上海世博会英国馆防火设计探讨

上海世博会英国馆防火设计探讨内容摘要：

上海世博会英国馆防火设计探讨 花 艳 摘要：2010 年上海世博会英国国家馆项目设计新颖、独特，数以万计的亚克力管贯穿内外支承整个展馆，其 奇特的结构，使用大量的可燃性材料、展馆特殊的平面布局等都给人员安全疏散设计带来了挑战。本文针对该项目自 身特点，对整个展馆人员疏散的可行性及安全性进行了深入的分析。 关键词：世博会 英国馆 防火设计 探讨 世博会是一个重大的世界性活动。世界上没有一个类似的活动持续这么长时间，吸引这么多人 参观，并且展示这么多国家和组织的成果。“成功、精彩、难忘”是 2010 年上海世博会的举办目标，在 此次世博会 184 天的运营期中，预计会有 200 余个国家和国际组织参展，届时将吸引 7000 万人次 的参观者前来观展，“安全的世博”将成为中国对全世界的首要承诺。世博会也为各国的建筑师和设计 师充分展示才华创造了舞台，千奇百怪的建筑造型给参观者以视觉上的享受，但一些新型材料的应 用，创新的建筑结构设计给设计师们在消防设计上提出了新的课题，给消防部门在消防设计的审核 和消防日常监督管理带来了挑战。 1.建筑介绍 英国世博会国家展览馆（下称“英国馆”）是建筑师的首次尝试，它以打开包装纸的礼物作为 设计构想，这个“礼物”既是功能齐全的展览场所，又是外观新颖亮眼的艺术展品。建筑高 20m，占 地约 6000m2，没有传统概念上的建筑外墙或建筑维护结构，其承重基础为 5000 根亚克力管，将 展馆结构撑离地面 5m 高。每根亚克力管就像光纤，在白天，能让日光透入而照亮展馆内部；在夜晚， 埋置入每根亚克力管内的微小 LED 光将让展馆展现出全光谱的绚丽色彩。 英国馆的主题是“创意”。创意之馆是一个穿刺了近 60000 根纤细亚克力管的箱型结构，建筑 外部大量的亚克力管像触须一样向各个方向伸展。每根触须顶端都带有一个细小的彩色光源，可以组 合成多种图案和颜色。所有的触须随风轻摇，会在展馆表面形成变换多姿的光泽和色彩。同时，展馆 表面还可以通过信息和图象的形式传递展馆内部的情况，使馆外的参观者也能看到馆内的各项活动。 展馆内每一根亚克力管的端部将镶上植物种子，就像保存在琥珀中的昆虫，向参观者展示生活的潜 力，充分体现 2010 年世博会的主题“城市让生活更美好”。 1 英国馆外观效果图 2.火灾危险性分析 2．1 建筑结构耐火性能差 英国馆的主结构为木盒子结构，该木盒子的内外壳由两层 18mm 厚的木夹板构成，夹层内有 保温材料。其耐火时间仅能达到 0.5h。 展馆剖面图 木 盒 子 的 支 承 结 构 为 5000 根 40*40mm 的 亚 克 力 管 。 亚 克 力 又 称 聚 甲 基 丙 烯 酸 甲 脂 （PMMA），根据德国标准 DIN4102，亚克力材料和木材一样被认定为 B2 级，即可燃材料，它的 氧指数仅为 17.3。亚克力的透光率达 92%，综合性能在 80℃时开始变化，96℃时开始发生热变形， 逐步导致整个展馆形变甚至坍塌，影响人员疏散；同时，亚克力的燃点为 340℃，在一定条件下极 易熔融滴落，当环境温度达到 270℃时便会分解出有毒气体，给人员疏散造成很大困难。 由此可见，馆内、外发生的火灾都会直接、快速影响到该建筑的结构安全性。目前,世界上以亚 克力作为建筑构件的案例可谓是绝无仅有,国内外与之对应的针对亚克力建筑构件的防火规范或防护 标准也都不曾出台,因此单纯地对亚克力管采用防火涂料保护来提高建筑耐火等级是不可靠的。就压 克力管的数量而言，要对 60000 余根压克力管逐根进行防火喷涂也是不可行的。 2 2.2 安全疏散设计的不足 英国馆仅设置了一个人员安全出口，其室内至展厅出口的最远疏散距离约为 16m，自此出口， 参观者需再经过一座 16m 长的开放式连接桥才能到达地面。其安全疏散设计不能符合《建筑设计防火 规范》中“公共建筑内的每个防火分区、一个防火分区内的每个楼层，其安全出口的数量应经计算确定， 且不应少于 2 个”的要求。 展馆的通道和部分室内空间被划分成两个部分，一侧作为入口，另一侧作为出口，形成一个 U 字形单向人流流线。在参观人流密度颇大的世博展览会上，紧急情况时，单向疏散极易造成踩踏、 对冲等混乱局面。 16m 16 mm m 没 m 安全出口示意图 2.3 电器设备的危险性 基于亚克力材料极好的聚光、导光性能，设计师在展馆内布置了数量巨大的 LED 灯，所有的电 流驱动器安置在分线盒内。LED 灯的中文名字叫“半导体照明”，是不需要钨丝和灯管的颗粒状发光器 件，其实也就是我们平常所说的节能灯，它以发光二极管作为发光元件。 LED 光源具有使用低压电 源、耗能少、适用性强、稳定性高、响应时间短、对环境无污染、多色发光等的优点，奥运期间，近 50 万颗 LED 灯被安装在“水立方”上，成功演绎了各种主题的图案。与“水立方”的安装方案不同，英国 馆没有一个相对封闭的外维护结构，大部分亚克力管将暴露在室外，LED 灯将贴着亚克力管安装， 而 LED 防水性差是户外使用的致命弱点，尽管其安全温度为 80℃，一旦发生短路等故障，线路瞬 间产生的热量或火星仍有可能引发火灾，造成危险。 2.4 室外的危险源 按照设计师的设计理念，英国馆就像一个打开了的“礼物”，座落在人造草坪这张包装纸上。这 么一个灯光四溢的“礼物”的室外也还存在着诸多危险。世博会运营期间，组织者将安排多场次的烟火 表演，溅落的火星、参观者遗留的烟头或者其它外来的火种都有可能引燃触手可及的亚克力管。潜在 的火灾危险使设计师们也想到了在室外设置高压细水雾系统进行保护，但室外的高压细水雾的保护 范围仅为地面到 2.5m 高的亚克力管，水平射程也仅为 4-5m，暴露在建筑外的亚克力管还存在相当 大的保护盲区。一旦发生火灾，亚克力管将可能在短时间内由于软化变形而直接影响馆内人员疏散。 3.研究对策 3.1 结构的防护 3.1.1 亚克力材料的燃烧性能分析 (1)燃烧数据　亚克力的点燃时间为 9.6s，表面火势蔓延速度为 0.6mm/s。 3 (2)Safe 公司测试报告中的实验数据　实验选用 20*20mm 的亚克力管作为测试对象。由于亚克 力的燃点温度约为 340℃，打火机的温度能轻易达到这个温度。Safe 公司的实验结论得出： 单根亚克力管的点燃性:垂直点燃时间小于 10s，水平点燃约需 24-30s； 不同方位的亚克力管表面火焰传播及融滴情况:实验从 0°、+30°、+60°和+90°来引燃亚克力管 后发现，亚克力管的引燃时间可低于 6s，火焰在测件边缘传播的速度比在表面传播的快，融滴在燃 烧了 1min 后就会发生，且不受方位影响，火焰高度随着燃烧长度增加。 亚克力管之间火焰蔓延情况:实验研究了一组垂直与水平间距皆为 100mm（与英国馆实际情况 一致）的亚克力管的火势蔓延情况，发现火势可能在纵向蔓延，但不会在水平方向蔓延。首根被引燃 的管在燃烧 1min 后，其火焰就开始撞击上面的管子，但它要到 4min 后才会导致火势向上蔓延；火 势还可以通过融滴向下蔓延，燃烧发生后 1min 后开始产生融滴，另外需要 40s 左右才会引燃下面 的管子；当火焰向上向下同时蔓延后，火势将以更快的速度蔓延；由打火机导致的小火源在燃烧 5min 后可蔓延至四层管子，此时火焰表面传播可达到 100mm。 (3)CHILTRN 国际防火公司测试报告中的实验结论　高压细水雾系统能阻止火灾在亚克力管之 间蔓延和减缓火灾扩展，虽然测试中灭火系统不能完全扑灭火灾，但可以大大降低测件的温度，防 止建筑整体变形，帮助参观者安全疏散。 3.1.2 亚克力管的防护 为增强亚克力管的韧性，设计师选用铝管对亚克力管进行包裹 ,所有的亚克力管只有两端暴露 出来。同一温度下，亚克力管的膨胀能力远大于铝管，而且铝管具有导热性，考虑到亚克力本身的可 燃烧性，一旦发生故障或引起火灾，热量和火势仍有可能透过铝管在亚克力管之间传递。如果能调整 亚克力管外包裹物的材料，有效解决热传导的问题，那么就能取得一举两得的效果，既可以增强韧 性，又能有效抑制燃烧，达到防火的目的。 3.1.3 其他材料的防火设计 确保各种材料最大限度的安全，展馆内的所有保温材料均选用不燃材料；木盒子所用木板必 须经过防火处理达到难燃性，其防水材料也必须具备阻燃特性。另外，由于展馆内可利用的有效场地 较小，空调、排烟、电气等管线均需集中排放于馆内步行道下，为综合提高展馆的安全指数，笔者认 为馆内的地面应选用不燃材料。 3.2 安全疏散设计 3.2.1 人群分析 预计英国馆的参观者将包括儿童、青少年、成人和老人，这些人在紧急情况下可能会第一时间 意识到危险的存在，但他们不一定熟悉周围的环境和设施，他们中的少部分人也可能身患疾病，这 就更需要引导，通过引导帮助才能找到最适合的疏散路线或避难场所。 3.2.2 疏散时间模拟 《上海世博会英国馆防火战略报告》中提出了疏散时间的计算公式，即可利用疏散时间=探测 时间+报警时间+安全疏散允许时间（认知时间+反应时间+移动时间）+安全余量。其中探测时间 估计为 20s，报警时间估计为 10s，安全疏散允许时间为 10s，移动时间以人员疏散速度取 10m/min 计算得出为 28s，疏散总共需要 68 秒。 在 Safe 公司的设计中，还运用 STEPS 模拟疏散软件模拟了在一边通道堵塞情况下的疏散情况， 计算出疏散时间约为 60s，与前面的计算结果基本一致。 3.2.3 疏散模拟实验结果与亚克力燃烧性能分析结果对比 由前面的实验我们知道，亚克力管约在燃烧发生 5min 后会使火灾迅速蔓延，而通过模拟计算 我们知道，人员将在 1 分多钟内完成疏散，也就是说人员能在建筑仍然完整、尚未垮塌，火势仍在可 控范围内时安全撤离。 3.2.4 疏散宽度设计 展馆的室内净面积约为 100 m2，根据疏散人数换算系数为 0.7 m2/人，展馆的参观人数应控 4 制在 143 人。根据疏散宽度换算系数为 1m/百人，展馆的疏散宽度应为 1.43m，而设计方案中出入 口单边宽度为 1.85m，总宽为 3.7m，足以满足规范要求。设计方为考虑公众观展时的舒适度，将疏 散人数换算系数控制在 1-2 m2/人，人员的控制对其疏散也是大大有利的。 整个设计中连接天桥是连接安全出口与地面等候区的唯一枢纽。在安全出口数量缺少的客观条 件下，参展者一方面应该严格控制参观人数，另一方面也应该确保连接天桥不作为排队等候区域， 而仅仅作为一条到达地面的快速通道。且为提高疏散通道的安全性和畅通，笔者认为天桥处的顶棚和 墙面应采用不燃材料进行防护，以提高其耐火性能。设计中的单向人流通道上采用的固定分隔物改用 可移动、拆除的隔离带，能保证紧急情况下，用最快的速度将单股人流