超高层消防智慧:中国尊结构抗火性能分析

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对于超高层建筑的开发和使用者来说,消防安全更是至关重要,因为在高楼大厦中,火灾荷载大量集聚,人员密集且逃生路线距离较长,烟囱效应明显,将大幅增加火灾救援难度。 工程界对建筑消防安全肩负重任,更因前瞻优化,我们擅长以创新思路和方案提供客制化消防工程,奥雅纳工程师对中国尊结构抗火性能的周详考量,为超高层建筑的消防设计提供了范例。 中国尊位于北京新CBD核心区,设计灵感来源于中国传统礼器“尊”,高度超过500米,建成后将成为北京第一高楼。从几何优化到完成绘图,奥雅纳攻克了这个世界级的

对于超高层建筑的开发和使用者来说,消防安全更是至关重要,因为在高楼大厦中,火灾荷载大量集聚,人员密集且逃生路线距离较长,烟囱效应明显,将大幅增加火灾救援难度。


工程界对建筑消防安全肩负重任,更因前瞻优化,我们擅长以创新思路和方案提供客制化消防工程,奥雅纳工程师对中国尊结构抗火性能的周详考量,为超高层建筑消防设计提供了范例。

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中国尊位于北京新CBD核心区,设计灵感来源于中国传统礼器“尊”,高度超过500米,建成后将成为北京第一高楼。从几何优化到完成绘图,奥雅纳攻克了这个世界级的结构设计难题,并作为消防顾问,对整体消防安全性进行分析,具体对大堂等内部空间进行特殊的消防设计,实现了满足结构效率和安全最高等级的消防工程方案。

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基于整体视角,我们认为结构抗火设计不应简单地依循规范。因为在中国的消防设计规范中,对于一级(防火等级最高)建筑的结构抗火性能要求,是柱的耐火时间不小于3小时、梁的耐火时间不小于2小时和楼板的耐火时间不小于1.5小时。这一要求应用于中国尊时存在以下问题:


  1. 以上耐火时间的评价均基于单个建筑构件,并未考虑结构作为一个整体的性能
  2. 高度超过50米的建筑即为一类建筑,这意味着从50米开始,不论建筑多高,对其耐火等级的要求都一样,设计要求与建筑的重要性以及火灾风险不匹配
  3. 疏散模拟表明中国尊塔楼的人员整体疏散时间超过2小时,规范规定的耐火性能未能预留足够的安全余度以保障人员全部疏散
  4. 规范仅考虑了建筑的火灾升温阶段,事实上,已有案例及研究表明,建筑极有可能在火熄灭并冷却阶段发生破坏,可能对内部未逃生人员或开展扑救的消防人员构成威胁


基于此,我们建立了整体结构的分析模型以及关键构件的精细模型进行构件在各种火灾工况下的性能以确保中国尊塔楼具备足够的火灾稳定性。

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建设中的中国尊,2015年11月


结构体系


中国尊采用的巨型结构体系,在竖向主要包括中间的核心筒和外围的巨柱,在核心筒和巨柱之间每隔一段布置腰桁架,腰桁架把核心筒和巨柱有效连接起来,共同作用。在每两个腰桁架之间有巨型斜撑。塔楼核心筒和结构平面布置对称。


防火设计中主要关注的是外围的结构体系,其中,巨柱为钢管混凝土巨型结构构件,腰桁架和巨柱为巨型箱型钢构件,在两个腰桁架之间,支撑楼板的结构重力柱为箱型钢构件。

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虽然同属于偶然荷载,火灾与地震不同,不是作用于整个结构体系,而是集中作用于结构的某一个区域,因而影响一些构件或子结构。因此,进行结构的抗火分析时,应首先基于对结构体系的分析,判断火灾可能对结构产生最不利影响的位置或场景。从对于中国尊的结构体系的分析,我们判断出以下特别需要分析的构件或子结构:


  1. 最重要的构件为巨型柱,所有周边的竖向荷载均经由巨型柱传至基础
  2. 核心筒为钢筋混凝土结构,耐火性能天然较好,易受火灾影响的子结构为外围钢框架体系
  3. 在外围钢框架体系中,最脆弱的构件为铰接节点

因此,我们对以上三个部分进行了有针对性的分析。


巨柱的耐火性能


在对巨柱的耐火性能进行分析时,首先要选取适当的计算模型。很显然,巨柱在与腰桁架连接的地方受到水平移动的约束以及一定的转动约束。除此之外,巨柱在与各个楼层的楼板连接处也将受到一定的水平约束作用。在建立巨柱的简化分析模型时,取两个腰桁架之间的一段作为一根柱,并把每个楼层对巨柱的水平约束作用简化为一根弹簧。考虑非常不利的火灾情况,假定三层同时着火,由于火灾的作用,三层的楼板失去对巨柱的约束作用,形成图2b所示模型。基于等效屈曲荷载的计算,图2b中带侧向约束的长度为L的柱可以等效为长度为Leff两端铰接的理想柱,并进而简化得到一个长度为Leff/2的等效悬臂柱。

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图2:巨柱模型简化过程采用LS-DYNA进行热传递分析。由于巨型柱的截面尺寸巨大,而混凝土传热很慢,在受火6小时后,受温度影响的厚度均为100毫米左右。


对巨型柱的模型分别施加常温下的力学荷载以及高温下的温度荷载,得到三个柱在5小时左右开始显示出度削弱,但在分析的6小时内,均未发生明显的失稳或塑性破坏等迹象。图3中以最底层的巨型柱为例说明相关计算结果。

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图3:柱MC1a的模型及分析结果

为了考虑火灾熄灭阶段对结构的影响,取截面最小的MC7为例进行巨柱在自然火灾模型中的受力反应。假定某一个防火分区着火,其燃烧性能主要取决于两个关键因素:火荷载密度以及通风系数。对于办公类建筑,其火灾荷载密度根据相关规范偏于保守地取750MJ/m2,通风系数取决于在火灾发生时,玻璃幕墙有多少面积会发生破坏,因此,不是一个确定值。取外玻璃幕墙的破碎率为12%-50%,得到不同条件下的自然火灾曲线如图4。选取其中对巨型柱最不利的场景V=12%。

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在该火灾作用下,MC7的温度分布如下图所示。由于混凝土传热非常慢,巨柱内部的升温及降温均非常缓慢,直至火灾开始20小时后,柱内部的混凝土的温度为100摄氏度左右,并在缓慢降低中。


在这样的一个火灾作用下,巨型柱在5小时作用达到最大竖向变形,之后变形保持稳定直至结构完全冷却,柱的残余变形仅为不到50毫米。

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图5:组合柱在自然火场中的结果分析


外围框架的耐火性能


采用有限元分析软件LS-DYNA进行外围框架的耐火性能分析。结构有限元分析模型见图6。在此模型上进行了两个场景的分析。第一个场景作用于腰桁架,主要是分析当结构体系有非常强的内部约束作用时,火灾作用下的热膨胀产生的内部应力对结构造成的影响。分析结果表明,热膨胀的作用确实造成了构件的屈服,但在持续受火6小时后,结构整体并未发生明显变形或破坏的趋势。


第二个场景作用于腰桁架下方的楼层,分析当下方的重力柱与腰桁架之间的铰接节点发生破坏时,结构的整体反应。由于重力柱有两道传力路径,当顶部的节点破坏时,柱以承压的形式传递重力荷载,因此,该场景下结构也没有发生明显的屈服或变形。

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图6:外围框架有限元模型及分析场景


对于超高层建筑,仅根据规范要求设计,其性能目标与建筑的体量及重要性不完全协调一致。奥雅纳根据该项目的整体消防设计目标,对中国尊结构的耐火性能进行了整体评估,考虑了加长的疏散和救援时间、火灾冷却阶段以及部分薄弱构件的破坏等可能发生的不利因素。分析结果表明,其关键构件及外围钢结构体系均能保持6小时的耐火稳定性,满足人员疏散、消防救援等要求。


奥雅纳消防工程团队

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© Marcel Lam Photography

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© Zhou Ruogu Architecture Photography


在奥雅纳,消防工程设计综合了多元学科和跨国团队,在全球20多个地区设立办公室,是规模最大、最具行业声誉的消防工程顾问之一。我们推动一体化消防设计方案,整合建筑、结构和运营等多方面消防安全需求,为客户定制高效的创新解决方案。

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  • lykyukun
    lykyukun 2019年04月19日 06:13:18 2楼
    多谢楼主分享
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  • liupoquan
    liupoquan 2019年04月19日 09:11:17 3楼
    楼主辛苦。谢谢分享!
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