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2008年奧運體育場(chǎng)館如何構筑“防火墻”

作者：鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-23 10:01:40 [收藏]

    隨著(zhù)2008年奧運腳步的臨近，各種設計新穎的奧運體育場(chǎng)館拔地而起，國家體育場(chǎng)（鳥(niǎo)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(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(zhuān)家帶我們探訪(fǎng)一下大型奧運體育場(chǎng)館是如何構筑防火屏障的。

    　　結構―――“真金不怕火煉”

    　　沿著(zhù)北京中軸線(xiàn)往北，集中了眾多奧運場(chǎng)館的北京奧林匹克公園已露出“廬山真面目”。巨大的銀色鋼結構織成的“鳥(niǎo)巢”獨樹(shù)一幟，這里是2008年奧運會(huì )主體育場(chǎng)，近10萬(wàn)觀(guān)眾將現場(chǎng)見(jiàn)證盛大壯觀(guān)的奧運會(huì )開(kāi)幕式。

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

    　　“按照現行規范體系，鋼結構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。如果在鋼結構外面釘板，加大了材料的厚度，鳥(niǎo)巢不再輕盈；噴涂防火涂料會(huì )使鋼結構變得粗糙難看，破壞了鳥(niǎo)巢的建筑外觀(guān)效果?！狈阑鹚L(cháng)李引擎說(shuō)，在現行條文式規范框架下，個(gè)性化設計與建筑防火似乎成了“魚(yú)和熊掌”。

    　　他說(shuō)，由于傳統的防火設計規范適用于所有類(lèi)型的建筑，所以有些要求難免粗放和籠統，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，嚴格按照規范設計，有時(shí)會(huì )使得建筑物原有的設計功能無(wú)法實(shí)現，或是造成建筑物的安全等級過(guò)高，造成不必要的浪費，尤其對于超大體量的創(chuàng )意型建筑，傳統規范的適應力較差。

    　　伴隨著(zhù)建筑設計日益多元化、個(gè)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(guò)量身定制、功能匹配的系統綜合分析，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(kāi)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(kāi)始在一些國家重大工程項目中成功應用，2008年奧運會(huì )70%的場(chǎng)館與配套設施采用了性能化防火設計，并已經(jīng)付諸實(shí)施。

    　　應用性能化防火設計，鳥(niǎo)巢的結構防火問(wèn)題可科學(xué)、合理、經(jīng)濟地得到解決。

    　　在建筑火災中，需要確保結構在常規荷載和火場(chǎng)高溫綜合作用下不塌垮和失效，這是結構防火安全的基本原則。李引擎介紹說(shuō)，根據各種計算模擬，火災中鳥(niǎo)巢鋼結構外罩受到的溫度均在200℃以?xún)?，而此時(shí)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。

    　　鳥(niǎo)巢是個(gè)半開(kāi)敞的露天場(chǎng)館，高達67米。防火所從比賽場(chǎng)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?chē)進(jìn)入體育場(chǎng)表演引發(fā)的比賽場(chǎng)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℃，對鋼結構不會(huì )有影響。

    　　鳥(niǎo)巢是在觀(guān)眾席的外圍，利用大量相互支撐的網(wǎng)絡(luò )狀鋼構架“編織”而成的。鳥(niǎo)巢鋼框架懸臂的轉角處猶如人體胳膊的肘部，受力最大，較為脆弱。如果看臺區域發(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(huì )影響結構的整體安全。

    　　“經(jīng)過(guò)科學(xué)的計算和分析，只要將火控制在一定區域，國家體育場(chǎng)的鋼框架外罩的結構是安全的，因此無(wú)需采用額外的防火保護?！睂Υ死钜媸肿院?，他說(shuō)這一項就有可能為國家節省上千萬(wàn)元。

    　　疏散―――8分鐘原則

    　　進(jìn)入“鳥(niǎo)巢”內部，高大宏偉的建筑令人嘆為觀(guān)止。國家體育場(chǎng)將容納91000名觀(guān)眾，一旦發(fā)生火情，觀(guān)眾安全疏散需要多長(cháng)時(shí)間呢？

    　　李引擎向記者演示了鳥(niǎo)巢看臺人員安全疏散計算模型，結果是7.5分鐘時(shí)最后一名觀(guān)眾撤離到安全區域。他說(shuō)，我國傳統的建筑防火規范沒(méi)有特定的疏散時(shí)間限制，只是對看臺出口的寬度有指標要求。2008年奧運場(chǎng)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(chǎng)館安全設計指南》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，因為以正常速度通過(guò)安全出口的時(shí)間小于8分鐘時(shí)，觀(guān)眾一般不會(huì )出現激動(dòng)、焦慮和緊張的情緒。悉尼奧運場(chǎng)館設計就采用了8分鐘的安全疏散標準。

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

    　　站在看臺高處俯視，鳥(niǎo)巢是碗狀的橢圓形建筑。其實(shí)，這是經(jīng)過(guò)改動(dòng)后的結果，鳥(niǎo)巢最初是設計成相對較短距離兩邊分別帶有4個(gè)鋸齒的碗邊?？磁_分為上、中、下三層，由于上層看臺區觀(guān)眾密集，人員疏散壓力較大，防火所建議減少上層看臺觀(guān)眾。隨著(zhù)奧運“瘦身”計劃的實(shí)施和整體結構的調整，碗邊被“削平了尖”，上層看臺的疏散壓力得以緩解。

    　　走上“鳥(niǎo)巢”最高層觀(guān)眾席，讓人有“一覽眾山小”的感覺(jué)。據介紹，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(lái)通行2列觀(guān)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(niǎo)巢建有6層集散大廳，聯(lián)結集散大廳和地面安全區域的是室外大樓梯。這些大樓梯平面長(cháng)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)生踩踏現象，科研人員把平直的大樓梯進(jìn)行了錯位調整，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(shuō)，從安全疏散設計的細微之處體現了性能化防火的靈活性和科學(xué)性。

    　　材料―――膜結構阻燃性能好

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

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

    　　近年來(lái)，在歐美國家膜結構已經(jīng)被廣泛應用于大型場(chǎng)館建設中。但由于我國以前對膜結構的性能，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(chǎng)引進(jìn)膜結構，防火所對其進(jìn)行了實(shí)體模擬燃燒試驗。

    　　在模擬試驗中，墻角柴火和落火都沒(méi)有點(diǎn)燃膜結構，在長(cháng)時(shí)間燒灼下，膜結構材料碳化成灰，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，膜結構是良好的阻燃材料，觀(guān)眾可以放心地觀(guān)看比賽。

    　　排煙―――設計巧妙科學(xué)

    　　總建筑面積約為8萬(wàn)平方米國家體育館是北京奧林匹克公園里最大的室內場(chǎng)館，波浪形的曲線(xiàn)屋頂充分體現了輕盈并富于動(dòng)感的體育建筑特性。比賽館的比賽大廳與觀(guān)眾休息大廳相連通形成大型空間，排煙系統自然成為防火專(zhuān)家的設計重點(diǎn)。

    　　數據顯示，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(lái)的濃煙彌漫空間，不僅影響人的視線(xiàn)，同時(shí)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(shí)，有效地控制煙氣流動(dòng)和蔓延，對確保人員疏散安全，改善滅火條件是極為重要的。體育館內部空間高大，類(lèi)似一個(gè)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(xiàn)，所以在排煙設計上與普通建筑有很大的不同。按照常規的排煙設計，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(lái)很大的難度?！叭绻闯Ｒ幵O計，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)，性能化設計則根據被保護區域內的可能火災規模、設計煙層高度等參數來(lái)確定必須的排煙量。

    　　研究人員首先構建計算模型，然后根據距火源遠近的不同，把場(chǎng)館的區域分成尺寸不同的網(wǎng)格，逼真地模擬煙氣的流動(dòng)狀況。結果顯示，比賽大廳發(fā)生火災時(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，影響人員疏散的煙氣層不會(huì )下降到人員停留區域，留有充足的救援時(shí)間。

    　　與此同時(shí)，比賽大廳還設置了智能化數控滅火系統（俗稱(chēng)水炮）。水炮360度旋轉自動(dòng)探測著(zhù)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(xué)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(xué)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(mǎn)足的各項性能指標，然后根據建筑物的結構、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(jìn)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(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性的更經(jīng)濟合理的消防設計方案。



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