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      1. 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囘M(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)。”對(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)。

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