大空间建筑消防设计三大设施探讨

引言 
近年来随着经济建设的发展和建筑技术的不断进步，一批大空间建筑在全国各地相继投资建设，且有进一步增长的趋势，对于这些大型建筑，如大会堂、体育馆、展览馆、候机厅等，单层建筑面积超大，楼层超高，内部空间不能分隔，其特殊使用的要求使建筑设计方案与现行防火规范相矛盾，套用现行防火设计规范无法解释及确定出完善的防火设计方案，而这类大空间建筑又都存在着危险等级高、火灾水平蔓延速度快的特点，必须在现行规范基础上，借鉴国内外先进技术及新型产品，确定一套可靠的消防设施及设计方案保证其使用安全。 
按照《自动喷水灭火系统设计规范》6.1.1条闭式喷淋系统设置场所的限制高度为8米，显然，这类大空间建筑不能采用闭式喷淋系统。 

按照《自动喷水灭火系统设计规范》4.2.5条，具有下列条件之一的场所，应设雨淋系统： 
1.火灾的水平蔓延速度快，闭式喷头的开放不能及时使喷水有效覆盖着火区域。 
2.室内净空高度超过本规范6.1.1条的规定，且必须迅速扑救初期火灾。雨淋系统是一种开式自动灭火系统，在发生火灾时，雨淋阀开启后，被保护区域内所有喷头一起喷水。采用雨淋系统能够有效迅速地扑灭燃烧猛烈、蔓延迅速的火灾。然而，对如此大空间的建筑，用水量和水力损失均较大，在系统设计和施工上存在一定困难，而且雨淋系统受火灾探测系统控制，须经确认火灾及火灾具体区域后才启动喷水灭火，导致在火灾和喷水灭火之间增加了一个火灾确认的环节;若采用红外对射探测器，会影响建筑使用功能的灵活性，例如在展览建筑中使用红外对射探测器，悬挂布幔、布标、广告装饰时，会因其遮挡而误报警，且其价格与一般探测器相比又较为昂贵。 

随着我国国民经济的迅速发展，随着建筑技术和建筑艺术的不断发展，大型建筑和特殊建筑越来越多，要求在建筑结构形式、造型等方面对传统的程式有所突破和创新，新型和大型建筑物的火灾危险性和火灾危害性均有所增大，传统的设计方法和设计规范已较难满足建筑防火设计的需要，严格套用现行规范，往往限制了建筑物的应用功能，也限制了设计人员构思的自由发挥。 
消防技术的发展，为现代建筑设计提供了新的防火手段。新型防火建筑材料、构件以及消防设备和系统的出现，为建筑防火设计提供了新思路;为增加建筑防火设计方案选择的灵活性和多样性提供了条件。 

近年来国内一些超大型建筑，在防火设计上都是由省级以上公安消防机构组织专家论证来解决消防上的问题。来自各权威机构的专家们对消防设计中超规范的部分进行技术研讨及论证，在消防安全方面达成共识后，确定出该工程的具体消防设计方案。 
此种方法，也就是国际上处理此类问题比较流行的设计方法——性能化设计。早在1985年，美国召开的第一次国际火灾安全科学学术讨论会上，正式提出了火灾学(FireSafetyScience)和火灾安全工程学(FireSafetyEngineering)的概念。 
火灾安全工程学是火灾学、消防工程和系统安全工程密切结合的基础上形成的一门应用性很强的交叉学科，它运用工程学的原理方法，对火灾过程及其影响进行科学的决策分析，它强调从系统安全的高度出发，综合考虑各种因素的影响，研究如何实现建(构)筑物的总体安全。

火灾安全工程学的发展为改进建筑物的防火创造了条件。性能化设计是以火灾安全工程学的思想为指导，建立以火灾性能为基础的建筑防火设施(PerformancebasedFireProtectionDesign)，在国内通常简称为“性能化”防火设计。 
性能化要求根据具体建筑物的火灾发展特殊性来决定其防火需要，具体说要使火灾安全目标、火灾损失目标和设计目标实现良好统一。 
从20世纪80年代开始，澳大利亚、新西兰、加拿大、日本、英国、美国、瑞典、芬兰等发达国家相继开展了性能化消防设计方面的国家级研究工作，取得了不同程度的进展和成果。 
性能化设计在我国还处在准备探索阶段，然而它已经开始应用在一些超大空间、超规范建筑的防火设计中。 

根据性能化的指导思想，总结近年来国内一些超大建筑的防火设计方案及国外设计资料，我们认为，对于大空间建筑的防火设计，除采用传统的规范规定的消火栓系统、闭式喷淋系统(局部小空间)外，在大空间内应采用
(一)应用快速响应早期抑制喷头的闭式喷淋系统。
(二)设置自动消防水炮系统。
(三)自动水枪装置。

应用快速响应早期抑制喷头的闭式喷淋系统  
快速响应早期抑制喷头ESFR(earlysuppressionfastresponsesprinkler)是由美国70年代末研制生产的。它的响应时间指数RTI<28+8(ms)05(RTI为反映喷头达到爆破温度的时间的参数)，该喷头的特点为反应快、水滴大、流量大、压力高，能快速压制火灾，国内外的实践及研究证明，该喷头可用于13米的高度，它最初是用来保护高堆垛仓库的大流量专用喷头，但展览馆、博物馆等大空间建筑与仓库在火灾特点上有一定的相似之处，都具有火灾水平蔓延速度快的特点，因此我们认为在9至13米大空间内采用应用快速响应早期抑制喷头的闭式喷淋系统是目前较可行的防火设计方案。参照《自动喷水灭火系统设计规范》5.0.5条、5.0.6条，作用面积按300m2计算，作用面积内开放的喷头数为12只，喷头最低工作压力0.5Mpa，喷水强度16L/min.m2，则此系统设计流量为1.3×16/60×300=104L/s，消防水池贮水量为104L/sx3.6=375T。

自动消防水炮系统 
对于高度大于13米的大空间，尤其是具有较高美观要求的网架结构及玻璃幕顶的建筑，虽然闭式喷淋灭火系统能够起到保护钢屋架的作用，但在实际设计及施工中，尤其是对于不规则屋顶，存在较大的难度。 
目前日本、欧美等国家在机场、体育馆等大空间建筑中，普遍使用消防水炮系统，该系统早期常用于码头及大型露天油库，近年来被越来越多地应用于室内大空间场所，如日本关西机场、首都体育馆、东莞国际会议中心、深圳会展中心、天津滨海国际汽车城等。自动消防炮系统，不仅可以遥感、自控、自锁，可自动对准着火点自动喷水，而且可与火灾探测系统联动，采用双波段图像火灾自动探测与空间定位补救技术及光截面图像感烟火灾探测技术，可解决大空间火灾报警，具有控制距离远、保护面积大、反应速度快、可靠性高等优点，可远程定点扑灭早期火灾。 
国外对消防水炮的研制和应用技术已比较成熟，如日本报知机水炮，设计先进、制做精细、性能优越，但其价格昂贵，每台约100万人民币。国内近年来开始对消防水炮进行研制，上海消防科研所、中国科技大学合肥科大立安安全技术公司等已成功地将消防水炮应用于室内消防。 
自动消防水炮联动系统经火灾探测器探测报警并进行图像显示后，通过联动控制器联动，扫描确定着火点坐标，驱动消防水炮对准着火点，并启动消防水泵，通过压力继电器设定的水压值自动开启消防电磁阀喷水灭火。当火灾探测器结束警报时或设定时间内，联动控制器关闭水泵及关闭消防电磁阀。

目前国内常用的消防水炮，如EL570消防炮，最大流量1200升/分钟(20L/s，水炮人口压力8-10bar时，最大射程可达到50米) EL367消防炮，最大流量2400升/分钟(40L/S)，水炮入口压力8-10bar时，最大射程可达80米。 
以上水炮水平旋转范围可从零点位置到左边右边的90度位置，垂直旋转范围从+60度~高达-85度。
根据《固定消防炮灭火系统设计规范》(国家标准报批稿)规定，水炮系统从启动至炮口喷射水的时间不应大于5min。扑救室内火灾的灭火用水连续供给时间不应小于1hr。室内消防炮的布置应保证被保护区域的任何一部位同时处于至少两门水炮的保护范围内。

例：采用EL367水炮，则系统设计流量：Q=1.2×2×40L/S=96L/s消防水池贮水量40L/S×2×3.6=288T。消防水炮系统在室内的应用，虽然一次性投资较大，但其解决了传统消防灭火设施无法解决的大空间防火问题，且其灭火迅速可靠，管线简单，可结合室内建筑装修合理布置，不影响其美观及使用功能，是目前最为理想的大空间室内灭火设施。

自动水枪装置 
另外，我们从一些相关资料粗浅了解到一种例如目前在日本千叶市综合体育馆使用的自动水枪装置。千叶市综合体育馆的赛场是一个约90m×56m，高约18m的大空间。它的火灾探测灭火系统选用的是扫描式火灾探测灭火系统选用的是扫描式火灾探测器和自动水枪装置。 
该体育馆采用的扫描式火灾探测器与以往使用的火灾感应器不同，火灾发生时，即使尚未出现热气流或浓烟，探测器也能感知到。也就是说，是通过扫描接收火灾时的放射能，来感知火灾，测出位置，比较接近人的目测效果。扫描式火灾探测器的原理与近年来广泛使用的“放射温度计”的原理相同。 
该体育馆采用的自动水枪装置分远程用空气加压式喷口和为防止直喷的近程喷雾式喷口，并可以根据需要选择、切换，从而达到有效保护馆内比赛场地的目的。该装置的有效喷水范围，自喷枪的最大水平距离为80m，核定它的有效喷水率为4.82L/min.m，特别是远程用的气压式喷口与一般的喷口相比较，可以达到用较低的水压实现大面积喷水甚至是远程喷水的效果。另外，喷出的水在消防对象上空形成水幕式落下，因而不宜形成喷淋障碍，对人和物都具有较高的安全性。 
在该比赛场内设置了两台扫描式火灾探测器和一台喷水枪装置。在喷水枪装置中包括设在泵室的加压供水装置(泵)和空气压缩装置(压缩机)，保证足够的水和气压。 
另外，在消防控制室，设置了系统监视控制盘和喷枪中央操作台。设防比赛场内的扫描式火灾探测器，通过两台常规的监视器，一旦发生火灾，会立即将火灾位置的信号送到系统监视盘内的监视器，该监视器经演算确定火灾位置的坐标后，在操作显示部分确定功率的同时，控制系统会将喷水装置的旋钮拨向火灾位置并确定喷水射程。接下来，操作人员开始启动加压送水装置及空气压缩装置进行喷水灭火。另外，操作人员还可以根据具体情况，对喷枪、消防室内喷枪的操作台或在安装喷枪的现场进行手动操作控制。 
该喷水装置的另一特点为造型美观，其可动式喷头的安装可采用埋入式，即完全埋入墙内，采用下周围墙壁颜色和材质相同的面砖装饰，保证了建筑室内整体设计的和谐美观。但这种系统目前尚未在国内使用。

建筑物的防火安全设计是一门综合性科学，是由多专业(建筑、结构、空调、电气、给排水)共同采取安全措施的综合体现，而直接参与扑灭火灾的当属各种自动消防灭火系统，鉴于我国国情和经济体制的关系，我国目前对于高大空间建筑无论在消防设计、消防产品开发上，还有一定差距，这就要求我们公安消防机构尽快学习国外先进经验技术，开发新型消防产品设计，在消防系统设计上优先保证人员在火灾中的安全，同时考虑如何减少火灾的发生和火灾的损失，防止火灾大面积蔓延，最大限度地降低火灾对财产、环境的破坏，利用性能化设计的思想来弥补现行防火规范的不足，适应飞速发展的社会需求，最大限度地保障人民生命财产安全。