个体火灾风险准则_城市综合体消防安全关键技术研究

时间:2020-03-29  栏目:百科知识  

个体火灾风险准则_城市综合体消防安全关键技术研究

1.人员个体火灾风险判定准则

城市综合体建筑防火安全设计最重要的目标就是保证城市综合体建筑内人员的生命安全。设计人员必须保证城市综合体建筑内所有人员能够有足够的时间安全到达安全区,使他们不受到瞬间或者累积的危险状态的威胁。

保障人员安全主要保证建筑中所有人员在危险到来前能够到达安全的区域,通过采用人员疏散完毕时间RSET和火灾危险状态来临时间ASET作为判定参数。如果ASET>RSET,则人员疏散是安全的,反之则不安全。因此保证人员安全疏散的判定准则为

火灾燃烧产生的危害主要包括毒性气体、烟气以及大量的热量。因此在计算火灾危险状态来临时间ASET时,涉及的人员生命安全判定标准包括毒性气体的耐受极限(CO、HCN、O2、CO2、HCl等的浓度水平)、热烟气的遮光性水平和高温、人员接受的热辐射以及结构失效等。这些因素相互之间是有联系的,火灾对人员的危害往往是这些因素的综合作用。但目前国内外还没有开展多种危险因素综合作用下人员的生命极限研究。因此,性能化防火设计中通常用其中某项参数值来判定火灾危险状态的来临时间ASET。最可靠的方法是同时联用多种危险判定标准,其中哪个因素在火灾中先达到危险状态,就采取哪一个到达临界条件的时间作为危险来临时间,用数学表达式可以表示为

1)气体毒性

根据调查,因火灾死亡的人员中绝大多数是由于吸入毒性气体。从毒理学角度来看,火灾产生的毒性气体对人员的毒性作用主要有以下两类:第一类是窒息或麻醉作用,主要包括CO、CO2、 HCN等;第二类是刺激性作用,主要如HBr、 HF、 HCl、 SO2 、 NO2等。每种毒性气体都有一个极限值,超出这些极限值,人员可能发生严重的机能丧失而导致生命危险。对火灾产生的毒性气体的定量评价一般采取的衡量标准是LC50,即表示50%的试验动物在规定暴露时间(一般为30 min)以及暴露后的继续观察时间内产生死亡的烟气浓度。

新西兰《消防工程设计指南》(Fire Engineering Design Guide)基于SFPE手册所采用的判定标准中,有关毒性气体的危险判定标准见表7-1。

表7-1 毒性气体人体可接受极限(新西兰《消防工程设计指南》)

英国BSI Draft Code也基于SFPE手册,提出了有毒产物的极限承受条件,见表7-2。

表7-2 有毒产物引起不适/致死的极限条件(BSI Draft Code)

而在英国《建筑火灾安全工程》(BSDD240)中,将毒性气体分为窒息性气体和刺激性气体而分别考虑的,提出了人员可忍受极限,分别见表7-3、表7-4。

表7-3 单一窒息性气体的人员最大可忍受曝火剂量及浓度

结合国外的有关标准,为了简化并和刺激性气体标准统一,把人员能够安全耐受30 min的窒息性气体浓度作为该气体的危险判定标准,见表7-1。

对于窒息性气体混合物的作用,可以通过FED评价模型进行评价。窒息性毒性气体模型的基本原理可定义为

表7-4 单一刺激性气体的人员最大可忍受浓度

式中,Ci为第i种窒息性气体的浓度;(Ct)i为使人失能的某种气体的暴露水平(浓度×时间);Δt为时间增量(min)。

通过测定每种窒息性气体的暴露时间和浓度来计算单一气体的FED值FED,比较混合气体的总FED值(即各种气体FEDi之和)。一般来说,当丧失机能剂量分数FED=1时,即达到窒息性气体导致丧失机能的耐受极限。

对于刺激性产物,最重要的考虑是浓度,它对呼吸系统、感官和肺造成的刺激效应会延缓或阻止人员的安全逃生。当曝火时间延长及刺激性气体浓度高时,刺激性气体的累积剂量会灼烧肺部并导致机能丧失或死亡。根据ISOTS13571的建议,采取表7-5中的浓度作为刺激性气体的危险判定标准,浓度再高,就会削弱人员的逃生能力。

表7-5 单一刺激性气体的人员最大可忍受极限

对于刺激性气体混合物的作用,可以通过FEC评价模型进行评价。FEC模型主要针对刺激性气体的相对有效浓度概念,是各种刺激性气体浓度对能导致人员产生效应的浓度的概率之和。如果刺激性混合物的刺激作用具有可加性,则所有刺激性气体刺激效应的总FEC值可表示为

式中,Ci为第i种刺激性气体的浓度;FCi为使人失能的某种气体的浓度水平(取表7-5中的数值)。

当刺激性浓度分数FEC的总和达到1时,即视为达到混合物的最高可忍受浓度,只要浓度分数不超过1,就不太可能发生严重的肺部灼伤。

2)烟气的遮光性

烟气是由固体颗粒和胶质组成,这些微小颗粒的平均尺寸和可见光的波长大致相当。可见光因此被烟气散射而导致人在烟气中的能见度下降,这会对火灾中人员的安全疏散造成严重影响。人员的能见度就是光密度的倒数,和烟气浓度有关。

新西兰《消防工程设计指南》基于SFPE手册所采用的判定标准中,有关烟气能见度的危险判定标准见表7-6。

美国NFPA的Fire Protection Handbook(《防火手册》)对烟气中人员能见度的建议是:位于小房间中并且熟悉疏散路线的人员的能见度要求,建议是2m;而对于大空间中并且不熟悉周边环境的人员的能见度要求,建议是15 m。

表7-6 容忍判据(新西兰《消防工程设计指南》)

英国BSI Draft Code提出了烟气遮光性的极限承受条件,见表7-7。

表7-7 烟气遮光性的容忍极限(BSI Draft Code)

表7-8 烟气减光的人员容忍极限(BS DD 240)

而BSDD240中认为在一个小房间中,人员逃生可接受的最小能见度是5m(烟密度0.2/m),即当刺激性烟密度达到这一点时,人员的疏散行为就如在黑暗之中而很难找到安全出口。在大房间中,为了定位和找到安全出口,人员逃生的能见度要求应该更远。在一项建筑火灾的研究中,Wood和Bryan发现当平均烟密度达到0.33/m(能见度3 m)时,逃生人员宁可回头而不是在烟气中穿行。因此在大空间中人员安全疏散的最小能见度不应低于10 m(烟密度0.1/m)。表7-8给出了BSDD240中烟气减光的人员容忍极限。

人员逃生的能见度危险判定标准决定于空间尺寸的大小和人员对疏散路线的熟悉程度。因此,对于烟气中的人员能见度水平,通常分为两种情况来考虑:一般性的小房间(长宽不超过10m×10m)及视野比较开阔的大空间。结合国外有关标准,建议的人员能见度水平见表7-9。

表7-9 烟气中人员能见度判定标准

3)热量

绝大多数材料的燃烧是放热的化学氧化过程。这一过程产生的能量是以热量的形式释放出来,包括了对流热和辐射热。对流热是以温度作为测量参数,考察的主要是火场空气温度,而辐射热是以热流值作为测量参数,考察的主要是上层的热烟气层。

国外试验表明,人员对于充满饱和水蒸气的空气的耐受极限是60℃,这是在饱和空气中可以呼吸的最高温度。曝于热对流也会引起严重的裸露皮肤的疼痛,甚至灼伤,曝于不同温度下一段时间后还会造成机能丧失,热对流的容忍时间可由式(7-5)得到:

式中,tm为由于皮肤灼痛造成机能丧失的时间(min);T为温度(℃)。

人员对辐射热的忍受极限值大约是2.5 kW/m2,低于这个极限值人员可以忍受30 min或者更长时间而没有严重后果。高于这个极限值人员皮肤灼伤20s之后就会引起皮肤剧烈疼痛。衣服能提供一定的保护作用,提高人员的耐受时间。对于低于2.4 kW/m2的辐射热流,热辐射的容忍时间可由式(7-6)得到:

式中,tm为由于皮肤疼痛造成机能丧失的时间(s) ;q为单位面积辐射热流(kW/m2)。

新西兰《消防工程设计指南》基于SFPE手册所采用的判定标准中,有关热量的危险判定标准见表7-10。

表7-10 容忍判据(新西兰《消防工程设计指南》)

英国BSI Draft Code基于SFPE手册,提出了有关热量的极限承受条件,见表7-11。

表7-11 热容忍极限(BSI Draft Code)

因此,结合国外有关标准,人员接受热量耐受极限建议值见表7-12。

火灾燃烧产生的热量对人员的伤害也可以结合烟气层的高度综合考虑。

4)烟气层高度

火灾中的烟气层伴有一定的热量、胶质、毒性分解物等,是影响人员疏散性能与救援行动的主要障碍。烟气层高度的危险判定标准就是要确定在疏散过程中,烟气层保持在人群头部以上多少高度可避免人员在疏散时从烟气中穿过或受到热烟气流的辐射热威胁。

表7-12 人员接受热量的耐受极限值

在美国NFPA防火设计手册中,对烟气层的高度要求是6 ft(约1.83 m),认为烟气层高于1.83 m时,人员的安全疏散行为绝大多数不受烟气层的影响。

澳大利亚《消防工程指南》认为在大空间中,离地面和楼面2m以上空间平均烟气温度不大于200℃ ;2 m以下空间内的烟气温度不超过60℃,且能见度不能小于10 m。

而根据日本2000年6月工程部颁布的《关于安全疏散和结构耐火性能的“性能化”评估方法》中关于人员危险临界条件的确定方法,以烟气层距地面的高度S满足关系S=1.6+0.1H [H为楼层高度(m)]时,认为达到危险状态。

此外,许多研究人员也给出了各自的标准,但只适合一些特定场所。其中有:

(1)加拿大Johnson和Timms认为在大型购物中心的中庭,确保热烟气层距地面不低于1.9 m,并且热烟气温度不超过183℃ 。

(2) Morgan和Gardner建议,对于单层的大空间建筑,应该以烟气层底部距离地面2.5 m,最好是3m作为性能化防火设计的安全高度;而对于多层的大空间建筑,应该以烟气层底部距离最上层地板3m,最好为3.5 m作为性能化防火设计的安全高度。

对于大型公共建筑,既有单层的扁平大空间,也有共享中庭的多层空间。根据人员接受热量的危险判定标准,给出烟气层高度的危险判定标准建议值见表7-13。

表7-13 烟气层高度的危险判定标准

综上所述,人员生命安全的危险判定标准建议值见表7-14。

5)可用安全疏散时间及其上限值

大型公共建筑防火安全设计最重要的目标就是保证城市综合体建筑内人员的生命安全,即所有人员在危险来临前能够到达安全的区域。人员安全判定准则一般可表示为可用安全疏散时间(ASET)大于必需安全疏散时间(RSET),即ASET>RSET。

表7-14 人员生命安全的危险判定标准

火灾危害主要包括毒性气体、烟气以及大量的热量。性能化防火设计通常用模拟软件计算出的某项参数达到危险判定标准的时间值作为ASET,即

专题分析采用多种危险判定标准联用,以各种危险因素中最先达到危险判定标准的时间作为可用安全疏散时间,用数学表达式可以表示为

大型公共建筑多是人员密集型场所,火灾情况下的人员疏散往往需要较长时间,即RSET值很大。为防止人员长时间疏散导致的伤亡事故发生,同时避免影响消防人员进入建筑进行灭火扑救行动,有必要确定这类建筑中ASET的上限值,即可用安全疏散时间表示为

在此基础上,给出着火区域和整个建筑区域的可用安全疏散时间上限值的确定方法。对于着火区域,考虑到热危害和毒性气体对人的危险状态极限值都是在人员曝火时间为30 min情况下得到的,因此设定着火区域内的可用安全疏散时间上限值为

对于整个建筑内的人员疏散,考虑到建筑结构的耐火极限,设定的可用安全疏散时间上限值为

式中,β为安全系数,取值范围为(0,1); Tlimit为建筑物构件耐火极限时间。

2.建筑自身火灾风险判定准则

对于大型公共建筑来说,除了保证建筑内的人员安全疏散外,非常重要的一点就是防止火灾蔓延,以减少城市综合体建筑内财产的损失及对周围环境的破坏。火灾蔓延指的是火区扩展出原先起火房间或该建筑结构内的起始区域的状况。防止火灾蔓延就是要防止火灾在可燃物与可燃物之间、建筑与建筑之间蔓延。发生大火往往是那些席卷整个房间或蔓延到起火房间之外,或是蔓延到其他相邻建筑的火灾。避免大量可燃物连续分布是防止火灾蔓延的一个重要方面。

1)可燃物之间的火蔓延判定标准

为减少城市综合体建筑内财产损失,就要防止火灾在可燃物之间蔓延。可燃物到可燃物的火灾蔓延所涉及的因素包括可燃物之间的接近程度、可燃物的数量和分布、可燃物的状态等。引燃某一材料必需的辐射热通量(即不同材料的阈值)通常作为可燃物之间的火蔓延判定标准。表7-15列出了建议的引燃一些材料的辐射热通量和表面温度的阈值。

表7-15 引燃阈值(BSI,1994)

NFPRF的FRAM方法根据热通量的范围划分了材料的着火性能等级,见表7-16。

2)相邻建筑之间的火蔓延判定标准

判断火蔓延到城市综合体建筑周围区域的判定标准是邻近区域内的物体所接受的热辐射是否超出了该物体的临界热辐射。表7-17和表7-18列出了不同材料的判定标准。设计人员可以计算最小走廊宽度以避免火灾通过热辐射向相邻区域或建筑的蔓延,见式(7-12) (NFPA 204M) :

表7-16 按热通量划分的可燃性

表7-17 热辐射临界值一

式中,Wmin为最小走廊宽度(m),这个最小走廊宽度决定于热释放速率和最小点燃热流值20.4 kW/m2(假设适合大多数材料)。

表7-18 热辐射临界值二

火灾从初始起火房间向外部蔓延的主要途径是房间开口。设计者必须考虑所有可能的开口,包括在火灾发展过程中可能形成的开口。例如门、墙上的开口或者玻璃破碎后的窗户等,这是因为开口情况的变化会影响火灾发展过程。

对于玻璃破裂判据,目前在建筑火灾中,通常采用300℃作为判断窗户玻璃破碎的温度极限值。

3)建筑构件的失效判定标准

预测建筑构件在火灾作用下的失效是火灾安全设计的一个重要部分。建筑构件既有结构构件如梁、柱、承重墙等,也有非结构构件如内部的分隔、外墙等。结构构件的失效可能引起城市综合体建筑的坍塌,严重的会造成重大人员伤亡和财产损失;非结构构件失效则会导致火灾向外蔓延引起建筑其他部分起火。

建筑构件的防火目标包括保持结构构件的承重能力,避免火灾蔓延到城市综合体建筑其他部分(特别是不能蔓延到安全区),保护人员安全疏散及消防队员的灭火。建筑构件的破坏判定标准包括对其稳定性、完整性和隔热性的要求。

新西兰《防火工程设计指南》列出了不同建筑构件失效的相对判据,见表7-19。

表7-19 城市综合体建筑构件失效判定标准(新西兰《防火工程设计指南》)

按照《建筑设计防火规范》规定,防火分区间应采用防火墙分隔,如有困难时,可采用防火卷帘和水幕分隔。作为一种有效简便的防火分隔,防火卷帘在我国大型公共建筑中得到了越来越多的应用。因此除了表7-19中所列出的几种建筑构件的失效判定标准,还需要设定防火卷帘的失效判定标准。防火卷帘的失效判定标准应该包括完整性和隔热性,见表7-20。

表7-20 城市综合体建筑构件失效判定标准

另外,独立建筑结构的隔热性能判据的阈值一般采用平均温度140℃或者单点最高温度180℃ 。

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