[文章]：浅析上海科技馆主楼消防设计

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浅析上海科技馆主楼消防设计

    上海科技馆是由上海市人民政府投资兴建的重大社会文化项目。作为“九五”期间上海市重大标志性工程，上海科技馆1998年12月18日开工，2001年3月底基本完成，同年10月在此召开了举世瞩目的APEC(亚太经合组织)会议。2001年12月18日对外开放，目前已接待中外游客200万人次。

    上海科技馆建筑方案由美国RTKL国际有限公司设计，上海建筑设计研究院有限公司负责施工图设计，总建筑面积近100000m2，主楼近90000m2，其中地上部分62214m2，地下部分25853m2。建筑设有地下室一层，地上基本层数为四层，每层局部设有夹层。建筑自西向东逐渐升起，最大建筑高度为48.9m，耐火等级为一级，见图1所示。独特的造型、复杂的建筑平面及空间给建筑消防设计带来了很大的困难。另外，国外设计公司在空间尺度的把握和对防火分区的概念上有着不同的理解和看法。因此，在上海科技馆建筑消防设计过程中，我们与国内、外设计人员进行了多次探讨和协调，在众多问题上取得了较为一致的解决方法，并在工程上得以实施，达到了较为满意的效果。

1 上海科技馆主楼消防设计简介

1.1 总体设计与建筑平面布置

图1 上海科技馆立面图



1．1．1  周围环境状况  基地西南侧为半圆形的政环路，道路宽度33.7m，东北侧与浦东行政文化中心广场相连。主体建筑与周围邻近建筑的防火间距均大于13m。

1．1．2  消防车道与消防登高  政环路与中心广场的周边环道构成了主体建筑的消防环道，总体设计在基地东北侧开设6m宽的消防车道，同时与建筑北侧的下沉式广场用．坡道连接。下沉式广场面积为10 000m2，广场内设置了大于18m×l8m的回车场地，符合规范要求。南侧公共人口广场与其两侧的停车场兼作消防登高场地。场地平均宽度约15m，且在A区、B区段的消防车道同时考虑可供消防登高车作业。消防登高面长度大于1／4建筑周长。高大树木均沿基地外侧种植，不影响火灾时的消防操作。

1．1．3  消防控制室位置及功能  消防控制室设在首层，靠近政环路侧的公共入口广场，设直接对外出入口。控制室将及时获得火灾的信息，并发出各类信号和指令进行消防操作与监控。

1．1．4  柴油发电机房及储油罐  柴油发电机房设于地下一层，并配置储油间。发电机房和储油间采用耐火极限不低于3h的混凝土砌块墙和带闭门器的甲级防火门。储油罐设于室外。

1．1．5  厨房城市管道天然气的设置  地下一层、三层夹层和四层设有厨房或备餐间，使用城市管道天然气。地下一层厨房设于临下沉式广场一侧，四层备餐间设于南侧并开设外窗，形成自然通风。煤气表房设于一层建筑的东北部，隔墙为防火墙，设直接对外出入口，可自然通风。同时在城市管道天然气总管道和进入每个厨房的支管道上均设有事故紧急切断阀，并能与设在厨房内的气体泄漏报警系统联动关闭。

1.2  防火防烟分区和建筑构造

1．2．1  防火分区的划分  该建筑的火灾探测装置(烟感、温感)和自动喷淋等设备配置齐全，以保证极早期发现火情，及时扑灭火灾或限制火势蔓延。按照《高层民用建筑设计防火规范》，并借鉴世界上通行的设计方法和经验，结合建筑方案的特点，划分了相适应的防火分区。在49个防火分区中，部分区域的面积超越了现行规范的规定，特别是其中A区、B区、C区相连通的中庭，其建筑面积为8000多平方米。为了不影响设计原创构思的效果并使之符合消防安全的要求，在与设计人员多次的沟通与协调下，确定了该部分区域的面积指标，并相应辅以有关措施加以保护。其相应的措施为：

    (1)超大面积中庭的地坪、墙面、屋顶(吊顶)的装修材料均采用不燃材料，设计采用石材地面及墙面，玻璃幕墙的外维护，铝板吊顶；

    (2)中庭主要是作为人员交通、集散、休息的场所，不得设置营业性的服务；

    (3)为了不影响视觉效果，在A、B、C区中庭之间不采取防火卷帘分隔措施，但仍应作为相互独立的防烟分区，在三区中庭连接廊桥分界处采取设置喷淋加密措施；

    (4)A区中庭沿每层开口部位采取喷淋加密措施。

    对于其他的展厅防火分区均以现行规范为准进行设计，各防火分区建筑面积均不超过4000m2。

1．2．2  防烟分区  防烟分区的设置与防火分区及固定分隔物的设置一起考虑，以利于机械排烟系统将烟雾排离防护区。展厅、B区共享空间、影院及地下车库等采取机械排烟的方式。考虑到该建筑的特殊性，参照国际上在建筑防排烟设计上的先进方法，将防烟分区面积扩大到2000m2。共享空间(A、C区)采取自然排烟方式，平时可作为通风窗使用，以排除聚集在高处的废热，形成自然通风，室内空气品质得到保证，节省能耗，火灾情况下可排除积聚的烟气。

    展厅部分根据防烟分区设置机械排烟系统，同一防火分区的不同防烟分区采用柔性挡烟卷帘分隔，排烟量按烟雾控制理论计算得出。展厅设定为有喷淋的公共场所，以确定火势类型、火势规模、火势面积、清晰火灾高度(满足展厅的保护高度要求)，计算出烟气质量流量、烟气的排烟温度等参数，作为选择、确定系统的设备及形式的依据。

1．2．3  防火分隔物与耐火构造  防火分区隔墙为防火墙，采用耐火极限不低于3 h的混凝土砌块隔墙，需要保持敞开的部位设防火卷帘及其它等效的措施，防火墙上的门均采用甲级防火门。

    消防疏散楼梯间及前室、消防电梯井道与合用前室的隔墙均采用耐火极限不低于2h的混凝土砌块砌筑，前室与楼梯间的门，地下为甲级防火门，地上为乙级防火门。

    防火分区之间采用了防火墙、防火卷帘、甲级防火门等防火分隔措施。墙体在顶部伸入屋架空间到屋面保温板下沿的部分采用了轻质砌块或砖墙予以分隔，在难以施工的部位采用轻钢龙骨防火板内填不燃材料构造加以分隔，确保耐火极限达到3h。

1．3  安全疏散及消防电梯

1．3．1  疏散楼梯主体建筑共设疏散楼梯10座，为防烟楼梯间。同时，确保每个防火分区均有至少2个安全疏散出口(夹层内有一些除外，但大多数是设备机房，只有少数是辅助用房)。

1．3．2  疏散出口与距离  防烟楼梯间根据其所在部位，分别于首层向政环路一侧、地下一层向下沉式广场一侧将人员疏散至室外安全地带。

    每个展厅、每个防火分区均设置不少于2个安全出口，展厅内任何一点至最近的疏散出口直线距离不超过30m。鉴于该工程的特殊性，如果每个展厅都设置不少于2个疏散楼梯，则整个建筑内部的疏散楼梯数量十分可观，且影响展厅的设计布局。针对这一情况，参照了美国UBC规范的有关规定，在每个防火分区除设一个安全出口通向室外或防烟楼梯间外，另外设置一个通向一条作为独立防火分区的避难走道的出口，通过这条避难走道将人员引向疏散楼梯间疏散到室外。

    作为疏散出口的避难走道隔墙均为耐火极限不低于3h的不燃烧体，展厅开向避难走道的门为乙级防火门，走道内不得设置其它分隔门并设机械防烟设施。

    展厅疏散出口和疏散走道的最小净宽均不小于1.4m，展厅入口、展厅之间所设防火卷帘旁设平开防火门，以利疏散。

    1．3．3  消防电梯  在A区的B、C、D、E、F简体内及C区的A、B筒体内各设一台消防电梯，载重量≥1 000kg／台，速度1.5 m／s～1.75 m／s，载员约15人。消防电梯平时均作为客梯使用，并与防烟楼梯合用前室(前室面积均在10m2以上)。各楼层均设置详细的安全疏散指示标志。

1. 4  消防给水和灭火设备

1．4．1  室内外消火栓系统  上海科技馆设置了室内和室外消火栓给水系统，室内外消火栓用水量均为30L／s。在消防电梯前室、展厅及走道等处设置单出口消火栓箱，局部为双出口消火栓箱，以保证有二支水枪的充实水柱同时到达室内任何部位，其间距不大于30m。消火栓箱均采用带自救水喉及手提灭火器的消火栓箱。在四层夹层设18t消防专用水箱并设置稳压装置。室外设地上式水泵结合器四组，地上式室外消火栓10个。

1．4．2  自动喷水灭火系统除藏品库、计算机房、发电机房、电气室等不宜采用自动喷水灭火系统的房间外，科技馆各类用房均采用自动喷水灭火系统。其中厨房及热带雨林区域采用93ºC喷头，其他均采用68º C喷头。由于本工程层高达10m，夹层亦有5m高，因此均采用快速反应喷头(屋架内采用标准喷头)。在中庭开口处及防火卷帘处均加密安装喷淋头。

1．4．3  其他自动灭火设施  发电机房、锅炉房采用水喷雾灭火系统；藏品库、计算机房采用气体灭火系统；球幕影院及部分藏品库房采用预作用喷水灭火系统。

1．5  火灾自动报警系统

    上海科技馆采取火灾自动报警系统全保护的设计方式，普遍采用离子感烟火灾自动报警系统，但对于馆内所设置的巨幕影院、球幕影院、中庭等部位，考虑到这些部位的净空高度较高，若选用点型探测器和红外光束探测器，烟气在上升时由于吸入周围的冷空气产生温降而不能经过探测区域，则系统不能进行有效的报警，其设置高度有一定的限制。因此，我们提出了设置吸入式的火灾探测系统。由于这一系统利用主动式的吸气装置持续诱导和传输探测区域的空气样本进行分析以判断火灾，对于设置在大空间等部位是一种较为可靠的探测系统。

2 上海科技馆消防设计引发的思考

2．1  关于防火分区设计的思考

    为了充分体现上海科技馆的宏伟壮观，并为参观者提供一个宽敞明亮、视野开阔的公共空间，美国RTKL设计公司的设计人员将科技馆A、B、C三个区域的共享空间连为一体，这就为中庭的防火分区设计带来了难题。我国《高层民用建筑设计防火规范》规定，商业营业厅、展览厅等当设有火灾自动报警系统和自动灭火系统，且采用不燃烧或难燃烧材料装修时，地上部分防火分区的允许最大建筑面积为4 000m2，而《建筑设计防火规范》所允许的最大防火分区面积也不过5 000m2，这对于上海科技馆8 000余平方米中庭的设计显然已不相适应。

    为了解决这一问题，笔者翻阅了NFPA和UBC规范的有关内容，并结合在美国考察大型商业建筑和展览馆建筑消防设计的情况，最终提出了中庭与其他区域之间进行防火分隔，中庭采用不燃化装修，严格控制中庭的使用功能，加强排烟设计的解决方案，使科技馆的设计既符合消防安全要求又不影响设计者的设计理念，二者得到了较为完美的统一。

    笔者认为规范对防火分区的划分应根据不同使用功能建筑的不同区域加以区别对待，可以根据建筑空间高度的不同、建筑内火灾荷载的不同、建筑内消防系统设计的不同对建筑的防火分区设计提出不同的要求。可以采用性能化的设计方法，通过对特定建筑的火灾模型分析来确定防火分区的设计。

2．2  关于安全疏散设计的思考

    由于科技馆内每层设有多个大型展厅，为满足安全出口数量的设计要求，展厅部分共设计了10座安全疏散楼梯间，但在疏散出口数量和疏散距离上局部仍有一定的缺陷。同时由于建筑的北部为三区连通的中庭设计，所以大部分疏散楼梯间均设在建筑的南侧。《高层民用建筑设计防火规范》要求楼梯间在首层应有直通室外的出口，如果科技馆的每一部疏散楼梯均在南侧立面开设出口，则会给建筑的外立面设计带来很大的影响。

    为此，经过多方研究和探讨，提出了增设避难走道的设计方案。在展厅之间增设避难走道连通安全疏散楼梯间以及室外空间，要求避难走道与展厅之间从结构上采取防火分隔措施，避难走道上不得开设通向其他部位(设备机房)的门，同时设置火灾自动报警系统、自动喷水灭火系统以及机械防烟系统，确保避难走道的安全。这样，既满足了安全疏散出口和疏散距离的设计要求，同时也为建筑师的外立面设计提供了更大的自由空间。

2．3  关于防烟分区设计的思考

上海科技馆展厅层高达到10m，展区顶部各种管道的布置错综复杂，且均为无吊顶的装修设计，《高层民用建筑设计防火规范》只对净高不超过6m的房间提出了防烟分区面积不宜超过500m2的要求，而对层高超过6m的大空间防烟分区没有明确具体要求，这给科技馆展区内的防烟分区设计带来较大的难度。

由于火灾产生的烟气上升后形成烟羽，如果防烟分区过大，则烟羽的边缘遇冷空气会迅速下降，不利于人员疏散；如果防烟分区过小，则储烟仓不足以容纳全部烟羽，会导致烟气向其他区域扩散，同样不利于人员的疏散。我们参照国外有关技术标准和相关试验的结果，以及香港会展中心等具体工程实例的做法，确定了每个防烟分区的面积为2000m2。同时，通过对火灾情况下满足人员疏散所需的清晰高度的计算，在防烟分区处设置距离地面高度不超过2.6m的挡烟垂壁，并根据以上参数计算出实际所需的机械排烟量或可开启窗的面积。

笔者认为对于防烟分区的设计不能简单的认为防烟分区的面积越小越有利于对烟气的控制，片面地认为排烟量只跟面积有关。而应该根据具体项目的情况设定火灾模型，确定储烟仓的大小，根据人员疏散必需的清晰高度和建筑空间的条件设定挡烟垂壁的高度，采用国际通用的计算公式计算出烟羽流的质量及体积。这种方法对排烟的设计具有实际效果和科学的理论依据。