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自动开启天窗有效解决大体量建筑的创新设计问题

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来源：中国消防资源网作者：郭晗时间：2011/1/24 17:27:00

自动开启天窗有效解决大体量建筑的创新设计问题

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产品介绍

浙江大丰实业有限公司自动开启天窗是目前唯一的大体量建筑中庭（天井、采光走廊等）排烟的最有效最可靠设备。

四种开启自动开启天窗能实现电动、手动、消防联动和无源自动四种开启方式以满足天窗在正常、异常、紧急三种状态下顺利开启。

其主要技术要点在于：

1、无源开启采用导轨倾斜式设计，利用平行于导轨的天窗重力分力去实现在火灾等紧急失电情况下天窗的自动开启、可靠性强；

2、阻尼缓冲配置阻尼机构，实现天窗四种方式开启时特别是天窗自动开启时阻尼缓冲，防止天窗损坏；

3、功能转换发生火灾时，天窗自动下滑离开火灾区，使其所在区域成为无功能区，不会出现其它天窗火灾时遇高温产生破裂、坠落甚至坍塌伤及疏散和施救人员的情况。

4、效果显著排烟面积大、响应速度快、45s内可以实现完全打开。

自动开启天窗在浙江义乌国际商贸城三期市场等工程成功应用，各种技术性能指标均达到了设计要求，产品性能稳定、运行安全可靠、操作使用方便、维修便利简单，得到了用户的一致好评。

自动开启天窗的应用给客户以安全舒适高品位的感觉，客流量大，社会效益、经济效益明显增强。

关键技术

自动开启天窗（屋顶）主要采用了如下关键技术：

（1）采用齿轮齿条传动，保证了定速比、高精度，运行安全可靠；

（2）运用变频控制技术，减少天窗（屋顶）运行中的冲击；

（3）实现快速开启功能，确保排烟的及时性，阻止烟气的积聚；

（4）设置阻尼驱动机构，实现天窗（屋顶）开启时特别是自动开启时阻尼急停，防止天窗（屋顶）损坏；

（5）设置蓄能释放机构，实现屋顶在正常状态下的自动打开功能。

创新点：

应用于建筑消防设计中的大面积自动开启天窗（屋顶）产品，目前国内外还没有相关文献介绍，属于国内首创产品。除产品创新外，我们认为，更重要的是该产品结合实际工程所带来的消防设计理念的创新，主要表现在以下几个方面：

（1）实现了建筑之间物理空间的分隔。

“分隔内庭”上部天窗（屋顶）开启后等同于室外，当“分隔内庭”两侧栏板构造达到防火挑檐和挡烟栏板的要求，且中庭宽度达到规范规定的防火间距时，可以有效地解决火灾通过中庭向水平和垂直方向引燃的问题。中庭在火灾情况下可自由排烟，保证“分隔内庭”作为安全区域的可能性。

（2）验证了“水平疏散”的性能化消防设计理念。

当“分隔内庭”上部天窗（屋顶）开启后，无功能连廊成为人员最直接的疏散方向，人员不仅可以垂直疏散，也可以水平向相邻建筑区块四处疏散；而设在“分隔内庭”内的开敞楼梯也可以视为室外的疏散楼梯，从而大大增强了疏散能力。

（3）确保火灾的有效扑救，减少人员伤亡和财产损失。

当发生火灾时，消防车可到达任何一个自动开启天窗（屋顶）保护下的“分隔

内庭”，由于该“分隔内庭”等同于室外，且取消了中庭垂直方向防火卷帘的分隔，消防队员可快速进入火灾地点，从任何方向、任何部位对火场实施有针对性的灭火救援行动。

（4）降低大型商业建筑的投资成本和运营成本。

应用自动开启天窗（屋顶），可以取消建筑中庭垂直方向的防火卷帘分隔，这样建筑中的消防工程无需考虑防火卷帘及其传动控制的投资，从而投资将大大降低。

从节能的角度来看，在春秋季节，天窗可以经常打开，有利于组织自然通风，为大型商业建筑换气、增加照度、改善室内空气质量和照明条件的同时，也达到了节能的目的，从而降低其运营成本。

三、项目内容

1、现代大型商业建筑的特点

近几年来，随着我国经济的蓬勃发展，各种大型商业建筑数量日益增多，如已经完工的义乌国际商贸城三期市场一阶段建筑面积107万m2、正在建设中的海门叠石桥国际家纺城32万m2、杭州新农都农产品交易中心、杭州滨江医院、南京玉桥市场、山西临汾新医院。综观这些建筑，具有以下明显特点：

（1）大型化；

（2）中庭化；

（3）舒适化；

（4）多功能化。

在大型商业建筑大规模建设的同时，也带来了众多的消防设计难题，主要表现在以下几个方面：

（1）防火分隔困难。实践表明，采用防火墙、水幕和防火卷帘都不能很好地设置防火分区，同时施工和运营的成本高昂，采用防火卷帘还会增加人员疏散的难度，安全、可靠性低。

（2）人员疏散困难。位于建筑中部的疏散楼梯在首层往往不能直通室外，无法为人员疏散提供有效的安全通道，不能满足规范要求。

（3）火灾扑救困难。对于大型商场中心火灾，难以形成有效的火灾扑救面，灭火救援行动难以开展，同时烟气的积聚对施救人员和疏散人员的安全都造成极大的隐患，这是大型市场最致命的弱点。

（4）商业空间利用率低。按《建筑设计规范》计算得出的商业建筑疏散总宽度对于大型商业建筑来说是一个庞大的数字，满足规范就意味着要求商场中间楼梯密布，从而将大大减少商业空间的利用，如1万m2的商场楼梯疏散宽度要求26m，需要设置15部以上楼梯。

3、大型商业建筑的火灾危险性

近几年来，大量的火灾事实表明，大型商业中心一旦发生火灾，很难有效地实施救援，往往会焚烧殆尽，会造成巨大的人员伤亡和财产损失。如2004年湖南常州市桥南市场特大火灾、2001年浙江路桥日用品市场特大火灾等等都是很好的例证。

因此，如何有效利用或者改善现有技术手段，创新消防设计理念，确保大型商业建筑消防安全、可靠，不仅是学术界探讨的焦点理论课题，也是建筑工程中急需解决的重大现实难题。

浙江大丰实业有限公司在浙江省消防局领导的关心与指导下，研究开发一种设置在建筑中庭顶部的可自动开启天窗（屋顶），在火灾发生时，天窗（屋顶）可自动打开，从而达到以下目的：

（1）对建筑实施有效的物理空间分隔，使大体量的建筑划分为若干个近似于独立的建筑，从而阻止火灾蔓延。

（2）增强排烟能力，有效减小和防止烟气对人员的危害。

（3）有效地组织开展灭火救援行动。

（4）有效地设置商业空间，提高商业空间利用率。

四、总体思路：

采用一种倾斜运动轨迹的大型活动式天窗结构。该结构中天窗的行走轨道以倾斜一定的角度铺设安装，通常状况下，天窗可以电动开启和关闭；在紧急失电情况下，通过手动释放或熔断释放，天窗可以利用重力分力自动开启。驱动系统配置阻尼系统，可使天窗在无电力下滑时的速度可控。实现天窗无动力开启排烟、最大限度地减少火灾发生时天窗的损坏及其对人员（包括消防施救人员）的危害。

该技术结合我公司成熟产品“后车台”的行走机构和“防火幕”的阻尼系统和紧急开启方式，使技术方案得以实现。

屋顶采用桁架式钢结构具有重量轻，强度高，挠度小，外形美观等优点。

传动方案采用齿轮齿条驱动技术，配合电机传动和液压阻尼技术，完成天窗启闭功能。

电机采用变频控制技术，在电动移动时能使设备缓启缓停，减小冲击。

控制系统设计为DFCS控制系统，该系统为已成熟应用的控制系统。系统通过西门子TP270触摸屏对所有现场驱动装置和现场传感器实施监控。并提供操作界面和操作方法，保证设备、人员安全，配备维护及检修手段等。

二．技术方案：

通过消防专业、机械专业、控制专业、幕墙专业多项专业有效集成；

天窗由行走轨道、行走轮、屋顶结构（包含钢结构、采光层）、齿条组、齿轮啮合机构、阻尼驱动机构、传动轴、紧急手动释放手闸及热熔装置、防雨排水附件组成。

屋顶结构下部两侧安装有通长的齿条组，由固定在屋顶的自适应浮动安装齿轮啮合机构驱动，实现定速比、高精度传动。同时由于两边的齿轮啮合结构转速相同，也就是推动齿条的速度一致，从而保证了整个屋顶运行时左右侧绝对同步，不会出现跑偏和卡住现象。

电机采用变频控制技术，在电动移动时能使设备缓启缓停，消除冲击。

两侧行走轨道倾斜布置，角度小于5度，保证天窗在无动力情况下靠自重灵活下滑。屋顶钢结构固定在行走轮上，采用桁架式结构，重量轻，强度高，挠度小。

阻尼驱动机构是整个系统的核心，它由减速电机和液压阻尼机构组成，通过传动轴为天窗启闭提供原动力。当电机驱动天窗启闭时，阻尼机构将不起作用。

电机驱动天窗启闭可从控制台操作，也可从设置在电气柜面板上的控制开关操作。

天窗应急打开是通过打开电机制动器实现的此时天窗靠重力迅速自动下滑打开。

应急打开电机制动器有三种方式：

A：消防联动消防联动信号应急打开。此信号由消控中心送到天窗电气柜，再由电气柜控制电力打开电机制动器。

B：手动开启无电源情况下松开紧急手动释放手闸打开。紧急手动释放手闸安装在一层中庭柱子上，一个手闸控制一组天窗（五个或六个天窗）。电机制动器手柄通过钢丝绳连接配重，平时配重由紧急手动释放手闸拉着，电机制动器手柄处在常态，当松开紧急手动释放手闸时，配重下坠，拉动制动器手柄，从而打开制动器。

C：无源开启无动力情况下热熔断打开。它安装在紧急手动释放手闸与配重间，当温度达到熔断值（约70度）时，热熔片断开，配重下坠，拉动制动器手柄，从而打开制动器。

D：电动开闭平时可由电气柜控制电力打开电机制动器，天窗可开可闭，实现采光和通风

应急打开制动器时，电机不得电，由于行走轨道是倾斜布置的，天窗靠重力迅速自动下滑打开，此时液压阻尼机构按设定各段行程上不同的阻力依次发挥作用，使天窗按设定速度曲线运行，保证45s的应急打开时间，并保证在下滑到最低位时能以缓慢停止，不产生碰撞。

在天窗钢结构四侧面和顶面安装玻璃系统，玻璃中空夹胶LOW-E玻璃。在活动天窗下沿设置挡水板，与固定在地面的不锈钢水槽紧密衔接，实现屋顶抗风雪、防雨和排水要求。它由专业厂家实施，质量可靠，完全符合整体设计要求

为避免冬季下雪时外露部分轨道因积雪结冰影响天窗打开，在这部分轨道上专门设置防护罩，可防止雪飘入轨道内侧，同时以不影响天窗打开。

三．原理方法：

利用倾斜轨道产生的下滑分力，实现天窗无动力开启，同时从结构上实现将天窗在火灾时移离火灾区，避免了因高温出现破裂、变形、坍塌导致伤及疏散人员及施救人员的情况发生，具体如下：

自动开启天窗具备电动、手动、消防联动和无源自动四种开启方式以满足正常、异常、紧急三种状态，其基本原理是：钢架上安装有8组行走轮组，轮子嵌入轨道上，而轨道铺设在房顶土建的预埋件（钢板）上，安装后，整个天窗轮嵌在轨道上，只能沿轨道方向滑行，其余方向和旋转的自由度得到充分控制。同时在天窗移动方向的两侧整长上，安装上齿条，齿条与安装在固定房顶上的齿轮啮合，两侧各布置一只驱动齿轮（减速电机），当减速电机驱动齿轮旋转时，齿轮带动齿条运行，牵引整个天窗移动，相反当电机上的制动器制动时，齿轮就无法旋转，也就是说即使天窗上有外力作用，如台风、大雨（雪）也不会造成天窗移动。从而充分保证天窗在风力等外界水平侧力时可以保持原位。天窗的开启通过电机－减速器－齿轮－齿条驱动来移动，电机通过消防电源运行。另外增加一个自动开启的功能，即在没有消防电源的前提时，在紧急情况下，天窗能自动开启，原理上是增加一组蓄能机构。在高温时，蓄能机构释放能量，将天窗打开。为防止天窗快速运行并最终冲出轨道，造成天窗损坏，增置了一套液压机构，从而全过程控制运行，通过特殊措施防止轨道结冰和雪等杂物影响以致影响设备运行，通过蓄能机构释放能量，起到自动开启天窗的作用。

正常状态下，通过消防中心电动开启，使得建筑群内有良好的采光，增强空气流通，也可以进行紧急状态下的消防和消防演习；在异常状态下，就地非电动打开，实施消防，降低烟雾浓度并疏散烟雾；在紧急状态下，蓄能自动释放，天窗自动打开，降低烟雾浓度并疏散烟雾。

四．实施方案：

相关设计结构、荷载、功率等计算书

1、天窗驱动功率设计计算

设计条件表

1）设计条件

动转阻力 ;

K : 附加系数

α:轴承的摩擦系数

r : 车轴的半径 (cm)

f : ;轮轨接触面的摩擦系数

R : 车轮的半径 (cm)

2）速度，减速比和机械效率

装置	速度	效率
电机	N_m=1440 rpm	-
齿轮减速器	N_r=37 rpm	η_r=96%
齿轮	d=102 mm	η_r=93%

3）惯性矩GD²

框架

电机 0.13kgm²

减速器 0.0118kgm²

其他 0.1kgm²

ΣGD² 0.366kgm²

4）电机

i) 正常状态

电机输出功率

电机扭矩

ii) 加速状态

电机的加速扭矩

电机的额定扭矩：

加速状态下电机的总输出扭矩

5）制动器

制动扭矩; OK

2.屋顶计算机仿真计算

屋顶钢架静力分析:

1）基本数据

屋顶钢架结构尺寸：长10000 mm

宽8560 mm

高700 mm

材料参数：钢号： Q-235

密度：ρ=7.83E-6 kg/mm²

弹性模量：E=2.07E2 kN/mm²

泊松比：γ=0.3

抗拉强度：σ_b=0.375 GPa

屈服强度：σ_s=0.235 GPa

单位： kg-mm-ms制，力-kN，应力，GPa。

计算软件： IDEAS10.0NX

2）有限元模型

屋顶钢架有限元模型见图1，共有3540个节点，1123个单元；均为梁单元，截面形式有3种。各截面H梁、箱型梁，特性如下：

No. - name : 1 - CHANNEL 100.0 X 200.0 X 5.5 X 8

Element references in active FE model : 60

Section type : Channel

Dimensions

Depth : 100.0

Flange width : 100.0

Flange thickness : 5.5

Web thickness : 8

Fillet radius : 5.5

Corner radius : 3.0

Inner flange slope : 0.0

Properties

Area : 1115.589

Prin. moment of inertia Y : 230006.2

Prin. moment of inertia Z : 1635277.4

Shear ratio Y : 2.18893

Shear ratio Z : 2.905178

Torsional constant : 14405.07

Warping constant : 3.572436E+08

Warping restraint factor : 0.0

Eccentricity Y : 0.0

Eccentricity Z : 27.43888

Plastic modulus Y : 12408.5

Plastic modulus Z : 39174.6

Plastic modulus torsion : 174141.9

Offset rotation angle : 0.0

Rt : 18.67662

Perimeter : 372.2743

X centroid location : 13.74932

Y centroid location : 50.0

X shear center location : -13.68956

Y shear center location : 50.0

No. - name : 3 - BOX 100.0 X 100.0 X 4

Element references in active FE model : 416

Section type : Box

Dimensions

Width : 100.0

Height : 100.0

Thickness of top/bottom : 4

Thickness of sides : 4

Properties

Area : 2256.0

Prin. moment of inertia Y : 3335872.0

Prin. moment of inertia Z : 3335872.0

Shear ratio Y : 2.296154

Shear ratio Z : 2.296154

Torsional constant : 4983504.0

Warping constant : 0.0

Warping restraint factor : 0.0

Eccentricity Y : 0.0

Eccentricity Z : 0.0

Height : 50.0

Thickness of top/bottom : 3.0

Thickness of sides : 3.0

Properties

Area : 1856.0

Prin. moment of inertia Y : 5990272.0

Prin. moment of inertia Z : 17939072.0

Shear ratio Y : 1.59323

Shear ratio Z : 4.14584

Torsional constant : 13856321.0

Warping constant : 0.0

Warping restraint factor : 0.0

Eccentricity Y : 0.0

Eccentricity Z : 0.0

Plastic modulus Y : 136032.0

Plastic modulus Z : 222432.0

Plastic modulus torsion : 218832.0

Offset rotation angle : 0.0

Rt : 22.52223

Perimeter : 600.0

X centroid location : 50.0

Y centroid location : 100.0

图1 屋顶钢架有限元模型

3）载荷工况

根据屋顶钢架工作特点，按最不利载荷组合工况计算。

约束条件：上部左右两排节点Uz方向固定；上部四角Ux、Uy、Uz方向固定。下部左边RZ方向放松，其余固定，右边RZ，UX放松，其余固定。

载荷：

天窗钢架和采光层自重9t。

屋面载荷 (含风载荷及雪载荷) ：100kg/m²。

钢架自重和钢架面载荷简化为垂直集中载荷，分别作用于屋顶钢架轨道上，详见如下图。

图2 工况示意图

4）刚度、强度计算结果

屋顶钢架变形图、应力见如下图。

图3 综合变形图（MX=13.433mm，MN=0.0mm）

图4 vonMises综合应力图（MX=22.6MPa，MN=0.0MPa）

5）结论

根据以上计算结果，刚度、强度均满足设计要求，见下表。

表刚度、强度校核

最大合成应力(MPa)	许用应力(MPa)	最大垂向变形(mm)	许用挠度(mm)
22.6	375/n=150	13.433	L/600=14.1
合格		合格

3.玻璃计算

3.1 荷载计算

荷载计算依据国家规范GB50009-2001和行业规范和标准JGJ102-2003。

地面粗糙类别为C类，设防烈度为6度。

1）风荷载计算(根据GB-50009-2001规范)：

计算公式：W_k=β_gz×μ_s×μ_z×W₀ （标高23.5m）

W_k——风压标准值

W₀——50年一遇的基本风压值，查规范GB50009-2001知W₀=0.35kN/m²

β_gz——阵风系数，查规范GB50009-2001知β_gz=1.88

μ_s1——局部风压体形系数，查规范GB50009-2001

知采光顶处μ_s1(1)= +0.8 μ_s1(10)=0.8μ_s1(1)

玻璃计算从属面积 A=3.35m²

则：μ_s1(A)=μ_s1(1)+[μ_s1(10)- μ_s1(1)]logA＝0.6-0.2*0.6*log3.35

=0.537

μ_z——风压高度变化系数，查规范GB50009-2001知μ_z=0.90

把以上各值代于风荷载标准值计算公式得：

W_k=1.88×0.537×0.9×0.35= 0.32 kN/m²

风荷载设计值为：

W=1.4×0.32 =0.45 kN/m²

2）雪荷载、活荷载

举例某地区基本雪压 0.55 kN/m²

活荷载标准值 0.5 kN/m²

（雪荷载、活荷载取大值进行荷载组合，此处雪荷载大于活荷载，取雪荷载进行荷载组合）

3）玻璃自重

选用6+12A+6+1.14PVB+6中空夹胶钢化玻璃

则 G_k=0.0256×18×1.1=0.507 kN/m²

玻璃自重设计值：

G=0.507×1.2=0.608 kN/m²

3.2荷载组合

荷载组合标准值：

风荷载+雪荷载+玻璃自重=0.32+0.7×0.55+0.507=1.21 kN/m²

荷载组合设计值：

风荷载+雪荷载+玻璃自重=0.45+0.7×0.77+0.608=1.60 kN/m²

3.3玻璃基本条件

玻璃种类：中空夹胶钢化玻璃

玻璃强度设计值为： 42kN/m²

玻璃厚度为： 6+12A+6+1.14PVB+6mm

短边尺寸Lx为： 1650mm

长边尺寸Ly为： 2115mm

3.4玻璃强度验算

宽长比为： 0.7801

玻璃的最大应力为：σ=

σ——玻璃面的最大应力。

m_oy——玻璃的长边边弯矩系数，查表为 0.0650

q——设计荷载组合值。 1.60kN/m²

t——玻璃的厚度。

a——四边简支玻璃短边的长度。

夹胶玻璃内外三片玻璃分担设计荷载值

玻璃分担荷载为：

q_外片= q_中片=1.1×q×t₁³/(t₁³+t₂³+t₃³)=1.1×1.60×6³/(6³+6³+6³)=0.587kN/m²

q_内片=q×t₃³/(t₁³+t₂³+t₃³)=1.60×6³/(6³+6³+6³)=0.533kN/m²

玻璃应力值为：

σ_外片= σ_中片=6×0.0650×0.000587×1650²/6²=17.31 N/mm²

σ_内片=6×0.0650×0.000533×1650²/6²=15.84 N/mm²

考虑大挠度影响的折减系数为：0.891

σ_max=17.31×0.891=15.42<42 N/mm²

即，玻璃强度满足要求。

3.5挠度计算

宽长比为：0.7801

玻璃的折算厚度为： t= 0.95=8.221mm

玻璃的弯曲刚度为： D=

D——玻璃的弯曲刚度。

E——玻璃弹性模量。

t——玻璃（折算）厚度。

v——泊松比，取为0.2。

把相关数值代于到上面公式得：

D=72000×8.221³/[12(1-0.04)] =3472368.75 N.mm

玻璃面最大挠度为玻璃面板中央。

玻璃挠度计算公式为：U=

U——玻璃面中央的最大挠度值。

q_k——垂直于玻璃表面的荷载组合标准值

a——玻璃长边长度。

u——玻璃面板中央的挠度系数。

把对应各值代于公式得：

U=0.00627×0.00121×1650⁴/3472368.75=16.19mm

考虑大挠度影响的折减系数为：0.891

Uf=16.19×0.891=14.43mm<1650/60=27.5mm，玻璃挠度满足要求。

五．实施效果：

经过专家论证和义乌国际商贸城三期市场的使用，效果优良。

技术关键：在该技术中的可移动屋顶架支撑在滚轮上，滚轮卡住导轨，屋顶架连接一牵引机构，导轨相对于水平面倾斜安装，屋顶架连接一可阻止其滑动的制动闸，还连接一阻尼器．在失火等紧急失电情况下，屋顶可以利用平行于导轨的屋顶重力分力自动开启。

前国内外也有自动排烟天窗和可开启屋顶。但当作为开启屋顶时，开启时间长，一般在10分钟甚至半小时以上；而自动排烟天窗面积一般只有几个平方米，排烟效果较差，两种产品都不能很好地满足消防功能的要求，更不能起到防火分隔的作用。因此，自动开启式天窗研发的成功，不仅属于国内首创技术，也是一种防火设计理念上的创新，填补了国内消防技术应用上的空白。

根据国内外相关的消防产品设计规范，我们拟定并实现了这些技术指标。

主要技术指标有：

1．开启方式：电动、手动、消防联动、无源自动；

2．开启时间：＜45s；

3．蓄能释放温度：设定温度±2℃；

4．关闭时间：≤3min。

与国外同类项目先进水平的比较

序号	比较项目	一般开启屋顶	我司研发的自动开启天窗
1	开启时间	10-40分钟	45秒
2	抗风能力	差	强
3	开启方式	电动、手动、消防联动、	电动、手动、消防联动、无源自动
4	成本	很高	较低