lèi)統(tǒng)計(jì)時(shí),應(yīng)該至少對(duì)5個(gè)典型建筑取樣。
在一定種類(lèi)可燃物分布和相應(yīng)的通風(fēng)條件下,火災(zāi)發(fā)展的最大熱釋放速率主要受最大的火源面積控制。此外,用參數(shù)計(jì)算的方法確定火災(zāi)熱釋放速率隨時(shí)間的變化,也需要最大火源面積這一參數(shù)。
火災(zāi)發(fā)展的面積可采用可燃物水平方向的火焰蔓延速度表示 著火房間內(nèi)煙氣層的中性面位置,隨熱煙氣溫度和開(kāi)口位置而變化。在中性面上方,著火房間內(nèi)部的氣體壓力大于相鄰房間或外部的氣體壓力;在中性面下方,著火房間內(nèi)部的氣體壓力小于相鄰房間或外部的氣體壓力。
通風(fēng)口的形狀、大小和分布影響著火房間內(nèi)的燃燒類(lèi)型、氣體流動(dòng)狀態(tài)和火災(zāi)煙氣及熱的排放。
四、熱釋放速率
(一)實(shí)際火災(zāi)實(shí)驗(yàn)
通過(guò)實(shí)際的火災(zāi)實(shí)驗(yàn),獲得火災(zāi)的熱釋放速率曲線(xiàn)。但在應(yīng)用中應(yīng)注意實(shí)驗(yàn)的邊界條件和通風(fēng)條件與應(yīng)用條件的差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在一個(gè)大約和ISO9705房間大小相當(dāng)?shù)姆块g內(nèi)燃燒帶座墊的椅子,當(dāng)考慮從100kW~1000kW范圍的火災(zāi)時(shí),要比在敞開(kāi)式大空間內(nèi)的燃燒速率增加20%。
(二)類(lèi)似實(shí)驗(yàn)
如果缺少分析對(duì)象的可燃組件的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可以采用具有類(lèi)似的燃料類(lèi)型、燃料布置及引燃場(chǎng)景的火災(zāi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。當(dāng)然,實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)際要考慮的情況越接近越好。
例如:在考慮會(huì)展中心中的一個(gè)展位發(fā)生火災(zāi)時(shí),因缺少展位起火的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可以采用一個(gè)辦公家具組合單元的火災(zāi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中的辦公家具組合單元包括兩面辦公單元的分隔板、組合書(shū)架、軟墊塑料椅、高密度層壓板辦公桌以及一臺(tái)電腦,還有98kg紙張和記事本等紙制品。該辦公家具組合單元中包含了展覽中較為常見(jiàn)的可燃物,物品的擺放形式也基本與展位的布置相同,且其尺寸與一個(gè)展位相當(dāng)。因此,在缺少展位火災(zāi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下,可以用這樣一個(gè)辦公家具組合單元的火災(zāi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)替代。
(三)穩(wěn)態(tài)火災(zāi)
對(duì)于穩(wěn)態(tài)火災(zāi),在其整個(gè)發(fā)展過(guò)程中,火源的熱釋放速率始終保持一個(gè)定值?;馂?zāi)發(fā)展過(guò)程中的充分發(fā)展階段可以近似看成是穩(wěn)態(tài)火災(zāi)。某些時(shí)候,為了簡(jiǎn)化計(jì)算,一般保守地設(shè)定火災(zāi)為穩(wěn)態(tài)火災(zāi),尤其是在進(jìn)行排煙系統(tǒng)的計(jì)算時(shí),這種方法可以為防排煙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供相對(duì)保守的結(jié)果。
穩(wěn)態(tài)火災(zāi)的熱釋放速率應(yīng)該對(duì)應(yīng)預(yù)期火災(zāi)增長(zhǎng)的最大規(guī)模,因此穩(wěn)態(tài)火災(zāi)的熱釋放速率也可以基于在自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的第一個(gè)灑水噴頭啟動(dòng)時(shí)的火災(zāi)規(guī)模。當(dāng)評(píng)估探測(cè)系統(tǒng)或感溫滅火系統(tǒng)(如自動(dòng)噴淋)的反應(yīng)時(shí)間時(shí),不應(yīng)采用恒穩(wěn)態(tài)設(shè)定火災(zāi)。
(四)與美國(guó)消防協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)中示例材料的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
表5-4-1 火焰水平蔓延速度參數(shù)值
可燃材料 | 火焰蔓延分級(jí) | #FormatImgID_39# (kJ/s3) | #FormatImgID_40#MW時(shí)的時(shí)間(s) |
沒(méi)有注明 | 慢速 | 0.0029 | 584 |
無(wú)棉制品 聚酯床墊 | 中速 | 0.0117 | 292 |
塑料泡沫 堆積的木板 裝滿(mǎn)郵件的郵袋 | 快速 | 0.0469 | 146 |
甲醇 快速燃燒的軟墊座椅 | 極快 | 0.1876 | 73 |
(五)MRFC模型
MRFC模型是火災(zāi)與煙氣在建筑物內(nèi)蔓延的多室區(qū)域模擬軟件。該軟件中運(yùn)用可燃物火焰蔓延速度及其燃燒特性參數(shù)計(jì)算熱釋放速率
(六)熱釋放速率曲線(xiàn)疊加模型
當(dāng)房間內(nèi)某可燃物著火后,會(huì)因火源和熱煙氣層的熱輻射作用,而在一定時(shí)間內(nèi)引燃其周?chē)扇嘉?,使熱釋放速率增長(zhǎng)。此時(shí)的熱釋放速率應(yīng)為原著火可燃物的熱釋放速率和被引燃可燃物熱釋放速率的疊加。距火源中心距離為R處所接收到的火源輻射熱流量和火源熱釋放速率的關(guān)系
受熱輻射作用引燃可燃物的最小熱流量因可燃物不同而有所差異,如聚氨酯泡沫的最小引燃熱流量約為7kW/㎡,木材的最小引燃熱流量約為10~13kW/㎡,小汽車(chē)的最小引燃熱流量約為16kW/㎡。當(dāng)著火房間高度較高時(shí),空間內(nèi)的冷空氣層較高、熱煙氣層溫度較低,可忽略熱煙氣層的熱輻射作用,而直接運(yùn)用公式5-4-8判斷相鄰可燃物的引燃狀況。反之,不能忽略熱煙氣層的熱輻射作用。判斷相鄰可燃物的引燃狀況時(shí),除了用公式5-4-8計(jì)算火源的輻射熱流外,還要計(jì)算熱煙氣層的輻射熱流量。
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