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高层建筑外立面消防安全问题浅析

时间:2022-12-06 15:33:47 | 作者:小编
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摘要:目前,高层建筑外立面具有多功能、复杂性特征,高层建筑立面质量、防火性能必须与建筑外立面消防安全的要求保持高度一致,因此选择合适的建筑材料、进行消防安全分析对于建筑立面消防安全至关重要。文章对高层建筑外立面消防安全问题进行分析,并提出高层建筑外立面设计策略。


关键词:高层建筑;建筑外立面;消防安全;设计策略


从技术角度来看,高层建筑通常具有显著的多功能性和复杂性等特点,其维护结构保温性能较好,立面系统具有创新性。然而最近的许多火灾事件表明,高层建筑消防安全亟须改进外墙系统设计过程中的技术和设计步骤。特别是当一个项目涉及建筑立面改造时,必须提高建筑质量,使相关的隔热性能与防火安全性能保持一致[1]。选择和使用合适的材料,以及优化所有能够满足项目目标的相关因素,就变得至关重要。研究建筑外立面的火势蔓延,首先要分析建筑外立面火势蔓延的规律,外立面构件的组合不仅有助于防止火势在外墙蔓延,而且避免了过度依赖绝缘材料,更有效地防止了火势蔓延。因此,对建筑外立面火灾蔓延研究以及保障人身和财产安全具有重要作用。


一、高层建筑外立面火焰蔓延


(一)高层建筑外立面火灾蔓延的过程


1.火灾的形成


建筑外立面发生火灾的原因有很多,主要包括相邻建筑物的外部火源,或施工期间使用的明火,这种火灾比较偶然,火灾初期,火势相对较小,热辐射较弱,如果外立面没有易燃材料,则火蔓延性能较弱。因此,这种火灾对建筑外立面装饰、保温材料的耐火性有较高的要求[2]。建筑外立面的火灾也可能是由建筑物内部的火灾引起的,一旦建筑室内着火,如果房间通风良好,燃烧进一步增强,很容易达到轰燃阶段。如果建筑物内发生室内火灾,打开窗户会将室内的烟雾释放到室外,同时新鲜的室外空气会被释放到室内,因此窗户对于室内燃烧、火势蔓延率有非常重要的影响。


2.建筑外部火灾的蔓延


建筑外立面着火引起的火灾点燃外墙上的可燃物,并通过外墙的中空结构和外墙上的可燃材料迅速蔓延到建筑外立面,进入火势蔓延阶段。外墙装饰和保温材料的可燃性和结构直接影响火势蔓延速度。如果发生火灾,立面上的热塑性绝缘材料会收缩、熔化甚至燃烧,从而对系统产生不利影响并产生火势蔓延的空腔,同时外覆面脱落并造成人员伤亡。并且,火焰从窗外溢出后,向上、向左、向右蔓延,加速火势蔓延,造成更大的火灾损失。


(二)高层建筑外立面火灾蔓延的特点


1.火焰蔓延速度快,易形成立体火灾


许多建筑物的外墙保温材料燃烧率高,释放出大量的燃烧热,同时建筑物外墙保温材料的连续分布,由于风等天气因素的影响,建筑外立面的火灾快速蔓延,容易发生大规模的立体火灾。


2.容易形成二次火灾


当建筑物内发生火灾时,火焰沿外墙向上蔓延,当上窗附近的温度达到极限温度时,窗玻璃破裂并沿破裂的外窗进入房间,点燃窗帘、沙发等易燃材料,形成二次燃烧,因此防止二次火灾和防止外窗爆裂是防止火势蔓延的有效方法。


3.现有外墙保温材料易燃


随着建筑业的快速发展,建筑物的能源消耗问题越来越严重,由于建筑外立面保温系统的节能效果良好,被用于越来越多的建设项目中。但是,我国既有建筑的隔热材料很多,尤其是EPS和XPS,都是易燃的隔热材料,虽然它们具有优良的隔热性能和广泛的应用空间,但在使用时存在火灾安全隐患。


4.烟气蔓延迅速


由于火灾发生后会产生大量的烟雾,其中含有大量的有毒气体,可能会造成大量人身伤害。烟气水平方向流动速度可达0.3~0.8m/s,垂直方向扩散速度可达1~5m/s,而在楼梯井、管井中,烟囱效应的存在会导致烟气流速达到6~8m/s。二、高层建筑外立面消防安全问题分析降低能源消耗是可持续发展和限制温室气体排放的首要任务之一。当前,高层建筑隔热层的厚度在过去几年增加了一倍以上,加之部分材料为可燃材料,不可避免地增加了火灾负荷。因此,潜在火灾的持续时间和灭火时间都会增加,这些因素会增加火灾通过建筑物外墙以及其内部,或邻近建筑物蔓延的风险。虽然火灾通过可燃材料触发并在立面上蔓延的情况不频繁,然而此类火灾事件一旦发生,就会造成严重的威胁。因此,高层建筑立面改造与消防出口的合理有效设计至关重要。当前,高层建筑外立面普遍存在以下问题[3]:(1)在外墙上使用易燃材料;(2)没有阻碍火势蔓延到外墙或邻近外墙的障碍;(3)立面上存在通风特征,可以促进火势蔓延,向上传播,或在水平方向上传播;(4)被烧毁的外墙部分可能会脱落,而外墙仍然完好无损的部分可能会被卷入其中。以可燃材料存在为特征的火势蔓延到外墙的典型场景主要分为三种类型:(1)通过对相邻独立建筑物的热辐射,外部火势蔓延到可燃立面上;(2)由于辐射效应或由于立面附近火源的直接火灾影响(例如,在阳台上发生的火灾或停在立面附近的汽车起火),造成外部火势蔓延;(3)发生在建筑物内部空间的火灾,通过立面的开口(窗户、门等)蔓延到更高或更低的楼层。对于第三种情况,如果没有快速灭火干预,火势可以到达“轰燃”,火焰可以通过开口迅速影响外墙。正如一些研究结果已经证明的那样,在窗户玻璃破裂后,火焰可以达到开口边缘以上5m,与特定的气流条件相关,而与外墙系统以及使用的材料无关。随后,当火焰(无论是源自建筑物外部还是内部)到达外墙最外层时,火势的进一步传播主要取决于外墙本身的特性,例如,材料、几何形状等。影响火势在立面上蔓延的主要因素有:(1)外墙系统材料的火灾反应特性,这会影响火势在建筑围护结构上的蔓延速度。(2)空洞的存在,这是外墙系统的一部分,或者是由外墙部分在火灾中分层形成的。如果火焰进入空腔,由于烟囱效应,无论面向通风层的材料特性如何,火焰都可以以其初始速度的五倍到十倍蔓延。如果不使用特殊的防火屏障,这种效果会导致快速的垂直火势蔓延。(3)立面开口(窗户、门等),使火焰能够进入建筑物的室内空间。建筑外立面火灾风险取决于许多变量,必须逐个研究,通过消防安全分析可知,即使考虑与特定隔热材料相关的火灾载荷,也可以达到极高的等效燃料载荷值。特别是在塔式建筑改造的情况下,等效荷载燃料载荷值相当大,因为与用于立面的特定技术解决方案相关的火灾风险增加,通常无法通过建筑消防和紧急出口系统的有效改善来补偿[4]。


三、高层建筑外立面的设计策略


为了防止和限制立面上的火势蔓延,可以在材料选择和技术细节设计方面采用一些简单的解决方案。例如,首要目标是在消防队介入之前将火势蔓延控制在不超过火灾发生地两层以上的区域。减少火势蔓延到建筑外立面的风险措施有:(1)控制材料对火的反应,最好使用不燃材料;(2)“防火”元素的设计,有助于将建筑物划分为防火区间,并详细设计它们与外墙和屋顶系统的连接;(3)采取相应措施,阻止火势通过外墙开口(使用“防火”元素、不燃材料屏障等)蔓延到外立面。在两个建筑之间设置绝缘保护、底层绝缘保护、窗户隔间绝缘保护、使用不燃材料保护逃生路线。同时,在窗户外部设置不燃绝缘材料。


四、结语


文章主要对高层建筑外立面消防安全问题进行分析,主要结论包括以下三个方面:(1)高层建筑外立面消防安全的主要问题为:在外墙上使用易燃材料、没有阻碍火势蔓延到外墙或邻近外墙的障碍、立面上存在通风特征。(2)发生在外立面的火灾主要通过热辐射的方式蔓延到相邻空间,发生在建筑内部空间的火灾主要通过立面的开口蔓延到相邻楼层。(3)在高层建筑外立面设计方面,最好使用不燃材料,并进行防火区间划分,同时采取相应措施,阻止火势通过外墙开口蔓延。


参考文献:


[1]潘晓菲,吕品.凹型建筑外立面火灾烟气蔓延特性研究[J].中国安全生产科学技术,2018,14(02):45-51.


[2]杨远荣.一起高层建筑外立面火灾事故原因认定与分析[J].消防科学与技术,2016,35(09):1344-1347.


[3]张玉涛,张玉杰,李亚清.凹型结构建筑外立面火灾蔓延特性模拟研究[J].中国安全科学学报,2020,30(08):70-78.


[4]雷晶晶,王妍,周汝,等.无风条件下火灾时建筑外立面烟羽流形态特征研究[J].中国安全科学学报,2018(12):52-57.


作者:景影 单位:贵州省安顺市西秀区消防救援大队


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