樓梯間自然防煙與首層房間窗口面積研究

李鈺，張亞龍

(1.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.大連交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

火災(zāi)初期是人員逃生的最佳時期，因此，采取合理的煙氣控制措施，保證火災(zāi)初期高層建筑中的樓梯間豎向疏散通道不遭受煙氣的侵害，使人員逃生更安全.根據(jù)我國《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB51251-2017)[1]規(guī)定：建筑高度小于或等于50 m的公共建筑、工業(yè)建筑，其防煙樓梯間、獨(dú)立前室應(yīng)采用自然通風(fēng)系統(tǒng).建筑空間凈高小于或等于6m的場所，設(shè)置有效面積不小于該房間建筑面積2%的自然排煙窗(口).目前國內(nèi)外學(xué)者在高層建筑煙氣排放方面已經(jīng)做出了大量的研究[2-6]，得出了火災(zāi)過程中樓梯井內(nèi)煙氣流動特性以及溫度、壓力等參數(shù)的分布規(guī)律；樓梯間內(nèi)開窗方式及自然排煙總量對排煙效率的影響，并開展實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn).以上幾位學(xué)者都是研究煙氣進(jìn)入樓梯間后的防煙分析.本文主要是對在自然防煙形式下的樓梯間與首層火源房間自然排煙窗面積的研究，以期得到最佳開窗面積，使得煙氣不進(jìn)入樓梯間，樓梯間防煙效果更優(yōu)，為標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化與修訂提供參考.

1 數(shù)值模擬模型的建立

1.1 模型建立的基礎(chǔ)

本模型為12層，層高4 m，高度為48 m的辦公樓.該建筑模型主要由辦公室、會議室、疏散走道、電梯、樓梯間前室以及樓梯間幾部分組成，其平面示意圖與三維模型，如圖1和圖2所示.火源房間開啟0.66 m2外窗，各組成部分建筑具體尺寸，如表1所示.

圖1 模型平面示意圖

圖2 三維模型示意圖

表1 模型建筑尺寸表 m

1.2 火源設(shè)置及網(wǎng)格劃分

在建筑首層辦公室室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)的情景中，考慮火災(zāi)最不利影響因素將火源設(shè)于首層樓梯間旁邊辦公室中央，尺寸為1 m×1 m.參照文獻(xiàn)[1]的規(guī)定：設(shè)有噴淋的辦公室內(nèi)火災(zāi)模擬場景內(nèi)，火源的最大熱釋放速率為1.5 MW.然而實(shí)際工況與數(shù)值模擬存在著差異，根據(jù)《性能化消防設(shè)計(jì)與評估導(dǎo)則》選定安全系數(shù)為1.5，即火源最大熱釋放速率為2.25 MW以使模擬結(jié)果與實(shí)際貼合.根據(jù)文獻(xiàn)[1]綜合考量辦公室內(nèi)部陳設(shè)材料燃燒性能，將火災(zāi)類型設(shè)定為t2極快速增長火，增長因子為0.178 kW/s2，模擬時間600 s.

FDS數(shù)值模擬需要進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分越精密，計(jì)算越準(zhǔn)確；但同時網(wǎng)格越細(xì)，計(jì)算時間也會越長，占用內(nèi)存越大.因此劃分單元網(wǎng)格時要兼顧準(zhǔn)確性與計(jì)算時間兩個因素.為防止網(wǎng)格規(guī)模過大導(dǎo)致計(jì)算過程繁復(fù)，在保證模擬結(jié)果可靠性的前提下，選定網(wǎng)格尺寸為0.20 m×0.20 m×0.20 m.

2 火災(zāi)模擬結(jié)果與分析

火源設(shè)置在首層時，有以下默認(rèn)條件：室外疏散門設(shè)置為開啟狀態(tài)；樓梯間疏散門僅火源層且靠近火源房間的樓梯間設(shè)置為開啟狀態(tài)，其他樓層設(shè)置為關(guān)閉狀態(tài)；樓梯間前室疏散門僅靠近火源房間一側(cè)設(shè)置為開啟狀態(tài)；僅火源房間窗戶和疏散門設(shè)置為開啟狀態(tài)；首層火源房間窗口面積試驗(yàn)以下四種分別為：0.66 m2(窗地比2.0%，下文“窗地比”省略不寫)、0.8 m2(2.42%)、0.85 m2(2.6%)和0.825 m2(2.5%).

根據(jù)文獻(xiàn)[1]可知，火源房間面積為33 m2，首層火源房間應(yīng)開啟0.66 m2窗口，首層火源房間窗口面積為0.66、0.8、0.85、0.825m2的煙氣狀態(tài)見表2，不同窗口面積時煙氣蔓延情況，如圖3～圖6所示.

圖4 首層火源房間窗口面積為0.8 m2(2.42%)時煙氣蔓延情況

圖5 首層火源房間窗口面積為0.85 m2(2.6%)時煙氣蔓延情況

圖6 首層火源房間窗口面積為0.825 m2(2.5%)時煙氣蔓延情況

表2 首層房間窗口四種面積下的煙氣狀態(tài)對比

3 驗(yàn)證

火源設(shè)置在首層，改變圖1中③軸線到⑤軸線的距離為6m，使得火源房間面積為39.6 m2，火源房間窗口面積為0.99 m2(2.5%).火災(zāi)模擬結(jié)果得到圖7(為觀察更為直觀，放大首層).從圖7中可以得到煙氣狀態(tài)和表2中0.825 m2(2.5%)狀態(tài)一樣.

圖7 首層火源房間窗口面積為0.99 m2(2.5%)時煙氣蔓延情況

由此可知在火源在首層時，火源房間面積39.6 m2窗口面積按照建筑面積的2.5%設(shè)置時，煙氣沒有煙氣進(jìn)入樓梯間，排煙效果很好達(dá)到了樓梯間防煙的要求.

4 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬的方法研究了火源設(shè)置在首層房間內(nèi)時，可以得出以下結(jié)論：

火源在首層時火源房間窗口面積按照建筑面積的2%設(shè)置，有煙氣進(jìn)入樓梯間，在建筑凈高小于或等于6 m時，設(shè)置有效面積不小于該房間建筑面積2.5%的自然排煙窗(口)，可得到煙氣不進(jìn)入樓梯間的更優(yōu)的防煙效果.考慮到工程應(yīng)用，建議修訂為建筑空間凈高小于或等于6 m的首層場所，在自然排煙形式下應(yīng)設(shè)置有效面積不小于該房間建筑面積3%的自然排煙窗(口).