【導(dǎo)讀】專業(yè)班級(jí)：土木L084. 二〇一二年二月二十四日

　　

【正文】 t predicted by considering isolated member behaviour. 10 中文譯文： 建筑防火設(shè)計(jì) 拉格夫 摘要：這篇論文主要研究建筑的防火設(shè)計(jì)，火作用于建筑與重力荷載 ,風(fēng)荷載 ,地震力等作用于建筑物結(jié)構(gòu)上有很大不同。火是由人類活動(dòng)或者機(jī)械故障，建筑物內(nèi)的電器引起的 其他論文 ， 考慮建筑物的設(shè)計(jì)的重力荷載 ， 風(fēng)和地震 等 一系列 問題。 建筑物針對(duì)這些負(fù)載的影響的設(shè)計(jì)是相當(dāng)大的程度上涵蓋了工程的標(biāo)準(zhǔn)參照了建筑法規(guī) 。 幾乎在同一程度上 ， 萬一發(fā)生火災(zāi) ， 事實(shí)并非如此 。 相反 ，正是如澳大利亞建筑法那樣的法規(guī)明確了建筑防火安全的標(biāo)準(zhǔn)， 如 用 as3600,as4100 的 方法確定耐火構(gòu)件 。 本文的目的就是要從工程角度考慮建筑設(shè)計(jì)消防安全 ，（ 如目前所做的風(fēng)力或地 震等其他荷載 ），同時(shí)將這種方法應(yīng)用于當(dāng)前規(guī)范要求的環(huán)境之中。首先 需要指出的 是， 設(shè)計(jì)一幢 防火 大樓只考慮建設(shè)結(jié)構(gòu) 或者 是否有足夠的結(jié)構(gòu) 性是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不 夠的。 這是因?yàn)榛鹂梢灾苯?通過 煙霧和熱量影響住戶 ，還可以蔓延增加嚴(yán)重性，而其它對(duì)樓房的影響不具備這一特征。 盡管有這些評(píng)論 ， 本文的 大部分重 點(diǎn) 仍 將 集中于 建筑結(jié)構(gòu) 的設(shè)計(jì)問題。 本文將選擇一棟大樓的兩種情況作為討論的對(duì)象。 圖 1 所示的多層辦公樓 利用了 轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu) ， 跨 過了一條 鐵路路軌 。這是 在 假定了廣泛的軌道交通利用這些軌道 基礎(chǔ) 上 ，考慮到了 運(yùn)費(fèi)和內(nèi)燃機(jī)車 。我們將從 從消防安全角度 考慮第一種情況 ，即轉(zhuǎn)換 結(jié)構(gòu) 。這是被稱為情況 1， 其中的關(guān)鍵問題是 : 哪一級(jí)耐 火 要 求用 這種 轉(zhuǎn)換 結(jié)構(gòu) ？ 這 種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu) 又如何確定 ？ 這種情況已經(jīng)選定 ， 因?yàn)樗@然 不屬于大多數(shù)建筑法規(guī) 的 正常的監(jiān)管范圍 。我們需要的是 一項(xiàng)工程 性的 而不是指令性的 11 解決辦法 。 第 二種 火災(zāi)形勢(shì) （ 稱為情況 2） 相應(yīng)的消防局內(nèi)不同層次的建設(shè)和涵蓋了建筑法規(guī) 。 選擇這種情況是因?yàn)樗鼘?促成 工程學(xué)方法 的 討論以及如何把這些建設(shè) 規(guī) 章 相銜接 ,因?yàn)閮?種 工程和指令性的辦法 皆 是可行的 。 介紹 設(shè)計(jì)師 無法控制 風(fēng)和地震 等 自然 的現(xiàn)象 ，因而只能根據(jù)歷史記載更合理的 選擇建筑物的位置 ，或者提高建筑的 負(fù)荷 能力。 建筑物的荷載由重力產(chǎn)生。 所有這些載荷是可變的 ， 而且 有 可能突破阻力中的關(guān)鍵構(gòu)件 ， 造成結(jié)構(gòu)性破壞 （盡管不常見）。 火災(zāi)的性質(zhì)及其 對(duì) 建筑物影響 與其他荷載 有很大的不同 。關(guān)鍵的 的不同 將在 以下章節(jié)加以 描述 。 火災(zāi)根源 在大多數(shù)情況下 （叢林 大火 排除在外）， 火災(zāi)源于人 們?cè)?建筑 內(nèi) 的活動(dòng)或置于建 筑中的 設(shè)備故障 ?？梢酝ㄟ^影響人類活動(dòng)來影響火災(zāi)發(fā)生頻率，如 限制和監(jiān)測(cè)人類行為和改進(jìn)設(shè)備的設(shè)計(jì)及維護(hù)保養(yǎng) 。對(duì)于正常荷載而言則不可以這樣做。 影響能力 由于風(fēng)與地震 是自然界的直接功能，人類不可能對(duì)其活動(dòng)產(chǎn)生任何程度的影響。 人 們只能 預(yù)測(cè)并據(jù)此設(shè)計(jì) ?？梢酝ㄟ^審計(jì)和限制容積的方法來影響建筑物的活荷載。 然而 在火災(zāi)發(fā)生之初，可以 通過影響其他一些因素來影響火災(zāi)的最終規(guī)模及其對(duì)建筑的影響程度。建筑物中的住戶會(huì)經(jīng)常發(fā)現(xiàn)火苗并在其蔓延之前將其撲滅。 據(jù)估計(jì) ，只有 不到 五分之一的火災(zāi)需要報(bào)警，大多數(shù)的火災(zāi)都在起火的房間中得到了控制。在填滿東西的空間里， 嗅覺線索 (臭味 )可以為火災(zāi)的發(fā)生 提供強(qiáng)有力的證據(jù) 。 煙霧偵測(cè)系統(tǒng) 的安裝， 將進(jìn)一步提高的檢測(cè) 到火災(zāi)的 可能性 ，住戶可以在第一時(shí)間 采取行動(dòng) 。 滅火器材 ， 如滅火器 ， 滅火喉轆 ， 通常是在建筑物 中供 使用 ，也有 不少機(jī)構(gòu)人員提供如何使用防火器材方面的 培訓(xùn) 。 火災(zāi) 的蔓延受 自動(dòng)滅火系統(tǒng) 的影響， 如自動(dòng)灑水可設(shè)計(jì)成具有高效 益 。 火災(zāi)也可 由消防隊(duì)員來控制，這要是火災(zāi)的規(guī)模、發(fā)生地點(diǎn)及消防隊(duì)員的到達(dá)時(shí)間而定。 火災(zāi)的影響 12 火災(zāi)的熱效應(yīng)存在于火災(zāi)的周圍，這將對(duì)周邊建筑產(chǎn)的構(gòu)成材料產(chǎn)生影響。建筑材料的 溫度 會(huì)隨著 暴露于火災(zāi) 時(shí)間的增長(zhǎng)而升溫，溫度的升高程度取決于隔熱材料和火勢(shì)。 溫度 的升高會(huì)導(dǎo)致材料的 熱膨脹 ， 并最終 導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞。不同程度的熱膨脹會(huì)導(dǎo)致材料彎曲變形。 重大軸向擴(kuò)張將被安置在鋼構(gòu)件 ,不論是整體或局部屈曲或屈服的局部地區(qū) 。這些效應(yīng)將 會(huì)對(duì) 支柱 產(chǎn)生破壞性影響， 但組成樓面 的橫 梁可以協(xié)助 產(chǎn)生 其他負(fù)荷抵御機(jī)制（ 見 節(jié) ） 。 除了由于火災(zāi)發(fā)身而產(chǎn)生的阻止熱膨脹的力量外，火災(zāi)不會(huì)使建筑物的荷載增加，而是降低其硬度和剛度。 這種效果不是 瞬間的， 而是一個(gè)時(shí)間的函數(shù) ,這 不同于 地震 、 風(fēng) 等 或多或少都 具有瞬間性的荷載。 在以下情況中，火災(zāi)的 熱效應(yīng) 將不顯著或者蔓延的速度放慢： （ 一 ）火被撲滅 (例如一個(gè)有效的自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng) ) （ 二 ）大火的助燃物不足 （三）結(jié)構(gòu)材料具有很好的隔熱性能，可以有效減慢內(nèi)部溫度的升高 情況（三）中闡述的諸 如提供足夠的 水平 距離和 水泥材料的 尺寸 、 足夠的鋼構(gòu)件厚度等 防火措施 ，都在圖二中加體現(xiàn)出來。 介紹中提到的兩種情況都已闡述完畢。 3 建筑物 內(nèi)的火災(zāi) 消防安全因素 現(xiàn)在考慮 在辦公樓 的使用區(qū)域發(fā)生的火災(zāi)（ 見圖 1）（ 情形 2）。 火 災(zāi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) 顯示 ,大約 平均向消防隊(duì)報(bào)警的每千起辦公樓火災(zāi)中死亡一人。這個(gè)死亡率低于公寓火災(zāi)的死亡率。三分之二以上的火災(zāi)發(fā)生在 建筑物正在被使用的時(shí)候， 這是由 建筑物內(nèi)大量的 人類活動(dòng) 及服務(wù)所致。正常工作時(shí)間之外產(chǎn)生的火源蔓延到其他地方的可能性是正常工作時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的火源的兩倍。 一團(tuán)相對(duì)來說較小的或可以在火災(zāi)發(fā)生的樓層產(chǎn)生濃重的煙霧。 如果樓是開放式 的設(shè) 13 計(jì) 隔間比較少，則在樓房正常使用時(shí)間很容易發(fā)現(xiàn)火源產(chǎn)生的煙霧從而很容易找到火源。填滿了隔間的樓層將會(huì)延緩煙霧的擴(kuò)散，從而會(huì)推遲樓層中的人發(fā)現(xiàn)火災(zāi)的時(shí)間。提高 消防意識(shí)和消防反應(yīng) ， 將有利于減少在被 使用 的時(shí)間 的 重大火災(zāi) 的發(fā)生。 多層建筑物 中的 煙霧偵測(cè)系統(tǒng)和警報(bào)器 ，可以 提供給 “ 自動(dòng) ” 檢測(cè)和報(bào)警 。 報(bào)警信號(hào)也傳送給消防隊(duì) 。 當(dāng)火勢(shì)太大樓中住戶無法應(yīng)對(duì)的時(shí)候，他們必須經(jīng)樓梯離開著火的樓層。 樓梯罩 可以設(shè)計(jì)為 防火的 但這可能不足以 阻止延誤進(jìn)入樓梯。 許多建筑物 配有 樓梯加壓系統(tǒng) ，系統(tǒng)可以在發(fā)現(xiàn)煙霧后將 氣流引入樓道 。 然而 ， 這大大 增加了打開樓梯門 需要的力量， 使得越來越難以進(jìn)入樓梯 。 從消防角度看 ， 人們普遍認(rèn)為 樓房就是用水泥和墻隔開的小隔間。一個(gè)房間如果有防火的墻壁和地板則可以將火勢(shì)限制在房間之內(nèi)而不向相鄰房間蔓延。然而，由于房間的采光及與相鄰隔間的通道等因素的影響，這種防火房間的效用受到了限制。在火勢(shì)較大的情況下也可以通過窗戶蔓延。 限制窗口大小和幾何形狀 可以降低火災(zāi)蔓延的可能性， 但不排除火災(zāi) 縱 向蔓延 的情況。 迄今為止限制火災(zāi)蔓延的最有效措施 ， 除了在場(chǎng)的住戶 救火之外，就是安裝 一個(gè)有效的自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng) ，從而可以向正在蔓延的火災(zāi)自動(dòng)噴 水，以降低溫度從而撲滅大火。 估算火災(zāi)嚴(yán)重 程度 如果缺少救火措施或者救火機(jī)制失靈，猛烈的大火就會(huì)在樓內(nèi)蔓延。 在消防工程文獻(xiàn) 中， 所謂 “火荷載”指的是發(fā)生火災(zāi)時(shí)，房間內(nèi)的易燃物的數(shù)量，而不是指對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的荷載。 同樣 ， 火災(zāi)荷載密度是指每單位面積燃料數(shù)量 。 它通常 用等量木材的 MJ/m2 或 kg/m2來表示。對(duì)各類住戶（如辦公室，零售商店，醫(yī)院，倉庫等）的可燃物調(diào)查已經(jīng)進(jìn)行過，對(duì)這些數(shù)據(jù)的總結(jié)記載在 FCRC （ 1999） 中 。 正如我們料到的那樣，火 災(zāi)荷載密度參差不齊 。 如國際消防工程指引 （ 2020）等雜志提供了 消 防負(fù)荷數(shù)據(jù)計(jì)算的均值和 80 分值 。 后者的火災(zāi)荷載密度水平 ， 有時(shí) 被視為典型 火災(zāi)荷載密度 。 熱釋放的速度 被稱為熱釋放率 （ HRR）， 通常 用 兆瓦 （ MW）表示。對(duì)可燃物施以足夠的熱量可以產(chǎn)生可燃的氣體。 這一過程叫做 可燃?xì)饣? 當(dāng)接觸到足夠的氧氣 時(shí)， 這些氣體燃燒產(chǎn)生熱 。燃燒的速度（同時(shí)也是熱量散發(fā)的速度）取決于產(chǎn)生的可燃?xì)怏w流動(dòng)的速度。 這種流動(dòng)是 房間構(gòu)造影響（ 寬高比 ）， 位置和大小有潛力可挖 。 結(jié)果發(fā)現(xiàn) ， 實(shí)驗(yàn)用單開口約立方外殼率的燃燒是成正比為 H 那里是一個(gè)地區(qū)的開放和 H 是高度開放 。 據(jù)悉 ， 深罩單開孔 ， 燃燒將會(huì)出現(xiàn)最初最接近啟 用移動(dòng)潛回圈地一旦燃料最接近開口進(jìn)食 （ 托馬斯等 ， 2020）。 會(huì)預(yù)見到房間內(nèi)將發(fā)生顯著的溫度變化。 14 所用的字 “ 開啟 ” 指 指墻上的 任何 開口，包括敞開的門或者不 含防火 材料的 玻璃 。這種玻璃可以在大火災(zāi)的蔓延中破碎。 如果 窗戶可以防破碎，空氣中的任何物質(zhì)都無法進(jìn)入著火房間的話，火勢(shì)就不會(huì)發(fā)展為大火災(zāi)。 決定火災(zāi)潛在嚴(yán)重性的各種方法都已經(jīng)建立。 這些都 在 SFPE (2020) 中有所 描述 。 這些方法的 有效性不同， 而且大多基于估算一個(gè)代表性的熱釋放率 （ HRR）， 總?cè)剂?的比例 ?也假設(shè)在 初級(jí)燃燒階段 （如 圖 4）。由于實(shí)際情況復(fù)雜，進(jìn)一步的研究仍需進(jìn)行以適應(yīng)不斷改進(jìn)的模型。 建筑結(jié)構(gòu) 如果設(shè)計(jì)的目標(biāo)是 為使用者 提供足夠的安全水 準(zhǔn)，同時(shí)也要保證相鄰財(cái)產(chǎn)的安全。樓房的設(shè)計(jì)必須能使人們?cè)诖蠡鸢l(fā)生時(shí)及時(shí)逃離現(xiàn)場(chǎng)并且是火災(zāi)不蔓延到周邊建筑。這 些目標(biāo)是與大多數(shù)建筑法規(guī)包括澳大利亞建筑法 （ BCA）相一致。 還 有一些避免建筑受到重大損害等的其他目標(biāo)。 在考慮上述各項(xiàng)目標(biāo) 的同時(shí)，涉及建筑的耐火設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮一下因素。 非結(jié)構(gòu)性后果 因?yàn)榛馂?zāi)產(chǎn)生煙霧和火焰 ，在建筑的結(jié)構(gòu)損毀之前，這些煙霧會(huì)不會(huì)危害到建筑內(nèi)其他地方的人的生 命安全？是不是濃厚的煙霧以致于 消防隊(duì)的搜索和救援 都 不可行 ？會(huì)不會(huì)由于嚴(yán)重的火災(zāi)造成的重大財(cái)產(chǎn)和收入損失致使整個(gè)建筑無法使用？ 如果這些問題的答案是肯定的 ，那么我們應(yīng)該考慮如何避免重大火災(zāi)的發(fā)生， 而不是簡(jiǎn)單地 將建筑 設(shè)計(jì)為 具有強(qiáng) 耐火能力結(jié)構(gòu) 。 低層購物中心兩級(jí)互聯(lián)的大空隙 就 是一個(gè)例子 。 其它防火安全系統(tǒng) 建筑內(nèi)的 其他 防火系統(tǒng) (如灑水器 )的建設(shè) ，可以有效降低 嚴(yán)重火災(zāi) 的 發(fā)生 的頻率，也可 以大大降低 將建筑設(shè)計(jì)為 高層次的耐火能力 必 要 。 在這方面 ，要對(duì) 所有的防火系統(tǒng)加以考慮 。 無論防火安全系統(tǒng)是自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng) ， 樓梯間加 壓 ， 區(qū)隔化或 是使構(gòu)架具有耐火等級(jí)（ 例如 加蓋 混凝土蓋板 ），都具有不確定性?？梢缘玫疥P(guān)于自動(dòng)噴水系統(tǒng)的一些數(shù)據(jù)（因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)比較容易收集）， 但 其他防火系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不是那么現(xiàn)成。 這 容易使 設(shè)計(jì)師和建筑 規(guī)范制定者認(rèn)為 到只有灑水系統(tǒng)都受到不確定性 的影響。 在 實(shí)際中就會(huì)發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)噴水系統(tǒng)效用突出，可以設(shè)計(jì)成具有高水準(zhǔn)的防火系統(tǒng)。 建筑物高度 高層建筑較矮建筑來說膠南疏散人群， 因此 ， 高層建筑的結(jié)構(gòu)需要具有較高的耐火 等級(jí)。高層建筑倒塌的可能性也高于只有幾層的矮建筑。 燃燒的有限程度 15 如果可能燃燒的程度比預(yù)計(jì) 的要輕，那么大火就不會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有顯著的影響。這樣的例子有露天停車場(chǎng)和面積較大的建筑。 地板材料 大火對(duì)復(fù)合或水泥地板的影響仍然是一個(gè)值得研究的話題。 卡丁頓實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明 ， 當(dāng)部分復(fù)合地板受 熱氣炙烤時(shí)，就會(huì)發(fā)生較大位移。 這些情況已按雙方屈服線方法 研究過，同時(shí)考慮到影響力膜 (Bailey, 2020)和有限元技術(shù) 。事實(shí)上， 該方法說明 ，沒有必要為了達(dá)到高耐火等級(jí)的要求而研究所有鋼結(jié)構(gòu)元素的耐火性。 這一工作還 證明了，沒有鋼梁的復(fù)合地板暴露 于 局部火 災(zāi) 不會(huì)導(dǎo)致 地板破裂。一個(gè)類似的對(duì) 多層鋼筋混凝土建筑真實(shí) 火災(zāi)試驗(yàn)顯示 ， 結(jié)構(gòu)實(shí)際行為 ， 在火場(chǎng)明顯不同 ， 預(yù)期用小位移理論至于常溫設(shè)計(jì) (Bailey, 2020)的表現(xiàn)優(yōu)于預(yù)期 ， 考慮個(gè)別成員的行為 。