關于中庭高層建筑防排煙設計優化分析

姜林　劉昕瑩

摘 要：現代社會的進步，建筑行業也帶來的新的發展需求，如今高層建筑最注重的就是安全問題。要做好當下的防排煙設計驗證工作，確保下序工作結構的協調，做好相關評估驗證工作，數值模擬計算、模型試驗和現場的熱煙測試是常采用的評估和驗證方法。

關鍵詞：中庭高層建筑；排煙設計

火災發生后，從可燃物起火初期至火災發展全盛期，在可燃物上方形成穩定火焰區、間斷火焰區和煙氣羽流區，上部的熱煙氣層與下部的冷空氣層通過煙羽流進行傳熱傳質。在一定的建筑結構和火災規模條件下，煙氣的生成量主要取決于羽流的質量流量。

1 工程概況

所選建筑高度為56.15m，屬一類高層建筑，耐火等級為一級。地下兩層，面積為9068m2，地上14層，面積為48665m2；地下一、二層為車庫及設備用房，地上部分為功能檢查科室、手術室、病房等。1層～3層布置一個中庭，中庭面積為152m2，高度為16m，中庭頂蓋采用鋼結構，四周均勻開有百葉排煙窗；3層-4層布置一個設備夾層；4層～14層布置有一個高度為41.7m的天井，天井四周分布醫療室、住院病房等房間；建筑內設有完善的自動噴水滅火系統。

2 火災場景設置

2.1 火災增長速率分析

大量的試驗研究及真實的火災案例表明，許多物品從起火到旺盛階段，熱釋放速率大體按時間的指數規律增長。例如木材等纖維素材料，塑料等合成材料，這種火災類型可表述為火災按t2增長。根據NFPA手冊，火災可分為極快、快速、中等和緩慢4種類型。

本建筑使用功能相對固定，可燃物的種類和分布相對穩定。一層大廳、病房等位置可能引起火災的可燃物為柜臺、座椅、棉被、衣物等。

2.2 火災規模設定

根據最不利原則，假設自動噴水滅火系統失效，參照某市工程建筑規范5建筑防排煙技術規程6（DGJ 08-88）2006）中無噴淋的中庭火災的最大熱釋放速率為4mW，設定典禮大廳中火源功率為4mW。

2.3 火源位置

經過對內科醫技樓可燃物的分布和火災荷載密度等情況的分析，依據最不利和最具代表性原則，在一層大廳扶梯處設置起火點。

2.4 火災場景設計

所選擇的火災場景是根據最不利的原則確定的，同時兼顧起火部位的代表性。綜合考慮建筑內的消防設施、內科醫技樓所處的地理位置以及建筑內可燃物性質與分布后設計。

3 數值模擬與結果分析

3.1 模擬軟件及方案判斷指標

模擬采用比較流行的FDS軟件，FDS（Fire Dy-namics Simulator）是由NIST（National Institute of Stan-dards and Technology，美國商務部標準和技術研究院）開發的計算機場景模擬軟件。結合本建筑的結構和功能特點，對排煙效果好壞的判斷，將采用以下性能標準：①一層大廳距地面高度2m以下煙氣層/空氣層溫度不超過60℃；②各層距地面高度2m以下煙氣層/空氣層能見度不小于10m；③中庭內發生火災，煙氣能否順利排出。

3.2 FDS模型與計算條件

根據某市建筑設計研究院提供的圖紙，建立了該內科醫技樓的計算模型，如圖1所示。

3.3 計算初始條件

（1）建筑室內外溫度設為25℃。（2）建筑內通向室外或相鄰防火分區門窗為開啟的狀態。（3）火災初期規模按照t2快速火增長。（4）火災模擬時間為1800s。

圖1 FDS計算模型

3.4 方案一、方案二、方案三模擬分析模擬結果的部分截圖如圖4～圖5所示

（1）方案一和方案三在225s時煙氣沉降的位置達到三層，排煙效果基本相同；方案二煙氣沉降到二層中間位置，煙氣層厚度較方案一、方案三大，這是由于火災初期，煙氣產生量少，熱浮力小，煙氣不能有效經排煙天窗排到室外。煙羽流上升至頂蓋后，開始沿頂蓋向兩側水平蔓延，并開始沉降，煙氣層厚度逐漸加大，在1800s時，方案一的煙氣層已經降至一層距地2m以下，不利于人員的安全疏散；方案二和方案三，煙氣蔓延至中庭頂，通過自然排煙窗排至天井，再排至室外，火災排煙效果基本相同，煙氣層保持在二樓中間位置，較方案一優，這是因為火災中后期，產煙量大，熱浮力大，煙氣能有效經排煙窗排到室外。

圖5 一層大廳距地面2m處900s時煙氣溫度分布圖對比分析

圖6 一層大廳距地面2m處1800s時 煙氣溫度分布圖對比分析

4 結語

火災初期，熱釋放速率較小，產煙量小，熱浮力小，煙氣不能有效地經中庭頂蓋天窗排出，須借助機械排煙；中后期熱釋放速率較大，產煙量大，采用自然排煙效果較好；基于火源熱釋放速率的變化規律對排煙系統進行優化的設計效果與理論分析的結果相吻合；通過方案一和方案三對比分析，方案三的排煙效果最好，考慮到火災初期自然排煙效果不好，中庭類高層建筑的排煙方案可以優化為火災初期只采用機械排煙，火災中后期關閉機械排煙同時打開自然排煙窗。

摘 要：現代社會的進步，建筑行業也帶來的新的發展需求，如今高層建筑最注重的就是安全問題。要做好當下的防排煙設計驗證工作，確保下序工作結構的協調，做好相關評估驗證工作，數值模擬計算、模型試驗和現場的熱煙測試是常采用的評估和驗證方法。

關鍵詞：中庭高層建筑；排煙設計

火災發生后，從可燃物起火初期至火災發展全盛期，在可燃物上方形成穩定火焰區、間斷火焰區和煙氣羽流區，上部的熱煙氣層與下部的冷空氣層通過煙羽流進行傳熱傳質。在一定的建筑結構和火災規模條件下，煙氣的生成量主要取決于羽流的質量流量。

1 工程概況

所選建筑高度為56.15m，屬一類高層建筑，耐火等級為一級。地下兩層，面積為9068m2，地上14層，面積為48665m2；地下一、二層為車庫及設備用房，地上部分為功能檢查科室、手術室、病房等。1層～3層布置一個中庭，中庭面積為152m2，高度為16m，中庭頂蓋采用鋼結構，四周均勻開有百葉排煙窗；3層-4層布置一個設備夾層；4層～14層布置有一個高度為41.7m的天井，天井四周分布醫療室、住院病房等房間；建筑內設有完善的自動噴水滅火系統。

2 火災場景設置

2.1 火災增長速率分析

大量的試驗研究及真實的火災案例表明，許多物品從起火到旺盛階段，熱釋放速率大體按時間的指數規律增長。例如木材等纖維素材料，塑料等合成材料，這種火災類型可表述為火災按t2增長。根據NFPA手冊，火災可分為極快、快速、中等和緩慢4種類型。

本建筑使用功能相對固定，可燃物的種類和分布相對穩定。一層大廳、病房等位置可能引起火災的可燃物為柜臺、座椅、棉被、衣物等。

2.2 火災規模設定

根據最不利原則，假設自動噴水滅火系統失效，參照某市工程建筑規范5建筑防排煙技術規程6（DGJ 08-88）2006）中無噴淋的中庭火災的最大熱釋放速率為4mW，設定典禮大廳中火源功率為4mW。

2.3 火源位置

經過對內科醫技樓可燃物的分布和火災荷載密度等情況的分析，依據最不利和最具代表性原則，在一層大廳扶梯處設置起火點。

2.4 火災場景設計

所選擇的火災場景是根據最不利的原則確定的，同時兼顧起火部位的代表性。綜合考慮建筑內的消防設施、內科醫技樓所處的地理位置以及建筑內可燃物性質與分布后設計。

3 數值模擬與結果分析

3.1 模擬軟件及方案判斷指標

模擬采用比較流行的FDS軟件，FDS（Fire Dy-namics Simulator）是由NIST（National Institute of Stan-dards and Technology，美國商務部標準和技術研究院）開發的計算機場景模擬軟件。結合本建筑的結構和功能特點，對排煙效果好壞的判斷，將采用以下性能標準：①一層大廳距地面高度2m以下煙氣層/空氣層溫度不超過60℃；②各層距地面高度2m以下煙氣層/空氣層能見度不小于10m；③中庭內發生火災，煙氣能否順利排出。

3.2 FDS模型與計算條件

根據某市建筑設計研究院提供的圖紙，建立了該內科醫技樓的計算模型，如圖1所示。

3.3 計算初始條件

（1）建筑室內外溫度設為25℃。（2）建筑內通向室外或相鄰防火分區門窗為開啟的狀態。（3）火災初期規模按照t2快速火增長。（4）火災模擬時間為1800s。

圖1 FDS計算模型

3.4 方案一、方案二、方案三模擬分析模擬結果的部分截圖如圖4～圖5所示

（1）方案一和方案三在225s時煙氣沉降的位置達到三層，排煙效果基本相同；方案二煙氣沉降到二層中間位置，煙氣層厚度較方案一、方案三大，這是由于火災初期，煙氣產生量少，熱浮力小，煙氣不能有效經排煙天窗排到室外。煙羽流上升至頂蓋后，開始沿頂蓋向兩側水平蔓延，并開始沉降，煙氣層厚度逐漸加大，在1800s時，方案一的煙氣層已經降至一層距地2m以下，不利于人員的安全疏散；方案二和方案三，煙氣蔓延至中庭頂，通過自然排煙窗排至天井，再排至室外，火災排煙效果基本相同，煙氣層保持在二樓中間位置，較方案一優，這是因為火災中后期，產煙量大，熱浮力大，煙氣能有效經排煙窗排到室外。

圖5 一層大廳距地面2m處900s時煙氣溫度分布圖對比分析

圖6 一層大廳距地面2m處1800s時 煙氣溫度分布圖對比分析

4 結語

火災初期，熱釋放速率較小，產煙量小，熱浮力小，煙氣不能有效地經中庭頂蓋天窗排出，須借助機械排煙；中后期熱釋放速率較大，產煙量大，采用自然排煙效果較好；基于火源熱釋放速率的變化規律對排煙系統進行優化的設計效果與理論分析的結果相吻合；通過方案一和方案三對比分析，方案三的排煙效果最好，考慮到火災初期自然排煙效果不好，中庭類高層建筑的排煙方案可以優化為火災初期只采用機械排煙，火災中后期關閉機械排煙同時打開自然排煙窗。

摘 要：現代社會的進步，建筑行業也帶來的新的發展需求，如今高層建筑最注重的就是安全問題。要做好當下的防排煙設計驗證工作，確保下序工作結構的協調，做好相關評估驗證工作，數值模擬計算、模型試驗和現場的熱煙測試是常采用的評估和驗證方法。

關鍵詞：中庭高層建筑；排煙設計

火災發生后，從可燃物起火初期至火災發展全盛期，在可燃物上方形成穩定火焰區、間斷火焰區和煙氣羽流區，上部的熱煙氣層與下部的冷空氣層通過煙羽流進行傳熱傳質。在一定的建筑結構和火災規模條件下，煙氣的生成量主要取決于羽流的質量流量。

1 工程概況

所選建筑高度為56.15m，屬一類高層建筑，耐火等級為一級。地下兩層，面積為9068m2，地上14層，面積為48665m2；地下一、二層為車庫及設備用房，地上部分為功能檢查科室、手術室、病房等。1層～3層布置一個中庭，中庭面積為152m2，高度為16m，中庭頂蓋采用鋼結構，四周均勻開有百葉排煙窗；3層-4層布置一個設備夾層；4層～14層布置有一個高度為41.7m的天井，天井四周分布醫療室、住院病房等房間；建筑內設有完善的自動噴水滅火系統。

2 火災場景設置

2.1 火災增長速率分析

大量的試驗研究及真實的火災案例表明，許多物品從起火到旺盛階段，熱釋放速率大體按時間的指數規律增長。例如木材等纖維素材料，塑料等合成材料，這種火災類型可表述為火災按t2增長。根據NFPA手冊，火災可分為極快、快速、中等和緩慢4種類型。

本建筑使用功能相對固定，可燃物的種類和分布相對穩定。一層大廳、病房等位置可能引起火災的可燃物為柜臺、座椅、棉被、衣物等。

2.2 火災規模設定

根據最不利原則，假設自動噴水滅火系統失效，參照某市工程建筑規范5建筑防排煙技術規程6（DGJ 08-88）2006）中無噴淋的中庭火災的最大熱釋放速率為4mW，設定典禮大廳中火源功率為4mW。

2.3 火源位置

經過對內科醫技樓可燃物的分布和火災荷載密度等情況的分析，依據最不利和最具代表性原則，在一層大廳扶梯處設置起火點。

2.4 火災場景設計

所選擇的火災場景是根據最不利的原則確定的，同時兼顧起火部位的代表性。綜合考慮建筑內的消防設施、內科醫技樓所處的地理位置以及建筑內可燃物性質與分布后設計。

3 數值模擬與結果分析

3.1 模擬軟件及方案判斷指標

模擬采用比較流行的FDS軟件，FDS（Fire Dy-namics Simulator）是由NIST（National Institute of Stan-dards and Technology，美國商務部標準和技術研究院）開發的計算機場景模擬軟件。結合本建筑的結構和功能特點，對排煙效果好壞的判斷，將采用以下性能標準：①一層大廳距地面高度2m以下煙氣層/空氣層溫度不超過60℃；②各層距地面高度2m以下煙氣層/空氣層能見度不小于10m；③中庭內發生火災，煙氣能否順利排出。

3.2 FDS模型與計算條件

根據某市建筑設計研究院提供的圖紙，建立了該內科醫技樓的計算模型，如圖1所示。

3.3 計算初始條件

（1）建筑室內外溫度設為25℃。（2）建筑內通向室外或相鄰防火分區門窗為開啟的狀態。（3）火災初期規模按照t2快速火增長。（4）火災模擬時間為1800s。

圖1 FDS計算模型

3.4 方案一、方案二、方案三模擬分析模擬結果的部分截圖如圖4～圖5所示

（1）方案一和方案三在225s時煙氣沉降的位置達到三層，排煙效果基本相同；方案二煙氣沉降到二層中間位置，煙氣層厚度較方案一、方案三大，這是由于火災初期，煙氣產生量少，熱浮力小，煙氣不能有效經排煙天窗排到室外。煙羽流上升至頂蓋后，開始沿頂蓋向兩側水平蔓延，并開始沉降，煙氣層厚度逐漸加大，在1800s時，方案一的煙氣層已經降至一層距地2m以下，不利于人員的安全疏散；方案二和方案三，煙氣蔓延至中庭頂，通過自然排煙窗排至天井，再排至室外，火災排煙效果基本相同，煙氣層保持在二樓中間位置，較方案一優，這是因為火災中后期，產煙量大，熱浮力大，煙氣能有效經排煙窗排到室外。

圖5 一層大廳距地面2m處900s時煙氣溫度分布圖對比分析

圖6 一層大廳距地面2m處1800s時 煙氣溫度分布圖對比分析

4 結語

火災初期，熱釋放速率較小，產煙量小，熱浮力小，煙氣不能有效地經中庭頂蓋天窗排出，須借助機械排煙；中后期熱釋放速率較大，產煙量大，采用自然排煙效果較好；基于火源熱釋放速率的變化規律對排煙系統進行優化的設計效果與理論分析的結果相吻合；通過方案一和方案三對比分析，方案三的排煙效果最好，考慮到火災初期自然排煙效果不好，中庭類高層建筑的排煙方案可以優化為火災初期只采用機械排煙，火災中后期關閉機械排煙同時打開自然排煙窗。