2019消防工程師必背知識點四十：火災場景設(shè)計

第五篇 消防安全評估

第四章 建筑性能化防火設(shè)計評估

第二節(jié) 火災場景設(shè)計

本節(jié)介紹了什么是火災場景，如何設(shè)定火災場景，包括火源功率的設(shè)定，火災增長分析等。

一、火災場景

火災場景是對一次火災整個發(fā)展過程的定性描述，該描述確定了反映該次火災特征并區(qū)別于其他可能火災的關(guān)鍵事件?；馂膱鼍巴ǔＲx引燃、火災增長階段、完全發(fā)展階段、衰退階段以及影響火災發(fā)展過程的各種消防措施和環(huán)境條件。

火災、建筑和人員之間的相互作用會形成一種非常復雜的系統(tǒng)。因此，為了采用確定性評估大型復雜建筑的消防安全，需要做一些保守的簡化。根據(jù)這一理論，有一些因素會對火災場景做出貢獻，而許多因素對火災場景的貢獻并不顯著。通過仔細選擇對火災場景設(shè)計影響較大的因素，然后運用適當?shù)挠嬎慵夹g(shù)，可以較容易地得到等效安全解決方案?；馂膱鼍暗拇_定應根據(jù)最不利的原則確定，選擇火災風險較大的火災場景作為設(shè)定火災場景，如：火災發(fā)生在疏散出口附近并令該疏散出口不可利用、自動滅火系統(tǒng)或排煙系統(tǒng)由于某種原因失效等?；馂娘L險較大的火災場景一般應包括發(fā)生概率高，但火災危害不一定最大，或者火災危害大，但發(fā)生概率低的火災場景。

火災場景必須能描述火災引燃、增長和受控火災的特征以及煙氣和火勢蔓延的可能途徑、設(shè)置在建筑室內(nèi)外的所有滅火設(shè)施的作用、每一個火災場景的可能后果。在設(shè)計火災場景時，應確定設(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。

確定可能火災場景可采用下述方法：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。

在進行火災場景設(shè)計時，應該指定設(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。在消防隊員到達現(xiàn)場開始撲救之前，建筑物內(nèi)火災的位置同樣會造成撲救延遲。例如，消防隊員撲救高層建筑中較高樓層的火災的準備時間要比比單層建筑火災要。

二、設(shè)定火災

在設(shè)定火災時，一般不考慮火災的引燃階段、衰退階段，而主要考慮火災的增長階段及全面發(fā)展階段。但在評價火災探測系統(tǒng)時，不應忽略火災的陰燃階段;在評價建筑構(gòu)件的耐火性能時，不應忽略火災的衰退階段。

在設(shè)定火災時，可采用用熱釋放速率描述的火災模型和用溫度描述的火災模型。在計算煙氣溫度、濃度、煙氣毒性、能見度等火災環(huán)境參數(shù)時，宜選用采用熱釋放速率描述的火災模型，

在設(shè)定火災時，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。

在進行建筑物內(nèi)可燃物的分析時，應著重分析以下因素：

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可燃物的火災荷載密度。

在分析建筑的結(jié)構(gòu)和平面布置時，應著重分析以下因素：

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房間的圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)件和材料的燃燒性能、力學性能、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，應分析以下因素：

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)部的自動噴水滅火系統(tǒng)和其他自動滅火系統(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)置場所;

③火災報警系統(tǒng)的類型與設(shè)置場所;

④消防隊的技術(shù)裝備、到達火場的時間和滅火控火能力;

⑤煙氣控制系統(tǒng)的設(shè)置情況。

在確定火災發(fā)展模型時，應至少分析下列因素：

①初始可燃物對相鄰可燃物的引燃特征值和蔓延過程;

②多個可燃物同時燃燒時熱釋放速率的疊加關(guān)系;

③火災的發(fā)展時間和火災達到轟燃所需時間;

④滅火系統(tǒng)和消防隊對火災發(fā)展的控制能力;

⑤通風情況對火災發(fā)展的影響;

⑥煙氣控制系統(tǒng)對火災發(fā)展蔓延的影響;

⑦火災發(fā)展對建筑構(gòu)件的熱作用。

對于建筑物內(nèi)的初期火災增長，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實驗火災模型;

②火災模型;

③MRFC火災模型;

④按疊加原理確定火災增長的模型。

在有條件時，應盡量采用實驗模型。但由于目前很多實驗數(shù)據(jù)是在大空間條件下采用大型錐形量熱計測量的結(jié)果，并沒有考慮圍護結(jié)構(gòu)對實驗結(jié)果的影響，因此在應用中應注意實驗邊界條件和通風條件與應用條件的差異。

對于面積較小的著火空間，判斷達到轟燃時的臨界熱釋放速率可采用公式5-4-1計算。對于面積較大的著火空間，可采用空間內(nèi)熱煙氣層的溫度達到500℃～600℃或單位地板面積接受的輻射熱流量達到20kW作為著火房間達到轟燃的標志。

對于火災從轟燃到較高熱釋放速率之間的增長階段，可以假設(shè)當轟燃發(fā)生時，火災的熱釋放速率同時增長到最大值，此時房間內(nèi)可燃物的燃燒方式多為通風控制燃燒，熱釋放速率將保持最大值不變。

火災的最大熱釋放速率可根據(jù)火災發(fā)展模型結(jié)合滅火系統(tǒng)的滅火效果來計算確定。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，火災最終熄滅;

②火災被控制到恒穩(wěn)狀態(tài)。在滅火系統(tǒng)的作用下，熱釋放速率的不再增長，而是以一個恒定熱釋放速率燃燒;

③火災未受限制。這代表了滅火系統(tǒng)失效的情況。

滅火系統(tǒng)的有效控火時間可按下述方式考慮：

①對于自動噴水滅火系統(tǒng)，可采用頂棚射流的方法確定噴頭的動作時間，再考慮一定安全系數(shù)(如1.5)后確定該系統(tǒng)的有效作用時間;

②對于智能控制水炮和自動定位滅火系統(tǒng)，水系統(tǒng)的有效作用時間可按火災探測時間、水系統(tǒng)定位和動作時間之和乘以一定安全系數(shù)計算;

③對于消防隊控火，可計算從火災發(fā)生到消防隊有效地控制火勢的時間，一般按15min考慮。

三、火災增長分析

(一)描述可燃物燃燒性能的主要參數(shù)

①可燃物的點火性能，通常采用單位面積可燃物在一定功率熱輻射作用下的點火時間表示，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)的火災荷載密度用室內(nèi)單位地板面積的燃燒熱值表示

一個空間內(nèi)的火災荷載密度也可以參考同類型建筑內(nèi)火災荷載密度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定，在進行此類統(tǒng)計時，應該至少對5個典型建筑取樣。

在一定種類可燃物分布和相應的通風條件下，火災發(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)計算的方法確定火災熱釋放速率隨時間的變化，也需要最大火源面積這一參數(shù)。

火災發(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、氣體流動狀態(tài)和火災煙氣及熱的排放。

四、熱釋放速率

(一)實際火災實驗

通過實際的火災實驗，獲得火災的熱釋放速率曲線。但在應用中應注意實驗的邊界條件和通風條件與應用條件的差異。實驗結(jié)果表明，在一個大約和ISO9705房間大小相當?shù)姆块g內(nèi)燃燒帶座墊的椅子，當考慮從100kW～1000kW范圍的火災時，要比在敞開式大空間內(nèi)的燃燒速率增加20%。

(二)類似實驗

如果缺少分析對象的可燃組件的實驗數(shù)據(jù)，可以采用具有類似的燃料類型、燃料布置及引燃場景的火災實驗數(shù)據(jù)。當然，實驗條件與實際要考慮的情況越接近越好。

例如：在考慮會展中心中的一個展位發(fā)生火災時，因缺少展位起火的實驗數(shù)據(jù)，可以采用一個辦公家具組合單元的火災試驗數(shù)據(jù)。實驗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，且其尺寸與一個展位相當。因此，在缺少展位火災實驗數(shù)據(jù)的情況下，可以用這樣一個辦公家具組合單元的火災試驗數(shù)據(jù)來替代。

(三)穩(wěn)態(tài)火災

對于穩(wěn)態(tài)火災，在其整個發(fā)展過程中，火源的熱釋放速率始終保持一個定值。火災發(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。某些時候，為了簡化計算，一般保守地設(shè)定火災為穩(wěn)態(tài)火災，尤其是在進行排煙系統(tǒng)的計算時，這種方法可以為防排煙系統(tǒng)的設(shè)計提供相對保守的結(jié)果。

穩(wěn)態(tài)火災的熱釋放速率應該對應預期火災增長的最大規(guī)模，因此穩(wěn)態(tài)火災的熱釋放速率也可以基于在自動噴水滅火系統(tǒng)的第一個灑水噴頭啟動時的火災規(guī)模。當評估探測系統(tǒng)或感溫滅火系統(tǒng)(如自動噴淋)的反應時間時，不應采用恒穩(wěn)態(tài)設(shè)定火災。

(四)與美國消防協(xié)會標準中示例材料的對應關(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。該軟件中運用可燃物火焰蔓延速度及其燃燒特性參數(shù)計算熱釋放速率

(六)熱釋放速率曲線疊加模型

當房間內(nèi)某可燃物著火后，會因火源和熱煙氣層的熱輻射作用，而在一定時間內(nèi)引燃其周圍可燃物，使熱釋放速率增長。此時的熱釋放速率應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/㎡。當著火房間高度較高時，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，除了用公式5-4-8計算火源的輻射熱流外，還要計算熱煙氣層的輻射熱流量。