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2008年奧運(yùn)體育場(chǎng)館如何構(gòu)筑“防火墻”

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

    隨著2008年奧運(yùn)腳步的臨近，各種設(shè)計(jì)新穎的奧運(yùn)體育場(chǎng)館拔地而起，國(guó)家體育場(chǎng)（鳥(niǎo)巢）、國(guó)家游泳中心（水立方）、國(guó)家體育館等超大空間建筑成為北京的新地標(biāo)。
    　　人們?cè)诟袊@這些建筑氣勢(shì)恢宏的同時(shí)，不免心生好奇―――特大型場(chǎng)館是如何做到防火安全和人員及時(shí)疏散的？今天，讓專家?guī)覀兲皆L一下大型奧運(yùn)體育場(chǎng)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(yùn)場(chǎng)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(niǎo)巢”獨(dú)樹(shù)一幟，這里是2008年奧運(yùn)會(huì)主體育場(chǎng)，近10萬(wàn)觀眾將現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)證盛大壯觀的奧運(yùn)會(huì)開(kāi)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(hù)。但像鳥(niǎo)巢這樣的建筑，如果采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)防火保護(hù)措施無(wú)疑會(huì)嚴(yán)重影響其建筑效果，而且花費(fèi)不菲。中國(guó)建筑科學(xué)研究院建筑防火研究所通過(guò)引入新的設(shè)計(jì)理念，科學(xué)地分析了火災(zāi)可能對(duì)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(niǎo)巢鋼結(jié)構(gòu)外罩不需要采用防火保護(hù)。

    　　“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(dá)到一定的耐火強(qiáng)度。如果在鋼結(jié)構(gòu)外面釘板，加大了材料的厚度，鳥(niǎo)巢不再輕盈；噴涂防火涂料會(huì)使鋼結(jié)構(gòu)變得粗糙難看，破壞了鳥(niǎo)巢的建筑外觀效果?！狈阑鹚L(zhǎng)李引擎說(shuō)，在現(xiàn)行條文式規(guī)范框架下，個(gè)性化設(shè)計(jì)與建筑防火似乎成了“魚(yú)和熊掌”。

    　　他說(shuō)，由于傳統(tǒng)的防火設(shè)計(jì)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(wú)法充分考慮到各個(gè)建筑的具體功能和使用情況。因此，嚴(yán)格按照規(guī)范設(shè)計(jì)，有時(shí)會(huì)使得建筑物原有的設(shè)計(jì)功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)，或是造成建筑物的安全等級(jí)過(guò)高，造成不必要的浪費(fèi)，尤其對(duì)于超大體量的創(chuàng)意型建筑，傳統(tǒng)規(guī)范的適應(yīng)力較差。

    　　伴隨著建筑設(shè)計(jì)日益多元化、個(gè)性化，國(guó)際上正在興起一種新的性能化的防火設(shè)計(jì)方法，即通過(guò)量身定制、功能匹配的系統(tǒng)綜合分析，形成更有針對(duì)性、更經(jīng)濟(jì)合理的消防設(shè)計(jì)方案。在“十五”國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃支持下，我國(guó)也開(kāi)展了建筑性能化防火設(shè)計(jì)應(yīng)用技術(shù)研究。該課題成果已開(kāi)始在一些國(guó)家重大工程項(xiàng)目中成功應(yīng)用，2008年奧運(yùn)會(huì)70%的場(chǎng)館與配套設(shè)施采用了性能化防火設(shè)計(jì)，并已經(jīng)付諸實(shí)施。

    　　應(yīng)用性能化防火設(shè)計(jì)，鳥(niǎo)巢的結(jié)構(gòu)防火問(wèn)題可科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)地得到解決。

    　　在建筑火災(zāi)中，需要確保結(jié)構(gòu)在常規(guī)荷載和火場(chǎng)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(shuō)，根據(jù)各種計(jì)算模擬，火災(zāi)中鳥(niǎo)巢鋼結(jié)構(gòu)外罩受到的溫度均在200℃以內(nèi)，而此時(shí)鋼材的強(qiáng)度和彈性模量相對(duì)變化不大，因此，受溫小于200℃的鋼材處于安全限值之內(nèi)。

    　　鳥(niǎo)巢是個(gè)半開(kāi)敞的露天場(chǎng)館，高達(dá)67米。防火所從比賽場(chǎng)地、看臺(tái)等方面對(duì)火災(zāi)情景做了多種設(shè)計(jì)、分析和計(jì)算。例如，假設(shè)慶?；ㄜ?chē)進(jìn)入體育場(chǎng)表演引發(fā)的比賽場(chǎng)地火災(zāi)情景，經(jīng)測(cè)算距離地面以上42米的平均溫度只有45℃，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)不會(huì)有影響。

    　　鳥(niǎo)巢是在觀眾席的外圍，利用大量相互支撐的網(wǎng)絡(luò)狀鋼構(gòu)架“編織”而成的。鳥(niǎo)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(tái)區(qū)域發(fā)生火災(zāi)，接近高層看臺(tái)的力臂能否承受火災(zāi)荷載？計(jì)算結(jié)果顯示，懸臂在火災(zāi)發(fā)生下的最大應(yīng)力比為0.7，低于鋼架的彈性承載力，也不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的整體安全。

    　　“經(jīng)過(guò)科學(xué)的計(jì)算和分析，只要將火控制在一定區(qū)域，國(guó)家體育場(chǎng)的鋼框架外罩的結(jié)構(gòu)是安全的，因此無(wú)需采用額外的防火保護(hù)?！睂?duì)此李引擎十分自豪，他說(shuō)這一項(xiàng)就有可能為國(guó)家節(jié)省上千萬(wàn)元。

    　　疏散―――8分鐘原則

    　　進(jìn)入“鳥(niǎo)巢”內(nèi)部，高大宏偉的建筑令人嘆為觀止。國(guó)家體育場(chǎng)將容納91000名觀眾，一旦發(fā)生火情，觀眾安全疏散需要多長(zhǎng)時(shí)間呢？

    　　李引擎向記者演示了鳥(niǎo)巢看臺(tái)人員安全疏散計(jì)算模型，結(jié)果是7.5分鐘時(shí)最后一名觀眾撤離到安全區(qū)域。他說(shuō)，我國(guó)傳統(tǒng)的建筑防火規(guī)范沒(méi)有特定的疏散時(shí)間限制，只是對(duì)看臺(tái)出口的寬度有指標(biāo)要求。2008年奧運(yùn)場(chǎng)館的疏散設(shè)計(jì)參照國(guó)際慣例，經(jīng)綜合分析最后確定為8分鐘原則。

    　　例如英國(guó)《體育場(chǎng)館安全設(shè)計(jì)指南》建議，每個(gè)安全出口的控制疏散時(shí)間定為不超過(guò)8分鐘，因?yàn)橐哉Ｋ俣韧ㄟ^(guò)安全出口的時(shí)間小于8分鐘時(shí)，觀眾一般不會(huì)出現(xiàn)激動(dòng)、焦慮和緊張的情緒。悉尼奧運(yùn)場(chǎng)館設(shè)計(jì)就采用了8分鐘的安全疏散標(biāo)準(zhǔn)。

    　　技術(shù)人員通過(guò)仿真模擬，利用看臺(tái)疏散場(chǎng)景的計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)計(jì)算分析找到體育場(chǎng)各個(gè)部分可能影響人員疏散的安全隱患，并對(duì)看臺(tái)疏散通道寬度和布置反復(fù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

    　　站在看臺(tái)高處俯視，鳥(niǎo)巢是碗狀的橢圓形建筑。其實(shí)，這是經(jīng)過(guò)改動(dòng)后的結(jié)果，鳥(niǎo)巢最初是設(shè)計(jì)成相對(duì)較短距離兩邊分別帶有4個(gè)鋸齒的碗邊?？磁_(tái)分為上、中、下三層，由于上層看臺(tái)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(tái)觀眾。隨著奧運(yùn)“瘦身”計(jì)劃的實(shí)施和整體結(jié)構(gòu)的調(diào)整，碗邊被“削平了尖”，上層看臺(tái)的疏散壓力得以緩解。

    　　走上“鳥(niǎo)巢”最高層觀眾席，讓人有“一覽眾山小”的感覺(jué)。據(jù)介紹，這里高達(dá)51米，相當(dāng)于站在18層樓頂。如果發(fā)生火災(zāi)，高處人多擁擠最容易造成疏散恐慌?！拔覀儼迅邔涌磁_(tái)的出口由原來(lái)通行2列觀眾改成3列，并在中間和兩邊特意加了護(hù)欄，以確保人員的安全撤離。”李引擎告訴記者。

    　　出于同樣的原因，樓梯的設(shè)計(jì)也作了人性化的處理。鳥(niǎo)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(zhǎng)度63米，猶如24條巨龍盤(pán)旋在鳥(niǎo)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(jìn)行了錯(cuò)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(duì)前方的擠壓?？梢哉f(shuō)，從安全疏散設(shè)計(jì)的細(xì)微之處體現(xiàn)了性能化防火的靈活性和科學(xué)性。

    　　材料―――膜結(jié)構(gòu)阻燃性能好

    　　距鳥(niǎo)巢不遠(yuǎn)處，晶瑩剔透的“水立方”像一潭碧藍(lán)的池水，吸引著人們的目光。國(guó)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(yíng)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(qiáng)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(lái)，在歐美國(guó)家膜結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于大型場(chǎng)館建設(shè)中。但由于我國(guó)以前對(duì)膜結(jié)構(gòu)的性能，特別是對(duì)其燃燒性能的研究較少。此次奧運(yùn)建筑國(guó)家游泳中心及國(guó)家體育場(chǎng)引進(jìn)膜結(jié)構(gòu)，防火所對(duì)其進(jìn)行了實(shí)體模擬燃燒試驗(yàn)。

    　　在模擬試驗(yàn)中，墻角柴火和落火都沒(méi)有點(diǎn)燃膜結(jié)構(gòu)，在長(zhǎng)時(shí)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(shè)計(jì)巧妙科學(xué)

    　　總建筑面積約為8萬(wàn)平方米國(guó)家體育館是北京奧林匹克公園里最大的室內(nèi)場(chǎng)館，波浪形的曲線屋頂充分體現(xiàn)了輕盈并富于動(dòng)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(shè)計(jì)重點(diǎn)。

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

    　　當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，有效地控制煙氣流動(dòng)和蔓延，對(duì)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(gè)巨大的蓄煙艙，它在火災(zāi)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(shè)計(jì)上與普通建筑有很大的不同。按照常規(guī)的排煙設(shè)計(jì)，高大空間的體育館的排煙量往往非常大，這給設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)很大的難度?！叭绻闯Ｒ?guī)設(shè)計(jì)，仰望場(chǎng)館看到的不是燈光璀璨，可能是排煙筒星星點(diǎn)點(diǎn)?！崩钜嬲f(shuō)，性能化設(shè)計(jì)則根據(jù)被保護(hù)區(qū)域內(nèi)的可能火災(zāi)規(guī)模、設(shè)計(jì)煙層高度等參數(shù)來(lái)確定必須的排煙量。

    　　研究人員首先構(gòu)建計(jì)算模型，然后根據(jù)距火源遠(yuǎn)近的不同，把場(chǎng)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(dòng)狀況。結(jié)果顯示，比賽大廳發(fā)生火災(zāi)時(shí)所需排煙量為每小時(shí)800000立方米，排煙口24個(gè)。30分鐘之內(nèi)，影響人員疏散的煙氣層不會(huì)下降到人員停留區(qū)域，留有充足的救援時(shí)間。

    　　與此同時(shí)，比賽大廳還設(shè)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(dòng)探測(cè)著火點(diǎn)，自動(dòng)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(shè)計(jì)。

    　　■相關(guān)鏈接

    　　性能化防火設(shè)計(jì)技術(shù)

    　　性能化防火設(shè)計(jì)是當(dāng)前國(guó)際上正在興起的一種新的發(fā)展趨勢(shì)，是建立在消防安全工程學(xué)基礎(chǔ)上的一種新的建筑防火設(shè)計(jì)方法。它運(yùn)用消防安全工程學(xué)的原理與方法，首先確立消防設(shè)計(jì)的安全目標(biāo)和達(dá)到安全目標(biāo)應(yīng)滿足的各項(xiàng)性能指標(biāo)，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(duì)建筑的火災(zāi)危險(xiǎn)性進(jìn)行定量的預(yù)測(cè)和評(píng)估。性能化的消防設(shè)計(jì)綜合考慮了火災(zāi)的發(fā)生發(fā)展、煙氣的蔓延和控制、火災(zāi)的蔓延和控制、火災(zāi)探測(cè)和報(bào)警、主動(dòng)和被動(dòng)滅火措施以及人員的疏散等各個(gè)方面，因此能夠得出更有針對(duì)性的更經(jīng)濟(jì)合理的消防設(shè)計(jì)方案。



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