狹長(zhǎng)受限空間建筑自然排煙可行性分析

顏挺利　徐斌

摘 要：分析了某商業(yè)街類狹長(zhǎng)受限空間建筑的火災(zāi)危險(xiǎn)性和火災(zāi)煙氣輸運(yùn)特性，對(duì)建筑進(jìn)行火災(zāi)模擬，獲得其發(fā)生火災(zāi)時(shí)的煙氣濃度、可見(jiàn)度、溫度場(chǎng)、CO2氣體濃度等數(shù)據(jù)。模擬數(shù)據(jù)顯示，使用建筑頂部自然排煙方式，可以有效利用大體量建筑的空間優(yōu)勢(shì)，在保證煙氣底層穩(wěn)定性的同時(shí)，盡快將煙氣排出至室外，為人員安全疏散提供保證。

關(guān)鍵詞：狹長(zhǎng)受限空間；自然排煙；數(shù)值模擬；火災(zāi)煙氣輸運(yùn)

前言

火災(zāi)煙氣是建筑火災(zāi)中造成人員傷亡的主要因素，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在火災(zāi)中死于火災(zāi)煙氣毒性的死者約占80%以上，其中絕大多數(shù)是由于吸入火災(zāi)煙氣昏迷繼而死亡[1]。狹長(zhǎng)受限建筑人員疏散及救援難度大，要求更多的疏散救援時(shí)間，這就要求在火災(zāi)發(fā)生后的煙氣能夠快速有效排出。故研究狹長(zhǎng)受限空間的火災(zāi)煙氣輸運(yùn)特性及控制措施，對(duì)減少此類建筑的火災(zāi)傷亡和經(jīng)濟(jì)損失具有重要意義。

1 狹長(zhǎng)受限空間類建筑火災(zāi)特性分析

狹長(zhǎng)受限空間類建筑具有以下火災(zāi)危險(xiǎn)性[2，3]：（1）由于建筑長(zhǎng)度方向尺度大但寬度或長(zhǎng)度方向尺度小，火災(zāi)撲救面被嚴(yán)重限制；（2）人流密集，人員組成復(fù)雜，且人員對(duì)建筑安全出口和逃生路徑不熟悉，易恐慌，易產(chǎn)生羊群效應(yīng)；（3）疏散及救援距離長(zhǎng)且路徑有交叉，常互相影響，使疏散和救援的進(jìn)行受阻。

與普通的腔室火災(zāi)不同，狹長(zhǎng)建筑有其特有的煙氣輸運(yùn)過(guò)程。過(guò)程可以分為四個(gè)階段：煙氣形成及撞擊頂棚階段；頂棚射流階段（撞擊后煙氣沿頂棚徑向擴(kuò)散）；與頂棚壁面相互作用并開(kāi)始向長(zhǎng)度方向蔓延的過(guò)渡階段；煙氣沿頂棚長(zhǎng)度方向呈一維蔓延階段。由此，狹長(zhǎng)空間與普通腔室的煙氣輸運(yùn)特性最大的區(qū)別在于，煙氣沿頂棚長(zhǎng)度方向的一維蔓延。同時(shí)煙氣的蔓延方向與疏散的方向相同，與救援方向相反，這將給疏散和救援造成很大困難。

2 自然排煙有效性分析

自然排煙主要受外部環(huán)境和建筑結(jié)構(gòu)的影響。如果建筑結(jié)構(gòu)滿足一定條件，通?？梢栽黾幼匀慌艧熆谶M(jìn)行排煙。自然排煙具有設(shè)備簡(jiǎn)單、高可靠性、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單且費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)，在倡導(dǎo)低碳生活的今天，越來(lái)越被消防設(shè)計(jì)重視并采納。同時(shí)，自然排煙口可以增加建筑物與外界大氣的連接，也可以兼顧采光與美觀需求。

3 工程應(yīng)用

3.1 基本情況

某室內(nèi)商業(yè)街建筑長(zhǎng)度方向?qū)⒔?00m，寬27m，室內(nèi)最高5m，屋頂為柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)圓柱殼半徑為21m，輕巧、簡(jiǎn)潔、美觀；兩側(cè)分列各種商業(yè)店鋪及餐廳，火災(zāi)荷載密度較大，一旦發(fā)生火災(zāi)極易蔓延。建筑采用大量的玻璃幕墻。商店和餐廳內(nèi)均設(shè)有自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)，且在發(fā)生火災(zāi)后正常動(dòng)作。

3.2 火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)定

假定起火商店位于建筑中部略偏一側(cè)的位置，采用t2火模型，火災(zāi)增長(zhǎng)因子α取為0.114kW/s2。經(jīng)過(guò)對(duì)商業(yè)街建筑的火災(zāi)荷載分布情況以及各功能區(qū)域潛在火災(zāi)危險(xiǎn)性的分析，此火災(zāi)場(chǎng)景下，火災(zāi)荷載分布區(qū)域的有效直徑為2m，由t2火模型可計(jì)算得，在t=166.67s時(shí)火災(zāi)熱釋放速率達(dá)到最大，為3.18MW，模擬中取為3.5MW。采用自然排煙方式，并設(shè)不進(jìn)行排煙的對(duì)照組。

在商店火災(zāi)達(dá)到最大熱釋放速率后，引燃另一側(cè)的餐廳。餐廳火災(zāi)的相關(guān)參數(shù)與商店相同。即商店起火167s后，餐廳被引燃，且餐廳在334s后達(dá)到最大熱釋放速率，此時(shí)的火災(zāi)熱釋放速率為7MW。疏散出口在火災(zāi)發(fā)生3min后開(kāi)啟，用于人員疏散。在建筑物頂部另設(shè)2個(gè)自然排煙口（長(zhǎng)8m，寬2m），與感煙探測(cè)器聯(lián)動(dòng)，接收到信號(hào)后延時(shí)5s開(kāi)啟。模型在XYZ三個(gè)方向的尺寸為200m、30m、10m，網(wǎng)格數(shù)分別依次為64、400、20，在火焰附近進(jìn)行了加密，總計(jì)約60萬(wàn)網(wǎng)格。在火災(zāi)發(fā)生后，與感煙探測(cè)器等火災(zāi)探測(cè)設(shè)備聯(lián)動(dòng)的自然排煙窗打開(kāi)后，建筑屋頂?shù)幕∶娼Y(jié)構(gòu)除可以作為儲(chǔ)煙倉(cāng)聚集煙氣外，又可以在某種程度上發(fā)揮煙囪效應(yīng)。自然排煙口的面積約占建筑面積的1%。

3.3 自然排煙方式可行性判定

3.4 模擬結(jié)果分析

在未采取自然或機(jī)械排煙措施的情況下，A工況模擬結(jié)果顯示，在火災(zāi)發(fā)生后，由于熱浮力作用，煙氣迅速?zèng)_向頂棚，形成頂棚射流。約500s時(shí)，在建筑長(zhǎng)度方向流動(dòng)的煙氣已經(jīng)經(jīng)過(guò)反浮力壁面射流開(kāi)始向火源方向回流。約800s時(shí)整個(gè)建筑頂部均可看到煙氣。隨著大量煙氣的產(chǎn)生，整個(gè)建筑頂部逐漸被煙氣充滿且煙氣層開(kāi)始明顯下降。B工況，大廳的自然排煙窗在38s時(shí)聯(lián)動(dòng)打開(kāi)，部分煙氣從自然排煙窗排出至室外。但由于煙氣過(guò)于分散，熱壓作用不明顯，排煙窗排煙量小于火源的產(chǎn)煙量，煙氣層有所下降，越來(lái)越多的煙氣蓄積在建筑頂部。盡管如此，鑒于煙氣被大量冷空氣稀釋，臨界危險(xiǎn)高度處的能見(jiàn)度仍維持在30m左右。與A工況相比，在800s時(shí)排煙窗的排煙量約與火源產(chǎn)煙量達(dá)到平衡。煙氣層主要蓄積在建筑頂部，且穩(wěn)定在臨界危險(xiǎn)高度以上。

模擬結(jié)果顯示，在發(fā)生火災(zāi)30min內(nèi)，A工況的煙氣層平均溫度最高約達(dá)到了60℃，且仍處于上升狀態(tài)；而進(jìn)行自然排煙的B工況，煙氣層平均溫度最終維持在35℃左右。對(duì)于緊急情況下人員疏散的主要區(qū)域的CO2體積濃度，B工況明顯小于未開(kāi)啟自然排煙窗（A工況）。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析狹長(zhǎng)建筑的火災(zāi)危險(xiǎn)性和火災(zāi)煙氣輸運(yùn)特性，針對(duì)某狹長(zhǎng)空間商業(yè)街，使用FDS模擬分析了使用自然排煙方式對(duì)狹長(zhǎng)建筑內(nèi)火災(zāi)煙氣控制的有效性。主要結(jié)論：

（1）大體量建筑內(nèi)部空氣對(duì)于火災(zāi)煙氣有非常好的稀釋冷卻作用；狹長(zhǎng)受限空間長(zhǎng)度維度上的煙氣流動(dòng)易受強(qiáng)迫通風(fēng)的影響，因此，可以有效利用大體量建筑的空間優(yōu)勢(shì)，在保證煙氣底層穩(wěn)定性的同時(shí)，盡快將煙氣排出至室外。

（2）在建筑頂部設(shè)置自然排煙窗，可以有效的將火災(zāi)煙氣控制在人員安全疏散需要的高度之上，同時(shí)保證煙氣底層的穩(wěn)定性。

在建筑物頂部設(shè)置自然排煙窗，維護(hù)運(yùn)營(yíng)方便，經(jīng)濟(jì)投資相對(duì)較少，但對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的要求較高；同時(shí)自然排煙易受環(huán)境和氣象條件的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮建筑所在地常年主導(dǎo)風(fēng)向等多方面因素。在科技日益發(fā)達(dá)的今天，選擇愈來(lái)愈多，如何高效利用資源，回歸自然，值得深入探討研究。

參考文獻(xiàn)

[1]范維澄，王清安，姜馮輝.火災(zāi)簡(jiǎn)明學(xué)教程[M].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1995.

[2]陽(yáng)東.狹長(zhǎng)受限空間火災(zāi)煙氣分層與卷吸特性研究[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2010.

[3]許秦坤.狹長(zhǎng)通道火災(zāi)煙氣熱分層及運(yùn)動(dòng)機(jī)制研究[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2012.

作者簡(jiǎn)介：顏挺利（1983-），男，邢臺(tái)市消防支隊(duì)，畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)通信工程專業(yè)，碩士研究生學(xué)歷，主要從事消防工作。

徐斌（1987-），男，邢臺(tái)市消防支隊(duì)，畢業(yè)于西南交通大學(xué)消防工程專業(yè)，在讀碩士研究生，主要從事消防工作。