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 文章


从适用的消防法规看仓库的可持续设计和建造成本


Katarzyna Pawluk , Marzena Lendo-Siwicka , Roman Trach , Grzegorz Wrzesiński , Jan Kowalski 、
Paweł Ogrodnik , Michał Jasztal , Eukasz Omen 和 Petro Skrypchuk


1 Faculty of Civil and Environmental Engineering, Institute of Civil Engineering, Warsaw Unversity of Life Sciences, ul.Nowoursynowska 159, 02-776 Warsaw, Poland; marzena_lendo_siwicka@sggw.edu.pl (M.L.-S.); roman_trach@sggw.edu.pl (R.T.); grzegorz_wrzesinski@sggw.edu.pl (G.W.); jan_kowalski@sggw.edu.pl (J.K.); pawel_ogrodnik@sggw.edu.pl (P.O.)

2 Faculty of Mechatronic, Armament and Aerospace, Institute of Aerospace Technology, Military University of Technology, ul.Sylwestra Kaliskiego 2, 00-908 Warsaw, Poland; michal.jasztal@wat.edu.pl (M.J.); lukasz.omen@wat.edu.pl (Ł.O.)

3 经济与管理学院，国立水与环境工程大学，罗夫诺，75 Oleksy Novaka St.

  • 通信：katarzyna_pawluk@sggw.edu.pl

引用：Pawluk，K.；Lendo-Siwicka，M.；Trach，R.；Wrzesiński，G.；Kowalski，J.；Ogrodnik，P.；Jasztal，M.；Omen，Ł.；Skrypchuk，P. 适用消防法规下的仓库可持续设计与建筑成本。https://doi.org/10.3390/ su16073002

学术编辑吉安卢卡-马祖科

收到：2024 年 2 月 26 日

修订日期：2024 年 3 月 21 日

接受： 2024 年 3 月 28 日

出版日期：2024 年 4 月 4 日

 摘要


本文探讨了可持续仓库设计在消防法规和成本方面的有效性。在设计工业设施时，必须考虑到在其后续运行过程中发生火灾的高风险。因此，本文从成本和技术角度对 "设计和建造 "系统投资的可持续解决方案进行了变体分析，并对三个具有不同防火区的变体的防火安装系统进行了研究。在建模过程中，研究了火区对烟雾扩散、火源上方选定点的温度变化和能见度的影响。数值分析表明，变体 I、II 和 III 的烟雾扩散程度不同，但对疏散效果没有任何影响。将大厅划分为更多的防火区可减少潜在火灾的影响。这项研究表明，防火和疏散条件对投资成本有很大影响。


关键词：仓库大厅；成品部件；实施成本；可持续技术解决方案；防火要求；消防模拟

 1.导言


波兰交通基础设施的大力发展，包括高速公路 和快速路的建设，有利于大型仓库和生产车间的 建设。由于地处中心位置，波兰是连接西欧和东欧的纽带，这有利于物流系统的发展并吸引外国投资者。波兰每年都会建造数十万平方米的仓库、生产和储存设施以及物流和工业厂房。

波兰的法律法规详细描述了建筑设施（包括会堂）的设计、建造和应用原则，并规定了建筑物所有者和管理者在必要的定期检查和技术检查方面的义务。这些问题由多项法案直接规定，包括《建筑法》、基础设施部长关于建筑物及其位置应满足的技术条件的条例、劳动和社会政策部长关于一般职业健康和安全条例的条例、内政和行政部长关于消防供水和消防道路的条例以及内政和行政部长关于建筑物、其他结构和区域防火的条例 [1-5]。上述标准直接涉及技术、建筑和消防问题。

这些要求会影响防火设备和应用元件的选择和类型。

建筑环境中的消防安全由欧盟成员国负责管理，但技术的发展和改进建筑节能性能的需求突出表明，有必要制定一项欧洲战略，以确立该领域的标准。在欧洲，欧洲经济委员会、建筑控制研究所和欧洲建筑控制联盟是负责发布建筑设计和防火法规的机构。在过去的几十年中，技术和欧洲法规都经历了巨大的发展，这凸显了制定欧洲战略以建立该领域标准的必要性[6]。在欧盟，有几项针对建筑领域的政策和监管文书，包括欧洲标准（EN），这是一系列 10 项欧洲标准，以及 EN 1990 至 EN 1999 [7-16]，由 59 个部分组成，为建筑和其他土木工程的设计提供了通用技术规则。这些标准全面涵盖了结构设计的基础、对结构的作用、混凝土、钢、钢-混凝土复合材料、木材、砖石和铝等主要建筑材料的结构设计，以及岩土、地震和结构防火设计[17]。根据欧盟的智能、可持续和包容性增长战略（EU2020），标准化在支持全球化时代的产业政策方面发挥着重要作用。欧盟委员会（2012 年）433 号文件 "建筑行业及其企业可持续竞争力战略 "承认，通过采用欧洲规范可改善欧盟市场的竞争状况，并将其视为加快不同国家和地区监管方法趋同进程的工具。因此，《欧洲规范》的实施范围扩大到了所有欧洲国家，并在国际范围内采取了坚定的措施[17]。现在，欧洲各国都在使用一体化的单一标准体系，但在国家法律体系中的实施程度各不相同。例如，在捷克共和国、英国、芬兰、匈牙利和意大利，国家消防法规涵盖了基于性能的设计。在比利时，如果内政部长批准《消防条例》的例外情况，就可以采用这种设计风格。法国允许在耐火和烟雾传播设计方面部分采用这种设计。此外，在英国，基于性能的防火设计使用时间最长[18,19]。

虽然与会堂建设相关的主题是一个非常重要的工程问题，但文献综述显示，目前还没有设计这类设施的系统方法或指南[20-23]。在选择合适的可持续展厅建造技术的经常性标准中，可以提到以下几点[22-28]：

  • 设施的目的和结构、

  • 物流和材料运输、

  • 内部布局和安装。

值得注意的是，仓库大厅是为各种活动而设计的，需要大量的屋顶空间。工业仓库有多种类型，每种类型都有自己的特点[29]。一般来说，仓库大厅的建造系统可分为钢结构、钢筋混凝土结构、预制结构和混合结构。与其他库房设施相比，工业型库房通常更宽，柱和梁的尺寸更大。入口/大门的参数也是一个主要问题，它可能决定结构的选择 [30,31]。此外，由于其独特的用途、高强度、大尺寸以及建造工艺的不同，工业仓库可能会有其原始用途之外的其他用途[32]。

工业仓库的这些特征是根据其用途、建筑位置和其他相关标准确定的，如横截面、横截面上的位置和布置、支撑之间的距离、支撑类型、加固系统的类型和布置，以及屋顶开口的大小、屋顶覆盖物和屋顶坡度 [24,33]。此外，其他信息，如设施的风、雪和地震荷载以及施工现场的岩土条件等，对设计也很重要。

工业仓库的设计和建造[29]。现在，可持续性、绿色评级系统和法规受到越来越多的关注，它们对高性能建筑的评估产生了影响。技术的选择通常取决于投资者的预算、计划建造成本和后续运营成本[34-37]。与其他仓库相比，这些仓库的体积大，必要设施的数量和质量要求高，因此建筑成本很高[38]。职业健康和安全以及消防安全也决定了这类投资的预算。然而，在过去的十年中，建筑市场一直非常关注可持续发展方面，以至于有时忽略了安全和抗灾能力。尽管如此，所有这些因素都是相互关联的，因此根据反馈原则相互作用，在设计大厅时应牢记这一点[39]。

在模拟火灾发展和疏散过程领域应用最新的技术解决方案，对规划紧急情况下的路线大有帮助，同时考虑到实用、经济和安全等方面。计算机工具还有助于从安全和有效疏散的角度对应用的建筑方案、消防设备和疏散程序进行评估[40,41]。计算机火灾模拟是一个动态发展的分析分支，是广义上的消防安全工程的一部分。因此，越来越多的相关文献介绍了计算机火灾计算的结果。除其他外，一些研究描述了火灾的发展过程以及选定的有害因素（如烟雾扩散或气体介质温度升高）造成的相关危险[42]。此外，还进行了计算机模拟，以确定火灾产生的各种化合物（如 或 ）的挥发分浓度[43]。此外，文献还记载了进行火灾和疏散耦合计算的可能性。Jasztal 等人和 Wang 等人的研究[44,45]介绍了针对大型物体进行的此类模拟结果。在本文中，作者使用了两种模拟软件，即 Pathfinder 2022[46]和 PyroSim 2022[47]，前者用于研究仓库大厅的人员疏散情况，后者用于研究该设施的火灾发展和烟雾扩散动态。PyroSim 软件的实用性和可信度已在对仓库中的各种火灾情况进行数值模拟的出版物中得到反复证实[48]。许多著作[49-56]将火灾发展结果及其产生的燃烧产物与人员疏散模拟进行了有趣的结合，考虑了火灾产物对人员疏散条件和效果的影响。

有鉴于此，本手稿旨在研究可持续仓库设计在消防法规和成本方面的有效性。本研究的假设是，消防法规和消防安全工程（如消防模拟）对仓库的设计和建造成本有重大影响。


2.设施特点


所分析的设施是由一个单层仓库（包含在高架仓库部分）与一个两层的社会和办公综合体组合而成。根据上述规定，由于其高度为 ，该建筑被列为中高层建筑（MH）。该建筑的仓库和技术部分将用于临时居住，而办公部分将用于长期居住。

使用码头装卸系统向设施运送材料。在仓库的一部分，将使用托盘车和叉车卸载卡车并运输材料和货物。该设施将是一个统一的长方体，有突出的社会和办公区（图 1）。

图 1.带有社交和办公楼群的仓库建筑概念。

仓库将建成一座单层建筑，内设变电站技术室、中压和低压开关柜。大厅内的存储高度（从完工楼面到桁架/檩条底部的高度）将为 ，而建筑物到护栏上层的高度约为 ，码头的高度约为 。根据设计理念，大厅将分为两个租户。建筑的屋顶和立面将采用轻型房屋；屋顶将采用日光照明，利用排烟口/天窗构成 。将确保结构构件、屋顶和墙壁的耐火性能不超过 。为了保护外墙免受机械损坏，将在码头和入口大门从 "0 "层开始建造-1.20 至 高的钢筋混凝土墙，而在建筑的其余部分，钢筋混凝土地基将高出地面 。大楼的外窗和门将由铝制成，交货区将由尺寸为 的系统码头大门（32 个）和尺寸为 的从 "0 "层进入的大门组成。 ，通过暖气片或燃气加热器提供所需的温度。大厅的通风将采用机械排风系统，排风量为 ，雨水将通过屋顶真空排水系统排出。

社会和办公附属建筑将是两层的交钥匙建筑。与大厅一样，附属建筑的屋顶将是平的，外墙将采用轻质外壳，其技术类似于仓库外壳。外窗和门将采用铝材，而室内门将采用木质饰面。在社会和办公附属建筑中，将根据要求提供电或燃气供暖、通风、照明、供水和排污装置。

可持续建筑的设计和建造应符合防火标准，即结构构件的承载能力、限制火势和烟雾在建筑内的蔓延以确保有效疏散，以及限制火势向邻近防火区或建筑的蔓延。基本方面是对建筑物进行适当分类，并根据类别划分防火区，从而确定各个建筑构件的耐火要求、防火区的大小或防火通道的长度。根据上述规定，社会和办公部分属于 ZL III 类，而仓库部分属于 PM 类[2]。


建造带社交和办公附楼的选定仓库大厅的各种方案


建筑结构以及墙壁和屋顶覆层的实施取决于其分类和与消防安全有关的要求。这些要求包括

这些限制并不总能满足实施投资的预算假设或时间表的要求。然而，通过适当的设计策略，可以减少所需的消防安全设施对建筑可持续性的影响。考虑到上述情况，应按照以下三种方案对仓库建筑进行分析：

I. 耐火等级为 " "的大厅，配备了不会蔓延火势的建筑构件，并配备了永久性水灭火装置和自动排烟装置。PM 区将构成一个不受限制的防火区。变型 I 的方案如图 2 所示。

二. 耐火等级为 " "的仓库大厅，所有建筑构件均不会传播火灾，并配备自动排烟装置。PM 区将分为四个防火区，最大面积为 。变型 II 的方案如图 2 所示。

三、耐火等级为 "B "级的仓库大厅。PM 区将分为六个防火分区，最大面积可达 。变型 III 的方案如图 2 所示。
 瓦里安蒂
 变体 II
 变体 III

图 2.变体 I、变体 II 和变体 III 的防火分区。

根据适用的法律规定，社会和办公部分的耐火等级为 " "。


3.会堂建造技术变体的成本估算


在这项研究中，采用了单位成本法，通过将每个工程项目的数量乘以单价来计算大厅建筑技术变体的成本。为此，使用了 Norma Pro 软件 4.65 版（Athenasoft，波兰）。

对于变式 I，使用永久性水灭火装置和自动排烟系统作为火灾报警、排烟和喷水灭火系 统的一部分，将使仓库建筑的耐火等级从 " "降至 " "。这种解决方案的最大优点是可以对仓库进行任意布置，因为仓库将构成一个无限制的防火区。根据惯例，将按照美国标准--NFPA 13《自动喷水灭火系统安装标准》进行安装。该标准为固定式水灭火装置提供了最广泛的应用范围，但同时也是要求最严格的标准，因此备受此类设施的投保公司的青睐，因为这些设施往往存放着价值不菲的货物。众所周知，消防水喷淋设施是任何建筑消防安全系统的重要组成部分，但它们在可持续建筑设计中也发挥着至关重要的作用。NFPA 13 标准允许设计较小的消防安全系统，从而减少每个区域的消防水喷淋设施数量，并消除架内消防水喷淋管道。在发生火灾时，消防水喷淋设施可减少水的浪费，因为与普通系统相比，它们能用更少的水快速发现并扑灭火灾[57]。

根据上述准则，大厅将分为六个自动喷水灭火分区（ST1-ST6），其中最大的自动喷水灭火分区面积为 。应在自动喷水灭火系统平面图（见附录 A）上绘制自动喷水灭火系统管道、供水管以及控制站和报警/阀门站的位置。自动喷水灭火系统将由黑色钢管制成，管段将使用沟槽连接件和螺纹接头连接。管道将沿数字轴布线，间距为 至 ，而管道上的水喷淋头间距应为 至 。这样的安排符合标准要求。为确保整个设施得到适当的防火保护，需要 2504 个 ESFR K240 喷头、3.6 巴、约 7600 米长的水管（水管上将安装喷头）、约 个集电器以及六个控制和警报站。根据 NFPA13 标准，假定控制和报警站所需的最低设备将由一个止回阀和一个带有位置电 气或机械信息的截止阀组成。关于阀门站的其他设备，计划为其配备电子流量传感器，该传感器将与火警系统相连， 在自动喷水灭火系统出现水流时发出火警警报。此外，根据标准，可以从自动喷水灭火系统总管向内部消防栓供水，条件是位于特定自动喷水灭火分区的消防栓可以从相邻的自动喷水灭火分区供水。有了这种解决方案，就不需要建造环形内部消防栓系统。如果使用两条 软管，则需要在设施内安装 10 个内部消防栓。只要提供所需的水量和适当的压力，设施内的自动喷水灭火系统就能正常运行。NFPA 13 标准假定应按 12 个水喷淋器计算所需水量。此外，根据上述法律法规的要求，还应加上安装内部和外部消防栓所需的水量。供水管网的工作压力为 ，外部消防栓管网的需水量为 。

根据计算（见附录 A），假定应提供一个容量为 的储水箱，以满足消防系统的需要。此外，为了确保自动喷水灭火系统和内部消防栓的水流量，有必要建造一个由两台柴油泵组成的消防泵站。在储水池中

在 ST1 区段，将安装 DN80 毫米的自动喷水灭火系统管道、DN 的供水管道、DN 的阀门站和 PP Ø315 的供水管网（在泵站和 ST1 区段之间--压力损失 ）。

为了进行外部消防，应安装一个由聚丙烯管道组成的周边消防栓网络，配备 消防栓，间距不超过 。根据 的用水需求，消防栓管网的直径选择为 Ø 250（压力损失 ）。由于消火栓管网所需的储备水量占整个管路的 ，因此假定这将为建筑物内的自动喷水灭火系统供水，该系统将与消火栓管网相连。

除自动喷水灭火系统外，还必须安装自动排烟系统。为此，需要在 安装尺寸为 的排烟口和面积为 的有效排烟区域。此外，还需要安装 54 个屋顶天窗，这将确保大厅的日照水平达到 。为了减少排烟口的数量，根据 NFPA 204 标准采用了排烟系统：为了减少排烟口的数量，根据 NFPA 204：《排烟排热标准》，排烟系统的有效面积约为建筑面积的 。拟议的解决方案将在建筑和屋顶方面节省大量费用。此外，为确保排烟系统的空气供应，还将使用码头闸门，并在其中安装不间断电源装置，以便在工地停电时打开闸门。为了自动启动排烟系统，建议使用 POLON 4900（波兰 POLON-ALFA）火灾报警系统。

表 1 列出了变式 I 的预计安装费用。

表 1.变式 I 的消防安装费用。
 计算项目 Value [EUR]
 洒水系统

安装内部消防栓 		3170.13

内部消防栓安装环-834.40 欧元 		-

消防泵 柴油

建造集装箱泵房

储水箱容量为

水箱基础 		742.53

地基板加固 		1945.59

B10 消防水池混凝土地基 		1123.19

Ø250消防栓网络（不含土方工程-865.26 69.92欧元/1米

Ø315 消防栓网络（不含土方工程）-460.21 欧元
 外部消防栓-6 个 9632.60
 安装火灾报警器

除烟装置
Total -

上述工程的价值将达到 759 494.85 欧元。这种方案的缺点是安装自动喷水灭火系统的劳动强度高，消防泵的等待时间长，可能需要 10 至 12 周。优点是可以对大厅进行任意布置。此外，消防法规并不考虑多个建筑物同时发生火灾的情况，例如由多个仓库设施组成的物流园区，因此消防水箱和泵站可为多个大厅供水。在这种情况下，额外费用仅与在后续建筑中安装自动喷水灭火系统有关。

在变式 II 中，与变式 I 一样，使用自动排烟装置的目的是将建筑物的耐火等级从 " "降为 " "，但在这种情况下，有必要将设施划分为防火区（见附录 A）。为确保正确防火而必须进行的工程范围（不包括自动喷水灭火系统）： 1.

保护和疏散条件在几个细节上与前一种方案有所不同。首先，为确保排烟系统的自动运行，应在火灾报警系统中增加火灾和烟雾探测传感器。假定在 POLON 4900 系统中，火灾报警器的校准与变型 I 相同。

该系统的工作原理与变型 I 类似，不同之处在于，收集信号的不是自动喷水灭火系统的流量传感器，而是烟雾传感器。在排烟系统中，唯一的区别是不需要使用挡烟垂壁，因为防火隔离墙将发挥其作用。在内部安装消防栓的情况下，应安装一个内部水管环，配备两个电源，以确保同时从 四个消防栓（共计 ）取水用于消防。消防栓系统假定由 钢管制成，其压力损失为 。

在变型 II 中，内部消防栓的供水管网建议采用直径为 250 的聚乙烯管，在 396.64 米长的管段中，压力损失约为 0.03 巴。内部消防栓所需的排水压力应为 。考虑到压力损失，应为安装提供一套水池泵，工作压力为 3.43 巴，流量为 。

变型中外部消防栓网络范围的不同之处包括：变型 II 中所有段落均使用 PE100 SDR13 Ø250 管道，包括 的圆周备用管道，该管道将用于内部消防栓的安装。在安装内部和外部消防栓时，应安装两台柴油消防泵（主泵和备用泵），最小容量为 ，工作压力为 3.43 巴。

由于变式中没有喷淋系统，外部消防栓所需的水量将比变式 I 多一倍，因此水箱的容量也略大 )。为此，假定一个典型的水箱高度为 ，宽度为 ，容量为 。表 2 列出了备选方案 II 中消防设施和排烟系统各个组成部分的大致制作成本。

表 2.备选方案 II 的防火设施费用。

大厅建筑变式二 		Value [EUR]
 喷灌系统 -

安装内部消防栓 		3170.13

内部消防栓安装环-834.40 欧元

消防泵 柴油

建造集装箱泵房

储水箱容量为

水箱基础 		938.21

地基板加固 		1945.59

B10 消防水池混凝土地基 		1123.19

直径 315 的消防栓网络（不含土方工程）
 外部消防栓-6 个 -
 安装火灾报警器 9632.60

除烟装置和日光照明

采用屋顶天窗的全光照明 by ERMONT
Total

上述防火和信号装置的费用为 415 240.60 欧元。与方案一相比，可节省 344 254.25 欧元。由于劳动力消耗较少，火灾报警系统的实施时间也应比自动喷水灭火系统短。

在变型 III 中，建筑的耐火等级为 " "。建筑将配备内部和外部消防栓形式的基本消防设施。

火警系统只能通过手动呼叫点进行手动启动。使用后，设施内的声音信号将被激活，燃气供应将被关闭，通风系统将被禁用。

火警系统的费用与变式 I 相同，但在日光照明方面会有很大不同。138 个屋顶天窗将取代排烟口，但要求屋顶耐火等级达到 EI 30 级。其余部分（消防栓安装、水箱或泵站）与方案二相比没有差异。表 3 列出了在变式 III 中实施建筑物各个部分所需的大致费用。

表 3.变型 III 的消防安装费用。

大厅建筑变体 III
 计算项目 Value [EUR]
 洒水系统 -

安装内部消防栓 		3170.13

内部消防栓安装环- 欧元

消防泵 柴油

建造集装箱泵房

储水箱容量为

水箱基础 		938.21

地基板加固 		1945.59

B10 消防水池混凝土地基 		1123.19

Ø250消防栓管网（不含土方工程-1262.13 米 × 69.92 欧元/升

直径 315 的消防栓网络（不含土方工程） 		-

外部消防栓 - 6 个 		9632.60
 安装火灾报警器

除烟装置和日光照明 		-

利用屋顶天窗进行日光照明 by Ermont
Total

上述工程的总造价为 342 289.48 欧元；就楼房改造而言，这在资金和时间上都是最有利的。


4.消防系统运行的变量分析


在 PyroSim（2022）程序中进行的模拟中，假定火源是一个长方体模型物体，其形式为火灾模拟器，尺寸为 [宽 长 高]，位于大厅的一个角落。长方体的上底面被假定为可燃面。模拟开始时，可燃面开始燃烧。可燃面的参数如下

  • 燃烧材料：橡木、

  • 可燃表面温度 ,

  • 火灾荷载曲线参数 (HRR)： .

数值模型提供了控制烟雾阻尼器开启的可能性。为说明各种可能性，假设每个计算变量都在模拟的第 10 秒打开排烟阀。


4.1.计算网格


作为数值模拟的一部分，分析了三种火灾变体：I-整个大厅为一个防火区；II-大厅分为四个防火区；III-大厅分为六个防火区。表 4 列出了所有分析变量的计算网格参数。

表 4.计算网格参数。
Variant Grid Number
 电池尺寸
 元素数量
1
2 135,200
II 1 580,950
2 135,200
III 1 389,700
2

与变量 I 和变量 II 中分析的区域相比，第三个计算变量（网格密度）分析的火灾区域体积相对较小，因此可以改变网络参数。因此，在变式 III 中，有可能就计算域选定点和选定结果平面的温度值变化情况提供可靠的定量结果。此外，还可以显示两个温度值的等温面分布情况。

在每个变量中，都采用了相同的模拟时间 ( )。结果是根据 Pathfinder 程序开发的大厅疏散模型的结果估算的（将可用疏散时间的结果值增加了近两倍）（100 人从仓库疏散的模拟结果为 ）。

进行初步模拟试验（其结果不包括在本研究中）后，可以确定在变式 I 模拟的最后阶段烟雾所覆盖的最大面积。试点测试的结果有助于确定需要使用计算网格覆盖的区域。从计算开支的角度看，用网格覆盖整个模型是 "不经济的"，而从试点研究中指定的区域外缺乏重要现象的角度看，用网格覆盖整个模型也是毫无意义的。分析结果表明，计算网格覆盖了大厅的整个空间，约占大厅长度的 。在火源附近，计算网格被局部压缩（图 3）。图 3 显示了所有变体的计算网格。

图 3.变体 I 的 1 号计算网格以及变体 II 和变体 III 的 2 号计算网格。

在变量 II 中，研究了防火分区对烟雾扩散的影响。大厅被划分为四个防火区。研究了火灾模拟器所在的极端区域的烟雾扩散情况。使用分区可以减少计算网格的元素数量。在火源附近，计算网格被局部压缩（图 3）。

在变式 III 中（图 3），与变式 II 一样，研究了着火区对烟雾扩散的影响。大厅被划分为六个火区。与变式二类似，分析了极端区的烟雾扩散情况。使用分区可以减少有限元的数量。在火源附近，计算网格被局部压缩（图 3-2）。这种密度比之前的变体更大（在这种情况下，每个网格元素都是一个立方体

边长为 ；在以前的变体中，网格立方体边长为 ）。更密集的网格使得获得更多特征成为可能，例如火源上方任意选择点的温度变化。为了展示程序的其他功能，还使用了一个额外的结果平面来确定能见度形式的附加参数。

图 4 显示了第一个计算变量的 HRR 特性和总热流量的变化过程。在与可燃物表面点火有关的过渡期后，HRR 值稳定在 的水平（每平方米可燃物表面的设定 HRR 值）。总热流量的变化曲线是在 的模拟过程中上升到大约 的值。

图 4.变体 I 模拟期间 HRR（a）和总热通量（b）的变化。

 4.2.烟雾分布


图 5 显示了变体 I 的顶视图和侧视图中计算区域的烟雾分布情况。在每个变体中，为了提高对比度，烟雾都用黄色标出。

图 5.变体 在 、 和 时间内计算区域内的烟雾分布 - 俯视图。

图 6 显示了变体 II 中 HRR 特性和总热流量的变化过程。
(a)
(b)

图 6.变体 II 模拟期间 HRR（a）和总热通量（b）的变化。

在 HRR 过程中，所分析的参数值与变量 I 相似，在 附近摆动。与变量 I 相比，总热流量值随时间变化的过程发生了质的变化。对这一过程的分析表明了打开挡烟垂壁的时刻。襟翼的启动导致了散热。总热通量随时间变化的下降表现为数值的明显下降。在变量 I 中，由于大立方容量的大体积计算域的热量 "饱和 "较小，因此这种减少并不明显。

图 7 显示了变体 II 计算区域内烟雾在俯视图和侧视图中的分布情况。

图 7.变体 II 在 、 和 时间内计算区域内的烟雾分布 - 俯视图。

然后，制作了变体 III 的模型。对监督火灾特征过程的分析表明，只有 HRR 过程发生了质的变化，如图 8 所示。平均值周围的瞬时值更加分散，这与计算网格的密度有关，从而更准确地反映了火焰在火灾模拟器可燃面上的不稳定性。

图 8.变体 III 在模拟过程中 HRR 值的变化。

图 9 显示了变体 III 侧视图中计算区域内的烟雾分布情况。

图 9.变体 III 在 、 和 时间内计算区域内的烟雾分布 - 侧视图。

图 10 中，结果平面 显示了变体 III 第 120 秒的能见度以及两个温度值（ 和 ）的等温面分布情况。

图 10.变体 III 中 (a) 时间的能见度。比例尺从 到 变体 III 中等温线表面的变化过程：模拟第 60 秒（b）和第 120 秒（c）时的 （蓝色）和 （红色）。

根据上述能见度和等温线分布结果，可以得出结论：在对变体 III 进行 模拟后，火源附近的烟雾由于集中在天花板区域，不会限制能见度。变式 III 的等温面分布情况表明，经过 模拟后，只有在火源附近才会达到对人体构成威胁的温度。

 5.讨论


分析表明，就消防法规而言，在成本方面有几种实施所分析投资的可能性。防火要求对建筑结构解决方案、屋顶和外墙系统有很大影响。设施的面积和高度等参数对解决方案的选择以及是否需要使用额外的系统和安全措施造成了诸多限制。根据所分析的法律要求，在防火要求方面可以有三种不同的投资实施方案。

在分析中，变式 I 和变式 II 假设所选设施的耐火等级从 " "降为 " "，而变式 包括对 " "耐火等级的投资。大厅建筑三个备选方案的防火系统费用细目如下I 型 759 494.85 欧元，II 型 415 240.60 欧元，III 型 342 289.48 欧元。在这三个方案中，安装内部（3170.13 欧元）和外部消防栓（9632.60 欧元）、集装箱泵站建筑（32612.95 欧元）和蓄水池地基（43483.93 欧元）的费用相同。对于变式 II 和变式 III，内部消防栓安装环（20862.72 欧元）、消防泵（36961.34 欧元）和 Ø250 消防栓网络（87891.38 欧元）的成本相同。最便宜的方案是按 " "耐火等级建造一个大厅，必要的安装费用比方案一低 417205.37 欧元，比方案二低 72951.12 欧元。与方案一相比，方案二节省了 344 254.25 欧元。

考虑到仓库空间布局的可能性，备选方案 I 尽管实施防火系统的费用较高，但在这方 面却是最灵活的。由于它将构成一个不受限制的防火区，因此，它将是所分析的三个备选方案中唯一一个无需使用额外的防火隔墙来分隔结构的方案。

除可持续大厅设计外，还进行了多次数值模拟，其中的基本分析参数是烟雾在计算域中的扩散情况。对每个计算变量的结果进行分析后，确认了烟雾在天花板区域的最大累积量。从数量上看，随着着火区数量的增加，天花板层的厚度也随之减少，这是烟雾沿大厅长度传播受到物理限制的自然结果。然而，天花板烟雾层的最大厚度（第三种计算变量的特征）比大厅的总高度要小得多。

(从地板到天花板)，因此在 0 至 的时间范围内，从限制疏散能见度的角度来看不会构成威胁。上述观察结果的定量证实体现在沿火灾模拟器所在火灾区长度方向延伸的平面上，该平面穿过火灾模拟器中心并与大厅前墙平行。结果表明，只有在可燃物表面上方的空间以及大厅侧墙和后墙交界处的角落的选定点，能见度从 12 到 之间有明显的限制。所获得的结果还允许我们排除火灾模拟器中火灾发生后高达 的热脉冲风险，这从数量上直接证明了任意选择的 和 等值面的数值确定分布是合理的。此外，模拟结果还可以确定计算区域内特定时间的总热流量，其值介于 和 之间。

要为所选投资项目选择最佳方案，就必须列出技术方案清单以及所有必要设施和工程 的费用。根据上述情况，下一步的分析将涉及土方工程、建筑方案和工业设施的成本，这些都是合理设计和运营带有社会设施的仓库大厅所必需的。此外，在火灾模拟结果的基础上，还将从安全和长度方面确定大楼的最佳逃生路线。


6.总结和结论


根据消防法规，对建造带社会附属建筑的仓库大厅的各种技术方案进行分析后发现，所选投资方案的成本差异巨大。从财务角度看，最佳解决方案是在变体 III（即耐火等级为 " "的建筑）中实施防火系统。遗憾的是，在这一变体中，PM 区必须划分为六个防火区，最大面积可达 ，从投资者的角度来看，这可能不是一个优势，因为物流和仓储需要的空间安排受到限制。就防火和疏散条件而言，尽管防火装置的成本最高，但变型 I 最具优势。这种方案的最大优点是可以建造任何面积的大厅，而且面积越大，使用自动喷水灭火系统和排烟系统的成本效益就越高。从用户的角度来看，使用自动喷水灭火系统和排烟系统是一种更实用的解决方案，因为自动喷水灭火系统不是为了降低建筑成本而绕过法律要求，而是一种有效的灭火工具。据统计，在最多四个自动喷水灭火器自动启动后，10 次火灾中有 8 次被扑灭，因此可以说该系统的有效性非常高 。水喷淋管道系统的投资很快就能在建筑保险费用上得到回报，因为它是一种非常受保险基金青睐的解决方案，保险基金更愿意对水喷淋操作区域内的受损财产进行赔偿，而不是对整个设施及其内积累的财产进行赔偿。Issman 和 Nisja 的研究[60,61]比较了安装和未安装水喷淋管道系统的建筑物所节省的保险费用，结果表明，安装水喷淋管道系统的建筑物的保险费率降低幅度很大，往往足以证明安装水喷淋管道系统的费用是合理的。此外，安装自动喷水灭火系统每年可节省保险费，安装成本仅需四年就可收回。

另一方面，变型 II 是介于其他变型之间的一种选择。与变体 III 相比，它在仓库空间布局方面提供了更多的可能性（四个 PM 区，每个区的面积为 ），但由于使用了自动排烟装置，与变体 I 相比，它的消防安装费用更高（超过 7 万欧元）。

通过使用商用 PyroSim 计算软件包，可以进行多次模型火灾模拟。在所进行的研究中，评估仓库大厅设计质量的基本标准是烟雾的有效扩散。不过，该程序的功能允许我们扩展监控参数的范围，例如烟雾的扩散过程

温度变化的影响。通过计算，我们获得了一组定量和定性数据，这些数据不仅可用于评估火灾模拟器模型点火情况下的消防安全和进行有效疏散的大厅设计，还可用于评估其他火灾变异情况。

根据在这项工作中进行的分析，可以得出以下结论：

  • 防火和疏散条件对投资的时间和成本有很大影响；

  • 降低建筑物的耐火等级，同时使用自动排烟装置和固定水灭火装置，可以大大降低设施的保险费用，但不能降低投资成本；

  • 如果物流园区或仓库设施的面积超过 ，使用自动喷水灭火系统和排烟系统在经济上是合理的、

  • 由于没有自动装置，而且仓库被划分为六个 PM 区，因此安装成本大大降低；

  • 对每个计算变量进行了多次数值模拟，确认了天花板区域的最大烟雾积聚量；

  • 随着防火分区数量的增加，天花板层的厚度也随之减少，这是烟雾沿大厅长度传播受到物理限制的自然结果；

  • 第三种计算方法得到的天花板烟雾层厚度最大，其值比大厅总高度低得多，从限制疏散时能见度的角度来看不构成威胁（0 至 ；

  • 在沿着火区长度方向延伸的结果平面上显示的能见度结果表明，只有在可燃物表面上方的空间和大厅角落的选定点上，能见度从 0 到 大幅降低，因此可以在火灾模拟器中排除火灾后高达 的热脉冲风险；

  • 根据模拟结果确定的计算域内某一给定时间的总热流量值范围为 和 。

作者贡献：构思，K.P.和P.O.；方法，K.P.、M.L.-S.、G.W.和J.K.；软件，M.J.和Ł.O.；验证，K.P.、P.O.和 P.S.；形式分析，K.P.、M.L.-S.、R.T.、J.K.和 Ł.O.；调查，K.P.、M.L.-S.、R.T.、G.W.、P.O.和 Ł.O.；资源，K.P、写作-原稿准备，K.P.；写作-审阅和编辑，K.P.、P.O.和M.J.；可视化，K.P.、M.J.和Ł.O.；监督，M.J.、P.O.、R.T.和P.S.；项目管理，M.L.-S.和J.K.；资金获取，M.L.-S.。所有作者均已阅读并同意手稿的出版版本。

资助：作者在本文的研究、撰写和/或发表过程中未获得任何资助。

机构审查委员会声明：不适用。

知情同意声明：不适用。

数据可用性声明：作者确认，文章中提供了支持本研究结果的数据。

利益冲突：作者声明无利益冲突。

 附录 A


附录 A.1.水流量 Q 计算


假定聚乙烯管的公称直径为 ，流速为 ，根据公式计算在现有压力下城市管网的水流量：


附录 A.2.蓄水池的容量


计算公式如下
 在哪里？

-水箱容量、

-洒水器运行时间、

-喷洒压力、

-放电系数、

-洒水器数量、

-内部/外部消防栓的操作时间

-内部和外部消防栓的水流。


附录 A.3.A 消防泵站


为确保自动喷水灭火系统和内部消防栓的水流量，有必要建造一个消防泵站，由两台柴油泵组成，分别是主泵和备用泵，其容量为

满足自动喷水灭火系统需要的消防泵应提供扬程值 。根据以下 Hazen-Williams 公式，按 12 个水喷淋器的标准计算系统中的水压损失：
 洒水器流量

管道压力损失
 在哪里？

流速（ ） 、

C 管道常数（钢管 ）、

管道直径 、
 l 截面长度[米]、

  • -洒水强度 、

一个自动喷水灭火装置保护的区域 .

图 A1.喷水灭火系统和内部消防栓平面图。

表 A1.火灾、烟雾探测和火灾报警系统的额外费用清单。
Element Unit Quantity  单位价格 Value [EUR]

火灾报警面板 Polon 4900 		Pcs 1.00 3761.54

Dtc-6046 烟雾探测器（间距每 7

和 3.5 )
Pcs. 512.00 97.84

用于 6046 型探测器的 G-40 底座 		Pcs. 512.00 7.83 4007.48
Fire cable Lm 4915.78 2.21

手动呼叫点 rop-60-r 		Pcs. 12.00 58.33 700.00

Ewk-4001 控制元件 		Pcs. 70.00 168.28
Sounder sal-4001 9.00 101.22 910.98

检测线的调试和测试 		Set 1.00 3472.00 3472.00
Total

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