0 前言
随着社会文明的不断进步以及高新科技的飞速发展，公共建筑功能愈发复杂，且其具有面积大、人员集中的特点，一旦发生火灾且初期没有及时预警，火灾会快速蔓延、难以扑救，严重威胁人民生命、财产安全。
本文以笔者参与设计的龙华法堂为例，通过分析火灾探测器的工作原理，阐述高大空间的火灾自动报警系统设计，以实现火灾及时、有效地探测及预警。龙华法堂位于浙江省宁波市雪窦山国家级风景名胜区内，由于该项目当时选址于废弃的采石场，故利用现有地形建设，屋面设计为玻璃罩顶，如图1～2所示，分别为龙华法堂效果图及剖面图。
1 工程特点及消防设计难点
龙华法堂为单层大空间公共建筑，总面积16808m2，屋面最长处约为184m，最宽处为100m，最高处距地40.02m，层高高、跨度大，因此屋面玻璃罩顶的钢结构在自然环境影响下会发生形变。
本工程虽为佛教建筑，但使用单位明确主体建筑内部不设焚香功能，可不考虑焚香烟雾对火灾探测器造成的误报警。在设计中充分考虑建筑的特殊性，且对火灾事故进行有效探测、及时报警，将灾害降到最低才是火灾自动报警系统设计的重点。
2 工程设计及难点解决
2.1火灾探测器选择
依据GB50116-2013《火灾自动报警系统设计规范》第12.4.1条款规定，高度＞12m的空间场所宜同时选择两种及以上火灾参数的火灾探测器。这里火灾参数主要包含热(温度)、烟(烟雾粒子)、光(火焰)、气(气体)、声(燃烧声)几类，根据探测火灾参数的不同，火灾探测器分为感温探测器、感烟探测器、火焰探测器、气体探测器以及声音探测器等。其中，感温探测器常用产品为点型感温探测器及缆式线型定温火灾探测器，由于探测精度差、反应时间长，不适合用于高大空间建筑;气体探测器多用于环境存在可燃气体的场所;声音探测器的响应速度较慢，且易受环境声音影响产生误报警，实际工程中鲜少使用;另外，点型感烟探测器及点型火焰探测器适用场所的高度宜≤12m，同样不适合高大空间建筑。因此，结合高大空间项目特点及探测器产品特性，适合于高度＞12m的感烟探测器及火焰探测器主要有以下几种。
1)红外对射型线性光束感烟火灾探测器探测部分由光束发射器和光电接收器两部分组成。当探测器光路上出现烟雾时，会使到达接收器的信号减弱;当减光率达到预设阈值时，探测器就会产生报警信号。红外对射型线性光束感烟火灾探测器易于安装、探测响应迅速且工程造价较低，但因为本工程为玻璃罩顶，稳定性较差，如采用该类型探测器，较难满足发射器与接收器精准的对射，易发生误报警，且后期维护工作量较大。
2)光截面感烟火灾探测器探测部分由发射器和接收器组成，使用时每只接收器对应多只发射器。基于采用的图像感烟火灾探测技术，在被监控区域内设置红外发光阵列发射器和红外摄像机，使红外发光阵列发射出的红外光斑影像由红外摄像机转换成视频信号，并传送给视频切换器，视频切换器再以巡检方式逐一将接收到的视频信号送入计算机进行处理。一旦发现火灾情况，该探测器即可通过联动控制报警器进行火灾报警。
光截面感烟火灾探测器采用非接触式探测，对环境因素适应能力强，具有分辨发射光源与干扰光源的能力。通过发射器与接收器一对多的形式，可使探测范围形成一组平面或曲面，实现对被保护空间的全面式覆盖，极大提高了火灾报警的准确率和响应速度。
3)管路采样式吸气感烟火灾探测器由吸气泵、过滤器、激光腔、控制电路等组成。首先，探测器使用吸气泵通过预先布置好的采样孔和采样管道抽取保护区内的空气，并将空气样本送入激光腔，在激光腔内利用激光照射空气样本;若采样空气中含有烟雾粒子，则烟雾粒子所造成的散射光会被阵列式接收器接收，然后接收器会把光信号转换成电信号，并将其送到控制器的控制电路，这样一来，信号经处理后会转换为烟雾浓度，对比设定报警阈值产生一个对应的输出信号，并在符合条件的时候发出报警信号。管路采样式吸气感烟火灾探测器灵敏度高、维护成本低，不会因环境因素的影响造成误报。本工程屋面东西跨度120m，而单根采样管安装长度宜为≤100m，又同时受空间造型限制，所以如果采用该类型火灾探测器，采样管路仅能安装在玻璃罩顶顶部，无法对下部烟气分层部分实施及时有效的探测。
4)双波段图像型火灾探测器由红外CCD和可见光CCD组成，将采集到的红外视频图像信号或彩色视频图像信号传送给信息处理主机进行处理，通过分析图像判断是否有火灾发生。双波段图像型火灾探测器兼具火焰探测器及现场智能监控功能，基于非接触式探测技术，具有保护面积大、探测距离远、响应速度快等优点，适用于大空间及其他特殊空间场所。
综合上述分析，本工程采用了将能够实现早期烟雾探测的光截面感烟火灾探测器和以直观的图像方式探测早期火焰的双波段图像型火灾探测器相结合的火灾自动探测报警系统。
2.2工程设计
2.2.1光截面感烟火灾探测器布置
设计考虑到高度超过12m的高大空间场所建筑结构的特点，在发生火灾时火源位置、类型、功率等因素的不确定性以及高大空间内烟气存在分层现象，在可能存在烟气的多个高度设置线型光束感烟火灾探测器。本工程结合实际情况将光截面感烟火灾探测器的设置分为两个方面:法堂内部空间保护及弧形屋顶空间保护。
1)法堂内部空间保护光截面感烟火灾探测器水平分层布置，分为7个探测范围，每个范围内因具体层高不同，设置2～4层不等的光截面感烟火灾探测器，每个探测范围内发射器数量按式(1)、(2)进行计算。
n=(Dh/d)+1 (式1)
Dh=L×K1 (式2)
式中，n为发射器数量(计算结果为小数时，四舍五入取整);Dh为水平视场范围;d为发射器安装间距，d≤10m;L为实际探测距离;K1为距离因子(光路长度为3～30m，K1=1.7;光路长度为3～60m，K1=0.9;光路长度为3～100m，K1=0.4)。光截面感烟火灾探测器水平安装平面示意图如图3。法堂内部空间光截面感烟火灾探测器设置及某一探测范围布线及设备安装说明如图4～5所示。
2)法堂弧形屋顶空间保护由于烟雾会在空间顶部聚集，为提高报警的灵敏度，探测器的光束轴线至顶棚的垂直距离宜为0.3～1.0m。本项目在距玻璃罩顶部＜1m的范围内设置6组光截面感烟火灾探测器(在玻璃罩顶下安装示意图如图6)。
2.2.2 双波段图像型火灾探测器布置设计
双波段图像型火灾探测器根据探测距离的不同分为30m、60m、80m、100m等多种型号规格。根据保护距离的远近，本工程选用的型号为:12只60m双波段图像型火灾探测器、6只80m双波段图像型火灾探测器。双波段探测器在玻璃罩顶下安装，距顶棚距离≥50cm。
双波段图像型火灾探测器工作电压等级为24V，由安装在顶部的电源箱引出。电源箱电源及消防水炮解码器AC220V电源均由设置在消防控制室内消防水炮控制器的UPS不间断电源提供，经强电消防线槽引来。双波段图像型火灾探测器的输出信号为复合视频信号，每只双波段图像型火灾探测器需接入两根视频同轴线缆。
法堂双波段图像型火灾探测器设置如图7所示。
3 案例总结
光截面感烟火灾探测器与双波段图像型火灾探测器的相互结合，既实现了对早期火灾烟雾探测的要求，又满足了早期火焰探测的要求，同时兼具视频可视功能，在保护区域实现双重覆盖，探测功能上实现互补。结合实际产品设备参数，仍有以下几项需要在产品安装及设备调试过程中注意。
1)光截面感烟火灾探测器光路长度的问题:因本工程最大跨度为100m，中间没有能够加装设备的墙体，可适当增强红外发光阵列发射器的发射强度，满足长光路状态下报警灵敏度的要求。
2)双波段图像型火灾探测器盲区问题:若双波图7法堂双波段图像型火灾探测器设置图段图像型火灾探测器安装不当，则设备的正下方容易形成探测盲区，存在安全隐患。设计过程中确定探测器保护角度的同时，也确定了探测器的布置方法和安装高度，且施工过程中应注意探测器的安装角度。
3)为避免光截面感烟火灾探测器及双波段图像型火灾探测器受太阳光线及房间内灯具光线影响，出现误报警的情况，调试过程中可通过加设滤镜减少可见光的影响。
4 设计思考
设计过程中还有一个比较有争议的问题，规范中规定高度＞12m的空间场所宜同时选择两种及以上火灾参数的火灾探测器，那么双波段图像型火灾探测器是否属于两种参数的火灾探测器呢?
双波段图像型火灾探测器通过红外波段及可见光波段两种探测器探测火焰，通过图像监控获得场所内的火警状态。但笔者认为，这两种探测形式的本质均是通过火点的火焰去判断环境内火情，双波段图像型火灾探测器应属于只具有一种火灾参数的火灾探测器;另外就设备本身来说，两种波段探测器集成在一台设备内，其可靠性和报警的灵敏度都有一定的限制，鉴于此，高大空间建筑内，如设置双波段图像型火灾探测器，仍需设置其他参数火灾探测器。
5 结束语
功能复杂的大型公共建筑如何实现有效、及时的火灾探测在火灾自动报警系统的设计中尤为重要。从安全的角度考虑，通过将适应工程特性的不同火灾参数探测器结合使用，对不同火灾参数进行综合分析判断，可更加快速、准确的探测火灾事故的发生，使火灾能够在第一时间得到处理。
随着社会文明的不断进步以及高新科技的飞速发展，公共建筑功能愈发复杂，且其具有面积大、人员集中的特点，一旦发生火灾且初期没有及时预警，火灾会快速蔓延、难以扑救，严重威胁人民生命、财产安全。
本文以笔者参与设计的龙华法堂为例，通过分析火灾探测器的工作原理，阐述高大空间的火灾自动报警系统设计，以实现火灾及时、有效地探测及预警。龙华法堂位于浙江省宁波市雪窦山国家级风景名胜区内，由于该项目当时选址于废弃的采石场，故利用现有地形建设，屋面设计为玻璃罩顶，如图1～2所示，分别为龙华法堂效果图及剖面图。
龙华法堂为单层大空间公共建筑，总面积16808m2，屋面最长处约为184m，最宽处为100m，最高处距地40.02m，层高高、跨度大，因此屋面玻璃罩顶的钢结构在自然环境影响下会发生形变。
本工程虽为佛教建筑，但使用单位明确主体建筑内部不设焚香功能，可不考虑焚香烟雾对火灾探测器造成的误报警。在设计中充分考虑建筑的特殊性，且对火灾事故进行有效探测、及时报警，将灾害降到最低才是火灾自动报警系统设计的重点。
2 工程设计及难点解决
2.1火灾探测器选择
依据GB50116-2013《火灾自动报警系统设计规范》第12.4.1条款规定，高度＞12m的空间场所宜同时选择两种及以上火灾参数的火灾探测器。这里火灾参数主要包含热(温度)、烟(烟雾粒子)、光(火焰)、气(气体)、声(燃烧声)几类，根据探测火灾参数的不同，火灾探测器分为感温探测器、感烟探测器、火焰探测器、气体探测器以及声音探测器等。其中，感温探测器常用产品为点型感温探测器及缆式线型定温火灾探测器，由于探测精度差、反应时间长，不适合用于高大空间建筑;气体探测器多用于环境存在可燃气体的场所;声音探测器的响应速度较慢，且易受环境声音影响产生误报警，实际工程中鲜少使用;另外，点型感烟探测器及点型火焰探测器适用场所的高度宜≤12m，同样不适合高大空间建筑。因此，结合高大空间项目特点及探测器产品特性，适合于高度＞12m的感烟探测器及火焰探测器主要有以下几种。
1)红外对射型线性光束感烟火灾探测器探测部分由光束发射器和光电接收器两部分组成。当探测器光路上出现烟雾时，会使到达接收器的信号减弱;当减光率达到预设阈值时，探测器就会产生报警信号。红外对射型线性光束感烟火灾探测器易于安装、探测响应迅速且工程造价较低，但因为本工程为玻璃罩顶，稳定性较差，如采用该类型探测器，较难满足发射器与接收器精准的对射，易发生误报警，且后期维护工作量较大。
2)光截面感烟火灾探测器探测部分由发射器和接收器组成，使用时每只接收器对应多只发射器。基于采用的图像感烟火灾探测技术，在被监控区域内设置红外发光阵列发射器和红外摄像机，使红外发光阵列发射出的红外光斑影像由红外摄像机转换成视频信号，并传送给视频切换器，视频切换器再以巡检方式逐一将接收到的视频信号送入计算机进行处理。一旦发现火灾情况，该探测器即可通过联动控制报警器进行火灾报警。
光截面感烟火灾探测器采用非接触式探测，对环境因素适应能力强，具有分辨发射光源与干扰光源的能力。通过发射器与接收器一对多的形式，可使探测范围形成一组平面或曲面，实现对被保护空间的全面式覆盖，极大提高了火灾报警的准确率和响应速度。
3)管路采样式吸气感烟火灾探测器由吸气泵、过滤器、激光腔、控制电路等组成。首先，探测器使用吸气泵通过预先布置好的采样孔和采样管道抽取保护区内的空气，并将空气样本送入激光腔，在激光腔内利用激光照射空气样本;若采样空气中含有烟雾粒子，则烟雾粒子所造成的散射光会被阵列式接收器接收，然后接收器会把光信号转换成电信号，并将其送到控制器的控制电路，这样一来，信号经处理后会转换为烟雾浓度，对比设定报警阈值产生一个对应的输出信号，并在符合条件的时候发出报警信号。管路采样式吸气感烟火灾探测器灵敏度高、维护成本低，不会因环境因素的影响造成误报。本工程屋面东西跨度120m，而单根采样管安装长度宜为≤100m，又同时受空间造型限制，所以如果采用该类型火灾探测器，采样管路仅能安装在玻璃罩顶顶部，无法对下部烟气分层部分实施及时有效的探测。
4)双波段图像型火灾探测器由红外CCD和可见光CCD组成，将采集到的红外视频图像信号或彩色视频图像信号传送给信息处理主机进行处理，通过分析图像判断是否有火灾发生。双波段图像型火灾探测器兼具火焰探测器及现场智能监控功能，基于非接触式探测技术，具有保护面积大、探测距离远、响应速度快等优点，适用于大空间及其他特殊空间场所。
综合上述分析，本工程采用了将能够实现早期烟雾探测的光截面感烟火灾探测器和以直观的图像方式探测早期火焰的双波段图像型火灾探测器相结合的火灾自动探测报警系统。
2.2工程设计
2.2.1光截面感烟火灾探测器布置
设计考虑到高度超过12m的高大空间场所建筑结构的特点，在发生火灾时火源位置、类型、功率等因素的不确定性以及高大空间内烟气存在分层现象，在可能存在烟气的多个高度设置线型光束感烟火灾探测器。本工程结合实际情况将光截面感烟火灾探测器的设置分为两个方面:法堂内部空间保护及弧形屋顶空间保护。
1)法堂内部空间保护光截面感烟火灾探测器水平分层布置，分为7个探测范围，每个范围内因具体层高不同，设置2～4层不等的光截面感烟火灾探测器，每个探测范围内发射器数量按式(1)、(2)进行计算。
n=(Dh/d)+1 (式1)
Dh=L×K1 (式2)
式中，n为发射器数量(计算结果为小数时，四舍五入取整);Dh为水平视场范围;d为发射器安装间距，d≤10m;L为实际探测距离;K1为距离因子(光路长度为3～30m，K1=1.7;光路长度为3～60m，K1=0.9;光路长度为3～100m，K1=0.4)。光截面感烟火灾探测器水平安装平面示意图如图3。法堂内部空间光截面感烟火灾探测器设置及某一探测范围布线及设备安装说明如图4～5所示。
双波段图像型火灾探测器根据探测距离的不同分为30m、60m、80m、100m等多种型号规格。根据保护距离的远近，本工程选用的型号为:12只60m双波段图像型火灾探测器、6只80m双波段图像型火灾探测器。双波段探测器在玻璃罩顶下安装，距顶棚距离≥50cm。
双波段图像型火灾探测器工作电压等级为24V，由安装在顶部的电源箱引出。电源箱电源及消防水炮解码器AC220V电源均由设置在消防控制室内消防水炮控制器的UPS不间断电源提供，经强电消防线槽引来。双波段图像型火灾探测器的输出信号为复合视频信号，每只双波段图像型火灾探测器需接入两根视频同轴线缆。
法堂双波段图像型火灾探测器设置如图7所示。
光截面感烟火灾探测器与双波段图像型火灾探测器的相互结合，既实现了对早期火灾烟雾探测的要求，又满足了早期火焰探测的要求，同时兼具视频可视功能，在保护区域实现双重覆盖，探测功能上实现互补。结合实际产品设备参数，仍有以下几项需要在产品安装及设备调试过程中注意。
1)光截面感烟火灾探测器光路长度的问题:因本工程最大跨度为100m，中间没有能够加装设备的墙体，可适当增强红外发光阵列发射器的发射强度，满足长光路状态下报警灵敏度的要求。
2)双波段图像型火灾探测器盲区问题:若双波图7法堂双波段图像型火灾探测器设置图段图像型火灾探测器安装不当，则设备的正下方容易形成探测盲区，存在安全隐患。设计过程中确定探测器保护角度的同时，也确定了探测器的布置方法和安装高度，且施工过程中应注意探测器的安装角度。
3)为避免光截面感烟火灾探测器及双波段图像型火灾探测器受太阳光线及房间内灯具光线影响，出现误报警的情况，调试过程中可通过加设滤镜减少可见光的影响。
4 设计思考
设计过程中还有一个比较有争议的问题，规范中规定高度＞12m的空间场所宜同时选择两种及以上火灾参数的火灾探测器，那么双波段图像型火灾探测器是否属于两种参数的火灾探测器呢?
双波段图像型火灾探测器通过红外波段及可见光波段两种探测器探测火焰，通过图像监控获得场所内的火警状态。但笔者认为，这两种探测形式的本质均是通过火点的火焰去判断环境内火情，双波段图像型火灾探测器应属于只具有一种火灾参数的火灾探测器;另外就设备本身来说，两种波段探测器集成在一台设备内，其可靠性和报警的灵敏度都有一定的限制，鉴于此，高大空间建筑内，如设置双波段图像型火灾探测器，仍需设置其他参数火灾探测器。
5 结束语
功能复杂的大型公共建筑如何实现有效、及时的火灾探测在火灾自动报警系统的设计中尤为重要。从安全的角度考虑，通过将适应工程特性的不同火灾参数探测器结合使用，对不同火灾参数进行综合分析判断，可更加快速、准确的探测火灾事故的发生，使火灾能够在第一时间得到处理。
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