Automatic Fire Alarm System Design for Large-Scale
Steel Structural Industrial Buildings
Abstract: Steel components will be easily distorted when large-scale steel structural industrial buildings are on fire, which will result in fire quickly spreading and make people rescue more difficult. The committed step is to construct a reliable and optimized automatic fire alarm system based on fire control characteristics of large-scale steel structural industrial buildings. The system should make advance warning and extinguish the fire in the initial stage. A scheme has been put forward for automatic fire alarm system of large-scale steel structural industrial buildings in this paper. Distributed control system theory and redundancy technique have been applied in system configuration and reliability design. An engineering example of large-scale steel structural industrial plants has been given out. The buildings are divided into alarm zones and detection zones according to fire compartment and production property. Suitable detectors and small capacity distributed intelligent alarm controllers are selected to optimize system configuration. The engineering examples show that the designed automatic fire alarm system is a reliable system which can work properly in formidable environmental condition and make quick and accurate fire alarm in early stage possible. The example also indicates that high capacity alarm controllers have been out of fashion and small capacity detectors will be widespread and have the capability to solve the difficult problems of phased and disperse construction because of their advantages in flexible network construction and convenient expansion. This will be the trend of development in automatic fire alarm system of large-scale steel structural industrial buildings in the near future.
Keywords: large-scale steel structure; industrial buildings; automatic fire alarm system； distributed control system theory; redundancy technique
- Introduction
Steel structural buildings have advantages in light weight, high intensity and good earthquake resistance and have been widely used in industry. Large-scale steel structural industrial buildings consist of some main buildings and many reluctant auxiliary buildings accompanied by the problems of large-scale, phased, disperse and long-term constructional
Steel components are easily distorted when large-scale steel structural industrial buildings are on fire, which will result in fire quickly spreading and make people rescue more difficult. Although method of fireproof coating on the surface of steel structure can increase its limit of fire resistance, the committed step is to construct a reliable and optimized automatic fire alarm system based on fire control characteristics of large-scale steel structural industrial buildings. The system should make advance warning and extinguish the fire in the initial stage[3l
A new scheme has been put forward for automatic fire alarm system of large-scale steel structural industrial buildings in this paper. Distributed control system theory has been applied in an engineering example of large-scale steel structural industrial plants. The buildings are divided into alarm zones and detection zones according to fire compartment and production property. Suitable detectors and small capacity distributed intelligent alarm controllers are selected to optimize system configuration. The engineering example shows that the designed automatic fire alarm system is a reliable system which can work properly in formidable environmental condition, make quick and accurate fire alarm in early stage and have the capability to solve the difficult problems of phased and disperse construction.
- Fire Behavior of Steel Structural Industrial Buildings
In recent years, China#39;s economy has developed by leaps and bounds, the economic development has brought
unprecedented prosperity in the construction industry, some large-span, high-rise buildings came into being. Buildings in the use of more and more types of steel, factories, bridges, residential, factories, warehouses, gymnasiums, exhibition halls, supermarkets and other construction industry more and more widely use light steel structure. As the human cultural life continues to improve, high-rise, large-span building requirements are getting higher and higher, and steel structure itself with light weight, high strength, fast construction and other unique advantages, so high-level, large span, especially super- Large span. The use of steel structure is very ideal. At present, the world#39;s tallest and largest structure is made of steel structure, and the previous Olympic venues are also more use of steel structure, China#39;s bottom, multilayer and light steel structure is more and more widely used, high-rise and high-rise and large span steel The greater development. With the economic development and construction needs, China#39;s steel structure and the gap between developed countries will continue to shrink. China#39;s steel market will have a broad prospect. But the rigid structure as a building material because of its poor fire resistance, easy to collapse defects, so that fire prevention work is facing this series of new problems.
-
- Weakness of Fire Prevention
Fireproof performance of steel structure is worse than that of reinforced concrete structure. Steel structure is used in locations where the temperature is no more than 250 Steel will be distorted and lose its supporting capability under fire and its fire resistance limit is only a quarter of an hour141.
Supported by NSFC grant, 60773122.
2.2 The early development of the fire
In the fire engineering practice, the fire extinguishing system will often deal with the rol
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大型自动火灾报警系统设计----钢结构工业建筑
摘要：当大型钢结构工业建筑发生火灾时时，钢组件很容易被损坏，导致火灾迅速蔓延，让别人救援更加困难。关键步骤是要基于大型钢结构工业建筑的火灾控制特点构建一个可靠的和优化的消防火灾自动报警系统，该系统应该预先发出火灾警报并在初期扑灭火情。本论文提出了一种关于大型钢结构工业建筑的火灾自动报警系统的全新设计,并且在系统配置和可靠性设计中应用了厄余技术和分布式控制理论。在给出了大型钢结构工业厂房的工程实例中，根据防火分区和生产性能，将建筑物分为报警区域和检测区域，并选择合适的探测器和小容量分布式智能报警控制器来优化系统配置。工程实例表明设计的火灾自动报警系统是一个可靠的系统，能够在恶劣的环境条件下正常工作，并能尽早做出快速准确的火灾报警。该示例还表明，高容量报警控制器已经不合时宜，而小容量检测器将会被广泛应用，因为组网灵活、扩展方便的优点从而具有解决阶段性和分散建设的难题的能力。这将是今后大型钢结构工业建筑火灾自动报警系统的发展趋势。
关键词：大型钢结构；工业建筑；自动火灾报警系统；分布式控制系统理论；厄余技术。
1 介绍
钢结构建筑具有重量轻、强度高、抗震性能好等优点，在工业中得到了广泛应用。大型钢结构工业建筑由一些主要建筑物和许多会产生大规模建设、分期建设、分散建设和长期建设等问题的辅助建筑组成。
大型钢结构工业厂房发生火灾时,钢部件容易变形,这将导致火灾迅速蔓延,使人们的救援工作更加困难。虽然在钢结构表面防火涂料可以提高其耐火极限,但是对于钢结构厂房的消防还是应该根据其特点和使用性质，构建一个可靠、优化的火灾自动报警系统。系统应能对初期的火灾进行预警,扑灭。
本文提出了一种大型钢结构工业建筑火灾自动报警系统的新方案。分布式控制系统理论已在大型钢结构工业厂房工程实例中得到应用.根据防火分区和生产性能,建筑物分为报警区域和检测区域。选择合适的检测器和小容量分布式智能报警控制器,优化系统配置。工程实例表明,设计的火灾自动报警系统是一个能在恶劣环境条件下正常工作的可靠系统,在早期可以迅速准确的火灾报警,具有解决阶段性和分散建设难题的能力。
2 钢结构工业建筑的火灾行为
近年来，我国经济有了突飞猛进的发展，经济的发展带来了建筑业的空前繁荣，一些大跨度、超高层建筑应运而生。建筑物中运用钢结构种类越来越多，厂房、桥梁、住宅等，工厂、仓库、体育馆、展览馆、超市等建筑业越来越广泛的运用轻钢结构。由于人类文化生活不断提高，对高层、大跨度建筑的要求也就越来越高，而钢结构本身具备自重轻、强度高、施工快等独特优点，因此高层、大跨度，尤其是超高层、超大跨度。采用钢结构更是非常理想。目前世界上最高最大的结构采用的都是钢结构，而历届奥运会的场馆也多采用钢结构，我国底层、多层以及轻钢结构运用越来越广泛,高层以及超高层和大跨度钢结构也有了较大发展。随着经济的发展和建筑业的需求，我国钢结构与发达国家的差距将不断缩小。我国钢结构市场将有着广阔的前景。但刚结构作为建筑材料因其耐火性能差，易倒塌的缺陷，使防火工作面临这一系列新问题。
2.1火灾初期的发展
在消防工程实践中常将灭火系统对火灾发展的作用处理为：当灭火系统启动一定时间后，火灾热释放效率将不再增加，并维持在一定合理的时间后逐步衰减。由于大空间钢结构建筑存在许多不确定因素，有可能导致闭式自动喷水灭火系统不能发挥正常作用或失效。在这种情况下，应当以消防队员参与灭火时的火灾热释放速率作为最高火灾热释放速率，并维持到模拟结束。通过对我国大量的火灾案例分析，消防队必须在15min内到达火场出水，才能有效扑救防止火势蔓延。根据对数十个大、中、小城市的上百次实地测验结果并考虑到我国目前通信、交通道路、消防装备等状况，15min消防时间包括火灾发生到消防队接警时间4min、消防队出动到达火场时间5min、灭火准备、火情侦查及开始出水扑救时间6min。考虑打厂房内均有完善的灭火救援预案，如果附近的消防中队在4-7平方千米的保护范围内，且有消防中队和车辆现场执勤，故扣除消防行车时间5min，取消防队员在火灾发生后10min展开有效的灭火战斗并控制火势的发展。
2.2 火灾行为
2.2.1 防火的精度
钢结构的防火性能比钢筋混凝土结构差。 钢结构用于温度不超过250度的地方。在火灾下钢将变形，失去其支撑能力，其耐火极限只有十五分钟。
2.2.2 火灾的快速蔓延
大型、周边长和高度高是工业建筑的特点，并且在工业建筑中安装了许多排气风扇和中央空调，形成了许多未分离的空间，使得火灾可以快速蔓延而大面积着火。
2.2.3多种易燃易爆材料
多种设施，原材料和易燃易爆材料被用于大规模工业建筑中，这很容易导致火灾。
2.2.4人员疏散困难
复杂的结构和少量的分散路径会使工业建筑中的人员疏散更加困难。当建筑物着火时，工人将失去方向和判断，并且将很容易发生很多伤亡。
2.2.5灭火困难
结构复杂和规模大还有易燃易爆材料的燃烧产生大量的热和烟雾使消防队员难以到达工业建筑物的内部，
2.2.6辅助建筑物的影响
辅助建筑分别围绕主要建筑物建造。用来像主要建筑供电，提供配料和进行控制。如果辅助建筑物着火，整体结构的正常运行将受到影响。
3大型钢结构工业建筑的自动火灾报警系统设计
综合地考虑，应根据建筑物的防火规范和特点，对大型钢结构建筑物的自动火灾报警系统。辅助建筑是相互独立的，每个建筑都具有不同的土地利用和防火要求。 全面规划建筑物的完整功能，网络结构和系统配置，协调，联网，扩建和管理建筑物，以消除第一阶段的火灾。
3.1设计观念
综合管理和分散控制概念已被提出用于大型钢结构工业建筑物的自动火灾报警系统设计，来提高系统的可靠性并降低系统相互作用的概率。
大型控制系统将分为几个子系统。每个子系统都有一个相对独立的控制系统，进行现场检测、报警和控制。中央监控计算机将安装在报警中心，进行任务协调和对子系统监控和发出命令的任务。根据功能和区域来分派控制和检测任务。即使中央监控计算机发生故障时，任何子系统的故障也不会导致任何其他子系统或整个系统的故障，这将大大的提高系统的可靠性和开放性。
生产和施工任务在大多数工业项目中通常同时进行。在大型钢结构建筑的自动火灾报警系统设计中，由于小容量智能报警控制器具有网络建设更灵活的优势，扩展方便，所以应该放弃大容量的火灾报警控制器，选用一个或多个小容量智能报警控制器。由小容量智能报警控制器组成独立自主的管理子系统，稳定子系统将本合并到整个系统网络中，以使系统保持相对稳定的状态。
3.2 性能化防火设计的基本步骤
按照目前世界各国通用的做法，性能化防火设计方法主要由以下七个步骤： （1）确定消防安全目标，它包括性能化目标和性能好标准两方面。性能好目标是根据不同建筑本身的社会目标、功能目标和公众对建筑物所能提供的安全水平的社会期望，来制定出相应的性能要求。这些性能要求的量化指标是建立在一定的安全等级条件下的。它反映了建筑业主和社会公众对建筑安全的社会期望，但一般并未明确指定满足这些要求或目标所应采用的工程方法。性能化标准是社会公众或建筑业主针对一些具体的消防设备或消防系统提出的具体的技术指标和设计指标，如防火设计中的一些临界值，它们都可以在以后的防火设计中作为设计参数使用。（2）分析建筑物结构及内部可燃物、人员等的特征以及参考火灾科学和材料科学等，确立性能化指标和设计指标。它们是进行具体的建筑物防火设计的前提和基础，如对建筑的安全通道、出口、通风排烟、防火材料、火灾扑救和自动报警、供电照明等方面的具体要求。这些要求可以是一些量化的指标。（3）建立火灾场景和设计火灾，该部分涉及到建筑物防火设计的一些重要方面如着火源、火灾荷载及可燃物种类等，这些都是防火设计的技术条件。其工作量十分繁重，必需要有数据库来支持，而且数据必须具有可靠性。火灾场景是对某指定火灾从引燃或者从设定的燃烧到火灾增长到最高峰以及火灾所造成的破坏的描述。火灾场景的建立应包括概率因素和确定性因素，也就是说，此种火灾所造成的可能性有多大，如果真的发生了，那么火灾又是怎样发展和蔓延的？在建立火灾场景时，我们应该考虑的因素有很多，如建筑物的结构和用途、可燃物的数量和分布情况、人员的数量和组成、消防设施的设置和工作情况、消防救援的有效性以及其他许多难以预测的因素，通常只能考虑重要的和可以预测的因素。 （4）选择合适的计算分析方法，包括经典的计算公式，计算方法等，同时也包括进行火灾分析的物理模型和模拟模型：根据设定的火灾场景利用火灾工程学成熟的理论，分析或模拟计算火灾可能发生或蔓延的途径，范围，防护措施所能达到的效果等。运用火灾模型进行定量分析可以对火灾的发生和发展，烟气的产生与扩散，消防措施的工作情况以及人员的反映和采取的行动等进行动态模拟，定量计算火场的温度、压力、火灾气体浓度和烟浓度等参数，考察各种有关因素的影响，估计火灾对人员和财产的危险程度，从而对建筑物的安全性做出评价。合理的火灾模型可以定量地比较不同消防设计方案的火灾危险程度，方便、科学地进行火灾模拟与评估，根据每个建筑物的特点选定最为经济合理的消防措施。（5）借助消防工程参考性设计方法或工程经验确定设计方案，它一般包含有若干说明性文件或火灾安全工程指南。参考性工程设计方法包括利用现有指令性规范中常有的各类技术手段也可以是设计和检验过程中的一些方案、工程标准等甚至是一些典型建筑的工程实例，这些技术方法都是经过大量科学实验和工程实践总结出来的。工程设计人员可以以此为参考，选择相应的技术措施以满足建筑各部分所拟定的消防性能要求。例如，为了满足建筑物的防火分区在一定的范围内，设计人员可以参考通常的做法将建筑进行物理分隔，也可以采取其它方式如利用防火卷帘、水幕等方式来达到，甚至有的直接利用高强度自动喷水系统来达到这一目标。总之，设计人员所采用的方法应该与工程标准和实践相一致，并被人们所接受。提出和评估设计方案，这一部分是对设计人员所采用的设计方案进行分析、评价。主要是帮助证明所拟采用的方法的有效性和合理性，确定所达到的安全等级。这一部分强调建筑消防的整体安全性，因为在工程设计过程中，不同技术工种中某些性能要求也许可以满足，但又可能使其它工种的某些指标得不到满足，如采用建筑的物理分隔时使建筑物的火灾发生、防排烟、人员疏散、报警、火灾扑救等多方面。目前常用的评估方法包括等式分析、相关分析、实验以及用于工程分析和计算机火灾预测模型和程序，通过这些方法可以得出建筑物的综合安全等级。当所提供的建筑消防设计满足不了人们的要求时，则必须返回修改设计。在该步骤中，通常提出多个消防安全设计方案，并按照规范的规定进行评估，以确定最佳的设计方案，评估过程是一个不断反复的过程，在此过程中，许多消防安全措施的评估都是一句设计火灾曲线和设计目标进行的。
3.3工程实例简介
该公司是一家大型中国民族企业。自1989年起陆续完成了节能灯具厂一期到四期建设和信益公司的一期建设。各阶段建筑及相关辅助建筑均由钢结构组成，耐火性等级为2，火灾风险等级为D.主体分为炉区，压机成型区，退火炉区，后加工区，后加工和包装区，仓库区等6个区域。
中央报警控制策略用于第一，第二和第三期工程的自动火灾报警系统。因为没有考虑火灾的危险性和建筑的环境，这三个阶段的系统有许多缺点。连续事故的发生导致三个火灾报警系统接连不断的故障。
分布式控制系统理论和冗余技术已随后以应用于第四阶段的建筑节能灯厂和信益公司工程的自动火灾报警系统设计中。解决了系统从第一级到第三级的故障，并且保持了系统可靠性。
3.4防火区域
主建筑被分成三个防火区域。第一个包括炉区和压机成型区。第二个包含退火炉区和后加工区。第三个由后期加工包装区和仓库区组成。第一和第二防火区域位于同层七米宽的消防通道处。电气控制设备和办公楼与周围空间用耐火时间为2小时的钢板隔开。每个辅助建筑被设计为独立的防火划区。
建筑物应该分成报警区域和检测区域，才能够快速和正确地检测到着火的准确位置，并且及时的灭火。主建筑的报警区由同一层的一个或几个防火区组成。保护区被分为一些子序列检测区，根据不同的生产特性对报警区进行划分，以便快速准确地确定燃烧区。
钢结构的主建筑分为三个火灾报警区。第一火灾报警区域包括炉区和冲压成形区域。第二个火灾报警区包含退火炉区和后处理区。第一或第二火灾报警区域基于它们的精确状态可以被划分为一些检测区域。每个辅助建筑都被设计为是独立的防火区域。第三个火灾报警区域由后处理包装区和仓库区组成，任何一个区域都分别作为检测区。每个辅助建筑都被设计为独立的防火区和检测区。
3.5火灾报警控制单元
该公司选择具有五个回路的欧洲产品作为火灾报警控制单元。每个回路可以连接127个组件。可以通过用两条线路连接独立的控制器来形成环形网络系统。 网络系统可以连接的控制器的数量是31，可以在控制器之间进行可分级或未分级的管理。屏幕上的网络控制可以通过软件编程来实现。系统的智能分布和集中控制理念可以通过图形终端到主控制器的控制，然后从主控制器到子控制器，再从子控制器到检测器来实现。
3.6 探测器
自动火灾报警系统的整体性能由火灾探测器的选择和安装决定。应根据受保护的点来选择检测器。根据受保护对象的等级决定安装位置。
点型探测器选用类比智能光电感烟、感温探测器。CPU是通过智能检测来分析动态过滤信号建立火灾报警曲线。当环境参数改变时，内部处理器将进行自我分析并比较环境参数与火灾报警曲线中的参数。当更改的参数与曲线的参数一致时，将发出火灾报警。通过自动
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