氣承膜式會議中心防火分隔措施研究與數值模擬分析

王廷 余瑾 楊曉娟 李序

摘要：針對某氣承膜式會議中心結構特點難以在建筑內采用實體防火墻、防火卷簾等方式進行防火分隔的問題，通過膜材燃燒實驗，對燃燒破洞臨界溫度進行了測定。以臨界破洞溫度與單位面積膜材表面引燃所需要的輻射熱流量作為膜結構火災安全判定準則，提出防火分隔措施方案。根據火災動力學原理，分析了火源附近氣膜表面煙氣溫度和熱輻射流量。結果表明該防火分隔措施基本可以達到防止火災蔓延、保護氣膜結構安全的消防安全目標。

關鍵詞：安全工程學;氣承膜式建筑;數值模擬;羽流;防火分隔

1? 氣承膜結構建筑

氣承膜結構建筑是采用膜材作為建筑外殼，配備智能化機電設備對完全密閉的空間提供空氣壓力，靠內、外部壓力差把建筑主體支撐起來的一種建筑結構系統[1]，具有大跨度空間、經濟性、安全性、施工工期短、能遠程智能控制的特點[2]。該類建筑在美國、加拿大、日本及歐洲等部分較發達的國家和地區得到了廣泛推廣與應用，國內氣承膜結構建筑主要應用于體育場館、物流倉儲及環保工業等大跨度建筑[3]，特別是隨著近年來氣承膜式會議中心、展覽建筑等的出現，對其消防安全的研究越來越引起關注。國內張媛媛、朱國慶等對氣承膜建筑材料的燃燒特性開展了相關試驗[4]，對膜材發生裂解燃燒破洞的臨界溫度進行了測試，但是如何將試驗結果運用到實際的氣承膜式工程建筑防火設計中有待進一步研究。

某會議中心采用氣承膜結構，設計為單層公共建筑，建筑面積3846.5m2，地上1層，建筑高度為23.3m。包括觀眾席（座位數為1500個）、主席臺，氣膜內半徑為35m，設計12個安全出口，容納人數為1650人。由于氣承膜式會議中心建筑具有大跨度空間的特點，建筑內火災荷載較大、人員密集，一旦發生火災，蔓延很快，影響建筑與人員的安全。因此有必要根據膜材的燃燒特性，設定膜結構火災安全判定準則，并結合建筑內功能區域可燃物分布情況，為室內防火分隔措施提出合理的方案，控制膜材與可燃物之間的距離，并運用火災動力學原理對防火分隔措施方案的有效性與安全性進行分析與研究，以提高該氣承膜式會議中心的消防安全。

2? 膜材燃燒實驗

對該會議中心擬選用的3種氣承膜材料（由不同廠家提供）進行燃燒實驗，主要研究所選用膜材在燃燒時的臨界破洞溫度值。

2.1? 實驗器材

固定膜材所需的鋼鐵支架、柴油、鐵絲、點火器、K型熱電偶若干、不銹鋼油盤（0.35m×0.35m）、攝像機、Agilent34970A型數據采集卡等。

2.2? 實驗步驟

將3種膜材樣品各裁取2塊（長、寬為1m×1m），并分別進行編號，其中#1、#2膜材屬于樣品1，#3、#4膜材屬于樣品2，#5、#6膜材屬于樣品3;在每塊膜材上標注中心點及0.5m×0.5m的方格。實驗分組情況如表1，樣品距火源高度分別為0.80m（火焰接觸氣膜）、0.95m（火焰不接觸氣膜）[5]。

2.3? 實驗現象

2.3.1? 第一組實驗

氣膜的設置高度為80cm，火焰直接接觸氣膜，氣膜發生熱解、收縮變形，繼而出現破洞燃燒現象，燃燒破洞的臨界溫度為353.9～446.7℃。

2.3.2? 第二組實驗

氣膜的設置高度為95cm，火焰不直接接觸氣膜，氣膜受火焰產生的煙羽流作用發生收縮變形，未出現燃燒破洞，實驗過程中達到的最高溫度值為346.5℃。

2.4? 實驗結論

在本實驗設定的條件下：

當火焰不直接接觸氣膜時，膜材受火焰產生的煙羽流的作用熱變形較小，實驗過程中，膜會出現一定的收縮變形但不會破洞。

當火焰直接接觸氣膜時，膜材發生熱解、收縮變形，繼而裂縫出現破洞燃燒現象，發生裂解燃燒破洞的臨界溫度為353.9～446.7℃。

由于該氣承膜式建筑使用功能為會議中心，屬于人員相對密集的場所，因此從保障建筑與人員生命安全性角度出發，保守取353.9℃作為膜材燃燒破洞的臨界溫度。

3? 膜結構火災安全性分析

基于上述分析，取353.9℃作為氣承膜建筑材料燃燒破洞的臨界溫度，并與單位面積膜材表面引燃所需要的輻射熱流量作為膜結構火災安全判定準則;結合該會議中心氣承膜式建筑結構特點、使用功能和平面布局等情況，根據現行國家標準《建筑防煙排煙系統技術標準》（GB51251-2017）設定該會議中心火災規模，根據火災動力學原理，通過FDS建立火災模型進行數值模擬，并采用Heskestad羽流模型等公式，計算火源附近膜面在設定的火災規模下的表面煙氣溫度和熱輻射流量值，分析其是否能滿足膜結構火災安全判定準則;通過建筑內各功能區域間的火災安全距離的計算，以分析室內防火分隔措施設置的有效性與安全性。

3.1? 膜結構火災安全判定準則

準則一：當膜面附近溫度超過353.9℃時，判定膜結構處于不安全狀態。

在火災情況下，當氣膜受熱燃燒產生破洞時，由于內部壓力降低導致建筑結構處于不安全狀態，氣膜建筑可能會出現坍塌，因此需首先明確關于氣膜建筑結構的火災安全判據：臨界破洞溫度，本文取353.9℃為臨界破洞溫度。

準則二：當膜面附近熱輻射流量超過20.0kW/m2時，判定膜結構處于不安全狀態[6]。

3.2? 防火分隔措施

由于氣承膜式建筑的結構特點難以在建筑內采用實體防火墻、防火卷簾等方式進行防火分隔[7-8]，因此，提出建筑室內防火分隔方案如下：利用主席臺和觀眾席區域間寬度為6m的通道、觀眾席與觀眾席區域間寬度為6m的通道、距離氣膜邊緣寬度為6m的環形通道分別設置室內安全間距，將會議中心作為一個防火分區設計，內部劃分為三個防火控制區（主席臺區域防火控制區面積約為824m2，兩個觀眾席區域防火控制區面積各約為620m2）。

3.3? 基于FDS的數值模擬分析

3.3.1? 模型構建

（1）劃分網格。利用PyroSim軟件對該氣承模式會議中心建筑進行建模時首先需要劃分網格，網格的大小影響最終結果。綜合考慮現實情況和計算精度，對該建筑按照1：1的比例構建仿真模型，采用均勻網格劃分，單個網格大小為1m×1m×1m。

（2）建立幾何模型。根據建筑圖紙等資料，建立幾何模型。

3.3.2? 火災場景設定

考慮到該會議中心內的主要可燃物是桌椅、主席臺等，其擺放形式較為集中，火災危險性較大，因此判斷其火災類別為t2快速火，火災增長系數設定為0.044kW/s2。根據現行國家標準《建筑防煙排煙系統技術標準》（GB51251-2017）關于各類場所的熱釋放速率的標準，“有噴淋的其他公共場所”火災場所，在噴淋有效的條件下，觀眾席、主席臺火災達到穩態時的熱釋放速率為2.5MW。在噴淋失效的條件下，觀眾席、主席臺的火災達到穩態時的熱釋放速率為8.0MW。

根據設計圖紙，分別在主席臺與觀眾席座椅區域選取與氣膜距離最近的兩個位置設置火源點：

火災場景A1：在自動滅火系統失效情況下，主席臺左上方發生火災（如圖5（a）所示，火源位置與氣膜垂直距離為14m、水平距離為10m），火災達到穩態時的熱釋放速率為8.0MW，觀察火源附近的氣膜表面煙氣溫度和熱輻射流量值。

火災場景A2：在自動滅火系統失效情況下，觀眾席座椅區域第一排右下方發生火災（如圖5（b）所示，火源位置與氣膜垂直距離為10m、水平距離為6m），火災達到穩態時的熱釋放速率為8.0MW，考察火源附近的氣膜表面煙氣溫度和熱輻射流量值。

3.3.3? 數值模擬結果

（1）火災場景A1：火源附近氣膜表面處的煙氣溫度變化如圖6所示，溫度值最高約為100℃，未達到氣膜的臨界破洞溫度值353.9℃;熱輻射流量值最高約為1.4kW/m2（如圖7所示）未達到氣膜的臨界熱輻射流量值20.0 kW/m2。

（2）火災場景A2：火源附近氣膜表面處的煙氣溫度值最高約為130℃，未達到氣膜的臨界破洞溫度值353.9℃;熱輻射流量值最高約為4.5kW/m2，未達到氣膜的臨界熱輻射流量值20.0kW/m2。

3.4? 火災科學公式計算分析

3.4.1? 膜面溫度計算

當氣膜建筑內發生火災時，氣膜表面的溫度主要采用國際上較為成熟的Heskestad羽流模型來進行計算[9-10]：

式中：為高度z處煙羽流與周圍環境空氣溫差，K;為環境溫度，K;為空氣密度，kg/m3;cp為空氣定壓比熱，kJ·（kg·K）-1;g為重力加速度，9.81m/s2;Qc為火源熱釋放速率的對流部分，kW，一般取Qc=0.7Q;z為高度，m?；馂囊幠?.0MW時，火源正上方10m、14m處溫升變化分別為165℃、94℃。

3.4.2? 膜面熱輻射流量計算

根據火災動力學原理，距火源中心距離為R處受到的火源熱輻射和火源熱釋放速率的關系可由下式計算[6-11]：

其中：q為火源對周圍的熱輻射強度，kW/m2;Q為火源的熱釋放功率，kW;R為熱輻射點距離火源的距離，m。

3.4.3? 計算結果

（1）主席臺火災

當主席臺火災規模為8.0MW時，火源正上方14m處的溫升變化為94℃，考慮極端不利條件下環境溫度達到40℃，此時火源正上方14m處的溫度為134℃，小于膜材的臨界破洞溫度353.9℃。

根據計算公式（2），當Q取8.0MW、R取10m時，q為2.12kW/m2，即膜面熱輻射流量小于膜材的臨界熱輻射流量20.0kW/m2。

因此，當主席臺區域火災規模為8.0MW時，膜結構處于安全狀態。

（2）觀眾區座椅火災

當座椅火災規模為8.0MW時，火源正上方10m處的溫升變化為165℃，考慮極端不利條件下環境溫度達到40℃，此時火源正上方10m處的溫度為205℃，小于膜材的臨界破洞溫度353.9℃。

根據計算公式（2），當Q取8.0MW、R取6m時，q為5.9kW/m2，即膜面熱輻射流量小于膜材的臨界熱輻射流量20.0kW/m2。

因此，當觀眾區固定座椅火災規模為8.0MW時，氣膜建筑膜面處于安全狀態。

（3）各功能區域火災安全距離計算

本文保守取主席臺、觀眾席被引燃的臨界熱輻射流量為10.0 kW/m2。

根據計算公式（2），當q取10.0kW/m2、Q取8.0MW時，R為4.61m，即著火主席臺邊界與相鄰觀眾席、觀眾席區域之間的距離不小于4.61m才能有效防止火災蔓延。

根據建筑內部防火分隔措施方案，主席臺與觀眾席、觀眾席之間的安全間距均不小于6m，滿足火災安全距離要求。

4? 結語

（1）通過燃燒實驗，對該會議中心擬選用的3種氣承膜材料的臨界破洞溫度值進行了測定，為353.9～446.7℃。

（2）以氣承膜材料燃燒破洞的臨界溫度與單位面積膜材表面引燃所需要的輻射熱流量作為膜結構火災安全判定準則，運用到實際的氣承膜式工程建筑防火分隔設計中具有一定的合理性。

（3）根據火災動力學原理，通過火災數值模擬，并采用Heskestad羽流模型等公式計算，當采用寬度不小于6m的安全間距進行防火分隔時，能夠滿足膜結構火災安全判定準則與各功能區域間的火災安全距離要求。

（4）結合該會議中心的氣承膜式建筑結構特點、平面布局與使用功能等實際情況，文中所提出的建筑內部防火分隔措施方案基本能達到防止火災蔓延、保護氣膜結構安全的消防安全目標。

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Research and numerical simulation

analysis on fire separation measures

of air-supported membrane conference center

Wang Ting1， Yu Jin2， Yang Xiaojuan2， Li Xu2

（1. Qionghai Municipal Fire and Rescue Brigade of Hainan Province，Hainan? Qionghai? 571400;2. Anhui Lingtai Safety Technology Co.， Ltd，Anhui? Hefei? 230031）

Abstract： Given the structural characteristics of an air-supported membrane conference center， it is difficult to use physical firewalls， fire shutters， etc. for fire separation in the building. The critical temperature of the burning hole was measured through the membrane combustion experiment. Taking the critical temperature and the thermal radiation flux required for the ignition of the membrane surface per unit area as the fire safety judgment criteria of the membrane structure， the fire separation measures are proposed. According to fire dynamics principle， the smoke temperature and thermal radiation flux on the air-supported membrane surface near the fire source are analyzed. The results show that the fire separation measures can basically achieve the fire safety goals of preventing the spread of fire and protecting the safety of the gas membrane structure.

Keywords：safety engineering; air-supported membrane building; numerical simulation; fire plume; fire separation