談鋼結構廠房自然排煙工學論文

　　摘要：在現(xiàn)行消防法規(guī)尚無明文規(guī)定的背景下，如何采用合理的防排煙措施以避免和減少大空間建筑火災時的人員傷亡、保證人員安全疏散，就顯得尤為重要。為此，筆者就鋼結構廠房排煙談點個人觀點，僅供參考。

　　關鍵詞：鋼結構；排煙；消防

　　隨著我國經(jīng)濟建設的迅猛發(fā)展，企業(yè)生產(chǎn)倉儲用房日趨大型化，而鋼結構骨架建造的廠房，以強度高、自重輕、跨度大、吊裝施工方便和建設時間短等優(yōu)點正越來越被廣大廠家所采用。但鋼結構廠房具有耐火性能低的弱點，在未進行防火處理的情況下，其本身雖然不會起火燃燒，但火災時，強度會迅速下降，一般結構溫度達到350℃、500℃、600℃時，強度分別下降1／3、1／2、2／3。理論計算顯示，在全負荷情況下，鋼結構失去靜態(tài)平衡穩(wěn)定性的臨界溫度為500℃左右，而一般火場溫度達到800～1000℃，在這樣的火場溫度下，裸露的鋼結構一般在15min左右，就會出現(xiàn)塑性變形，產(chǎn)生局部損壞，造成鋼結構整體倒塌失效。如：1992年5月無錫興業(yè)有限公司全鋼結構占地1000平方米廠房發(fā)生特大火災，將整個廠房燒得支離破碎：1992年6月上海聯(lián)合毛紡廠兩層全鋼結構廠房5400平方米，由于設備油箱形成爆燃氣體發(fā)生火災，整個廠房燒毀；1993年11月安徽佳通輪胎有限公司的單層全鋼結構廠房，建筑面積58752平方米，由于人為縱火，導致這個廠房鋼結構全部被破壞；2003年2月5日四川綿陽三角生活用紙制造有限公司成品2號倉庫因放火發(fā)生火災，鋼屋架建筑全部燒毀。這類建筑還存在空間大，火勢蔓延快，設備、人員密集，疏散困難等特點，一旦發(fā)生火災，常用的自動消防設施很難發(fā)揮預期作用。人員疏散和滅火救援難度較大，有造成群死群傷的潛在危險。

　　一、建筑火災煙氣的特點

　　火災的發(fā)生和發(fā)展具有隨機性和確定性的雙重特點。隨機性是指火災發(fā)生的起火原因及時間、地點等因素是不定的，受到各種因素的影響，遵循一定的統(tǒng)計規(guī)律；確定性是指在某一特定場合下發(fā)生的火災會按基本確定的規(guī)律發(fā)展蔓延。燃燒過程與煙氣流動過程皆遵循燃燒學、流體力學等物理和化學規(guī)律。火災的確定性規(guī)律可采用工程科學的方法研究，一般室內(nèi)火災的自然發(fā)展過程大體分成三個主要階段，即：初期增長階段、充分發(fā)展階段及衰減階段。

　　在火災發(fā)展的初期增長階段，隨著放出熱量迅速增多，在可燃物上方形成溫度較高、不斷上升的火羽流。當羽流受到房間頂棚的阻擋后，便在頂棚下方向四面擴散開來，形成了沿頂棚表面平行流動的較薄的熱煙氣層，達到了一定厚度時又會慢慢向室內(nèi)中部擴展，不久就會在頂棚下方形成逐漸增厚的熱煙氣層。當火災達到充分發(fā)展階段，熱煙氣層的溫度與中心溫度相差無幾。

　　如果室內(nèi)有通向外部的開口(如門和窗)，則當煙氣層的厚度低于開口的上沿高度時，煙氣便可由此流到室外。開口便起著向外排煙的作用。在建筑火災的發(fā)展過程中，煙氣的排放相當重要，煙氣排放速率的大小決定著煙氣層高度的變化情況。當排放速率大于煙氣的產(chǎn)生速率時，煙氣層的高度會逐漸升高，最終保持在對人沒有威脅的高度。

　　二、鋼結構火災時的理化性能

　　建筑用鋼(Q235、Q345鋼等)在全負荷的情況下失去靜態(tài)平衡穩(wěn)定性的臨界溫度為540℃左右。鋼材的機械性能隨溫度的不同而有變化，當溫度升高時，鋼材的屈服強度，抗拉強度和彈性模量的總趨勢是降低的，但在150℃以下時變化不大。當溫度在250℃左右時，鋼材的抗拉強度反而有較大提高，但這時的相應伸長率較低、沖擊韌性變差，鋼材在此溫度范圍內(nèi)破壞時常呈脆性破壞特征，稱為“藍脆”。如在“藍脆”溫度范圍內(nèi)進行鋼材的機械加工，則易產(chǎn)生裂紋，故應力求避免。當溫度超過300℃時，鋼材的抗拉強度、屈服強度和彈性模量開始顯著下降，而伸長率開始顯著增大，鋼材產(chǎn)生徐變；當溫度超過400℃時，強度和彈性模量都急劇降低；到500℃左右，其強度下降到40％～50％，鋼材的力學性能，諸如屈服點、抗壓強度、彈性模量以及荷載能力等都迅速下降，低于建筑結構所要求的屈服強度。我國20世紀90年代初對裸露鋼梁的耐火極限進行了驗證，確認了136b、140b標準工字鋼梁的耐火極限分別為15min、16min(鋼梁內(nèi)部達到臨界溫度：平均溫度538℃，最高溫度649℃)。因此，若用沒有防火保護的普通建筑用鋼作為建筑物承載的主體，一旦發(fā)生火災，則建筑物會迅速坍塌，對人民的生命和財產(chǎn)安全造成嚴重的損失。

　　三、現(xiàn)行各類排煙方式比較

　　在建筑防排煙工程中，常用的三種方式是：自然排煙、機械加壓送風防煙和機械排煙。自然排煙和機械排煙是控制煙氣下降的常用方法，與機械排煙相比自然排煙有其自身的優(yōu)點。一是無大的動力設備，運行維修費用也少，且平時可兼作換氣用；二是在頂棚開設排煙口，自然排煙效果好。對于自然排煙的應用，在國外也有許多采用自然排煙的例子，在德國，大空間的公共建筑多使用自然排煙尤其是單層的展覽建筑。我國現(xiàn)階段對建筑防排煙方式選擇的傾向性意見是：凡是能利用外窗等實現(xiàn)自然排煙的部位應盡可能地采用自然排煙方式。特別是大空間建筑宜首先考慮設置自然排煙，理由如下：

　　(一)大空間建筑中的高大空間具有較強的蓄煙功能；

　　(二)大空間建筑通常頂棚或側墻設置大面積采光或通風帶，可與自然排煙結合使用；

　　(三)機械排煙量非常大，給設計和施工帶來很大難度；

　　(四)由于內(nèi)部空間的高大、寬敞，機械排煙可能引起煙氣與空氣的摻混，過于集中的機械通風排煙把大量剛剛補入的新鮮空氣直接排放出去，形成所謂的“流通短路。

　　四、自然排煙的設計要求

　　目前，防排煙設計方法基本有三種：(1) 體積換氣次數(shù)法；(2) 基于數(shù)理模型計算公式設計方法：(3) 借助計算機模擬軟件分析評估設計方法即性能化設計方法。但無論采用哪種方法，都要滿足以下要求：一是煙氣層高度�；馂闹械臒煔鈱影橛幸欢�熱量、膠質、毒性分解物等，是影響人員疏散行動與救援行動的主要障礙。在設計時限內(nèi)，煙氣層最好能保持在人群頭部上方一定高度處，使得人在疏散時不必從煙氣中穿過，也不會受到熱煙氣流的輻射熱威脅。普遍認為煙氣層在人員疏散過程中保持在距地面2m以上的位置時，人員疏散是安全的。二是熱輻射。根據(jù)人體對輻射熱耐受能力的研究，人體對煙氣層等火災環(huán)境的輻射熱的耐受極限是2.5kW／m2，上部溫度約為185度，處于這個程度的輻射熱幾秒鐘之內(nèi)就會引起皮膚強烈疼痛。三是結構安全。建筑用鋼在全負荷的情況下失去靜態(tài)平衡穩(wěn)定性的臨界溫度為540℃左右。鋼材的機械性能隨溫度的不同而有變化，當溫度升高時，鋼材的屈服強度、抗拉強度和彈性模量的總趨勢是降低的，但在150℃以下時變化不大。

　　五、結論

　　(一)鋼結構廠房、庫房以及民用建筑耐火性能差，火災時容易倒塌，造成大量人員傷亡和財產(chǎn)損失，設置排煙系統(tǒng)能有效排出建筑內(nèi)的高溫煙氣，有利于人員疏散、火災撲救和建筑結構安全。

　　(二)大型鋼結構廠房、庫房以及民用建筑多為單層，在頂部結合采光、通風設置自然排煙窗施工簡單可行。

　　(三)目前國內(nèi)生產(chǎn)的易熔自然排煙窗形式多樣，完全可以滿足鋼結構建筑施工要求。

　　(四)自然排煙投入不大，不需專業(yè)維護保養(yǎng)，排煙效果良好，值得普及推廣。

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