Взаимодействие конструктивных и инженерных систем противопожарной защиты высотных зданий

Введение

Современное градостроительство в крупных городах сталкивается с объективным ограничением – дефицитом свободных земельных участков при одновременном росте стоимости городской земли. Таким образом вертикальное развитие территорий становится экономически оправданным решением: высотное здание занимает небольшую площадь, но обеспечивает значительный объём полезных площадей, что позволяет максимально эффективно использовать дорогостоящие городские территории.

Однако увеличение этажности порождает повышенные требования к пожарной безопасности. Реальные пожары в высотных зданиях показывают, что увеличение высоты и сложности объекта повышает тяжесть последствий пожара, а также требует повышения уровня противопожарной защиты (табл. 1).

Таблица 1

Причинно-следственная связь пожаров

Анализ рассмотренных пожаров показывает, что наиболее тяжёлые последствия связаны с нарушением локализации пожара. В трёх из четырёх случаев определяющим фактором развития стало вертикальное распространение по наружной части здания. Тяжесть последствий определялась эффективностью локализации огня и дыма и сохранением безопасных условий эвакуации.

Основная часть

В действующей нормативной базе понятие высотности зависит от рассматриваемой области регулирования; многоквартирные жилые здания класса Ф1.3 – более 75 м, многофункциональные – более 50 м [9, 13].

Анализ статистических данных за 2020–2024 гг. показывает, что около 30% пожаров в Российской Федерации приходится на жилой сектор, тогда как около 58,4% – на открытые территории и места открытого хранения [3, с. 12]. При этом последствия пожаров распределяются непропорционально их количеству: в 2024 г. на жилой сектор пришлось 31,2% пожаров, но 91,4% всех погибших. Данная диспропорция подчёркивает особую значимость обеспечения пожарной безопасности жилых зданий.

Удельное число погибших на один пожар в зданиях высотой более 25 этажей составляет около 0,04 чел./пожар против 0,08 чел./пожар в пятиэтажных зданиях [3, с. 26]. Несмотря на меньшее удельное значение, потенциальная тяжесть пожара в высотном здании остаётся высокой вследствие высокой единовременной численности людей, сложности и продолжительности эвакуации, а также возможности вертикального распространения огня и дыма.

Анализ причин гибели людей при пожарах за 2021-2022 гг. показывает, что основной причиной являлось отравление токсичными продуктами горения –около 3811 человек (48,0% общего числа погибших) в год, на воздействие высокой температуры приходилось в среднем 1303,5 случая (16,1%) [4]. Значительную долю смертельных последствий пожаров формируют продукты горения и нарушения газовой среды, что подчёркивает особое значение противодымной защиты и сохранения безопасных условий эвакуации [4]. Распределение причин гибели показано на рисунке.

Рис. Среднее количество погибших в зависимости от причин гибели при пожаре в РФ (2021-2022 г.)

Таким образом, источник возникновения пожара определяет начальные условия его развития, однако тяжесть последствий зависит от дальнейшего распространения опасных факторов пожара и эффективности защитных систем здания. Следовательно, противопожарную защиту высотного здания необходимо рассматривать как комплекс взаимосвязанных конструктивных и инженерных решений. Для обеспечения противопожарной безопасности предусматривается комплекс мер, которые делятся на активные и пассивные технологии [13].

Активная противопожарная защита – представляет собой комплекс инженерных систем, обеспечивающих: обнаружение пожара, оповещение и управление эвакуацией людей, ограничение интенсивности горения и защиту помещений и путей эвакуации от дыма.

К основным активным средствам относятся пожарная сигнализация, система оповещения и управления эвакуацией, автоматическое пожаротушение и противодымная защита [13].

Пассивная противопожарная защита формируется конструктивными и объёмно-планировочными решениями здания и направлена на ограничение распространения пожара и сохранение несущей способности конструкций.

К основным решениям относятся обеспечение требуемой огнестойкости несущего каркаса, применение конструктивной огнезащиты [5, 13], деление здания на пожарные отсеки и устройство защищённых путей эвакуации [7, 13].

Комплексная пожарная безопасность высотного здания обеспечивается совместной работой пассивных и активных средств защиты. Пассивные решения ограничивают распространение огня и дыма и обеспечивают сохранение несущей способности конструкций, тогда как активные системы осуществляют раннее обнаружение пожара, ограничение интенсивности горения, противодымную защиту и управление эвакуацией. Пожарная сигнализация формирует управляющие сигналы для взаимосвязанных систем, автоматическое пожаротушение снижает интенсивность теплового воздействия, а противодымная вентиляция ограничивает задымление путей эвакуации и обеспечивает подпор воздуха в защищаемых зонах [6, с. 227-237]. Таким образом, эффективность противопожарной защиты определяется не отдельными средствами, а их согласованным функционированием. Функциональная связь противопожарных решений обобщена в таблице 2.

Таблица 2

Аналитическая связь противопожарных систем

Заключение

На основании проведённого анализа предлагается представить противопожарную защиту высотного здания в виде трёх взаимосвязанных функциональных уровней, объединяющих конструктивные, инженерные и эвакуационные решения.

Первый уровень – пространственно-конструктивная устойчивость здания. Его задача заключается в сохранении несущей способности ограничении распространения пожара. Требования к огнестойкости следует рассматривать не как изолированное значение для отдельного элемента, а как часть общей системы защиты здания, учитывающей его высоту, функциональное назначение и возможную продолжительность пожарного воздействия. К этому уровню относятся деление здания на пожарные отсеки, устройство противопожарных преград и фасадных барьеров, а также защита шахт и инженерных коммуникаций [8, 13, 15].

Второй уровень – активное ограничение развития пожара. Он объединяет системы раннего обнаружения, автоматического управления противопожарным оборудованием, пожаротушения и противодымной защиты [11]. Их совместная работа должна обеспечивать своевременное выявление очага, снижение интенсивности горения, ограничение распространения дыма и поддержание безопасных условий в защищаемых зонах и на путях эвакуации [11, 12, 13, 14].

Третий уровень – обеспечение безопасности людей и работы пожарно-спасательных подразделений. К нему относятся система оповещения и управления эвакуацией, защищённые и незадымляемые лестничные клетки, безопасные зоны, пожарные лифты, а также решения, обеспечивающие работу пожарно-спасательных подразделений [10, 11, 13, 14].

Основным свойством предложенной модели является функциональная взаимозависимость уровней защиты. Отказ или снижение эффективности одного уровня увеличивает нагрузку на остальные, однако не предполагает их полной взаимозаменяемости. Например, при отказе автоматического пожаротушения возрастает продолжительность и интенсивность теплового воздействия, вследствие чего возрастает нагрузка на пассивные средства защиты и системы обеспечения безопасной эвакуации. Нарушение целостности противопожарных преград, напротив, увеличивает нагрузку на системы тушения и противодымной защиты.

Проведённый анализ показал, что эффективность противопожарной защиты высотного здания определяется функциональным взаимодействием. Предложенная трёхуровневая систематизация позволяет рассматривать пространственно-конструктивную устойчивость, активное ограничение пожара и обеспечение безопасности людей как элементы единой системы. Снижение эффективности одного уровня увеличивает нагрузку на остальные, что обосновывает необходимость учитывать сценарии частичного отказа.

Перспективным направлением является создание комплексной цифровой модели пожарной безопасности высотного здания, объединяющей информационную модель здания, CFD-моделирование распространения огня и дыма [18], оценку поведения несущих конструкций, моделирование эвакуации [16] и данные автоматических систем противопожарной защиты. Динамика развития пожара в высотном здании является сложной и многопараметричной, поэтому использование методов искусственного интеллекта может способствовать обработке большого числа сценариев, выявлению наиболее опасных сочетаний отказов и прогнозированию динамики развития пожара. При этом искусственный интеллект должен рассматриваться как дополнительный аналитический инструмент, а не как замена нормативным расчётным методам и физическому моделированию.