气膜结构构想初始于20世纪初，随着科技水平与建筑技术的不断发展，气膜结构建筑形式越来越多。气承膜结构是指采用特殊建筑纤维膜作为建筑“外壳”，将膜面固定于支承结构上，配备智能化机电设备对完全密闭的空间提供空气压力，依靠内外部压力差把膜面拉起从而达到设计曲面的一种结构系统。部分建筑在膜材料外部采用斜向网格钢缆系统承力，将张力均匀传递并分摊到支承围护基础上，用以保证气承膜结构在纵横方向上的刚度，提高气膜结构的稳定性。

气膜结构建筑从设计方法、结构体系到受力形式上都与传统刚性结构建筑有根本性差异，它体现出覆盖跨度大、空间无障碍、结构形式柔美、景观包容性强等特点，同时又兼具造价低、材料可预制、可模块化施工、土地条件适用性强、保温性能好、绿色环保等优点。

当今膜材料发展迅速，气承膜结构跨度可达120 m，高度可达50 m，正广泛应用于仓储库房、运动场馆、会议展览、物流中转、极端条件下的应急空间等各类建筑[1,2]。

膜材料一般是由高强度织物基材和聚合物涂层构成的复合材料，部分膜材料还包括具有保护性能的面层等。根据GB 8624-2012《建筑材料及制品燃烧性能分级》，膜材料的燃烧性能划分为A、B1、B2、B3级。其中A类膜材防火性能最好，为不燃材料，工程上以玻璃纤维基材为主，涂敷聚氟乙烯等涂层材料；B1类膜材防火性能次之，常见以聚酯纤维为基材，涂敷聚氯乙烯等涂层材料，各类国内工程实践中应用较多，背面无基材条件下试验，该类材料燃烧性能符合B级的规定要求，附加分级符合s2,d0,t0级的规定要求，即燃烧性能等级为B1(B-s2,d0,t0)[3];B2、B3类膜材，常见以聚酯纤维、聚酰胺纤维为基材，涂敷合成橡胶、树脂等涂层材料而成，一般应用于投资不高、面积不大或临时性结构，防火性能较差的场所。

(1）耐火等级无法认定，火灾条件下结构变形坍塌不确定性大。GB 50016-2014《建筑设计防火规范》（2018年版）等消防技术标准对气膜结构类型建筑的耐火等级划分和认定尚未做出明确规定。该结构类型的建筑无柱、梁、楼板、承重墙体、屋顶承重结构等建筑构件，无法参照现行处方式消防设计方法进行设计。虽然该类建筑工程实际中可采用不燃或难燃膜材料，但火灾条件下，高温烟气包裹、炙烤或直接接触膜材料，膜材料受热易失去弹性，膜面整体张力受力体系将发生极大变化，膜材甚至会熔融或烧穿，气承膜受力体系结构失稳，会造成气承膜结构变形，极有可能造成倒塌。

(2）建筑空间无障碍、火灾蔓延速度快，传统安全疏散设计应用难。气承膜结构的拱顶式顶盖将建筑覆盖成一个相对封闭的空间，无法设置防火分隔设施，内部空间高度高、跨度大，形成巨大的空气仓。火灾初期时，供氧量充足，燃烧速度快；同时火灾形成的烟羽流在拱顶式顶盖下积聚，增大了对膜结构稳定性的影响，并加强热对流的速率。拱顶式顶盖对热辐射有反射作用，燃烧和热烟气的热量在开阔空间内反复聚集，不易散失，促进了火灾的发展蔓延。热量、浓烟、燃烧产生的有毒有害气体充斥顶盖下空间，人员将暴露在无防护条件下，不利于人员选择合理高效的安全疏散路径，传统安全疏散标准难以执行。

由于气承膜结构建筑高度大，拱顶内无支撑机构，传统的火灾探测器件、自动喷水灭火设施无法在建筑上部安装，部分安装完成的器件也多因难以集热集烟发挥不了应有的作用。另外，气承膜结构膜材料熔融前，由于膜材料区域内无开口，烟气集中在气膜拱顶上部，无法设置排烟通道，烟气无法通过自然或机械方式排出。

2018年10月，原公安部四川消防研究所等单位联合编制了工程建设标准化协会标准《气承式膜结构建筑消防技术规程》（报批稿），并向有关单位征求意见，就材料、建筑设计、消防设施、消防设施安装、系统验收、维护管理等方面提出相关要求，对气承膜结构会展建筑消防设计有重要指导意义。

参照气膜结构建筑充气展开后的建筑体量，膜材料支座、围护墙体、基础等支承围护结构构件的燃烧性能、耐火极限、防火间距等应参照《建筑设计防火规范》的相关要求执行。气膜材料应符合国家相关规范标准要求，宜选用玻璃纤维基材A级燃烧性能，最低不能低于B1级阻燃性能。设置气膜结构稳定性压力实时监控装置防止气膜结构坍塌。膜结构及其支承体系应保证火灾时正常运行时间不低于0.5 h。配电线路与电器设备不得靠近或贴邻膜材料敷设安装。膜材料外设置钢缆的建筑，距架空电力线的最近水平距离应大于2倍电杆（塔）高，距35 kV及以上架空电力线的最近水平距离不应小于40 m。

气承膜结构会展建筑多将售票、检票、等待、设备用房等功能设在膜材料外的支承围护结构内，形成包围膜结构的环形走廊及门厅等使用空间，将气承膜结构拱顶式顶盖投影下区域作为会展区使用。环廊区应作为一个防火分区设计，采用耐火极限不小于3.0 h的防火墙、甲级防火门等进行分隔，序厅和环廊的屋面板应采用耐火极限不小于1.5 h的不燃材料。环廊区需具备独立向室外疏散的条件。

会展区作为一个防火分区设计，可利用会展主席台、固定观众席等设施形成区域间宽度不小于6 m、距离气膜边缘宽度不小于7 m的室内防火“隔离带”，将室内空间划分为面积不超过2 500 m2的多个防火控制区。防火“隔离带”仅用于人员通行，不得摆放任何可燃物，并应设置永久醒目标志。

应在会展区外廓线上设置尽可能多的安全出口，使得建筑内任一点至最近安全出口的直线距离不大于37.5m。当建筑跨度极大时，可在会展区内合适位置设置隔墙耐火极限不低于3 h、楼板耐火极限不低于1.5 h的避难走道，避难走道会展端距建筑内任一点直线距离不大于37.5 m，且避难走道不应小于2处。

采取如网上预约申请进场、设置道闸计数器、显示器实时显示在场人数、超员报警装置等有效的技术措施，严格控制会展区场内人数不超过设计容纳人数。设计容纳人数应满足现行《建筑设计防火规范》关于安全疏散总宽度和任一出口疏散宽度的相关要求。

消防应急标志灯具应选择特大型或大型标志灯，照度不应低于5.0 lx。宜利用会展区内疏散路径上的悬臂灯或高点照明灯（供给EPS等备用电源）兼做应急照明灯具。在疏散走道和主要疏散路径的地面上设置能保持视觉连续的灯光疏散指示标志，并使用蓄光疏散指示标志作为辅助疏散指示标志。

气膜结构下方的会展区内不应设置房中房。主席台、固定观众席的搭建材料应为不燃材料，临时性展台、座椅等应为不燃材料或经阻燃处理的难燃材料；显示屏框架及线材应具备B1级阻燃性能；广告牌及布景等材料应采用A级不燃材料或经阻燃处理的难燃材料。

控制主席台最高点与气膜的最小垂直距离不小于9m，最小水平距离不小于4 m；固定座椅与气膜的最小水平距离不小于3.5 m[4]；伸缩座椅台最高点、工作台区域最高点、灯具桁架最高点与气膜的最小垂直距离不小于8 m，最小水平距离不小于3.5 m。高点灯具应选择低温灯具，并采用避免直接照射膜材料的转向限位措施。电气线路应采用耐火或阻燃电线电缆。因会展活动需要，临时敷设的电气线路应采取穿金属管或阻燃PVC管等措施保护。

消防供水由气承膜结构所在园区统一保障，园区统一设置室外消火栓。建筑会展区可采用自动跟踪定位射流灭火系统（自动消防炮）[5]。自动消防炮射流可能会受到影响的区域，应适当加密布置，以满足任一点应有两门消防炮同时覆盖。控制方式应具有自动、消防控制室手动控制、现场手动或遥控控制功能。自动消防炮的最大安装高度不应超过32 m，安装桁架最高点与气膜材料应保持一定的安全距离。在消防救援入口附近设置消火栓箱，箱内设置消防软管卷盘等轻便灭火设备。

除灭火器外，建筑内还应配备小型高效的移动灭火装置，如在主席台后方配备适用性强、灭火效率高、机动能力优、适用于大屏幕火灾的推车式细水雾灭火装置或背负式高压脉冲细水雾灭火装置等。

气膜结构建筑由于建筑结构的特殊性，应设置火灾自动报警系统，并联动自动消防炮系统、气膜结构稳定性压力监控装置等。根据《建筑设计防火规范》和GB 50116-2013《火灾自动报警系统设计规范》，气承膜结构会展建筑空间较高，一般超过12 m，宜设置两种以上火灾参数的火灾探测器。综合工程施工可行性及探测器适用环境，可选择线型光束感烟火灾探测设备和图像型火焰探测设备。气膜结构稳定性压力实时监控装置应接入消防电源。非消防负荷的电气线路应设电气火灾监控探测器，照明线路上应设具有探测故障电弧功能的电气火灾监控探测器[6]。

由于气膜结构全封闭的特性，火灾情况下烟气一般是自上而下填充封闭顶盖下空间。从人的因素来看，距离水平地面高2 m处烟气集聚的情况对消防安全至关重要。气承膜结构形成建筑室内超高超大净空，可作为火灾情况下热烟气的储烟仓。在采取建筑内部装修材料使用不燃材料或难燃材料、严格控制火灾荷载的情况下，短时间内热烟气下沉不到2 m高度，可不设计自然或机械排烟系统。当气膜结构底部支承围护结构较高时，可以在围护结构四周2 m以上布置自然或机械排烟口。火灾自动报警系统应能联动控制通风空调设施及气膜结构充气设施，火灾确认后能及时切断空气流动通道，控制火灾的发展。

气承膜会展建筑座位数超过2 000个或占地面积大于3 000 m2时，应设置环形消防车道。由于气膜建筑结构本身的不稳定性，应至少沿一个长边或周边长度1/4的底边连续布置消防车登高操作场地，该范围内气膜底部围护支承结构进深不应大于4 m[7]。

利用会展区设置的安全出口作为消防救援的入口，并设置可在室外易于识别的明显标志。建筑应设置气膜结构稳定性压力实时监控装置，监测气膜结构稳定性。火灾后期监测数据异常时，消防救援人员仅在外围灭火控火，不进入气膜结构内部。当满足下列条件之一时，通知场内救援人员撤离火场：一是气膜压力监测值降至200 Pa；二是气膜建筑内火灾持续时间超过30 min；三是气膜材料熔融或烧穿形成破洞并溢出浓烟。

某“路演中心”主要功能为服务产品推介会、发布会的会议中心，总建筑面积8 758 m2，建筑高度30.65 m。气膜结构建筑面积6 219 m2，气膜内半径45 m，设置18个安全出口，包括固定观众席1 000个、伸缩座椅1 440个及主席台，平面布置如图1所示。序厅及外围环廊部分采用钢结构，外围环廊部分为附属用房及设备用房。主席台侧设置2条宽3 m、长8 m的避难走道，直接连接环廊。其他设计参数均符合上文设计要求。膜材料采用浙江某公司生产的建筑膜材450 T，聚酯纤维基材，PVC涂层，外涂PVDF面层用以防护，外观白色，材料厚度1.05 mm。该膜材经国家防火建筑材料质量监督检验中心防火材料检验，达到《建筑材料及制品燃烧性能分级》B1级标准。

按照建筑实际尺寸建立气膜结构几何模型，模型尺寸为46 m×46 m×32 m，网格尺寸0.1 m×0.1 m×0.1m，按实际位置布置膜面，膜面为热厚边界。假设初始状态为静止，模拟区域内温度与室外温度均为20℃，压力为0.1 MPa。膜材料临界破洞温度、临界热辐射通量保守设定为280℃、20.0 kW/m2，显示屏、主席台、座椅、高点设备被引燃的临界热辐射通量保守设定为10.0 kW/m2。火源设定按照t2快速火，增长系数为0.044 kW/s2。显示屏、主席台、座椅、高点设备等最高且距气膜水平最近点的火灾规模分别为10,8,8,8 MW。自动消防炮灭火系统失效状态下，模拟火源正上方膜结构表面热辐射通量和温度，见图2，可见膜结构均处于安全状态。

取距地4.6 m水平面为危险高度，人员生命安全危险判据取能见度10 m、温度60℃、CO体积分数0.05%,CO2体积分数1%。在上述火灾场景下模拟危险临界时间即必需安全疏散时间见表1。取疏散人数为设计座椅数的1.1倍，疏散人员均为成年人，同时开始疏散，疏散过程无中途返回，假定主席台发生火灾最近安全出口能通行、座椅区发生火灾附近安全出口不能通行，利用Evacnet 4软件模拟疏散运动时间，见表1。疏散运动时间采用1.5倍的安全系数，火灾探测时间取60 s，人员响应时间取120 s。由表1可见，路演中心各火灾场景的可用安全疏散时间均大于必需安全疏散时间，具有足够的安全余量，人员能够安全逃生。

将本工程设计方案与现行规范进行对比，见表2。本方案突破了现行规范关于耐火等级设定、防火分区划分、安全疏散设置、排烟设施设置等方面的要求，通过采取多种技术要求，进行模拟验证并优化，能够达到较好的消防安全目标。

本文探索研究了气承膜结构会展建筑消防设计方案，采用控制建筑材料燃烧性能、严格控制火灾荷载、设置室内防火隔离带和避难走道、有效监控在场人数、设置多种不同类型火灾探测装置、加密布置灭火设施设备、实时监控气膜结构稳定性、压力等多种强化技术措施后，可以达到保护气膜结构安全、保证人员生命安全的消防安全目标，具有较高的实施可行性，对其他气承膜结构消防设计有一定的参考意义。