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2008年奧運體育場館如何構(gòu)筑“防火墻”

作者：鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時間：2009-12-23 10:01:40 [收藏]

    隨著2008年奧運腳步的臨近，各種設計新穎的奧運體育場館拔地而起，國家體育場（鳥巢）、國家游泳中心（水立方）、國家體育館等超大空間建筑成為北京的新地標。
    　　人們在感嘆這些建筑氣勢恢宏的同時，不免心生好奇―――特大型場館是如何做到防火安全和人員及時疏散的？今天，讓專家?guī)覀兲皆L一下大型奧運體育場館是如何構(gòu)筑防火屏障的。

    　　結(jié)構(gòu)―――“真金不怕火煉”

    　　沿著北京中軸線往北，集中了眾多奧運場館的北京奧林匹克公園已露出“廬山真面目”。巨大的銀色鋼結(jié)構(gòu)織成的“鳥巢”獨樹一幟，這里是2008年奧運會主體育場，近10萬觀眾將現(xiàn)場見證盛大壯觀的奧運會開幕式。

    　　鋼材耐火性不高，一般承重鋼結(jié)構(gòu)都加以防火保護。但像鳥巢這樣的建筑，如果采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)防火保護措施無疑會嚴重影響其建筑效果，而且花費不菲。中國建筑科學研究院建筑防火研究所通過引入新的設計理念，科學地分析了火災可能對該鋼結(jié)構(gòu)框架造成的影響，他們得出結(jié)論：在控制可燃物的條件下，鳥巢鋼結(jié)構(gòu)外罩不需要采用防火保護。

    　　“按照現(xiàn)行規(guī)范體系，鋼結(jié)構(gòu)防火要采用防火板和防火涂料的辦法，才能達到一定的耐火強度。如果在鋼結(jié)構(gòu)外面釘板，加大了材料的厚度，鳥巢不再輕盈；噴涂防火涂料會使鋼結(jié)構(gòu)變得粗糙難看，破壞了鳥巢的建筑外觀效果?！狈阑鹚L李引擎說，在現(xiàn)行條文式規(guī)范框架下，個性化設計與建筑防火似乎成了“魚和熊掌”。

    　　他說，由于傳統(tǒng)的防火設計規(guī)范適用于所有類型的建筑，所以有些要求難免粗放和籠統(tǒng)，故無法充分考慮到各個建筑的具體功能和使用情況。因此，嚴格按照規(guī)范設計，有時會使得建筑物原有的設計功能無法實現(xiàn)，或是造成建筑物的安全等級過高，造成不必要的浪費，尤其對于超大體量的創(chuàng)意型建筑，傳統(tǒng)規(guī)范的適應力較差。

    　　伴隨著建筑設計日益多元化、個性化，國際上正在興起一種新的性能化的防火設計方法，即通過量身定制、功能匹配的系統(tǒng)綜合分析，形成更有針對性、更經(jīng)濟合理的消防設計方案。在“十五”國家科技攻關(guān)計劃支持下，我國也開展了建筑性能化防火設計應用技術(shù)研究。該課題成果已開始在一些國家重大工程項目中成功應用，2008年奧運會70%的場館與配套設施采用了性能化防火設計，并已經(jīng)付諸實施。

    　　應用性能化防火設計，鳥巢的結(jié)構(gòu)防火問題可科學、合理、經(jīng)濟地得到解決。

    　　在建筑火災中，需要確保結(jié)構(gòu)在常規(guī)荷載和火場高溫綜合作用下不塌垮和失效，這是結(jié)構(gòu)防火安全的基本原則。李引擎介紹說，根據(jù)各種計算模擬，火災中鳥巢鋼結(jié)構(gòu)外罩受到的溫度均在200℃以內(nèi)，而此時鋼材的強度和彈性模量相對變化不大，因此，受溫小于200℃的鋼材處于安全限值之內(nèi)。

    　　鳥巢是個半開敞的露天場館，高達67米。防火所從比賽場地、看臺等方面對火災情景做了多種設計、分析和計算。例如，假設慶?；ㄜ囘M入體育場表演引發(fā)的比賽場地火災情景，經(jīng)測算距離地面以上42米的平均溫度只有45℃，對鋼結(jié)構(gòu)不會有影響。

    　　鳥巢是在觀眾席的外圍，利用大量相互支撐的網(wǎng)絡狀鋼構(gòu)架“編織”而成的。鳥巢鋼框架懸臂的轉(zhuǎn)角處猶如人體胳膊的肘部，受力最大，較為脆弱。如果看臺區(qū)域發(fā)生火災，接近高層看臺的力臂能否承受火災荷載？計算結(jié)果顯示，懸臂在火災發(fā)生下的最大應力比為0.7，低于鋼架的彈性承載力，也不會影響結(jié)構(gòu)的整體安全。

    　　“經(jīng)過科學的計算和分析，只要將火控制在一定區(qū)域，國家體育場的鋼框架外罩的結(jié)構(gòu)是安全的，因此無需采用額外的防火保護?！睂Υ死钜媸肿院?，他說這一項就有可能為國家節(jié)省上千萬元。

    　　疏散―――8分鐘原則

    　　進入“鳥巢”內(nèi)部，高大宏偉的建筑令人嘆為觀止。國家體育場將容納91000名觀眾，一旦發(fā)生火情，觀眾安全疏散需要多長時間呢？

    　　李引擎向記者演示了鳥巢看臺人員安全疏散計算模型，結(jié)果是7.5分鐘時最后一名觀眾撤離到安全區(qū)域。他說，我國傳統(tǒng)的建筑防火規(guī)范沒有特定的疏散時間限制，只是對看臺出口的寬度有指標要求。2008年奧運場館的疏散設計參照國際慣例，經(jīng)綜合分析最后確定為8分鐘原則。

    　　例如英國《體育場館安全設計指南》建議，每個安全出口的控制疏散時間定為不超過8分鐘，因為以正常速度通過安全出口的時間小于8分鐘時，觀眾一般不會出現(xiàn)激動、焦慮和緊張的情緒。悉尼奧運場館設計就采用了8分鐘的安全疏散標準。

    　　技術(shù)人員通過仿真模擬，利用看臺疏散場景的計算機動態(tài)計算分析找到體育場各個部分可能影響人員疏散的安全隱患，并對看臺疏散通道寬度和布置反復進行優(yōu)化設計。

    　　站在看臺高處俯視，鳥巢是碗狀的橢圓形建筑。其實，這是經(jīng)過改動后的結(jié)果，鳥巢最初是設計成相對較短距離兩邊分別帶有4個鋸齒的碗邊?？磁_分為上、中、下三層，由于上層看臺區(qū)觀眾密集，人員疏散壓力較大，防火所建議減少上層看臺觀眾。隨著奧運“瘦身”計劃的實施和整體結(jié)構(gòu)的調(diào)整，碗邊被“削平了尖”，上層看臺的疏散壓力得以緩解。

    　　走上“鳥巢”最高層觀眾席，讓人有“一覽眾山小”的感覺。據(jù)介紹，這里高達51米，相當于站在18層樓頂。如果發(fā)生火災，高處人多擁擠最容易造成疏散恐慌?！拔覀儼迅邔涌磁_的出口由原來通行2列觀眾改成3列，并在中間和兩邊特意加了護欄，以確保人員的安全撤離?！崩钜娓嬖V記者。

    　　出于同樣的原因，樓梯的設計也作了人性化的處理。鳥巢建有6層集散大廳，聯(lián)結(jié)集散大廳和地面安全區(qū)域的是室外大樓梯。這些大樓梯平面長度63米，猶如24條巨龍盤旋在鳥巢外壁。為避免擁擠的人群在混亂中可能發(fā)生踩踏現(xiàn)象，科研人員把平直的大樓梯進行了錯位調(diào)整，改成了“之”字形，并增加了樓梯扶手，以減少疏散中后方人員對前方的擠壓?？梢哉f，從安全疏散設計的細微之處體現(xiàn)了性能化防火的靈活性和科學性。

    　　材料―――膜結(jié)構(gòu)阻燃性能好

    　　距鳥巢不遠處，晶瑩剔透的“水立方”像一潭碧藍的池水，吸引著人們的目光。國家游泳中心大量采用膜結(jié)構(gòu)新材料，在外面布滿了酷似水分子結(jié)構(gòu)的幾何形狀，營造出魔幻水世界的奇異效果。

    　　膜結(jié)構(gòu)是一種建筑與結(jié)構(gòu)完美結(jié)合的結(jié)構(gòu)體系。它是用高強度柔性薄膜材料與支撐體系相結(jié)合形成具有一定剛度的穩(wěn)定曲面，能承受一定外荷載的空間結(jié)構(gòu)形式。

    　　近年來，在歐美國家膜結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛應用于大型場館建設中。但由于我國以前對膜結(jié)構(gòu)的性能，特別是對其燃燒性能的研究較少。此次奧運建筑國家游泳中心及國家體育場引進膜結(jié)構(gòu)，防火所對其進行了實體模擬燃燒試驗。

    　　在模擬試驗中，墻角柴火和落火都沒有點燃膜結(jié)構(gòu)，在長時間燒灼下，膜結(jié)構(gòu)材料碳化成灰，并不傳播蔓延火焰。防火所的工作人員告訴記者，從防火安全的角度講，膜結(jié)構(gòu)是良好的阻燃材料，觀眾可以放心地觀看比賽。

    　　排煙―――設計巧妙科學

    　　總建筑面積約為8萬平方米國家體育館是北京奧林匹克公園里最大的室內(nèi)場館，波浪形的曲線屋頂充分體現(xiàn)了輕盈并富于動感的體育建筑特性。比賽館的比賽大廳與觀眾休息大廳相連通形成大型空間，排煙系統(tǒng)自然成為防火專家的設計重點。

    　　數(shù)據(jù)顯示，火災中80%的傷亡不是火燒的，而是煙熏造成的。熊熊大火帶來的濃煙彌漫空間，不僅影響人的視線，同時排出的大量有毒氣體，更容易使人窒息而死。

    　　當發(fā)生火災時，有效地控制煙氣流動和蔓延，對確保人員疏散安全，改善滅火條件是極為重要的。體育館內(nèi)部空間高大，類似一個巨大的蓄煙艙，它在火災的初期可以容納很多的煙氣而不致影響人們的疏散視線，所以在排煙設計上與普通建筑有很大的不同。按照常規(guī)的排煙設計，高大空間的體育館的排煙量往往非常大，這給設計和施工帶來很大的難度?！叭绻闯Ｒ?guī)設計，仰望場館看到的不是燈光璀璨，可能是排煙筒星星點點?！崩钜嬲f，性能化設計則根據(jù)被保護區(qū)域內(nèi)的可能火災規(guī)模、設計煙層高度等參數(shù)來確定必須的排煙量。

    　　研究人員首先構(gòu)建計算模型，然后根據(jù)距火源遠近的不同，把場館的區(qū)域分成尺寸不同的網(wǎng)格，逼真地模擬煙氣的流動狀況。結(jié)果顯示，比賽大廳發(fā)生火災時所需排煙量為每小時800000立方米，排煙口24個。30分鐘之內(nèi)，影響人員疏散的煙氣層不會下降到人員停留區(qū)域，留有充足的救援時間。

    　　與此同時，比賽大廳還設置了智能化數(shù)控滅火系統(tǒng)（俗稱水炮）。水炮360度旋轉(zhuǎn)自動探測著火點，自動定位噴水，控制水量，火滅自行停止，多種措施的有效結(jié)合解決了高大空間體育建筑的排煙設計。

    　　■相關(guān)鏈接

    　　性能化防火設計技術(shù)

    　　性能化防火設計是當前國際上正在興起的一種新的發(fā)展趨勢，是建立在消防安全工程學基礎上的一種新的建筑防火設計方法。它運用消防安全工程學的原理與方法，首先確立消防設計的安全目標和達到安全目標應滿足的各項性能指標，然后根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)、用途、可燃物的性質(zhì)和分布等方面的具體情況，對建筑的火災危險性進行定量的預測和評估。性能化的消防設計綜合考慮了火災的發(fā)生發(fā)展、煙氣的蔓延和控制、火災的蔓延和控制、火災探測和報警、主動和被動滅火措施以及人員的疏散等各個方面，因此能夠得出更有針對性的更經(jīng)濟合理的消防設計方案。



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