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1、高层建筑与钢结构防火技术新课题hc360慧聪网消防行业频道 2003-11-04 10:30:28在城市发展中建不建高层、超高层建筑，在国际上争论了半个世纪，结果发展依然 迅速，从欧洲发展到美洲、澳洲，又发展到亚洲、非洲，全世界各大洲的大城市的高层建筑 都在发展中，高层建筑并未因有争论而减少，近年来却越建越多。美国纽约发生9 . 11恐怖袭击事件后，引起全世界极大的震惊， 也引起国内外消防界、科技界、建筑界专家们的认 真思考。不少专家在呼吁冷却高层、超高层建筑热的同时，更多地在呼吁如何提高高层、超高层建筑防火设计的安全性和加强高层、超高层建筑的安全使用管理。从建筑防火技术的角度来看，突出关心以
2、下一些问题：（1）钢结构不耐火，急需研究提高钢结构的抗火能力纽约世界贸易中心筹建于上世纪60年代，建成于70年代，共有6栋建筑组成，其中两栋姐妹楼为主楼，各110层，高411.5米，建筑面积各为44.6万平方米，每栋主楼有各种电梯 99部。该中心落成后，有 800多家公司约5万人在大楼里办公，还有 100多家商店和许多餐饮店，可供2万人同时进食，该中心的地下层还与火车站、地铁站相通。这组建筑群代表了当时建筑、结构、材料、设备以及配套科学技术的新水平，它曾是纽 约市标志性的摩天大楼， 总设计师是美籍日本建筑师雅马萨奇。据资料介绍主楼设计时考虑了飓风”和波音707客机误撞。按美国防火规范对这类极重
3、要的建筑物的抗火能力要求，其承重样和承载多层的柱、主梁等承重构件规定的耐火极限为4小时，但世贸中心被飞机撞击引发火灾后，仅1个多小时，两栋主楼先后都坍塌了。为什么达不到设计的抗火能力呢？专家们分析了以下一些因素：一是飞机巨大的冲击力和爆燃，使钢结构承重构件的防火保护层 开裂、剥落，甚至关键的节点裸露，直接接触高温火焰；二是主楼工程已竣工30年，原有钢结构的防火保护材料的防火性能可能减弱；三是大量航空燃料到处流淌，短时间形成大面积立体火场，使大楼内许多供配电、消防设施失灵，难以控火、阻火、降温，致使钢结构框 架在高温下的变形随着时间的推移而进入屈服”软化状态，此时上面只要有一层着火层失去承载力，
4、在100多层的建筑自重作用下大厦就会瞬刻崩塌。类似的钢结构在火场上直接受火烧烤，防火保护层被破坏，钢材因变形软化导致钢结构丧失承载能力而倒塌的实例， 在国内也多次发生过。只是纽约世贸中心主楼的崩塌更为突出。源于恐怖袭击，举世震惊。针对提高钢结构的抗火能力，近一段时间专家们提出了一些建议：（a）研究具有抗高温性能的特种建筑钢材。在钢材冶炼浇铸的过程中，增加一些稀有元素成分，采用新的冶 炼工艺，使钢材的高温软化点提高，从而在一定程度上提高钢结构的高温承载能力。（b）研究改进钢结构的防火保护材料及防火材料的构造与施工工艺。在这方面，不 但要做到材质轻，隔热、耐火性能好，化学性能的稳定，不易老化，而且
5、保护层与钢构件、 节点的结合要封闭紧密，且耐震、耐腐蚀。不论是采用钢结构防火涂料、粘贴无机防火板， 喷涂无机纤维，粘贴无机纤维板、粘贴柔性卷材，都要注意做到以上这些构造和工艺上的要 求。此外，还要注意做好对钢基材的磷化预处理和防锈处理。达到防火保护层的高质量、长寿命。（c）研究对钢结构建（构）筑物定期耐火检测技术。这是一项新技术，尤其是对一些重要工程和工程的隐蔽部位，研究如何采用简易可靠的方法对钢结构涂层、保护层进行检测。这项研究工作已经提到日程。 谈到钢结构在建筑业的发展前景时，我们还 要看到我国是世界产钢大国， 连续三年我国的钢产量居世界首位。 前不久我因工作访问了建 设部建筑科学研究院的
6、领导， 他告诉说， 建设部根据中央领导同志指示， 今后要调整建筑材 料的技术政策，要提倡 以塑代木、以钢代木 ，拓宽建筑用钢的领域。现在他们已经将钢结构民用居住建筑 列为重点研究课题，组织攻关。可以预计为了钢结构在民用居住建筑小 区的推广应用，紧跟着要解决钢结构防火、防噪音、防腐蚀、隔热节能等一系列新问题。这 也是今后某些民用建筑的一个发展趋势。 （2） 研究采用可靠的高层建筑应急疏散救 生系统高层建筑 （ 包括）其他公众聚集场所的应急疏散救生一直被视作一项重要的安全保障措施， 多年来研究采用了多种设施， 积累了不少经验， 同时也经历过不少 教训。 现有的方法虽然很多，除建立管理制度、落实安全
7、责任制外，在技术手段上已形成了 系统集成。包括从探火、报警、控火、隔火、控烟、排烟等工程设施外，还有广播警示、紧 急照明、安全标志、疏散诱导等方面配套设施，甚至还包括防烟电梯、避难间 （ 层 ）、局部洒 水降温、屋顶救生飞机平台等特殊措施。 此外还有移动式的技术手段， 例如救生滑道、 缓降 器、缓冲气垫、逃生防烟面具等。这些器材、设施和装置只要应用得当，对疏散救生都会起 到很好的作用。 阻山于火场，特别是发生在高层建筑里的恶性火场，情况复杂多变，要做到 安全疏散逃生， 其难度是很大的， 这里既取决于受灾人员本身具备的安全意识和生理、 心理 素质， 更有赖于科学的疏散救生设备。 近年来不少专家努
8、力研制疏散救生手段， 以期增加受 灾人员的获救率。下面选几种在这方面正在研究开发的工作。（a）蓄光型自发光（光致发光）消防安全标志。 消防安全 （疏散 ）标志产品品种很多， 归纳起来不外乎以下几类： 一是消防应 急照明灯；二是冷光源 EL（即场致发光）应急疏散标志；三是发光二极管组成应急疏散标牌； 以上三类各有利弊， 共同点都需要维修、 更新， 不同程度地耗用电能， 都需要配置备用电源， 以备火场停电时应急用。此外，还受产品价格制约，影响大范围、大面积、高密度布设，不 容易形成连续的发光的诱导疏散路线。蓄光型自发光 （光致发光 ）消防安全标志，其最大特点是不需要电源供应，布设后不需特殊维护，只
9、要保持清洁即可，价廉、节能，便于 形成连续的发光的诱导疏散路线。 蓄光型自发光 （光致发光）材料，是一种高科技产品， 它是 以铝酸盐类材料为主要成份； 添加了镝、 铕等稀土类元素作为激活剂烧制而成， 这种新型材 料在可见光、紫外光、日光、白炽光等光源的照射下，使材料中具有发光特性的元素原子中 的电子受光激活后，由低能级电子轨道跃迁到高能级电子轨道上，并局部地落入高能级 热阱中，将能量储蓄起来。 一旦光激活中止 （例如，建筑物因发生火灾和事故， 照明供电中断； 或白昼转入黑夜后 ） ，环境亮度变暗，此时处于高能级轨道上热阱 中的电子就会逐渐返回到低能级的电子轨道上 （原始的稳定态 ），电子携带的
10、能量增量即会以可见光的形式释放出 来。基于此原理，蓄光型自发光 （光致发光）消防疏散安全标志就会自动地发出暗暗的荧光 （虽 然亮度不够大， 但在黑暗中还是可以看到的 ）。据资料介绍， 纽约世贸中心大厦在 1993 年遭 受炸弹恐怖袭击后， 对大楼的疏散、 保护、照明和安全疏散标志进行了改进，有些地方采用 了这种蓄光型自发光疏散诱导标志。在主楼倒塌前一个多小时内，有助成功地组织了近2万被困人员的安全疏散。 这项新技术是对现有的消防安全疏散标志的有效补充。 现在国内已 引进此项技术，开始投产和推广应用，同时进一步研究改进性能，拓宽其应用范围。（b） 研制 平灾结合 的疏散救生设施。这方面有以下几种
11、做法：结合工程设计和施 工一并完成疏散救生设施， 例如疏散 逃生过廊 和逃生桥 ，这些设施可与相邻高层建筑相 衔接， 可建成固定式的， 也可以做成伸展活动式的；自动力爬行设施或自动力滑行设施，这 种设施平时可用于竖向运输日用物件，灾时则用于人员逃生 - 如北京开发了一种 循环式安 全梯（ 第一轮样机 ），该装置既可与建筑物设计成一体，同时施工，也可在已有建筑物外墙 上毗邻相接。 上海开发了一种名为 逃生灵的缓降器，每台逃生灵供三人用。 建筑施工时 在外墙上预埋好吊环， 以备火灾时吊挂 逃生灵 。有的还可以结合建筑的具体设计在每层公 用走廊两端平台上交错预设折叠式逃生梯， 一旦发生火灾， 着火层
12、的被困人员可展开逃生梯， 脱离灾场。 （c） 开发 加压防烟消防电梯 。通常情况下，一旦高楼发生火灾，所有 电梯都下降到底层， 停止运行， 原因是电梯竖井并不防烟，如在着火层开启电梯门，电梯竖 井犹如拔火烟囱一样，加速火势的竖向蔓延。为了制造能在着火区利用电梯疏散人员 （ 尤其 是疏散老幼病残人员 ） ，就需要安装 加压防烟消防电梯 。澳大利亚已有这方面的设计要求。（d）探索利用消防云梯车配装救生滑道。目前世界上云梯车的最大升高为72m它是芬兰制造的 博浪涛 曲臂登高消防车。 我国已引进的消防云梯车品牌很多， 有西蒙、马基路 斯、麦茨、森田、蓝鸟等。现有国产消防云梯车生产厂有上海格拉曼、抚顺起
13、重机器械厂、 上海震旦、 锦州重型机械厂、 徐州起重机厂和安徽明光厂等。 国产消防云梯车的最大升高为 53m目前我国大、中城市高层建筑一般均为20层（60m）以下，约占高层建筑总数的 90%,所以53m升高的国产消防云梯车，可以覆盖很大的高层建筑范围，如能配装救生滑道兼用作 救生, 确是一个积极的思路。为实现此目标, 还需要进行科学的论证、 精心的研究和组装设 计,并通过样车、样机试验和火场实战考验后方可认可推广。（e） 开展安全疏散音频信号的研究。 在火场中, 要安全避免视觉不受烟雾干扰是不太可能的。 因此不论哪一种应 急照明和荧光标志, 都有一定局限性。 有的专家提出了研究开发不依赖视觉的
14、疏散指示系统 的新课题。 据报道, 英国利兹大学曾作过一系列试验。 他们在黑暗有烟环境里利用各种宽频 率噪音, 考验人的左右耳对声音的辨别, 引导被试验者的行动走向, 试验结果证明人的大脑 具有准确确定发声位置的能力, 从而成功实现了诱导被困者疏散逃生的目的。这项研究目前尚处于进一步深入研究阶段,尚待从理论、试验研究向实际应用的跨越。（3） 开展建筑防火、结构抗火设计新理论与构件耐火试验新方法的研究（a） 长期来,建筑防火设计是由设计师依据现行设计规范,结合本人的经验进行的。 由于这种传统的设计规范对各类设计参数都作了逐一对应的规定,设计者可以 对方抓药 似地选定。 一旦遇到超越规范的难题,
15、往往只能召开 专家会诊 会,凭借多数专家的经验来解决难题。由于工程设计千差万别, 设计时强行采用原则上统一的参数指标, 因而所获得的设计方案不一定是最合 理的 （包括经济上,还是安全上 ） ,同时也无法针对设计方案评估它的防火安全度。近年来, 随着火灾科学理论和计算机技术的发展,使我们有可能对特定条件下（建筑物 ）的火灾发生、发展过程进行定量的描述和分析, 即在计算机上建立火灾模型。 按照这种新方法, 设计者先 要确定该建筑的消防安全目标, 然后采用消防工程学的理论与方法, 对建筑物的火灾危险性、 危害性进行量化分析和评估。 然后再设定可能起火的条件和由此推算火焰蔓延途径和人员疏 散的可能条件
16、,再预设定消防设施。对此预设计再进行验算并反复调整、优化设计方案等, 最后可以获得既经济又安全的设计方案。 这种改革的设计方法就是 性能化设计方法 。这项 工作在国外已开展多年, 有的国家已颁布了性能化的设计规范, （当然依然还是初期的成果 ）,而我国才仅仅开始， 还要进行大量的研究工作， 但可以肯定这是一个趋势。 我们要为建筑防 火设计由传统方法向 性能化 方向转移积极作好准备。(b) 多年来，建筑构件的抗火设计都是按照规范查找耐火极限参数表来定的。如果遇到非标准型的构件( 材料特性、截面尺寸、柱高度或跨度 ) 时，只好按近似参数推断，或者重新做耐火试验来确定。另方面规 范中，所有的耐火极限参数都是基于ISO834 的标
