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发布时间:2021-03-07 10:58:12

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作者:牟在根 隋军 张举兵

出版社:中国铁道出版社

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城市地下综合体建筑物结构防火设计研究

城市地下综合体建筑物结构防火设计研究试读:

前言

随着我国城市化进程的发展,大城市的用地日趋紧张,城市地下空间的开发和城市地下综合体的建设日益受到政府和研究机构的关注。与地面建筑不同,城市地下综合体是体量庞大的地下空间,其消防安全是建设者最为关心的关键技术问题之一。当前关于城市地下空间消防安全的理论研究仍处于发展阶段,计算流体动力学技术和性能化防火设计理论的发展为其注入了动力。

本书以城市地下综合体的火灾风险与防护问题为主要研究目标,内容涉及火灾中烟气和温度扩散过程的数值模拟、物理模拟,通风系统设计方案适用性研究,以及火灾荷载对风险的影响,并通过研究提出城市地下综合体建筑防火问题的概念设计原则和新的基于数值模拟和物理模拟的防火设计流程。本书中运用多学科综合理论,采取多元综合研究方法,从理论和试验两个层面研究和探索大型地下综合体建筑物的防火设计关键技术。此外结合广州拟建的麓湖地下空间项目火灾烟气扩散过程的模拟试验,对地下空间火灾现象的发展及影响进行了研究,以及对地下综合体建筑火灾风险的分析方法进行了研究。在物理模拟试验方面,首先以氯酸钾和蔗糖为氧化剂与还原剂,通过改变两种试剂的配比,并设计了引燃电路,成功研制了一种可用于地下空间火灾烟气扩散过程模拟的发烟装置。按照1∶75的比例,制作了麓湖地下空间的部分有机玻璃模型,对原型结构的停车场和商业区中厅发生火灾等5种工况的烟气扩散过程进行了试验研究,结果表明项目设计方案中所提出的通风排烟方案,不会对邻近分区造成较大影响,基本满足火灾条件下烟气控制的需求,使烟气控制在容许的范围内。

本书主要由北京科技大学的牟在根、张举兵,广州市市政工程设计研究院的隋军、宁平华以及北京金隅嘉业房地产开发有限公司的杨庆凯编著。在本书编写过程中,北京科技大学研究生马万航、周琦、冯雷等参与了编写工作,在此对他们表示诚挚的谢意。另外,本书在调研、编写以及相关论文的发表等过程中,还得到了国家自然科学基金研究项目(51578064)的大力支持,在此表示非常感谢。同时,本书参考和引用了很多已经公开发表的文献和资料,为此谨向相关作者表示真挚的感谢。

希望本书能对读者的学习和工作有所帮助。鉴于编者水平有限,书中难免有错误和不妥之处,敬请读者批评指正。

牟在根于2017年10月北京科技大学1概述1.1引言

随着社会经济的不断发展,我国城市规模越来越大,大中城市的市内交通拥堵、用地紧张、人文历史景观保护与城市发展矛盾十分突出。为了缓解地面交通系统的压力,近年来地下交通系统得到了迅猛的发展,越来越多的地下综合交通枢纽开始大量地开发建设和投入使用。同时各行各业对地下空间的开发需求也越来越大,要求越来越高,发展越来越快。集地下商业、停车场、仓储、城市下穿车行隧道、人行过街隧道、地铁车站、人防工程等综合性质的城市综合地下空间成为一些大城市中心区地下空间新的发展趋势,如图1-1所示。

图1-1 部分大城市地下空间开发利用范例

地下综合体是在近三四十年间发展起来的一种新的建筑类型,欧洲、北美和日本等发达国家的一些大城市,在新城镇的建设和旧城市的再开发过程中,都建设了不同规模的地下综合体,称为具有现代大城市象征意义的建筑类型之一。

欧洲国家,如德国、法国、英国的一些大城市,在战后的重建和改建中,发展高速道路系统和快速轨道交通系统,因此结合交通换乘枢纽的建设,发展了多种类型的地下综合体,特点是规模大、内容多,水平和垂直两个方向上的布置都比较复杂。美国城市由于高层建筑过分集中,城市空间环境恶化,因此在高层建筑最集中的地区,如纽约的曼哈顿区、费城的市场西区、芝加哥的中心区等,开发建筑物之间的地下空间,与高层建筑地下室连成一片,形成大面积的地下综合体。加拿大的冬季漫长,半年左右的积雪给地面交通带来困难,因此大量开发城市地下空间,建设地下综合体,用地下铁道和地下步行系统将综合体之间和综合体与地面上的重要建筑物连接起来。日本地下街始建于1930年,20世纪50年代起开始大发展,到1983年,每天全国约有1200万人进出地下街,因此日本地下街在城市生活中和在城市地下空间利用的领域中,都占有重要的位置,在国际上也享有较高的声誉。东京地铁的线路图如图1-2所示,东京地铁涉谷站的站内地图如图1-3所示。

图1-2 东京地铁线路图

近年来,我国有些大城市为了缓解城市发展中的矛盾,进行了建设城市地下综合体的尝试。据不完全统计,目前正在进行规划、设计、建造和已经建成使用的已近500个,规模从几千至几万平方米不等,主要分布在城市中心广场、站前广场和一些主要街道的交叉口,以在站前交通集散广场的较多,对改善城市交通和环境,补充商业网点的不足,都是有益的。

图1-3 东京地铁涉谷站站内地图

从近几十年来城市地下空间利用的大量实践可以看出,开发和利用地下空间对于缓解城市发展中的各种矛盾,起到了非常积极的作用,在改善城市交通、节省城市用地、提高环境质量、加强城市抗灾能力、方便居民生活、改善居住条件、保存城市传统风貌等方面的作用十分明显。但是城市在发展过程中,在不同的发展阶段,所出现的矛盾和问题是不一样的。例如,许多发达国家已基本完成了城市化进程,那里的一些大城市已经经历了高速发展阶段各种矛盾的困扰,由于采取了各种治理措施,在相当程度上得到了缓解,当前面临的是进一步现代化和建设未来城市的问题。另一方面,这样一个历程正在发展中国家的许多大城市中重复发生。这个现象说明一个问题,即尽管各个城市的发展阶段不同,但是起支配作用的城市发展规律是一致的。因此,展望城市地下空间利用的前景,应当着重预计在相当长时期以后,在建设所谓未来城市中,地下空间应起的作用;同时,应从为人类开拓新的生存空间的高度,认识开发城市地下空间的价值和意义。(1)当前,人们在研究未来城市地下空间开发利用的方向时,应当从未来城市的特点出发。这些特点可能表现在以下几个方面:

①城市人口和规模基本稳定,人口结构发生变化,平均寿命延长,老龄化趋势增强,人口的文化素养提高。

②经济、技术高度发达,产业结构发生变化,脑力劳动者比重增加,社会的信息化将使人由直接参加劳动逐步转变为对劳动过程进行调节和控制。

③高技术、信息化将使人的起居、出行、工作、购物、社会活动等的内容与方式发生相应的变化。

④土地、水、原材料等自然资源的消耗量与拥有量之间的矛盾将日益尖锐化。

⑤常规能源(煤、石油等)将日渐枯竭,必须开发新能源以满足生活水平提高对能源的大量需求。(2)根据以上特点,地下空间在未来城市中主要可在三个方面发挥应有的作用:

①在城市功能上,实现地上与地下空间的合理分工。

开发城市地下空间的总目的是在不过多扩大城市用地的情况下,使城市空间得到扩大,而扩大城市空间的最终目的,是使人们获得更多的开敞空间,更充足的阳光,更新鲜的空气,更方便的交通,更优美的景观和更舒适的生活。为此,应当使占人每天活动大部分时间的居住和工作留在地上自然环境中,而将其他各类活动,特别是短时间的活动,如出行、购物、文娱、体育、业务联系等移到地下空间中去。此外,只需少量人员加以管理的物流,如货物运输、邮件运输、垃圾运输,以及各种公用设施系统,就更应当到地下去。瑞典学者伯格·扬森提出,“让人留在地上,把物放到地下”(“Place things below the surface,and put man on the top”),也是类似的一种设想。

②建立城市基础设施的封闭式再循环系统。

尽管当代科学技术已相当发达,然而城市生活基本上处于一种开放式的自然循环系统中。例如,太阳能最多只是被动式利用,在阴天或夜间就无法利用;水资源主要是靠天上下雨,人们从自然界取水,使用后不加处理又排入自然界的江河湖海中;能源也多为一次性使用,热效率很低,大量余热、废热未经利用即排放空中。这样的自然循环对于自然资源来说是极大的浪费,必然形成一方面资源短缺而另一方面又在大量浪费的局面。这种现象在未来城市中应得到改变。日本学者尾岛俊雄提出了在城市地下空间中建立再循环系统的构想,就是变开放式的自然循环为封闭式的再循环系统。后者被称为城市的“集积回路”(integrated urban circuit)。例如,集中的供热、供冷系统对于空气的使用来说就是一个封闭循环;污水经过处理后重复使用对于水的使用就成为一个封闭系统(现称“中水道”系统);垃圾经过焚烧或气化后回收热能,也是一种封闭循环系统;将电力供应或某些生产过程中散发的余热回收,再重复用于发电或供热等,都是封闭式的再循环系统。将这些系统统一组织在一定深度的地下空间中,将会对缓和城市发展与资源不足的矛盾起到积极的作用。尾岛俊雄建议在东京地下50~100m深处建造一条直径为11m的共同沟干线,其中布置上述多种再循环系统,形成一个地上使用,地下输送、处理、回收的封闭式再循环总系统。如果尾岛俊雄的构想中再加上热能的贮存与交换系统,则将更为完善。

③建立能源的地下贮存和交换系统。

对于未来城市中的居民,不但将获得更多的开敞空间,更宽敞的住宅,而且要有更高的居住和工作的环境标准。除了气候适宜的季节外,室内应进行全面的空气调节。目前在一些发达国家,室内环境已经相当舒适,但为此要耗费大量能源,像美国、瑞典等国,建筑能耗在全部总能耗中,都占40%以上,如果进一步提高标准和普遍采用空调,则能耗还将大大增加。在常规能源日渐枯竭的情况下,只能努力去寻找既保证生活舒适又节省能源的新途径。从当前的努力方向看,主要有两个方面,一是提高一次能源的利用效率,二是开发新能源,尤其是可再生能源。图1-4是美国河岸电力公司的地下抽水蓄能电站的构想图。

图1-4 美国河岸电力公司的地下抽水蓄能电站构想图

即使像日本这样发达的国家,一次能源利用率也还不到50%,其他部分都在生产、运输或使用过程中散失或废弃。从技术上看,提高一次能源的利用效率,主要从改进设备和最大限度地回收废弃能源两个方面着手。前者不属于本书讨论范围,对于回收废弃能源,地下空间可以提供比较有利的条件。例如,回收余热、废热的主要措施是将热能交换成热水用于区域供热,以及将电厂在低峰负荷时多余的电能转化为热能(如热水)或机械能(如压缩空气)贮存起来,供高峰负荷时使用。这样大量的热能或机械能的贮存,只有在地下空间中才有可能实现。再如,由于城市废弃物(垃圾)中的含热量越来越高,回收城市垃圾中的有机物和污水处理后的污泥中的热能,已在一些发达国家大城市中初步实现,这样一种能源回收系统,布置在地下空间中要比在地面上有利得多。日本的筑波科学城就建立一整套垃圾管道运送和焚烧处理系统,输送管道就布置在地下公用设施的“共同沟”中。同时,日本已经做出每年回收和利用废热折合石油1200万~1500万t的规划。

在开发新能源方面,太阳能的潜力最大,可谓取之不尽,用之不竭,但目前太阳能利用受到集热器效率不高和热能贮存问题的障碍,还不可能大规模地进行开发。地下空间的热稳定性和封闭性,为大量贮存太阳能提供了可能性。具体来说,就是把用各种方法收集起来的太阳能,通过一定的介质(如水、空气、岩石等),进行热交换后贮存到地下空间中。在需要时,经管道系统输送到用户或再转化成其他能源。使用后的热能温度降低,经过循环系统再加热后重新注入地下空间贮存。由于不同温度的介质的密度不同,故高温和低温的介质可以分上下两层贮存在同一地下贮库中,循环使用。

综上所述,可以认为,地下空间在一些大城市和特大城市中已经得到广泛的利用,但是地下空间资源还远远没有被充分开发,因此城市地下空间的开发利用有着广阔的前景,不论在缓解城市发展中的矛盾方面,还是对城市未来的发展,都将起到十分重要的作用,具有高度的战略意义。同时,开发利用城市地下空间,必须与本国的具体情况和城市的不同发展阶段相适应,制订出既考虑长远需要又现实可行的全面规划。

地下空间的开发利用是一项复杂的系统工程,对设计和施工也提出了更高的要求。在设计阶段,由于地下空间处于地层中,在地下空间的设计上不仅要保证地下、地面和地上一体化的城市景观质量;同时要针对地下空间缺乏自然光、外向景观和封闭性等特点,在内部空间环境设计时应处理好地面、地下的易达性,使室内环境具有开发感、通透感、动态感和自然化等特点;在创造空间舒适和美感的同时应强调地下防灾的特殊设计。在地下结构设计上要考虑地下结构与围岩形成一个统一的受力体系的特点,强调使用现代支护结构理论和方法。同时,由于地铁线网规划的深化,地铁换乘车站增加,换乘更加方便、快捷,但车站在基坑深度、层数、车站换乘方式等方面更加复杂,对结构设计要求提高;地铁换乘车站建筑功能要求不断提升,要求增加结构跨度,减小车站内部结构构件数量及尺度以便于建筑相关布置等;地铁车站与其他交通体系换乘接驳的功能更为全面,导致结构形式更为复杂,结构构件受力采用传统平面计算模型计算已经不能满足要求。在施工阶段,地下建筑周围介质为岩石或土壤,因而给地下工程的施工提出了特殊的要求。因此,地下工程的施工经历了从手工开挖发展到盾构施工,并逐渐形成了以信息化为指导的地下施工新模式。城市环境保护及拆迁难度提高等,对地下空间的施工等方面限制更加苛刻,结构与既有建筑、管线等相互影响,制约地下建筑的设计施工。因此地下空间设计施工的方法不仅要满足地下工程本身的使用功能要求以及合理开发利用地上、地下有效空间,而且要考虑由于施工给周围环境带来的不良影响。1.2地下综合体的概念

由多种不同功能的建筑空间组合在一起的建筑,称为建筑综合体(building complex)。例如,在一幢高层建筑中,在不同的层面以及地下室中布置有商业、办公、娱乐、餐饮、居住、停车等内容,这些内容在功能上有些相互联系,有些却毫不相干。经过进一步的发展,不同城市功能也被综合布置在大型建筑物中,成为城市综合体(urban complex),当城市综合体随着城市的立体化再开发而伴生于城市地下空间中,则称为城市地下综合体(underground urban complex),简称地下综合体。当城市中若干个地下综合体通过地下铁道或地下步行系统联系在一起时,形成规模更庞大的综合体群(complex cluster)。

地下综合体的规模有大有小,其建设目的和功能却有所区别,有的以改善地面交通为主,有的以扩大城市地面空间,改善环境,或保护原有环境为主;也有的是为了适应当地气候的特点而将城市功能的一部分转入地下空间。但地下综合体也有其相似之处,它们一般都包括以下一些内容:(1)地下铁道(图1-5)、公路隧道,以及地面上的公共交通之间的换乘枢纽,由集散厅和各种车站组成。(2)地下过街人行横道(图1-6)、地下车站间的连接通道、地下建筑之间的连接通道、出入口的地面建筑、楼梯和自动扶梯等内部垂直交通设施等。(3)地下公共停车库(图1-7)。

图1-5 上海地铁人民广场站

图1-6 北京长安街人行过街地道(4)商业设施和饮食、休息等服务设施,文娱、体育、展览等设施,办公、银行、邮局等业务设施。(5)市政公用设施的主干管线。(6)为综合体本身使用的通风、空调、变配电、供水排水等设备用房和中央控制室,防灾中心、办公室、仓库、卫生间等辅助用房,以及备用的电源、水源、防护设施等。

图1-7 地下车库1.3地下综合体的分类和特点1.3.1 地下综合体分类

城市地下综合体是具有多种城市功能的大型地下建筑集合。目前人类的空间危机最突出的表现,就是城市中心区的环境恶化。城市地下综合体能在一定程度上将地面的空间引入到地下,缓解城市中心区的拥挤状况,创造出良好的城市景观。同时,随着人类生产力的发展,以城市地下综合体为节点的地下空间网络也将出现,成为地下城市的雏形,并进一步为地上地下协同发展的未来城市的形成和运营提供保障。

城市地下综合体的产生是随着地下街和地下交通枢纽的建设而逐步发展的,其初期阶段是以独立单一功能的地下空间公共建筑而出现的,如1930年日本的早期地下街,欧洲国家战后建造的快速轻轨及道路交通枢纽系统等。伴随着社会的高度发展,城市繁华地带拥挤!紧张的局面带来的矛盾日益突出,高层建筑密集,地面空间环境的恶化促进了地下空间向多功能集约化的方向发展,如纽约市曼哈顿、费城的市场西区、芝加哥市中心、多伦多市伊顿中心、蒙特利尔、日本的东京等都建设了大规模的地下综合体。

根据地下综合体的功能,可将其分为如下类型:

1.新建城镇的地下综合体

在新建城镇或大型居住区的公共活动中心,与地面公共建筑相配合,将一部分交通、商业等功能放到地下综合体中,可节省土地,使中心区步行化并克服不良气候的影响。这种地下综合体布置紧凑,使用方便,地面和地下空间融为一体,很受居民的欢迎。

2.与高层建筑群结合的地下综合体

附建在高层建筑地下室中的综合体,其内容和功能多与该高层建筑的性质和功能有关,可视为地面建筑功能向地下空间的延伸。例如纽约的曼哈顿区、芝加哥市中心区、多伦多市中心区等,地面空间多被占用,街道阴暗狭窄,行人与车辆混杂现象比较严重;为改善这种状况,常常将高层建筑地下室与街道或广场的地下空间同步开发,使之连成一片,形成一个大面积的地下综合体,把建筑空间、地面开敞空间和地下空间有机地融为一个整体,对改变城市面貌起了较好的作用。

3.城市广场和街道下的地下综合体

在城市的中心广场、文化休息广场、购物中心广场和交通集散广场,以及交通和商业高度集中的街道和街道交叉口,都适合于建设地下综合体。首先,在这些地点,各种城市矛盾,特别是交通矛盾较为突出,因而也是城市再开发的主要位置;其次,广场和街道的地下空间比较容易开发,尤其是广场,建筑物和地下管线的拆迁问题和对地面交通的影响都较小。1.3.2 地下空间结构设计特点

城市地下空间建筑选用结构类型应从建筑功能、地质情况、环境条件、建筑材料、施工方法等因素以及结合地下建筑的特殊性进行综合考虑。一般工程中可采用耐久性好、施工可塑性强的现浇钢筋混凝土结构;大空间的洞穴中可使用钢结构;对于地质条件较好的浅埋小跨度结构(如粮仓、隧道等)则可选用砌体结构。

在结构体系方面,地下建筑最常用的类型为框架结构、外墙内框结构、板墙结构、板柱结构、排架结构、拱壳结构。框架结构多用于高层建筑地下室、水电厂厂房、地下车站等;外墙内框结构、板墙结构,多用于有地下连续墙的工程;板柱结构是人防工程地下车库常用的结构体系;排架结构多用于洞穴中的单层厂房,不承受土压力;拱壳结构多用作结构的顶盖,主要承受土压力。结构体系的选型应在满足使用要求的前提下做到安全、经济、施工方便。

与地面土木工程结构相比,城市地下空间结构在以下几个方面存在着结构设计与计算上的特殊性:(1)工程受力特点不同。地面工程先有结构,后有荷载;地下结构先有荷载,后有结构。(2)工程材料特性的不确定性。地面工程材料多为人工材料:如钢筋混凝土、钢材、砖等。这些材料虽然在力学与变形性质等方面也存在变异性,但是,与岩土体材料相比,不仅变异性要小得多,而且人们可以加以控制和改变。地下工程材料所涉及的材料,除了支护材料性质可控制外,其工程围岩均属于难以预测和控制的地质体。地质体是经历了漫长的地质构造运动的产物,它不仅包含了大量的断层、节理、夹层等不连续介质,而且还存在着较大程度的不确定性,其不确定性主要体现在空间分布和随着时间的变化上。(3)工程荷载的不确定性。对于地面结构,所受到的荷载比较明显,虽然某些荷载也存在随机性,但其荷载值和变异性与地下工程比相对较小。对于地下工程,工程围岩的地质体不仅会对支护结构产生荷载,同时它又是一种承载体。因此,不仅作用到支护结构上的荷载难以估计,而且此荷载又随着支护类型、支护时间与施工工艺的变化而变化。(4)破坏模式的不确定性。工程的数值分析与计算的主要目的在于为工程设计提供评估结构破坏或失稳的安全指标。这种指标的计算是建立在结构的破坏模式基础之上的。对于地面结构,其破坏模式一般比较容易确定,在结构力学和土力学中已经了解。例如强度破坏、变形破坏、扭转失稳破坏等。对于地下结构,其破坏模式一般难以确定,它不仅取决于岩土体结构、地应力环境、地下水条件,而且还与支护类型、支护时间与施工工艺密切相关。(5)地下工程信息的不完备性。地质力学与变形特性的描述或定量评价取决于所获得信息的数量和质量。然而,对于地下工程只能在局部的有限的工作面或露头获取。因此,所获取的信息是有限的、不充分的,还可能存在错误资料或信息。

1.地下空间的结构设计的特殊考虑(1)地下空间是用结构作支承替代原本由地层承受的荷载,替代过程中未被开挖的附近地层必然产生变形,设计和施工不可能阻止这种变形的发生,但应把变形控制在允许范围内,即控制在发挥地层自承载能力的变形范围内,以减少工程造价。(2)地下空间的维护结构是在受荷载状态下施工的,设计时要考虑地层荷载的作用,地层荷载作用力随着施工进程在变化,设计中要考虑到最不利的情况。(3)地下空间结构上的地层荷载由工程的地质情况确定,对于土体一般可按松散连续体来计算;如是岩石,不仅要考虑岩石的种类,而且要查清岩体的构造、节理、裂隙等,才能使结构上的地层荷载准确可靠。(4)地下水的状态对地下空间的结构设计施工影响较大,在设计前必须弄清楚地下水层的分布和变化情况,以及地下水的静、动水压力,地下水的流向和水质对结构的腐蚀影响等。(5)地下空间的结构计算不仅要计算建筑物使用后的结构受力情况,还要计算结构在施工过程中尚未形成整体结构时的受力情况,所以地下建筑结构的设计是一个从施工到使用全过程的结构设计。设计中要注意利用地层的自稳定特性,注意利用施工辅助结构变成为最终结构的一部分,以节省造价。(6)在设计阶段地质资料只是由许多勘测点延伸推算的概略状况,有可能与实际施工位置的不一样,实际的地质条件只有在施工过程中才能了解到,因此,地下空间结构应根据施工时的实际情况,随时修改设计。

2.地下空间设计的发展趋势(1)采用空间计算模型

随着计算机硬件及结构计算软件的发展,计算机运算速度加快,各类软件建立空间模型的前后处理更加便利,计算的成本、计算需要的时间大幅度下降,结构材料模型的不断优化,空间计算已经不存在大的问题;采用空间计算模型,针对不同类型的车站,在正确选取材料模型、计算参数的前提下,通过计算得到更加接近真实情况的结果,可以用于指导设计。对一般标准车站完全可以采用空间模型计算,而对解决换乘车站、复杂车站结构受力计算分析,其难度已经不大,只是在建模时间、结果处理分析时间等方面略长。

采用空间计算模型,能够在结构内力、应力图中找到结构可能存在的应力集中位置,在设计中针对性地采取加强措施;在保证安全的前提下,可以有效减少结构受力配筋、增加构造钢筋(如纵向钢筋),提高应对温度应力、地基变形等方面的能力。例如,在深圳地铁某十字换乘车站设计前,进行了空间模型计算,并与标准车站断面计算配筋对比发现:

空间计算模型受力状况的正确与否,需要进一步结合实际工程,进行必要的钢筋应力等监测等,逐步收集相关施工监测资料,并对空间计算模型进行反馈,做到理论结合实际,不断优化空间计算模型(图1-8)。(2)采用型钢混凝土纵梁及型钢混凝土柱(或钢管混凝土柱)

采用型钢混凝土纵梁及型钢混凝土柱(或钢管混凝土柱),一方面可以有效提高梁、柱承载力,减少梁高度,可以减少地下车站基坑深度,减少工程造价;可以减少柱截面尺寸,加大结构柱间距,真正实现大跨度,增加地下可利用空间。另一方面,因车站的中柱及纵梁属于车站结构抗震时最薄弱环节,采用型钢混凝土纵梁及型钢混凝土柱(或钢管混凝土柱),对地铁车站的抗震有利。

图1-8 地铁开挖空间计算模型

在高层房屋结构设计中,型钢混凝土梁、柱结构体系已经被广泛采用。但已建的地铁车站中采用仍较少。已建地铁车站中也有采用型钢混凝土纵梁及型钢混凝土柱(或钢管混凝土柱),但仅在少量暗挖车站、盖挖逆做法施工的车站中采用,主要原因也是因车站施工条件、施工方法等限制而不得不采取的形式。

理论计算表明,相对一般的钢筋混凝土梁柱结构,采用型钢混凝土纵梁及型钢混凝土柱(图1-9)或钢管混凝土柱,结构有较好的延性,能够有效吸收地震能量,对地铁车站结构的抗震有利。我国地面建筑中地震的经验及在日本神户地震的经验也证明,采用型钢混凝土纵梁及型钢混凝土柱(或钢管混凝土柱)结构的抗震性能较好,也便于修复,可以尽快恢复地铁的正常运营。(3)采用拱形结构

一般地铁车站,常沿道路方向设置在城市主要干道下,往往需要覆土满足城市道路交通、管线等相关要求。如车站因线路要求或其他原因需要顶板的覆土厚度较大时,可在车站的结构形式上充分借鉴暗挖矿山法,在顶板、底板采用拱形结构(图1-10、图1-11)。如仍采用普通平板结构,因覆土厚度问题,结构板支座、跨中及柱的内力大,相应引起结构梁、板、柱尺寸较大,安全性差,且工程造价高,不经济。采用拱形结构,可以减少顶板中部位置覆土厚度,对柱受力较为有利,同时充分利用板墙等混凝土结构的抗压性能,减小板墙结构的弯矩及剪力,使结构受力更为合理,可以减少结构板墙厚度,节省工程造价。设计中,也可以充分利用拱形结构上部空间作为环控通风等管线的通路,有效降低车站层高,减少车站基坑深度。采用拱形结构,也可以在一定程度上加大结构跨度,充分利用地下空间。拱形结构施工,对施工管理的要求比一般车站的施工相应提高,尤其是在顶底板支模、钢筋绑扎、混凝土浇筑等工序上需要采用严格的工艺控制,才能保证结构施工质量,满足地铁长期使用要求。

图1-9 型钢混凝土柱

图1-10 莫斯科地铁车站大厅

图1-11 拱形地下引水隧道(4)采用预应力混凝土结构

预应力混凝土结构充分利用混凝土的抗压性能,可以减少混凝土的用量,减轻结构自重。地面建筑、桥梁结构因大跨度等方面的要求,采用预应力结构越来越多。按照规范要求,地铁结构需要有100年的设计使用年限。在目前条件下,对预应力材料、预应力结构能否达到100年的设计年限,缺乏广泛的实际数据支持。只能通过试验等方法逐步摸索,另外,地下水对预应力结构的使用年限的影响等问题,相关的研究尚不多。地铁工程很少见到预应力结构的工程记录,仅在对苏联地铁的介绍中提到,在部分车站采用预制构件,但构件接头位置的防水问题也是这种结构形式的弱点。地铁车站结构因建筑布置等方面的要求,需要尽量减少中立柱数量,加大结构跨度,相应地铁车站的顶板、顶纵梁及底板、底纵梁等截面尺寸大,重量大。如能采用预应力结构,对于结构受力、增加结构跨度等方面均有利,有条件位置可以适当采用。1.3.3 地下综合体建筑设计特点

国外已经出现了多个大型城市地下综合体相连接形成地下城的实例,如加拿大蒙特利尔地下城等。但就我国目前地下空间利用的实际情况来看,目前还处于起步发展阶段,规模不大。目前,我国城市地下综合体的发展重点为:将城市地下商业与城市地下交通系统或城市高层建筑地下室相结合,并组织与其配套的餐饮、娱乐等功能。因此,以下关于城市地下综合体建筑设计特点的阐述将主要针对以上提到的这种表现形式,这也是我国目前将要重点开发建设的模式。地下建筑与地上建筑具有明显的区别,根据地下综合体的特点,其建筑设计通常具有以下特征:

1.地下综合体的建筑设计特点(1)没有外立面设计,一切从内部功能结构出发;(2)内部空间设计要兼顾到消除人们的地下不安情绪;(3)通过对人行车行流线的合理设计,建立地下空间中良好的方向感;(4)要处理好地下综合体与地下交通系统和地上街道及地上交通系统的联系。

2.地下综合体的建筑技术特点

地下综合体在技术上的特点,其实也是技术上的重点与难点问题,可用四个字来概括:(1)水:即施工时地下水的处理问题,以及使用期的排水问题。地下建筑物与地面建筑物相比,渗漏水的可能性更大,如果地下建筑物有一部分在地下水位以下,防水的问题就更为突出。(2)火:地下建筑物与地面建筑物相比不易受到火灾的危害,因大多数地下建筑物都是用混凝土建造在土中或岩石中,结构材料具有防火性能,能够防止火灾向其他建筑物蔓延,也可防止外部火灾的波及。但是,一旦发生火灾,由于其疏散口数目及口部大小受地下环境制约,救援和紧急安全疏散则不及地面建筑物方便,因此地下建筑物的防火措施需要比地面建筑物考虑得更周全。(3)风:地下建筑物自然通风条件差,必须有强大的机械通风保证。(4)光:由于建筑物的一部分或全部都在地下,地下建筑物自然光采光条件差,也缺乏室外景观,这都使设计受到限制。目前,几何光学的引导系统和光导纤维的引光系统正在被研究应用。1.4国内外城市地下空间的发展状况

21世纪是人类地下空间开发利用的世纪。地下空间的开发,对于解决城市用地紧张、交通拥堵、改善城市环境、保护城市景观、减少土地资源的浪费等方面都有着不可替代的作用。

在交通方面,地铁、各种地下通道及至地下停车场能有效地缓解城市交通紧张状况,分流地面的“人龙”;同时,地下交通线路相对短,可迅速到达目的地,安全可靠方便,减少交通事故。

在环保方面,地下无自然噪声,综合开发地面地下,有利于减少城市污染,避免生产生活相互干扰。同时,将更多的公共设施引入地下,腾出更多的空间美化环境,保持生态平衡。人们还可以在腾出的地面上开辟更多的休闲广场、绿地,尽情地享受阳光与新鲜的空气。

国内外城市的发展经验表明,一个城市或地区的人均GDP超过3000美元时,即具备大规模有序开发利用城下空间资源的经济基础。城市综合地下空间的开发是社会经济发展和区域发展的必然要求。

在国外,近代地下空间的开发比较早,功能从原来的单一性到目前的综合性,商业、轨道交通、公共交通、出租车、小汽车等多种功能得到合理整合和安排,地下、地上空间利用已融为一体,成为城市发展不可缺少的一部分。目前,日本、德国、美国等国家地下空间利用水平比较高。

在美国的波士顿,原先的高架路已经“搬到”了地下,通过修建地下道路,缓解交通拥堵,降低城市12%的一氧化碳排放量,增加城市绿地和开敞空间建设,已使城市在许多方面受益。

同样位于北美洲的加拿大建成了发达的地下步行道系统。加拿大的多伦多和蒙特利尔,也有很发达的地下步行道系统,其中蒙特利尔的地下城(RÉSO)是世界上最大的地下城系统。以其庞大的规模、方便的交通、综合的服务设施和优美的环境享有盛名,保证了那里在漫长的严冬气候下各种商业、文化及其他事务交流活动的进行。蒙特利尔地下城(图1-12)目前拥有总共32km长的地下隧道,地下城的总覆盖面积已达到12km 2 。与其连接的设施包括地铁,大大小小的购物中心,公寓,旅馆,银行,体育馆,办公大厦,大学,博物馆,七个地铁站和两个市内轻轨列车站和长途汽车站。地下城一共有120个地上出入口,与这些100多个出入口连接着的包括蒙特利尔市中心80%的办公面积和35%的商业面积。在冬天大概每天有50万人使用地下城的各种设施。因为地下城,蒙特利尔有时被人们称作为双层城市(double-decker city)和城市二合一(two cities in one)。

多伦多地下步行道系统在20世纪70年代已有4个街区宽、9个街区长,在地下连接了20座停车库、许多旅馆、电影院、购物中心和1000家左右各类商店;此外,还连接着市政厅、联邦火车站、证券交易所、5个地铁车站和30座高层建筑的地下室。这个系统中布置了几处花园和喷泉,共有100多个地面出入口。加拿大政府的地下步行体系说明,在大城市的中心区建设地下步行道系统,可以改善交通、节省用地、改善环境、保证恶劣气候下城市的繁荣,同时也为城市防灾提供了条件、其经验是要有完善的规划、先进的设计,其中重要的问题是安全和防灾,系统越大,问题越突出。通道应有足够数量的出入口和足够的宽度,避免转折过多,并应设明显的导向标志。

图1-12 加拿大蒙特利尔地下城

在日本的东京,依托四通八达的地下铁路,把地铁沿线的物业全部连接起来。在欧洲,由于多数地区地下空间开发利用较早,是地下空间开发利用的先进地区,例如瑞典和法国。瑞典的大型地下排水系统、大型地下污水处理厂、地下垃圾回收系统等在数量和利用率方面均处于国际领先地位。巴黎的地下建设了83座地下车库,可容纳43000多辆车,弗约大街建设有欧洲最大的地下车库,地下四层,可停放3000辆车。

我国城市地下空间利用发展不平衡,台湾、香港、北京、上海、杭州、广州、深圳等大城市发展较其他城市好,但由于我国起步晚,与发达国家还有较大差距。在20世纪60~70年代,我国有计划大规模地建设了一批以人防为主的地下工程,随着国际关系趋向缓和我国综合国力的提升,我国逐渐把地下空间利用的出发点从防空工程转移到国防与经济建设综合考虑上,基本形成了“平战结合,为民造福”的地下空间利用指导原则。1.5地下综合体火灾危险性及防控分析1.5.1 火灾发生的条件与分类

众所周知,火在人类文明的历史进程中所起的作用是不可估量的。然而,它给人类造福的同时,也给人类带来了灾害。人类在利用火的同时,也在不停地与火灾进行斗争。可以说,人类的历史有多久,人类与火灾进行斗争的历史就有多久。弄清火灾发生的条件,对于预防火灾、控制火灾和扑救火灾有着十分重要的意义。

火灾是火失去控制而蔓延的一种灾害性燃烧现象,通常包括森林、建筑、油类等火灾及可燃气体和粉尘爆炸。

1.火灾发生的条件

火灾发生的条件包括可燃物、氧化剂和点火源。(1)可燃物

一般说来,凡是能在空气、氧气或其他氧化剂中发生燃烧反应的物质都称为可燃物。可燃物按其组成可分为无机可燃物和有机可燃物两大类。从数量上讲,绝大部分可燃物为有机物,只有少部分为无机物。(2)氧化剂

凡是能和可燃物发生反应并引起燃烧的物质,称为氧化剂。氧化剂的种类很多,氧气是一种最常见的氧化剂,它存在于空气中。因此,一般可燃物质在空气中均能燃烧。(3)点火源

点火源是指具有一定能量、能够引起可燃物质燃烧的能源,有时也称为着火源。点火源的种类很多,如明火、电火花、冲击与摩擦火花、高温表面等。

可燃物、氧化剂和点火源,通常称为发生火灾的三要素,缺一不可。

2.火灾的分类

根据火灾发生的场合,火灾主要分为建筑火灾、森林火灾、工矿火灾、交通运输工具火灾等类型。其中,建筑火灾对人类的危害最直接、最严重,这是由于各种类型的建筑物是人们生活和生产活动的主要场所。高层建筑中,楼层多、功能复杂、人员密集、装饰可燃材料多、电气设备与配电线路密集,高层建筑火灾具有以下特点:

①火灾隐患多,危险性大(烟头、线路事故)。

②由于风力作用,火势发展极为迅速。

③由于竖井管道“烟囱效应”,烟气运动速度快(1min烟气传播200m),烟气是火势蔓延和人员伤亡的重要原因。

④人员疏散、营救及灭火难度大。

⑤人员伤亡惨重。(1)根据《火灾分类》(GB/T 4968-2008),按照物质的燃烧特性,把火灾分为以下六类:

A类:固体物质火灾。这类物质通常具有有机物性质,一般在燃烧时产生灼热的余烬。如木材、棉、麻、毛、纸张等火灾。

B类:液体成可熔化的固体物质火灾。如汽油、煤油、柴油、原油、甲醇、乙醇、沥青、石蜡等火灾。

C类:气体火灾。如煤气、天然气、甲烷、乙烷、丙烷、氢气等火灾。

D类:金属火灾。如钾、钠、镁、钛、锆、锂、铝镁合金等火灾。

E类火灾:带电火灾。物体带电燃烧的火灾。

F类火灾:烹饪器具内的烹饪物(如动植物油脂火灾)。(2)根据火灾损失严重程度,火灾分为特大火灾、重大火灾和一般火灾。

特大火灾是死亡10人以上(含10人),重伤20人以上;死亡、重伤20人以上;受灾50户以上;烧毁物质损失100万元以上。

重大火灾是死亡3人以上(含3人),重伤10人以上;死亡、重伤10人以上;受灾30户以上,烧损物质损失30万元以上。

一般火灾是不具备重大火灾的任一指标。1.5.2 地下综合体火灾危险性

1.火灾的危害

火灾是各种灾害中发生最频繁且极具毁灭性的灾害之一,按各种灾害损失综合估算,火灾造成的直接经济损失约为地震带来损失的5倍,仅次于干旱和洪涝所造成的损失,而发生的频率则居各种灾害之首。同时,火灾还具有“自然”和“人为”的双重性。

火灾对国民经济和生态环境的危害是严重的,根据世界火灾统计中心的结果,许多发达国家每年火灾直接经济损失占国民经济总产值的0.2%左右。表1-1是1998年~2002年世界一些国家和城市的火灾情况。

表1-1 1998年~2002年世界一些国家和城市的火灾情况

图1-13~图1-16是我国在1993年~2004年中火灾情况。仅2002年,全国就发生火灾258315次,造成死亡2393人,伤残3414人,直接财产损失15亿元。

图1-13 我国1993年~2004年火灾次数

图1-14 我国1993年~2004年火灾直接经济损失

图1-15 我国1993年~2004年火灾死亡人数

图1-16 我国1993年~2004年火灾发生率

中国是发展中国家,处于经济上升期,城市化程度不断提高。我国城市化进程对火灾的影响见表1-2。从1990年~2000年,我国城市数量上升83.7%,城镇总人口上升53.3%。与此同时,城市火灾起数上升82%,死伤人数分别上升59%和13%,直接损失上升58%。由于城市具有生产集中、人口集中、建筑集中和财富集中等特点,同时伴随有可燃物、易燃物品多,火灾危险源多等现象,这就导致了城市火灾损失呈上升趋势,城市火灾损失大部分是由建筑火灾造成的。

表1-2 我国城市化进程对火灾的影响(1990年~2000年)

2.地下综合体建筑火灾的危害

如前所述,地下综合体由于出入口数量受限,救援和紧急安全疏散不便,一旦发生火灾,容易造成较大损失。

根据我国的火灾统计,从1997年~1999年,我国每年地下建筑火灾发生次数约为高层建筑的3~4倍,火灾中死亡人数约为高层建筑的5~6倍,造成的直接经济损失约为高层建筑的1~3倍。进入21世纪,地下建筑火灾略有减少,但火灾死亡人数仍数以百计,见表1-3和表1-4。

表1-3 1997年~1999年高层建筑与地下建筑火灾数据统计

表1-4 2000年~2002年高层建筑与地下建筑火灾数据统计

自1990年起,由720名日本专家组成的课题组进行了为期3年的系统调研,收集了发生于1970年~1990年期间地下空间内的各种灾害,分别列出日本国内案例626个和国外案例809个,并进行归类。按照事故发生次数排列出的各种灾害顺序表明,无论是日本还是其他国家,火灾案例约占事故总数的1/3,所以地下建筑火灾是最不容忽视的地下空间灾害。

在各类地下综合体中,以地下商场为主的地下空间结构发生火灾的次数是最多的,造成的人员伤亡和经济损失也是最大的,一些早期的统计结果见表1-5。

表1-5 1998年~2000年不同用途地下建筑火灾数据统计

由表1-5可见,在地下公共场所中地下商场是发生火灾次数最多,造成人员伤亡、经济损失最严重的场所,其消防安全工作甚为重要。例如,1980年3月16日,日本静冈市火车站前地下商场发生火灾,燃烧了6h,死亡12人,伤200余人,经济损失巨大。又如我国江西省南昌市福山地下贸易中心共有3层,总建筑面积7827.5m 2 ,第1层既是人行过道又是商场,第2层开设旅舍、饭店等,第3层为青年宫娱乐场。1988年9月15日0时40分,该贸易中心因柜台内的可燃物引起特大火灾,大火延烧了17个多小时才被扑灭,造成地下商业街中心线长约260m,宽6m,共1560m 2 面积的环形主干道及68户店面被烧毁,直接经济损失达148.7万余元。

随着我国地下商场的广泛利用和不断兴建,各地消防部门通过了解地下综合体的分类、分布、建筑特点、通风形式、消防设施等基本情况,对城市地下综合体进行了较为广泛的调查研究,发现普遍存在严重的火灾隐患,同时调研结果也反映出大型地下商场火灾疏散扑救难度极大,具体表现为:(1)建筑空间超大,格局复杂

为吸引客流、便利商品流通,大型地下商场多位于繁华街道、广场、十字街等处,其建筑空间超大,内部格局复杂,特别是环形地下商城,经常使购物、娱乐人员摸不清方向。利用社区人防工程开办的地下商场,原有结构并非为商业设计,走道狭窄,开间小,转过一弯又一弯,拐过一厅又一厅;通道和出口一般都是单向、尽端型,而且走道上还摆放货物,对疏散十分不利。(2)商品火灾荷载密度高

一些大型地下综合体以经营服装、鞋帽、化妆品为主,大部分商品是化纤、皮革、橡胶等可燃、有毒物品,其燃烧速度快、发烟量大、燃烧产生烟气毒性大。一些商品属于易燃易爆危险物品,如摩丝、发胶、杀虫剂及各种清新剂等,火灾危险性非常大。大型地下商场商品以批发为主,经营往往是“前柜后库”,甚至“以店代库”。为了招徕顾客,商铺将一部分商品悬挂起来,一旦失火,火焰传播快,极易形成立体燃烧。有些商场还在某些不该设置柜台的地方增设柜台或设临时促销货架,挤占通道或出口,严重影响安全疏散。

据统计,大型地下商场火灾荷载密度一般达到25~100kg/m 2 ,如此高的火灾荷载密度,在得不到充足的空气情况下,燃烧时间将会持续6~18h,是地面同样荷载燃烧时间的3倍,增加了疏散和扑救的难度。(3)用电负荷大

由于大型地下综合体不能自然采光,因此除事故照明外,所需正常照明设备较多。例如,广州康王商业城负一层面积为22898m 2 ,仅照明灯约8000盏。同时商场还大量使用照明设施来烘托气氛,如吊顶埋入了满天星式桶灯、射灯,橱窗、柜台、展示板等部位安装霓虹灯等。经营家电和照明的部门,为了测试的需要,设有临时电源插座。此外,为了方便顾客,商场内附设的服装加工、电器修理部门等要使用电熨斗、电烙铁等加热器具。这些电气设施在地下商场内形成了一个从上到下的立体网络。因此大型地下综合体中电气设备品种数量之多和线路复杂的程度,都是其他公共建筑难以比拟的。另外地下建筑内部潮湿,易加速各种电器设备绝缘老化。安装在商场顶、柱、墙上的照明、装饰灯,大多是采用带状方式或分组安装的荧光灯具,其镇流器易发热起火。通风不良又会造成柜台内各种射灯等局部烘烤的热量难以散发,极易烤燃商品。此外,多数大型地下商场为保证通风、采光系统的正常工作,都自备有一定数量的油料,在具有大量可燃物的场所大量用电,是公认的致灾因素。(4)人员疏散困难

大型地上商场已成为公共场所中人员密度最高、流量最大的场所。一些城市的大型商场每天接待的顾客人数高达20余万人。据报道,广州天河城百货商场节假日期间每天顾客超过百万人。

大型地下商场同样具有人员集中,流动性大的特点。据调查,长春市互相连通的几大商贸中心双休日时日客流量可达20万~25万人次。经对总面积为98412m 2 的哈尔滨市南岗地下商贸城人员流动量的测算,在人员流量高峰时,同一时间约有4万余人滞留其中。根据南方地区几个市级商店星期日高峰时间的测定,底层营业厅高峰时顾客密度为2.45人/m 2 ,平均密度为1.76人/m 2 ,远远超过《人民防空工程设计防火规范》(GB 50098—2009)的有关规定,即地下一层人员密度指标为0.85人/m 2 、地下二层人员密度指标为0.80人/m 2 。因此,地下商场当初的设计疏散能力已经不能满足现实的疏散要求。此外,商场顾客具有盲目性、方向性差,体质素质参差不齐,缺少消防安全意识和自我保护能力的特点,危急情况下会急于逃生,互相拥挤,堵塞疏散通道,给救援和灭火工作造成极大障碍。(5)安全出口数量及宽度不足,导向标志不易发现《人民防空工程设计防火规范》(GB 50098)、《建筑设计防火规范》(GB 50016)以及《高层民用建筑设计防火规范》(GB 50045)等都有类似规定,即“每个防火分区安全出口的数量不应少于两个,并且有一个直通地上的安全出口”,“安全出口门、楼梯和疏散走道的宽度应按其通过人数每100人不小于1米净宽计算;每樘门的疏散人数不应超过250人”。但从目前实际情况看,大多数地下商场的安全出口设置达不到这一标准。例如哈尔滨市某地下商贸城,设有94个防火分区,应有安全出入口最低标准为188个,而现今仅有69个,按标准缺少63%。在人员流动高峰时,每个安全出入口需承担580人的疏散任务,超出标准2.3倍。

大型地下商场内设置的安全导向标志,目前多数都设在顶棚。由于货架、悬挂物的遮挡,正常情况下购物人员不会注意这些标志,一旦发生火灾,无法快速疏散。(6)装修考究,隐蔽工程多

由于大型地下商场空调、防排烟、火灾自动报警及自动灭火设施管线繁多,错综复杂,商场往往进行大面积装修。为营造浓厚商业气氛,商家力求装修的多样化和高标准。但由于市场上可供选择的非燃烧材料较少,商场内部分装修材料未达到全部非燃化,甚至大量使用了一些高分子可燃材料,导致发生火灾后发烟量大,燃烧速度快。1983年8月19日某市地下会场发生火灾,发现起火后仅10min,540m 2 的钙塑板吊顶已全部烧毁,从洞口涌出的烟刺激性气味大,严重威胁人员的生命安全。消防队接到报警3min后赶到现场时,已无法进内扑救。商场吊顶内情况复杂,隐蔽工程现象十分突出,而且电气线路或管道隔热材料等起火后不易被发现,容易出现火灾沿装修表面蔓延、迅速扩大从而无法控制的现象。(7)消防设施不够完备,安全管理不到位“平战结合”的人防工事,在构建时几乎没有考虑内部消防设施,尽管投入使用后经过改造,但其消防水源、消防应急照亮装置等仍然满足不了防火安全要求。即使是新建的地下商场要完全按照《建筑设计防火规范》(GB 50016)设置安全出口,配置消防设施也存在很大困难,而且两者在消防安全管理方面存在很大的不足之处。

①企业领导和从业人员对消防安全的重视不够,导致商品侵占消防通道、违章用电等现象普遍存在。

②建筑消防设施是设置在建筑物内部,用于及时发现、确认火灾及扑救火灾的设施,对保障建筑的消防安全发挥着重要的作用。然而,许多商场忽视了日常的维护管理,致使消防设施出现各种问题,不能发挥其应有的作用。

③部分商场不能按照《人民防空工程设计防火规范》(GB 50098)及《建筑设计防火规范》(GB 50016)对不合格的部位进行改造,致使火灾隐患迟迟得不到整改。

④从业人员流动性大,部分人员未经过消防安全培训,消防安全观念淡薄,防灭火常识匮乏。

⑤部分商场未能制定出一整套切实可行的人员疏散预案。1.5.3 地下综合体火灾防控分析

如前所述,地下综合体建筑的火灾防控必要性十分突出,目前国内外各有关研究机构均开展了一些针对性研究,以下一些问题上仍值得探讨:

1.传统防火设计中火灾分区的合理设置《建筑设计防火规范》要求:地下商场每个防火分区的建筑面积不能超过2000m 2 ;每个防火分区必须有一个直通室外的安全出口;总建筑面积超过2万m 2 ,必须设置防火墙。但是,对于建筑面积为几万平方米甚至更大的大型地下商场,即便按照2000m设置一个分区,仍需设置数十个防火分区、数十个直通室外的楼梯间,这就造成地下商场的地上部分楼梯间林立,不能有效利用空间且不美观,大量直通地面的楼梯间更加影响了地下商场的内部布置;而且用防火墙分隔的2万m 2 面积通常还不能满足大型地下综合体的功能需要。因此大型地下商场完全按照规范进行防火设计存在一定困难。目前,对这类超大面积的地下商场都可以利用性能化分析与设计的手段,研究寻找建筑物的合理防火设计方案,使得建筑物经过防火设计改造后,达到保证人员、财产安全的目的。

2.性能化防火设计方法研究

传统防火设计规范又称为“处方式”防火设计规范。规范以条文的形式规定出各类建筑的防火分区、安全疏散、消防给水、防排烟及报警系统等设计参数和技术指标。设计人员根据所设计的建筑物形式,结合个人的实践经验“对方抓药”制定出设计方案。一般情况下,设计者只要按照规范规定进行设计,就认为该建筑的防火安全是符合要求的。

但事实上,每座建筑的用途、结构、内部可燃物的数量和分布,以及内部人员构成都不一样,因此设计时强行采用原则上统一的参数指标,所获得的设计方案并不一定是最科学、最合理、最有效的方案,同时也无法评估该设计方案的实际防火安全程度。例如,设计者可以控制人员到建筑物外部的最大允许行走距离,却没有考虑最后一个使用者在逃离之前建筑物内烟气的扩散程度,因而安全疏散的目的能否完全达到也就值得怀疑。

性能化防火设计方法是建立在消防安全工程学基础上的一种新的

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