膜結(jié)構(gòu)封閉儲煤棚消防安全設(shè)計論述

摘要：隨著膜結(jié)構(gòu)封閉儲煤棚在煤炭倉儲領(lǐng)域中的應(yīng)用，膜結(jié)構(gòu)封閉儲煤棚與鋼結(jié)構(gòu)封閉儲煤棚在結(jié)構(gòu)形式、封閉材料及消防風(fēng)險因素等方面的不同，對其消防安全性設(shè)計提出了不同的要求。文章介紹了膜結(jié)構(gòu)的特性和膜材料的特性，分析了影響膜結(jié)構(gòu)安全的風(fēng)險因素，論述了膜結(jié)構(gòu)儲煤棚內(nèi)部消防防火、通風(fēng)設(shè)施的設(shè)置等，為膜結(jié)構(gòu)儲煤棚安全系統(tǒng)的設(shè)計提供一定的參考。關(guān)鍵詞：膜結(jié)構(gòu);儲煤棚;膜材料;風(fēng)險因素;消防設(shè)施近年來，國內(nèi)外出現(xiàn)了一種索膜結(jié)構(gòu)或氣膜建筑的新型建筑結(jié)構(gòu)形式。此類建筑是由高強薄膜材料及加強構(gòu)件（鋼索或空氣）通過一定方式使其內(nèi)部產(chǎn)生預(yù)張應(yīng)力以形成某種空間形狀并且能承受一定的外荷載作用的空間建筑結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)能夠覆蓋大跨度空間，具有經(jīng)濟性、施工周期短等優(yōu)點。膜結(jié)構(gòu)封閉儲煤棚是在為滿足煤炭倉儲的同時，降低環(huán)境污染和建設(shè)投資而選擇的一種新型建筑結(jié)構(gòu)。煤場封閉后相對露天煤場通風(fēng)條件差，煤炭中會揮發(fā)氫氣、甲烷等可燃氣體，在生產(chǎn)作業(yè)時還會有大量粉塵懸浮在空氣中，可能引發(fā)煤粉、可燃氣體爆炸事故，存在消防風(fēng)險。目前，膜結(jié)構(gòu)建筑相關(guān)的消防設(shè)計、施工安裝和驗收等方面也尚無針對性的國家和行業(yè)標(biāo)準、規(guī)范。文章針對膜結(jié)構(gòu)封閉儲煤棚的消防問題，優(yōu)化防范火災(zāi)的設(shè)計方案，以期增加膜結(jié)構(gòu)封閉儲煤棚針對火災(zāi)事故的抗風(fēng)險能力。一、膜結(jié)構(gòu)封閉儲煤棚的結(jié)構(gòu)類型（一）氣承式膜結(jié)構(gòu)封閉儲煤棚氣承式膜結(jié)構(gòu)封閉儲煤棚（如圖1所示）是將膜材固定于閉合剛性支承或基礎(chǔ)上，利用風(fēng)機對膜建筑室內(nèi)持續(xù)送風(fēng)，保持一定的內(nèi)氣壓，通過內(nèi)外壓力差確保膜面足夠剛度，以維持穩(wěn)定形態(tài)、抵抗外部荷載。（二）索網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)封閉儲煤棚索網(wǎng)膜建筑充分利用高強度拉索的材料性能，通過鋼桁架和索網(wǎng)有機結(jié)合，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體系，是骨架式膜結(jié)構(gòu)的一種。索網(wǎng)是由互相正交的兩組索組成的雙向正交索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，外層圍護結(jié)構(gòu)為柔性膜材。索網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。二、膜材的組成及特性膜材料由基材和涂層構(gòu)成。膜材料的基材為玻璃纖維或聚酯纖維織物，表面涂層為添加了穩(wěn)定劑、阻燃劑的聚氯乙烯PVC或聚四氟乙烯PTFE等聚合物[1]。膜材示意圖如圖3所示。膜材的防火性能按照GB8624-2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》的規(guī)定進行測試并確定等級。通過膜材燃燒實驗，針對工程中常用的PVC、PVDF膜材，燃燒性能等級為B1級[2]，燃燒時無燃燒滴落物，具有自熄性，不會造成火勢的擴大蔓延。加涂PVDF材料的PVC膜材具有極好的耐高溫性能，離開明火后0.3s內(nèi)自熄[3]。通過膜材料燃燒特性試驗[4]得知：當(dāng)火焰不直接接觸膜材時，膜不會燃燒破洞。當(dāng)火焰直接接觸膜材時，膜發(fā)生熱解、收縮變形，繼而出現(xiàn)破洞現(xiàn)象。通過對PVC膜材的熱解及燃燒特性實驗[5]得知：添加了阻燃耐老化劑TiO2的PVC膜材，能夠提高PVC膜材的燃點、熱解穩(wěn)定性及阻燃效果，且有明顯的抑煙效果，可以有效減少CO的生成，從而減少PVC膜材的煙毒性。三、膜結(jié)構(gòu)封閉儲煤棚消防風(fēng)險因素據(jù)調(diào)查，封閉煤場火災(zāi)產(chǎn)生的主要原因是煤中會有氫氣、甲烷等可燃氣體?；谀そY(jié)構(gòu)封閉儲煤棚的消防風(fēng)險因素，膜結(jié)構(gòu)除了環(huán)保性能，還應(yīng)具備足夠的防火、防爆性能，確保煤棚能長期穩(wěn)定運行。（一）明火及高溫?zé)煔鈱τ谀そY(jié)構(gòu)建筑，雖然膜材多數(shù)是難燃或不燃材料，但膜材本身仍不能直接接觸明火和高溫，所以膜材料自身無耐火極限，一旦膜材料被燒融燒穿，將會嚴重影響結(jié)構(gòu)內(nèi)外氣壓平衡，最終會導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)失去封閉作用。（二）瓦斯等有毒氣體和煤粉揚塵堆積的煤炭由于自熱，會產(chǎn)生瓦斯氣體，在生產(chǎn)過程中，當(dāng)瓦斯達到一定濃度時遇明火易發(fā)生爆炸。同時，煤在運輸、裝卸、粉碎等操作過程中會向大氣逸散產(chǎn)生粉塵。由于煤塵本身具有燃爆性，當(dāng)懸浮在空氣中的煤塵積累過多達到爆炸極限時，遇到引燃熱源就會發(fā)生燃爆。四、膜結(jié)構(gòu)封閉建筑的消防設(shè)計根據(jù)膜結(jié)構(gòu)儲煤棚的結(jié)構(gòu)形式、封閉材料及消防風(fēng)險因素，膜結(jié)構(gòu)封閉建筑在消防設(shè)計時應(yīng)結(jié)合新技術(shù)深入思考，優(yōu)化消防設(shè)計方案，提升膜結(jié)構(gòu)封閉儲煤場的安全性能，有效防止火災(zāi)事故的發(fā)生，最大限度降低火災(zāi)可能帶來的損失。保證人員生命安全及結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性是膜結(jié)構(gòu)防火設(shè)計的基本要求。（一）消防系統(tǒng)消防設(shè)計遵循“預(yù)防為主、防消結(jié)合”的方針，根據(jù)煤場消防相關(guān)設(shè)計規(guī)范，煤場火災(zāi)危險性為丙類，封閉后需設(shè)置固定消防炮滅火系統(tǒng)和室內(nèi)外消火栓系統(tǒng)。封閉煤場內(nèi)必須保證每個點都至少有2路消防水到達著火點，不得有死角。由于膜結(jié)構(gòu)儲煤棚面積較大，應(yīng)設(shè)自動滅火設(shè)施，推薦用自動尋蹤消防炮。自動尋蹤消防炮的控制操作方式有消防中心自動、遠控和現(xiàn)場應(yīng)急控制三種?，F(xiàn)場操作時，消防炮能使兩股水柱到達煤場任何點，在特殊情況下應(yīng)允許單臺消防炮動作。（二）監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)包括圖像火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)、瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)和粉塵監(jiān)測系統(tǒng)等。監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)探測區(qū)域內(nèi)溫度、瓦斯氣體濃度、粉塵濃度信息的實時采集、處理與動作信號輸出。圖像火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)可以利用火災(zāi)探測器敏銳感知到火災(zāi)產(chǎn)生的紅外線，然后利用圖像火災(zāi)探測分析技術(shù)分析火災(zāi)，通過火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)能確保全天候監(jiān)控，監(jiān)控區(qū)域覆蓋率達到100%，無盲區(qū)、無死角，一旦發(fā)生火情，可以迅速可靠地發(fā)出報警信號?；馂?zāi)探測器視場范圍如圖4所示。根據(jù)瓦斯常會聚集在頂部的特點，瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測點應(yīng)設(shè)置在煤棚頂部。當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^安全值時，自動報警并連鎖通風(fēng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)入事故狀態(tài)，將瓦斯排出[6]。考慮到環(huán)保要求，氣體排出時需加設(shè)空氣排放過濾設(shè)施。在煤堆附近、傳送帶附近等易產(chǎn)生煤粉的區(qū)域設(shè)置煤粉濃度檢測儀。當(dāng)煤粉濃度超標(biāo)時，連鎖控制系統(tǒng)啟動排風(fēng)裝置進行排放，確保操作人員安全。（三）智慧消防預(yù)警系統(tǒng)智慧消防預(yù)警系統(tǒng)（如圖5所示）基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)，將分散的火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備、火災(zāi)報警系統(tǒng)、智慧消防用水等設(shè)備連成網(wǎng)絡(luò)，使關(guān)口前移，實時采集系統(tǒng)火警、故障、聯(lián)動動作、監(jiān)管等各種信息，對采集到的數(shù)據(jù)進行云臺數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，實現(xiàn)科學(xué)預(yù)警火災(zāi)的目標(biāo)。一旦發(fā)生火災(zāi)，在短時間內(nèi)，相關(guān)報警和事件信息通過手機短信、語音電話和App推送等手段，迅速通知到相關(guān)人員，在發(fā)出警報的同時，還可以通過自動消防滅火裝置啟動自動滅火設(shè)備和消防聯(lián)動設(shè)備。（四）排煙通風(fēng)措施在煤場通風(fēng)方面，氣承式膜結(jié)構(gòu)儲煤棚在結(jié)構(gòu)上與索膜結(jié)構(gòu)儲煤棚仍有區(qū)別。氣承式膜結(jié)構(gòu)儲煤棚的智能控制系統(tǒng)可監(jiān)測氣膜內(nèi)外的壓差比。在火災(zāi)發(fā)生時，氣承式膜結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合自身系統(tǒng)所需的充氣風(fēng)機設(shè)備，打開消防疏散門，當(dāng)壓力低于設(shè)定的安全下限時，壓差檢測器會自動啟動備用風(fēng)機進行充氣，為人員逃生爭取時間，并能夠在膜體壓力達到安全值時自動停止運行備用風(fēng)機。索膜結(jié)構(gòu)可以采用機械排風(fēng)與自然排風(fēng)相結(jié)合的送排風(fēng)模式，通過設(shè)置適當(dāng)數(shù)量的頂排或側(cè)排，增大風(fēng)扇進氣量，來有效降低煙氣溫度，保證滿足安全性要求。同時，配合先進的火災(zāi)探測技術(shù)，盡可能在火災(zāi)初期及時排出煙氣。（五）膜材降溫措施以工程中常用的PVDF膜材為例，膜材的熱分解溫度在316℃以上。通過模擬火災(zāi)溫度場分布[7]可知，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)并開啟消防疏散門后，受氣體對流和壓力影響，煙氣溫度降低顯著，膜面最高溫度遠低于膜材燃燒分解的臨界溫度，膜材料不會燃燒。當(dāng)火勢較大，開啟消防疏散門無法降低膜面溫度時，在外圍可增設(shè)消防水炮或噴淋裝置為膜材冷卻輔助降溫。根據(jù)著火位置的不同，消防水炮或噴淋裝置對膜結(jié)構(gòu)的危險受熱位置進行降溫，比如距離著火點近的位置和高熱空氣容易堆積的位置等。（六）疏散報警系統(tǒng)據(jù)統(tǒng)計，火災(zāi)中85%以上的人員死亡歸咎于煙氣的影響，膜結(jié)構(gòu)在設(shè)計時應(yīng)考慮煙氣疏散時間，保障人員安全。氣承膜結(jié)構(gòu)有特定的臨界破洞面積，通過MATLAB仿真計算可得到膜結(jié)構(gòu)的臨界破洞面積。當(dāng)氣膜破洞大于臨界破洞面積時氣膜結(jié)構(gòu)將會倒塌[8]。氣承膜結(jié)構(gòu)有維持形態(tài)的最小內(nèi)外壓差，當(dāng)內(nèi)外壓差小于維持形態(tài)的最小內(nèi)外壓差時，氣承膜結(jié)構(gòu)將不能維持形狀。壓力傳感器實時傳送氣膜結(jié)構(gòu)內(nèi)外壓差，通過計算軟件計算內(nèi)外壓差下降速度以及氣承膜結(jié)構(gòu)能維持其形狀的時間。在消防通道及運煤通道口設(shè)置一定數(shù)量的手動火災(zāi)報警按鈕。一旦發(fā)生火災(zāi)，由火災(zāi)報警區(qū)域開始，啟動疏散通道的消防應(yīng)急照明、疏散指示系統(tǒng)及聲光警報器，聲光報警器帶有語音提示功能，