泄爆屋面

定义

泄爆屋面是工业与民用建筑中用于泄放内部爆炸压力的轻型屋面构造，其面板或连接件在爆炸作用下先失效、开启，使室内超压迅速降低，避免承重结构因压力积聚而破坏^[1]。它属于建筑泄压设施的一种，可与轻质墙体、易于泄压的门窗配合使用；这类设施宜靠近有爆炸危险的部位布置，同时要避开人员密集场所与主要交通道路^[1]。

按泄压时的表现，泄爆屋面分为两类。一类由轻质材料构成，爆炸时整体开启或被掀掉，称为轻型泄压屋盖；另一类由轻质易碎材料构成，爆炸时破碎成小块，兼有泄压和减轻对建筑外部影响的作用，称为轻质易碎屋盖^[2]。两类构造都刻意减小轻质屋面板的容重和连接强度，以便在较小压力下先行失效^[3]。

行业习惯上把这类屋盖视为工业防爆体系中的主动泄压环节，与抗爆墙体、抗爆门窗一起使用，其设计、生产和安装需要同时满足防火规范和专门的建筑构造图集要求^[4]。

原理

泄爆屋面能否奏效，取决于建筑是否具备足够的泄压面积。中国规范给出的厂房泄压面积计算式为 $A = 10CV^{2/3}$，其中 A 为泄压面积(m²)，V 为厂房容积(m³)，C 为泄压比(m²/m³)；当厂房长径比大于 3 时，宜把建筑划分成长径比不超过 3 的计算段分别计算，各段的公共截面不计入泄压面积^[1]。泄压比按厂房内爆炸性危险物质的类别取值，粉尘爆炸指数低的粉尘不小于 0.030，丙酮、汽油、甲醇、液化石油气、甲烷等不小于 0.110，乙烯不小于 0.16，乙炔不小于 0.20，氢不小于 0.25^[1]。

轻型泄压屋面依靠面板与支承构件之间的弱连接实现泄压。以压型钢板复合保温屋面为例，屋面板用泄爆螺栓固定在檩条上，面板与檩条之间另用牵引绞索相连；室内爆炸时泄爆螺栓在压力作用下断开，钢板弹开泄压，随即被绞索拉住而不会飞出伤人^[5]。轻质易碎型面板则多采用纤维增强水泥板一类脆性板材，在爆炸压力下碎成块状或粉状，不易形成大片飞散物^[5]。

flowchart LR

A[室内超压升高] --> B[泄爆螺栓破断或面板碎裂]

B --> C[高温高压气体向外排放]

C --> D[室内压力回落]

D --> E[梁柱等承重构件得到保护]

上述破断、弹出、复位的具体过程在相关专利文献中有完整描述^[5]。

泄压面并不一定全部设在屋面上。设计中通常优先用轻质屋盖充当泄压面，并配合易于泄压的门窗与轻质墙体；多层建筑中若防爆工艺上下贯通至顶层，还应在每层楼板开设泄爆孔，其面积不小于楼板面积的 15%，顶层另设轻质泄压屋顶^[6]。有资料把泄压面总面积与建筑体积之比称为泄压比，一般取 0.05~0.10，爆炸下限较低或爆炸威力较强时取较大值^[6]。

发展历程

中国对建筑泄压的要求由来已久。1987 年版《建筑设计防火规范》(GBJ 16-87，2001 年版)曾规定泄压面积与厂房体积的比值宜采用 0.05~0.22，厂房体积超过 1000 m³ 时该比值可适当降低，但不宜小于 0.03^[7]。2006 年版《建筑设计防火规范》(GB 50016-2006)给出了 A=10CV^(2/3) 的泄压面积计算式，2014 年版(2018 年版)规范沿用该式，并进一步规定长径比大于 3 时的分段算法与泄压比取值表^[1]。

针对这类构造的专门图集出现在 2010 年代。国家建筑标准设计图集 14J938《抗爆、泄爆门窗及屋盖、墙体建筑构造》由住房和城乡建设部批准，2014 年 8 月 21 日发布、同年 9 月 1 日施行，主编单位是中国五洲工程设计集团有限公司和中国建筑标准设计研究院有限公司^[8]。该图集把泄爆屋盖单列一章，给出构造做法选用表，以及岩棉夹芯彩钢板屋盖、单层压型钢板复合保温屋盖、纤维增强水泥板屋盖、膨石轻型板屋盖和泡沫混凝土复合屋面板等做法详图^[9]。

民爆行业的《民用爆炸物品工程设计安全标准》(GB 50089-2018)于 2018 年 7 月 10 日发布、2019 年 3 月 1 日实施，在术语中给出轻质易碎屋盖的定义和单位面积重量限值，并对危险性建筑物的圈梁设置、抗爆间室屋盖选型等作出规定^[2]。此后还出现了面向具体工程的施工技术研究，例如围绕钢结构泄爆屋面 TPO 防水卷材节点处理的研究，用于解决屋面板施工中的渗漏问题^[10]。

应用

泄爆屋面主要用在有爆炸危险的工业建筑中。14J938 图集适用于军工、化工、石油、核电、航空、船舶、民爆以及地下和覆土火药炸药仓库等工业建筑，也适用于贵重物品库、机要部门等有安全防护要求的民用建筑^[8]。生产或储存易燃液体，以及生产中排出可燃粉尘或可燃气体、能与空气混合形成爆炸性混合物的各类危险品工房、车间和仓库，是这类屋盖最常见的应用场所^[3]。

散发比空气轻的可燃气体或可燃蒸气的甲类厂房，规范建议用轻质屋面板作为泄压面积，并要求顶棚平整、少死角、厂房上部空间通风良好^[1]。在民用爆炸物品工程中，抗爆间室的屋盖宜为现浇钢筋混凝土，只有当设计药量不大于 5 kg 且屋面泄压不会危害邻近工作间时，才可采用轻质易碎屋盖或轻型泄压屋盖；封闭式通廊也应采用这两类屋盖和墙体^[2]。

施工方面已有成套做法。有专利提出的钢结构泄压屋面施工方法，把屋面分成结构找坡钢筋混凝土屋面、建筑找坡钢筋混凝土屋面和轻质泄压易碎屋面三部分，并用 TPO 卷材、聚合物改性水泥基防水灰浆、岩棉保温层和双层纤维增强水泥板错缝布置来兼顾防水与泄压^[11]。另有技术研究把重点放在泄爆屋面 TPO 卷材的关键节点上，包括黏结、女儿墙防水、通风洞口和烟道等部位^[10]。

局限

泄爆屋面只能减轻爆炸后果，不能阻止爆炸发生，其效果取决于泄压面积是否足够。规范条文说明提到，过去的工程设计中存在按规范设计却仍不能有效泄压的情形，因此才给出按容积与泄压比计算泄压面积的方法，并把长径比过大的空间划段处理^[1]。泄压面的位置同样受限制，需要避开人员密集场所和主要交通道路，屋顶上的泄压设施还要防止冰雪积聚，否则会影响泄压效果^[1]。

材料与构造还带来两类固有问题。轻质易碎型屋面板容易开裂、容易渗漏^[5]。轻型泄压型构造把龙骨或檩条暴露在室内一侧，容易积灰，难以满足洁净厂房的要求；若在室内另外加设吊顶或洁净墙板，又会遮挡爆炸压力，使泄爆螺栓不能及时断开，反而留下隐患^[5]。

标准的质量限值也留有余地。规范要求泄压用轻质屋面板与墙体的单位面积质量不宜大于 60 kg/m²，而这一数值明显高于美国消防协会《防爆泄压指南》(NFPA 68)与德国工程师协会标准给出的对应限值，条文说明因此建议设计时尽量选用容重更轻的材料^[12]。此外，泄爆屋面在泄压后需要检修，轻型泄压型的面板可由牵引绞索拉住并复位，但断开的连接件必须更换^[5]。

参见

• 泄压面积 —— 决定泄爆屋面规模的核心指标，按厂房容积与泄压比计算确定。

• 泄爆墙 —— 与泄爆屋面配合使用的墙体泄压构造，二者常同时设置。

• 抗爆墙 —— 需要承受爆炸荷载而非泄放压力的防护结构，与泄爆构造功能互补。

• 轻质屋面板 —— 规范允许作为泄压设施的屋面构件，也是泄爆屋面的主要面板形式。

• 泄爆螺栓 —— 实现屋面板与檩条弱连接、在设定压力下破断的连接件。

• 14J938 —— 给出泄爆屋盖构造做法选用表与各类做法详图的建筑标准设计图集。