上海自然博物馆消防设计特点浅析

1、上海自然博物馆消防设计特点浅析26刘菲:上海自然博物馆消防设计特点浅析2011年第9期上海自然博物馆消防设计特点浅析刘菲(上海市消防总队,上海200051)摘要:上海自然博物馆于2008年拟建设新馆,由于新馆选址上的局限性,建筑的主要展厅都布置在0.o0标高以下,这就带来了一系列的消防问题.笔者有幸参与了这个项目消防设计的审核工作,现将有关消防设计做一分析与介绍.关键词:上海自然博物馆;消防设计;标本布置;烟气分析上海自然博物馆是一所包括古生物学,植物学,动物学,人类学,地质学,天文学等多种自然科学的综合性博物馆,筹建于1956年.2008年,上海自然博物馆迁建新址,新址设在上海雕塑公园内,建

2、筑整体形态设计灵感来自鹦鹉螺化石,其外形酷似螺的壳体形式(见图1),旨在建立一个人和自然的和谐统一.由于其建筑高度的限制和内部强大的布展内容,空间之间的矛盾,对消防设计提出了很大的挑战.1项目概况上海自然博物馆位于上海市静安区山海关路,大田路处,地上3层,建筑高度18m,地上建筑面积11789m;地下2层,地下埋深15.5m,地下建筑面积33o11m,总建筑面积44800m.上海自然博物馆建成后将成为上海又一大型公共文化建筑,其设计理念主要突出体现自然与人,建筑的和谐,内部参观流线连贯.建筑地下部分包括博物馆高,接近舞台的部位烟气量少,沉降较慢,浓度较低.(3)从5(3)火灾烟气同时模拟情况来

3、看,烟气的扩展速度比火势蔓延速度快,烟气达到东部墙面时,火焰才刚刚烧出舞台顶部;从5(2)soot和co,co随时间变化图来看,co产生的量低于烟尘soot,co的产生量高于烟尘soot,并且在4050s之间,soot和co,co,有一个快速的增长过程.7结论及建议7.1分析结论演艺大厅舞台顶部采用软质聚氨酯泡沫,燃烧后产生大量有毒气体,起火后45s室内co浓度即可达到达292.5mg/m时,即co的量为0.9234kg,此时,对大厅内的人员疏散有严重影响.对比深圳舞王俱乐部火灾录像,这个结果基本符合当时的火灾烟气情况.除此之外,co,烟尘soot等对人员疏散也起到了非常大地阻碍作用.7.2研

4、究建议(1)针对软质聚氨酯泡沫数值模拟结果,演艺大厅内采用软质聚氨酯泡沫火灾危险性极大,发生火灾后,火势和烟气扩展非常快,在38s内,烟气充满了整个大厅;在短时问内,火势迅速蔓延到大厅每个角落.为此,建议歌舞娱乐场所应当严禁使用聚氨酯(polyurethane)等易燃可燃材料,对其他材料也应依法进行阻燃处理,以确保消防安全.(2)针对烟气扩展模拟结果,在演艺大厅的6个疏散门当中,正对舞台最远处的2个疏散门受到烟气威胁最大,烟气多,沉降快,浓度高.建议人员疏散应以演艺大厅南,北两边的4个疏散门为主要出口,优先引导群众撤离.另外,演艺大厅6个外窗的自然排烟效果不明显,对于短时间内发烟量大的材料,外

5、窗自然排烟效果无法满足要求,且自然排烟还要受到外界温度,风向的影响,建议歌舞娱乐场的演艺大厅最好设置机械排烟系统.参考文献:1kevinb.mcgrattan,glennp.forney,jasone.floyd,eta1.firedynamicssimulator(version3)一usersguidem.nistir6784,2002ed.2glennp.forney,kevinb.mcgrattan.usersguideforsmokeviewversion2.0一atoolforvisualizingfiredynamicssimulatordatam.nistir6761收稿日期:

6、2011-05-17;修回日期:20110801作者地址:西安市经济技术开发区凤城二路15号陕西总队防火部指导处电话:139911009322011年第9期消防技术与产品信息27展厅,周转库房,汽车库,辅助用房,设备机房及人防设施;地上部分包括展厅,影院,小型餐饮,办公,研究,会议等用房.建筑内设有高大空间展厅(主要有地下2层开始层高分别为25,15,9m的展厅;地上1层开始层高6.5133的展厅),常规展厅和多媒体展厅等多种类型的展厅.馆内主要展出各种动物标本,植物标本以及其它展品.其中主要包括四个大型基本陈列:古生物陈列(古爬行动物,古哺乳动物,生物起源和早期演化,无脊椎动物的繁荣),植物

7、陈列,动物陈列(动物一人类的朋友,动物的奥秘),人类陈列(人之由来),各展厅均展览,存储有一定数量的动植物标本.图i建筑效果图2消防设计难点由于其选址在公园内,规划对其建筑高度有着严格的限制,而作为上海历史悠久,旨在创造现代,新颖的博物馆,其内部强大的布展内容和空间需求,造成该建筑在消防设计审核方面的几大难点,主要包括防火区划,平面布置,排烟设计等方面.2.1防火区划由于该建筑高度上的限制,在平面布置时,地下部分被最大限度的开发利用,布展时主要展示区域都设在4-0.00标高以下,根据规范的要求,地下建筑展厅防火分区面积最大为2000m.自然博物馆特殊的布展要求,部分展厅上下连通,各展厅之间通过

8、观展坡道进行沟通,势必造成上下楼板之间有多个孔洞,防火分区在划分时难度很大,且如果地下部分完全按照2000m划分防火分区,很难完成对立体展厅的布展需求.2.2平面布置上海自然博物馆的主要展厅均设在地下部分,且各展厅根据主题不同,布置大量的实体展品展物,几乎每个展厅都有各种动植物标本.除生物化石外,大量的动物标本在制作中,其形体内充装大量稻草或者泡沫,形体轮廓均采用真实动物毛皮.这类标本在展厅内的大量布置,在火灾时容易造成火灾的快速蔓延,甚至轰然.部分标本还可能采用化学试剂做防腐处理,在火灾燃烧时,容易产生毒性,给人员的安全疏散造成一定的影响.2.3排烟设计自然博物馆建筑功能的特殊性决定着其内部

9、可燃物与常规建筑之间有着很大的差异性,从常规建筑火灾荷载及火灾规模出发,很难明确界定馆内各展区火灾规模.无法确定展厅的火灾规模,就无法计算相应的热释放量,对计算展厅排烟风机的排烟量有很大难度.从建筑内部空间来看,内部空间相互交叉,贯穿,造成烟气组织复杂,设计难度大.3消防安全对策考虑建筑选址上的特殊性,布展上的复杂性,空间上的贯穿性等特点,在消防设计上总体遵循控制可燃物,隔离危险源,强化排烟设计,科学布置展品的原则,通过较少火灾荷载,具体分析布展情况,合理划分防火区划,应用fds计算机模拟,统筹整个博物馆的消防设计安全性.3.1科学控制可燃物,有效隔离危险源博物馆建筑内考虑其内部除布展空间外,

10、还有大量的辅助用房,因此规定在该建筑内设置的标本库房只能作为标本中转仓库使用,不得储存甲,乙类危险物品和标本修复,制作车问,所有展出标本的修复,制作工作必须到建筑外进行.同时对于其他的辅助用房必须采用防火墙与主展厅进行完全分隔.根据建设方布展需求,在可控的范围内,对馆内展品进行一定的控制:展品展示空间不得超过建筑空间的40%,且实物展品所占的空间不超过展示空间的30%.即展品所占空间不超过建筑空间的12%.通过物理隔离和展品空间限定等措施,切实控制并降低可燃源,危险源.3.2统筹考虑布展需要,有效划分防火区划该博物馆以水景下沉式庭院为中心布置相关展厅,在隔离控制可燃物的前提下,考虑馆内各展厅布

11、展在空间上的实际需求,结合建筑特殊造型,将博物馆内的展览区域按照每个防火分区面积不超过5000m划分.其中三个高大空间展厅(上下分别跨越5个楼层,3个楼层,2个楼层)分别为1个独立的防火分区;其他展厅以展览坡道为分界,同层划分不同的防火分区28刘菲:上海自然博物馆消防设计特点浅析2011年第9期临时展览用房和其他布展功能用房(设备房,车库,标本仓库,办公用房,影院等)与展厅部分采用防火墙等措施进行分隔,并严格按照规范要求划分防火分区.3.3因材布置展品展物,控制减少火灾荷载博物馆建筑在平面布置上与其他常规建筑有很大不同,其内部展品展物的布置形式和要求,决定了该建筑的火灾荷载大小和规模.在展品展

12、物布置上,有的展厅采用实景设计配合展示标本;有的采用陈列柜的形式展示标本;有的采用多媒体影片放映形式进行展示.通过参考上海科技馆的实例,对其展示的标本逐一进行分析研究,从而确定布展要求.博物馆内的标本按其性质主要分为古生物标本,毛皮类动物标本和植物标本三大类;按其体型大小分为大型,中型和小型.3.3.1古生物标本供展览的古生物如恐龙一般来说为大型标本,在制作此类生物展品时,严格控制可燃材料的采用.生物形体轮廓(部分或者全部)采用钢架结构,内部填充物要求使用玻璃钢或者石膏等不燃材料.3.3.2毛皮类动物标本在材料上,改变原有的标本制作工艺,要求制作动物标本轮廓及内部填充为石膏和玻璃钢等不燃材料,

13、其外部为了还原仿真的效果同意使用皮毛.主要分为三种情况:大体型动物标本:体长>41ti,如大象,长颈鹿的外部皮毛约在50kg左右,内部用玻璃钢填充,无其他可燃物;中等形体:体长在1.54m之间.如鹿,虎等动物标本的外部皮毛约在20kg左右,内部用玻璃钢填充,无其他可燃物;小形体动物:体长<1.5m,如小鸟,外部皮毛约在10kg左右,内部有少量可燃填充物.3.3.3植物标本展厅内使用的植物标本仅为一些树叶,且数量有限.具体场景中布置的干草,假树等,均要求用不燃材料做成仿真物.部分植物标本要求其陈列于玻璃制作的展品柜中.3.3.4标本布展平面布置要求在自然博物馆动物展区内,火灾蔓延(热

14、量的传递)主要通过热辐射和热对流方式,其中热辐射占主导地位,依据热辐射辐射半径,辐射强度以及能够引燃表1不同参数设置对火灾蔓延,规模影响的模拟结果内容场景一场景二场景三计算域60it!30m15m60hix30ml5m60m30nll5m模拟时间/sl7636o250布局方式(间距/m)lo.50.5点燃温度/oc350350250最大hrr/mw92065平均hrr/mw49l8模型外观9(x)o-1/:;-/至目晰嘲艄/.宦坤80oo.700o60005000热释放速率曲线400o300020oo1o0o02040608010120140160180o5010015020025030035

15、04000501o015o200250time/stime/slime/s2011年第9期消防技术与产品信息29可燃物的临界辐射通量等相关关系.通过计算机fds模拟的实验方法对各展区动物标本的布置间距和材料燃点分别进行了对比分析和研究,以说明不同布置间距和材料不同燃点对于火灾规模大小的影响,从而为确定标本的布展间距和展厅材料的燃烧性能提供依据.表1总结了fds软件模拟不同参数设置对火灾蔓延,规模的影响.由模拟结果可知,场景一和场景二显示:在材料着火温度不变的情况下,动物标本布置间距缩小一半,其热释放速率约增加一倍,很明显地得出布置间距与火灾规模之间存在着反比关系,即hrr.c(1/d),其中d

16、为布置间距.场景二和场景三显示:在相同的布置间距下,动物标本材料的点火温度降低,则火灾规模峰值将显着增加,且增加幅度较大,从而很明显地得出材料的点火温度的n次方与火灾规模之间存在着反比的关系,即hrr(1/tn),其中t为可燃物材料点燃温度.鉴于以上分析,为控制各展厅的火灾规模,一是要严格控制动物标本之间的布置间距,以减小辐射热通量;二是对可燃材料进行严格控制.结合具体设计总结归纳如下:(1)地下2层层高25m的展厅内不得摆放任何动物毛皮等可燃材料标本,展台的布置使用不燃材料制作.(2)地下2层层高9m的展厅内只能展示中型,小型的动物毛皮标本,且各标本之间的最小距离不应小于3.26m;展台的布

17、置使用不燃或难燃材料制作.(3)地下2层层高15m的展厅内只能展示中型,小型的动物毛皮标本,且各标本之间的最小距离不应小于3.2m;展台的布置使用不燃或难燃材料制作.(4)地上1,2层展厅可展示大型,中型,小型动物毛皮标本,且标本之间布置的间距应满足表2要求.展台的布置使用不燃或难燃材料制作.表2地上展厅动物标本布置间距控制数值/m标本类型大型标本中型标本小型标本大型标本5.25.25.2中型标本5.23.183.18小型标本5.23.182.63.3.5毛皮类标本燃烧时产生的毒性问题动物标本在防腐处理过程中,动物毛皮一般采用甲酸和加脂剂等化学试剂.其中甲酸对人体是有一定危害的,主要表现为:健

18、康危害:引起皮肤,粘膜的刺激症状,接触后可引起结膜炎,眼睑水肿,鼻炎,支气管炎,重者可引起急性化学性肺炎;环境危害:对环境有危害,对水体可造成污染;燃爆危险:可燃,具强腐蚀性,刺激性,可致人体灼伤;急性毒性.加脂剂实际上一种添加剂,一般来说,经加脂剂处理过的产品其柔软度,抗老化性能,抗菌性以及阻燃性能都比较好.近年来受到了人们的关注,越来越多的运用与毛皮等处理.因此结合上述两种防腐材料的处理方式,一般建议在新制作动物标本时,采用加脂剂进行处理.对于一些采用甲酸试剂处理过的动物毛皮标本在布展上要求采取密封式陈列柜展出的处理方式.3.4探索研究火灾规模,科学设计排烟系统根据上海市地方标准建筑防排烟

19、技术规程的规定,排烟风机排烟量的计算应明确展厅的火灾模型,规范上并没有可以直接参照的数值.以常规建筑火灾荷载以及火灾规模为基础,很难明确界定博物馆内各展区的火灾规模.要想能够科学合理地给出该值,就必须能够较准确的确定动物皮毛的燃烧性能等相关参数.鉴于此原因,设计团队对上海科技馆目前动物世界内的布展标本样式,布展密度,布展类型以及布展标本的相关可燃性材料做了实地的调研,分析和计算.同时查阅国内外大量具有参考意义的资料,通过一张狐狸皮的燃烧试验结果推算一些可参考的计算值.通过实验确定动物皮毛的燃烧热与木材相当(见表3).为了模拟具体标本的火灾规模,设计团队采用单位换算法,将标本中的材料与常规材料进

20、行相互转化,主要表达式有:q=mq(1)hrr=q/t(2)式中:q可燃物发热量,mj/kg;g可燃物燃烧热值,mj;m可燃物质量,kg;hrr(瞬时火功率)t时刻火灾功率,mj/s;t燃烧时间,s.表3动物皮毛与其它常规可燃物燃烧性能的比较燃料燃烧热/(mj?kg)产烟率木材l5.o<0.o10.025聚氯乙烯5.7o.12一o.17柔性聚亚氨酯l9.0<0.0l一0.23刚性聚亚氨酯l7.90.o90.1l聚苯乙烯27.0o.150.17聚丙烯38.6o.0160.1o蛋白质(动物17.60.08皮毛主要成分)依据式(1)和(2),可换算出同一个火灾功率(表示为瞬时)所需要不同

21、材料的质量,即不同材料之间可进行近似的换算.30刘菲:上海自然博物馆消防设计特点浅析2011年第9期模型中对标本中有关材料与木材,室内装饰材料的化学参数进行了对比,并通过火灾模型进行了模拟论证.结果显示,大体型动物标本单体热释放量为8mw,中型动物标本单体热释放量为3mw,小型动物标本单体热释放量为2mw(见表4).表6为一些全尺寸实验数据,从表中可以看出,大表4各体型单体标本的燃烧规模汇总表大型中型小型计算域尺寸20m10mx5m20m10nlx5m20mx10mx5m实际可燃物/kg5o2010模型数据见表5见表5见表5模拟结果/mw83280003ooo.300o250025oo2000

22、2o001500耄.soo工t000100o7000.noonoo60005000墓4000热释放速率曲线300020001000010203o405o607(】8o9010001020304050600102030405060708090100time/stime/stime/s此栏数据由布展方提供表5模型输入数据与常见材料物,化性参数对比室内装饰材料模拟用材料木材(沙发饰面材料)(蛋白质)比热/(kj?kg?k一)1.721.o2.o燃烧热/(kj?kg)l50003000017l6o燃点(着火点)/250300280300表6一些全尺寸火灾热释放率峰值火灾荷载热释放率峰值/kw参考文献3

23、面软垫的装饰性沙发3200l20kg苏格兰松木圣诞树5oo0l8个带软垫的金属结构椅子24o01开敞式售货亭l4002封闭式售货亭35002装修卧室400080003l2个钢框架可折迭聚丙烯椅子23o04】辆小轿车25o0523辆小轿车80005l辆中型商务用车50005(1)klote,j.h.,milke,j.a.,principlesofsmokemanagement,societyoffireprotectionengineers(2002).(2)urbasj.,kioskfreeburntests,nationalinstituteofstandardsandtechnology(1995).(3)nfpa92b,standardforsmokemanagementinmai