现行防火规范与奥运场馆的防火设计

体育场馆是一种特殊的具有高大内敞空间的公共建筑。由于这类建筑要在特定时间段内大量聚集几千以至十万以上的公众，所以其消防安全性是建筑设计关注的最重要问题之一。 1 现行国家标准对体育场馆的防火要求
我国现行的涉及体育馆防火要求的规范有三本，即《建筑设计防火规范》、《建筑内部装修设计防火规范》和《火灾自动报警系统设计规范》。而专门用于体育场设计的防火要求，在上述国家规范中尚无体现。现行国家标准有关体育馆的防火要求包含如下内容。
(1) 耐火等级。《建筑设计防火规范》规定体育馆的耐火等级不应低于二级。但其观众厅的长度和面积可以根据需要确定，而不受相应级别防火分区限值的控制。
(2) 安全疏散。体育馆观众厅安全出口的数目不应少于两个，且每个安全出口的平均疏散人数不宜超过 400 人～ 700 人。体育馆观众厅内的疏散走道宽度应按其通过人数每 100 人不小于 0.6m 计算，但最小净宽度不应小于 1.0m ，边走道不宜小于 0.8m ；体育馆观众厅的疏散门以及疏散外门，楼梯和走道各自宽度，均应符合有关规范的规定；体育馆疏散走道和疏散门均宜设置灯光疏散指示标志。
(3) 消防车道。超过 3 000 个座位的体育馆，宜设环形消防车道，这是基于这类建筑体型大，占地面积多，人员密集等因素确定的。
(4) 装修要求。建筑内部装修设计防火规范中专用针对体育馆建筑提出了具体的装修材料燃烧性能等级要求。
(5) 自动灭火系统和室内消防给水。超过 3 000 个座位的体育馆、观众厅的吊顶上部，贵宾室、器材间、运动员休息室等部位应设置闭式自动喷水灭火系统。超过 1 200 个座位的体育馆应设室内消防给水。
(6) 火灾自动报警系统。超过 3 000 个座位的体育馆观众厅、有可燃物的吊顶内及其电信设备室，应设火灾自动报警装置。
2 国外的相关做法和要求
由于各国的国情不一样，防火设计规范的表现形式和具体要求也有很大的不同。就目前所掌握的资料，介绍一下有关几个国家在体育馆建设时防火设计的要求。
(1) 加拿大。加拿大在对体育场馆防火设计中没有具体的设计规范。在北美的防火设计中都是参照美国的 NFPA 101 Life Safety Code( 生命安全规范 ) 进行设计或者是参照 ICC(International Code Council) 编写的 International Building Code( 国际建筑规范 ) 中的有关防火设计条款。对一些简单的建筑，设计者依据上述标准或规范即可完成相关的防火设计，对于复杂建筑或重点建筑，按性能化设计的方法来进行评价 ( 采用一些计算机软件 ) ，加拿大的设计理念是以性能设计为本。
(2) 美国。美国有两个主要的建筑规范及标准组织，它们是制定国际建筑规范 (International Building Code) 的国际规范机构 (ICC) 以及拥有新版“ NFPA5000 Building Code ”的国家防火协会 (NFPA) 。另外， NFPA 已经更新的“生命安全规范”，涵盖了所有火灾及生命安全的问题。这两个建筑法规组织提供了一般性的对于火灾及生命安全的要求，这些要求包括结构的抗火性能，建筑面积的限制，消防通道等。防火安全的要求涉及建筑物使用的危险性、人员安全疏散出口、建筑物内的消防设施及限制火的内部传播等。
在美国建造了很多的体育馆，但是其中只有很少的一些是专门为奥林匹克比赛设计的。尽管一些特定的运动项目在体育馆的建设上是相类似的，但是显然奥林匹克体育馆有更高的防火和生命安全要求。为了满足要求，防火和生命安全设计必须精心考虑以满足奥林匹克体育场馆的空间性和纪念性在建筑设计上得以自由展现。
事实上，美国的现行条文式规范无法适用体育馆，尤其是大型奥林匹克体育馆的防火设计。而在美国，法律上允许用性能化设计去解决条文式规范无法解决的一些专门问题。亚特兰大奥运会体育场馆的防火设计就是通过性能化设计的方法解决的。
(3) 澳大利亚。进入 20 世纪 90 年代，澳大利亚开始用现代化的概念改革当时的建筑规范。 1996 年出台的澳大利亚建筑规范 (Building Code of Australia) 就在传统的规范体系中加人性能化设计的新思想，形成了条文式规范与性能化规定并行的设计规范体系。
对体育场馆这类大型、特殊的公共建筑，澳大利亚是通过性能设计的方法去实现规范设定的基本目标。悉尼 2000 年奥林匹克的体育场馆全部采用了性能化的防火设计。其中主体育场占地 16hm2 ，地上高度为 58m ，七层。奥运会期间观众席为 12 万个，结束后，临时看台被撤去，观众席减至现在的 8 万个。通过性能化的设计，该体育中心实现了安全、适用、经济、美观的目标。
(4) 日本。日本在体育场馆建设时，规范中也有一些相应的防火要求。但在设计时，这些条文一般均无法适应工程实际的需求。因此也是通过类似性能化设计的方法，提出综合性的防火对策来解决问题。
3 奥运场馆设计采用现行防火规范面临的问题
我国现行的建筑防火设计方法及规范与国外发达国家有许多共同点，但也有不少相异之处。比如在设计理念和方法上都有较大的差别。
建筑的平面构图和设备为防止灾害提供了一个基本条件，但是我国传统的设计理念没有或极少考虑人与这些设施互动所导致的防灾效果。国外新的设计理念则首先考虑人是否会受益或实现这些防灾设计的目标，以及灾害发生时，人对各种防灾设施的作用、利用的可靠程度。当然也要估计人员错误操作行为会对建筑防灾体系带来的严重后果。
我国现行的建筑防火规范体系是单一的条文式体系。条文式规范因其自身所固有的滞后性、通用性而常常无法适用新的建筑型式，制约了技术的发展。
就我国现行防火规范中针对体育场馆的条文而言，我国奥运场馆设计将面临如下一些具体问题。
3 ． 1 规范要求过于滞后和原则
从总体看，我国现行防火规范有关体育馆的要求过于原则，线条也太粗。其所依据的数据均出自 20 世纪 80 年代以前的工程实践，因此它所表现的只是 20 世纪 80 年代的设计水平。所以说规范在此方面已滞后社会技术的发展。
(1) 规范中将体育馆定为一、二级建筑，而什么规模的是一级，什么规模的是二级却没有说明，设计中如何掌握 ?
(2) 规范只谈到体育馆的防火规定，而未涉及体育场的问题。那么体育场设计遵循什么 ? 另外现代体育建筑常常采用活动屋顶，可开可闭，此类建筑形式如何定性 ?
(3) 现行规范针对 20 世纪 80 年代中国体育馆建设的现状将体育馆容纳人数的上限值定为 2 万人。而现代奥运场馆势必要大大超过此限值，人们将如何处理 ?
(4) 体育场馆所特有的大空间性质，决定了防火分区划分的困难。现行规范对体育馆如何划分防火分区，在事实上并未做具体的规定。
3 ． 2 结构防火问题
体育馆建筑的屋顶承重一般采用钢网架体系。而从防火角度看，必须考虑对钢网架实行防火保护。现行规范规定一级耐火等级的屋顶承重构件的耐火极限为 1.5h ，而二级耐火等级时为 0.5h 。这中间的差值是很大的，而如何定性体育馆的耐火级别就显得很重要了。
另外，由于体育馆屋顶网架的裸露特点，又决定了对其保护的材料必须兼有美观性和耐久性的特征。
现代体育场馆已采用了膜材料作为屋架的覆盖物，而如何要求膜材料的防火性，目前并无相应的标准规范要求。
3 ． 3 安全疏散问题
现行规范安全疏散距离和出口的规定是以 3.5min 内疏散完毕的人群条件确定的。而且所面对的体育馆总容纳人数不超过 2 万人。奥运场馆的体型、规模以及内含人数都会比以往的情况有很大的不同。因此现行规范的安全出口数量、宽度以及疏散时间指标等要求都会不适应奥运场馆的设计。
3 ． 4 防排烟问题
当发生火灾时，有效地控制烟气流动和蔓延，对确保人员疏散安全，改善灭火条件是极为重要的。因此，在建筑中设置防排烟系统是必要的。但体育馆因其内敞空间高大，所以在防排烟设计上，与其它标准层高的建筑有很大的不同。大空间的观众厅类似一个巨大的贮烟区，它在火灾的初期可以容纳很多的烟气而不致影响人们的疏散视线。
我国现行规范对体育馆的防排烟问题未作任何的规定。因此体育场馆的防排烟设计将面临全新的问题。
3 ． 5 火灾探测监控
规范规定超过 3 000 个座位的体育馆观众厅等部位应设自动报警装置。但对于体育馆而言，消防监控的重点和难点在于大空间部分 ( 比赛场地及看台 ) 的火灾监控。
点型感烟探测器因其适用场所比较广泛，以及便于安装、调试和维修等优点已被广泛采用。但是，如果将点型感烟探测器安装在大空间的屋顶下，无论安装工作还是日后的维修工作，都是很困难的，并且规范规定点型感烟探测器的安装高度不允许超过 12m 。所以 在体育馆中究竟采用什么样的报警系统，还是一个值得探讨的问题。
3 ． 6 火灾自动灭火系统
我国现有的自动喷水灭火系统喷头的安装高度，一般为 8m ，采用快速响应早期抑制喷头，在仓库应用时的高度为 12m 。所以对于超过 12m 以上的大空间体育馆尚无法采用固定自动喷水灭火系统。
以上分析表明，在奥运场馆防火设计中，会有许多困难，而奥林匹克中心的建筑将会是多用途的，这些设施包括为运动员和旅游者提供的公共交通及住房、训练场地、广播中心、行政部门、救护中心等。这些部位的每一处，都应有其独特的防火保护特性，而将这些用途集于一体，情况就更为复杂了。
4 建议和设想
4 ． 1 体育场馆的设计应引人性能化设计的思想
国外已开始实行性能化设计与条文式设计并行的规范体系。即常规的防火问题遵循条文规范的要求，特殊建筑的防火设计则通过性能化评估计算的方法解决。
奥运体育场馆的设计就属于现行条文式规范无法全面涵盖的特殊类建筑，对其只有采用性能化的评估计算方法，才可以实现整体安全的目标。
4 ． 2 用模拟的方法设定人员安全疏散的路线和出口
避难安全设计的最终要求为，验证实际所需的避难时间应低于避难容许时间。所以避难安全设计时，需先分析建筑物特性 ( 楼板面积、走道、步行距离、出口宽度、楼梯宽度、数量及分布、建筑物高度、排烟设备等 ) 及人员特性 ( 人数、步行速度、反应能力、分布情形、环境熟悉度等 ) 资料后，设计火源及火灾场景，推算避难所需时间和避难容许时间，验算合理后，完成设计。
奥运场馆体型大、容纳人多，紧急疏散设计是个很关键的问题，因此采用计算机模拟设计是最佳选择。
4 ． 3 火灾烟气蔓延评估与控制系统的设计
对烟气蔓延过程评估时，常常综合考虑烟气固有的浮力特性、体积变化、夹带作用及天花板喷流等效应。对烟气蔓延规律模拟的目的在于从设计上提高烟层的流动高度，稀释烟团的浓度，降低烟流的温度和阻止烟气进入特定的区域空间。烟气模拟要设定火源模式，即考虑燃烧的状态与火势的发展、质量容积的流速等，继而要估算烟流量值、温度值、烟层沉降速度等，还要确定排烟系统的工作时机 ( 同时考虑风机、通风口、阀门等 ) ，以及综合考虑自动灭火系统开始工作后对烟气过程的影。向等。国外在烟气模拟计算程序开发方面进展的较快，而且成熟，一些商业软件已可在特定的工程中应用。
体育场馆的独特空间构成，决定了火灾烟气蔓延评估的必要性。因此建议选用适当的成熟的烟气模拟程序对不同的场馆进行计算分析评估，并以此确定防排烟的设计方案。
4 ． 4 结构防火
奥运场馆结构防火的重点是屋盖承重部分。就目前的技术水平而言，笔者建议：
(1) 采用耐高温的钢材制作承重网架，这样可以适当地提高网架的耐火时间。
(2) 采用耐火极限值较高的薄型防火涂料施涂于网架之上，这样可以保持网架外形的美观和减轻网架的自重。
(3) 宜采用薄膜材料覆盖屋架。膜材料自重轻，有利于网架的耐火时间，并且损坏后产生的次生危害也较其它材料低。
4 ． 5 采用火灾早期探测技术
近年来，国外在计算机房、通讯设施和大空间等场所广泛地采用一种高灵敏度吸气式感烟火灾探测器，以提高早期报警能力。
对奥运场馆这类大空间建筑建议采用吸气式与红外光束感烟探测器相结合的探测方法。这种方案综合考虑了早期探测和馆内空调系统空气流动影响等因素。
4 ． 6 自动灭火装置
由于现有的固定自动喷水系统不适用于过高的空间，所以在奥运场馆中只应对那些高度小于 8 m 的空间和屋盖吊顶内空间加设固定水喷淋系统。而对观众大厅，建议采用智能遥控的远距离喷射的固定水炮系统。
国外近年在体育场馆防火设计中获得的最新成果表明：通过使用自动喷淋系统可以降低或者取消结构的耐火等级要求。这种做法可以通过性能化分析和系统可靠性来证明。具体分析包括判断预期发生暴露在火灾中的结构的火灾模型，改进喷淋设施提高工作速度，以及增大喷淋头密度提高火灾控制能力等。
通过火灾模型的分析，安全疏散距离可能被增加，总的疏散宽度可能被减少。这种分析可以在可靠的火灾假定情况下，显示出实际有效的安全出口数量。通过对烟气层的控制或者其他积极的防火安全系统，疏散允许时间可以增加。
通过模拟正常的空气流动模式和火灾影响下的变化，烟气控制设计可以精心设计各种设施的细节。在减少原始成本和日常维护费用的简化设计中，模拟可以在增加烟气控制系统可靠性的同时，简化设计工作过程。
对于奥林匹克体育馆，基于性能化的设计是解决所有问题的最好方法，并且具有世界级防火安全的水准。