□赵坤辉

一、项目背景

在《氢气站设计规范》GB50177-2005中，定义了三种与氢气相关的建筑设施。一是氢气站，采用相关的工艺(如水电解，天然气转化气、甲醇转化气、焦炉煤气、水煤气等为原料气的变压吸附等)制取氢气所需的工艺设施、灌充设施、压缩和储存设施、辅助设施及其建筑物、构筑物或场所的统称[1]。二是供氢站，不含氢气发生设备，以瓶装或/和管道供应氢气的建筑物、构筑物、氢气罐或场所的统称[2]。三是氢气灌装站，设有灌充氢气用氢气压缩、灌充设施及其必要的辅助设施的建筑物、构筑物或场所的统称[3]。

通过参与若干某工业厂区内部氢气储存供应类站房设施的设计工作，如氢气增压站、低压氢气储存站、高压氢气储存站等项目，发现这些设施基本可以归类为供氢站和氢气灌装站，其功能构成、方案布局十分类似，而制作氢气的氢气站在已知的核电厂项目中很少出现。所以本文就以此类供氢站、氢气灌装站(以下简称为此类建筑，低压氢气储存站站房建筑较为简单，本文不做详细介绍)为例进行分析总结。

二、方案设计

此类建筑一般规模不大，功能也相对简单，主要通过控制室对氢气进行分配、装瓶、储存，为核电厂提供瓶装氢气。

由于此类建筑属于《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)中生产的火灾危险性分类为甲类的厂房，且属于有爆炸危险的厂房，所以应当设置泄压设施，“有爆炸危险的厂房或厂房内有爆炸危险的部位应设置泄压设施。”[4]而《氢气站设计规范》(GB 50177—2005)有这样的规定：“有爆炸危险房间与无爆炸危险房间之间，应采用耐火极限不低于3.0h的不燃烧体防爆防护墙隔开。当设置双门斗相通时，门的耐火极限不应低于1.2h。”[5]所以，此类建筑方案在房间的功能布置时，由于功能相对简单且对防爆设计的要求较高，防爆设计属于功能布置必须考虑的因素之一，并且应该作为首要考虑的因素。

(一)功能布置中的防爆因素。供氢站、氢气灌装站的一般房间由充瓶间、压缩及分配间、气瓶间、控制间组成。这些房间可以分为两类，一是控制操作类房间，此类房间通常只有一个房间且属于无爆炸危险类房间；另一类房间是氢气灌装、操作、存储的功能性房间，此类房间通常可能有两个或多个房间且属于有爆炸危险类房间。具体这些用房的排布主要由工艺专业设计，但受防爆因素的影响，也需要建筑专业进行合理的调整。下面以某高压氢气储存站为例进行说明。

图1图2

如图1所示，一般此类房间要与有爆炸危险类房间用防爆防护墙分开布置，所以通常布置在整座建筑的一端，以尽量少占用有爆炸危险房间的泄压墙体面积为原则。上述高压氢气储存站经过计算，有爆炸危险房间都已经满足泄压面积的要求，假如氢气瓶间泄压面积不足，在满足工艺需求的前提下可以有如下改良方案。方案一，将控制室布置在高压氢气贮存及分配间和氢气瓶间之间，三个房间之间用耐火极限≥3小时的抗爆墙分隔，这样可以为两个有爆炸危险房间每个房间赢得四个泄压面(三个侧墙面和一个屋顶面)。此方案类型可以总结为控制室在中间型，如图2所示。方案二，将控制室布置在高压氢气贮存及分配间或氢气瓶间侧面山墙贴临处，这样可以为氢气瓶间赢得一个面积更大的泄压面。此方案类型与原设计类似，可以总结为控制室在端部型，只是房间布置时可以考虑预留更大的外墙面作为泄压面，如图3所示。

图3

由上所述，可以总结得到如下结论，通常方案布置时无爆炸危险房间在满足工艺需求的条件下，宜布置在整座建筑的一端，以尽量少占用有爆炸危险房间的泄压墙体面积为原则进行布置，具体到此类建筑方案布置中可以总结为控制室在中间型、和控制室在端部型。

(二)房间的防爆设计。从方案设计的角度上讲，房间的防爆设计可以分为有爆炸危险房间的防爆设计、无爆炸危险房间的防爆设计。

1.有爆炸危险房间的防爆设计。有爆炸危险房间的防爆设计主要是对有爆炸危险的房间进行泄压设计，《建筑防火设计规范》对此有相关规定，“有爆炸危险的厂房或厂房内有爆炸危险的部位应设置些压设施”[4]，“泄压设施宜采用轻质屋面板、轻质墙体和易于泄压的门、窗等……”[6],这些泄压设施的面积需要满足最小限值，具体而言就是通过泄压公式泄压计算，也就是通过泄压面积计算公式计算泄压设施的面积需要满足的最小值。然后，通过计算结果对房间初始设计的泄压面积反向考虑，进而对具体的尺寸设计甚至是房间布置进行合理的调整。具体步骤以某氢气增压站氢气压缩及分配间的泄压设计为例进行说明。

图4

(1)房间泄压面布置。如图4所示，氢气压缩及分配间属于有爆炸危险房间，应该考虑泄压布置，实际设计中，三面墙体和房间屋顶四个面作为泄压面。

(2)泄压计算。房间长约13.79m，横截面周长约27.76m,横截面面积约48.18m2，长径比约为13.79X27.76/48.18X4=1.91，小于规定值3，所以可以直接应用泄压面积计算公式A=10CV2/3进行泄压计算，房间易燃易爆气体为氢气，C值取0.25，容积V经计算约为664.40m3，那么A值(最小泄压面积)公式计算如下，A=10X0.25X664.402/3=190.35m2，即此方案泄压面积应≥190.35m2。

(3)计算结果衡量。由房间泄压面布置可知，本建筑氢气压缩及分配间的泄压面有四个，经计算四个泄压面面积合计约为240m2，此结果大于泄压计算中本房间应满足的最小泄压面积190.35m2，泄压设施的泄压面积满足规范要求。

(4)增加房间泄压面积以满足规范要求的方法。由前可知，本方案泄压设计满足规范要求，如果本方案设计泄压面积小于泄压计算中由泄压面积公式计算得出的值，即泄压设施面积不能满足规范要求的话，需要对房间尺寸进行调整，增加设计泄压设施的面积以满足规范公式值的要求。

由泄压面积公式A=10CV2/3可以看出体积与泄压面积成反比关系，也就是说，增加长、宽、高的单一或多个尺寸都可以增加建筑容积，增加建筑泄压面面积，与此同时降低建筑的最小泄压面积要求值，从而使得建筑实际设计泄压面面积满足(即大于等于)规范要求的最小泄压面积(A值)的可能性提高。故此可以考虑通过增加长、宽、高的某个或多个值以满足规范对泄压设施面积的要求。但是，在长径比突破3的情况下，还要对建筑进行分段计算，所以为调整尺寸、计算权衡方便，通常不考虑增加建筑长度，尽量避免长径比突破3，通常情况下是考虑增加宽、高两项的尺寸。

2.无爆炸危险房间的防爆设计。无爆炸危险房间的防爆设计主要是抗爆墙设计。抗爆墙设计主要是依据《氢气站设计规范》第7.0.6条规定，“有爆炸危险房间与无爆炸危险房间之间，应采用耐火极限不低于3.0h的不燃烧体防爆防护墙隔开……”。为防止有爆炸危险房间在发生危险的情况下影响到无爆炸危险房间，在两者之间设置防爆防护墙即抗爆墙，通常由建筑专业确定抗爆墙的具体位置、范围，由结构或其他专业进行具体的墙体设计。

在实际设计中在有爆炸危险房间与无爆炸危险房间之间、有爆炸危险房间与有爆炸危险房间之间都需要设置防爆防护墙，目的是避免其中某一间房间发生爆炸危险时相关建筑构件、泄压设施等影响到其他房间。

三、细部节点设计

由于防爆设计的相关要求，此类用房有一些需要注意的细部节点，这里将其中较为常见的类型总结如下。

(一)屋面及通风设施。根据《建筑设计防火规范》第3.6.5条的规定，“散发较空气轻的可燃气体、可燃蒸汽的甲类厂房，宜采用轻质屋面板作为泄压面积。顶棚应尽量平整、无死角，厂房上部空间应通风良好。”[7]《氢气站设计规范》GB50177-2005规范中第7.0.10条规定，“有爆炸危险房间的上部空间，应通风良好。顶棚内表面应平整，避免死角。”[8]第7.0.11条规定，“制氢间、氢气压缩机间、氢气纯化间、氢气灌瓶间等的厂房跨度大于9.Om时，宜设天窗。天窗、排气孔应设在最高处。”[9]

由于氢气比空气轻，所以对于此类建筑通常可优先考虑将屋面板作为泄压面，而为得到良好的排除氢气的通风效果，此类建筑中有爆炸危险的房间通常采用坡屋顶，并在屋顶最高点设置通风排气设施，如图5所示，若建筑所在地区无较大风沙雨雪，本类项目通常优先采用压型钢板屋面开敞式采光通风屋脊(图5中A)，若建筑所在地区有较大风沙雨雪，可采用压型钢板屋面避风式采光通风屋脊(图5中B)。

图5 有爆炸危险房间屋面剖面示意

(二)抗爆墙与泄压构件衔接处理。抗爆墙是分隔有爆炸危险房间和无爆炸危险房间的防爆防护墙，有时也是分隔两间有爆炸危险房间的防爆防护墙。无论哪种情况，抗爆墙都需要将两侧房间的构件完全分隔开来，充分发挥防爆防护作用。下面以前文所述某高压氢气储存站为例进行分析。

图6 某高压氢气站平面示意

1.抗爆墙和泄压墙的关系处理。如图6所示，泄压墙A、泄压墙B、普通墙A三者应该由抗爆墙A、抗爆墙B完全分隔开，这样可以避免其中一间房间发生爆炸墙体泄压时对相邻另一间房间的泄压墙体产生影响。

图7 某高压氢气站剖面示意

2.抗爆墙和泄压屋面板的关系处理。如图7所示，泄压屋面A、泄压屋面B、普通屋面三者应该由抗爆墙A、抗爆墙B完全分隔开，这样可以避免其中一间房间发生爆炸屋面板泄压时对相邻另一间房间屋面构件、泄压构件产生影响。

由上述分析，可以得到如下结论，即抗爆墙要将相邻两个房间的建筑构件、泄压构件完全分隔开，以避免有爆炸危险发生时，泄压构件由于衔接不妥而相互影响。

(三)无爆炸危险房间出入口防爆。无爆炸危险房间出入口的布置应远离有爆炸危险房间的泄压设施，如图6所示，最好不在同一方向，控制室的疏散口与高压氢气贮存及分配间、氢气瓶间的泄压设施布置间距较远、不在同一方向。当没有远离布置的条件时，可考虑在出入口与有爆炸危险房间泄压设施之间设置防爆防护墙，如图4所示，电控间疏散口A与氢气充瓶间泄压墙相邻，所以将抗爆墙外伸，避免氢气充瓶间有爆炸危险时泄压设施对疏散口A区域产生影响，由此，抗爆墙外伸达到防爆防护、保护人员疏散安全的目的。

四、材料选用

基于防爆设计的要求，建筑的部分构件和装修材料都要有一些特殊的要求，这些材料基本上可以分为两类：泄压材料与装修材料。

(一)泄压材料。根据《建筑设计防火规范》第3.6.3条的规定，“泄压设施宜采用轻质屋面板、轻质墙体和易于泄压的门、窗等，应采用安全玻璃灯在爆炸时不产生尖锐碎片的材料……作为泄压设施的轻质屋面板和墙体的质量不宜大于60kg/m2”[6]。通常此类建筑屋顶、墙体采用的泄压材料通常为金属面夹芯板轻质屋面板、彩钢夹心板轻质墙体和易于泄压的门窗(≤60kg/m2)。门窗通常采用易于开启的门窗，并且外开，为防止产生撞击火花通常采用喷塑工艺。门窗玻璃采用安全玻璃防止爆炸时产生尖锐碎片。

(二)装修材料。本类项目中需要注意的特殊装修做法，主要是指地面做法。通常在有爆炸危险房间内，为防止地面产生火花引起爆炸危险，其地面装修做法采用不发火细石混凝土面层地面做法，踢脚装修做法采用不发火水泥砂浆踢脚。无爆炸危险房间一般是控制室、电控室之类的操作控制室，此类房间一般有弱电防静电的要求，通常地面装修采用防静电面层的地面做法，如防静电水泥砂浆面层地面做法。

五、结语

总体来说，本文对核电厂中的常见氢气站房类设施的建筑防爆设计进行了探讨，分别从方案设计、细部节点设计、材料选用三个角度对此类建筑的防爆设计加以分析并总结了相关设计经验结论，以期为今后同类厂房的设计提供一个经验参考。