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《天津大学》 2007年
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基于性能化的大尺度公共建筑防火策略研究

杜兰萍  
【摘要】: 随着我国经济建设和科学技术的快速发展,一些大型现代化的火车站、飞机场、展览馆、商业中心、体育场馆等大尺度公共建筑不断涌现,由于这些大空间公共建筑结构复杂、功能多样、可燃物多、人员密集,一旦发生火灾,其后果往往是灾难性的,因此大空间公共建筑的火灾防控问题是当前消防工作的重点之一。但由于此类建筑大多具有面积大、空间高、结构复杂的特点,其消防设计在防火分区、安全疏散、烟气控制、结构抗火、消防设施设置等多方面都无法执行现行国家规范的规定,对传统的“处方式”防火设计方法提出了严峻的挑战,是当前建筑防火领域急待解决的难点问题之一。 本论文从课题的研究背景出发,首先分析了当前我国严峻的火灾形势,并对今后一个时期火灾形势的发展趋势进行了预测,同时全面系统地分析了导致预测结果的各种内在的深层次原因。在此基础上,从热力学的耗散结构理论出发,深入剖析了火灾的热力学含义及对可持续发展的严重危害性,从而指出了大力发展火灾预防和控制新技术,提高建筑物的消防安全水平和全社会抗御火灾能力的极端重要性和必要性。论文以当前火灾防控的难点问题之一——大尺度公共建筑火灾预防为切入点,认为性能化设计是解决大尺度公共建筑防火设计问题的有效手段,并针对大尺度公共建筑存在的典型超规范问题,提出了需要进一步深入研究火灾发展模型、大尺度建筑内可燃物品的火灾蔓延规律以及大尺度建筑内典型部位轰燃特性三方面的问题。 为此,论文首先从理论上对大尺度公共建筑火灾模型进行了详细的分析和推导,包括热释放速率的理论模型与经验模型、火灾在发生发展过程中的蔓延特性,并对比分析了轰燃时临界火源热释放速率的预测模型,确立了烟气羽流控制模型。另一方面,利用具有普遍意义的“标准组件”来模拟实际带包装的可燃货物,以货架和堆垛两种不同摆放形式的实体火灾模型为研究对象,进行了全尺寸的火灾实验研究。运用实验结果分析了火灾过程中不同阶段的燃烧特点,以及温度、辐射热流和火灾载荷等参数对火灾发展和蔓延规律的影响,揭示了火灾的内在规律并预测了其发展趋势。此外,论文还对火灾荷载及其分布形式以及排烟送风等因素对轰燃特性的影响进行了系统的实验研究,得到了一些有价值的结论,可以用来指导建筑防火设计。 在上述研究的基础上,论文引用了“舱”和“燃料岛”的概念,以大型商场为典型场所,针对其结构特点和火灾危险性,运用火灾模化技术和数值计算方法,建立了模拟大尺度空间的开敞空间内火灾发展和烟气流动的数学模型,并开发了计算机模拟软件。模拟软件较好地模拟了大尺度空间内火灾与烟气的发展过程,可以预测火灾初期的烟气流动特性及其影响规律。同时,为了验证模拟的结果,还建立了大尺度空间火灾实验装置,并进行了相关实验。结果表明,建立的数学模型正确、可靠,采用模型预测的结果与实体实验的结果趋势一致,误差在20%以内。 运用理论分析和实验研究的结果,结合大尺度公共建筑结构复杂性、功能多样性、人员密集性等特点,作者提出了一套大尺度空间性能化防火策略。该防火策略从大尺度空间建筑存在的典型的防火设计难题入手,对于性能化防火设计所涉及的主要项目全面地进行了深入的分析和定量的研究,并提出了明确的解决办法。在防火策略中重点对消防安全目标的确定、性能判据的量化、火灾场景的设计,烟气控制系统的设计,人员疏散策略的选择、防火分隔以及结构耐火设计等方面进行了充分的论证,为大尺度公共建筑的性能化设计提出了切实可行的解决方案。 论文最后以某大型现代化火车站站房防火设计为研究实例,应用所研究的防火策略,提出了该车站站房的性能化防火设计方案,并针对场所内可能出现的火灾场景对方案进行了系统的消防安全评估,同时还对性能化设计过程中的主要环节进行了不确定性分析,由此确定出车站站房的优化的防火设计方案。实例应用结果表明,在对于大尺度公共建筑的防火设计问题上,采用性能化设计的方法能够较好地解决其中超规范、超标准以及特殊功能需求的问题,并且实现建筑的防火性能和设施的经济投入两方面的优化。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TU242

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