2019消防工程師必背知識(shí)點(diǎn)四十：火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

第五篇 消防安全評(píng)估

第四章 建筑性能化防火設(shè)計(jì)評(píng)估

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、墻角還是門邊等以及空間高度、開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、故障樹分析、事件樹分析、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、墻角或門邊。在消防隊(duì)員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)開始撲救之前，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)的類型與設(shè)置場(chǎng)所;

③火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的類型與設(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?。但由于目前很多?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)從轟燃到較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)

通過實(shí)際的火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，獲得火災(zāi)的熱釋放速率曲線。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)，要比在敞開式大空間內(nèi)的燃燒速率增加20%。

(二)類似實(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)，可以采用具有類似的燃料類型、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)展過程中，火源的熱釋放速率始終保持一個(gè)定值。火災(zāi)發(fā)展過程中的充分發(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

(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)引燃其周圍可燃物，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。