狹長受限空間建筑自然排煙可行性分析

顏挺利　徐斌

摘 要：分析了某商業街類狹長受限空間建筑的火災危險性和火災煙氣輸運特性，對建筑進行火災模擬，獲得其發生火災時的煙氣濃度、可見度、溫度場、CO2氣體濃度等數據。模擬數據顯示，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勢，在保證煙氣底層穩定性的同時，盡快將煙氣排出至室外，為人員安全疏散提供保證。

關鍵詞：狹長受限空間；自然排煙；數值模擬；火災煙氣輸運

前言

火災煙氣是建筑火災中造成人員傷亡的主要因素，據統計，在火災中死于火災煙氣毒性的死者約占80%以上，其中絕大多數是由于吸入火災煙氣昏迷繼而死亡[1]。狹長受限建筑人員疏散及救援難度大，要求更多的疏散救援時間，這就要求在火災發生后的煙氣能夠快速有效排出。故研究狹長受限空間的火災煙氣輸運特性及控制措施，對減少此類建筑的火災傷亡和經濟損失具有重要意義。

1 狹長受限空間類建筑火災特性分析

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

與普通的腔室火災不同，狹長建筑有其特有的煙氣輸運過程。過程可以分為四個階段：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散）；與頂棚壁面相互作用并開始向長度方向蔓延的過渡階段；煙氣沿頂棚長度方向呈一維蔓延階段。由此，狹長空間與普通腔室的煙氣輸運特性最大的區別在于，煙氣沿頂棚長度方向的一維蔓延。同時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境和建筑結構的影響。如果建筑結構滿足一定條件，通常可以增加自然排煙口進行排煙。自然排煙具有設備簡單、高可靠性、運行維護簡單且費用低的優點，在倡導低碳生活的今天，越來越被消防設計重視并采納。同時，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 工程應用

3.1 基本情況

某室內商業街建筑長度方向將近200m，寬27m，室內最高5m，屋頂為柱面網殼結構，對應圓柱殼半徑為21m，輕巧、簡潔、美觀；兩側分列各種商業店鋪及餐廳，火災荷載密度較大，一旦發生火災極易蔓延。建筑采用大量的玻璃幕墻。商店和餐廳內均設有自動噴水滅火系統，且在發生火災后正常動作。

3.2 火災場景設定

假定起火商店位于建筑中部略偏一側的位置，采用t2火模型，火災增長因子α取為0.114kW/s2。經過對商業街建筑的火災荷載分布情況以及各功能區域潛在火災危險性的分析，此火災場景下，火災荷載分布區域的有效直徑為2m，由t2火模型可計算得，在t=166.67s時火災熱釋放速率達到最大，為3.18MW，模擬中取為3.5MW。采用自然排煙方式，并設不進行排煙的對照組。

在商店火災達到最大熱釋放速率后，引燃另一側的餐廳。餐廳火災的相關參數與商店相同。即商店起火167s后，餐廳被引燃，且餐廳在334s后達到最大熱釋放速率，此時的火災熱釋放速率為7MW。疏散出口在火災發生3min后開啟，用于人員疏散。在建筑物頂部另設2個自然排煙口（長8m，寬2m），與感煙探測器聯動，接收到信號后延時5s開啟。模型在XYZ三個方向的尺寸為200m、30m、10m，網格數分別依次為64、400、20，在火焰附近進行了加密，總計約60萬網格。在火災發生后，與感煙探測器等火災探測設備聯動的自然排煙窗打開后，建筑屋頂的弧面結構除可以作為儲煙倉聚集煙氣外，又可以在某種程度上發揮煙囪效應。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 模擬結果分析

在未采取自然或機械排煙措施的情況下，A工況模擬結果顯示，在火災發生后，由于熱浮力作用，煙氣迅速沖向頂棚，形成頂棚射流。約500s時，在建筑長度方向流動的煙氣已經經過反浮力壁面射流開始向火源方向回流。約800s時整個建筑頂部均可看到煙氣。隨著大量煙氣的產生，整個建筑頂部逐漸被煙氣充滿且煙氣層開始明顯下降。B工況，大廳的自然排煙窗在38s時聯動打開，部分煙氣從自然排煙窗排出至室外。但由于煙氣過于分散，熱壓作用不明顯，排煙窗排煙量小于火源的產煙量，煙氣層有所下降，越來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，臨界危險高度處的能見度仍維持在30m左右。與A工況相比，在800s時排煙窗的排煙量約與火源產煙量達到平衡。煙氣層主要蓄積在建筑頂部，且穩定在臨界危險高度以上。

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

4 結束語

通過分析狹長建筑的火災危險性和火災煙氣輸運特性，針對某狹長空間商業街，使用FDS模擬分析了使用自然排煙方式對狹長建筑內火災煙氣控制的有效性。主要結論：

（1）大體量建筑內部空氣對于火災煙氣有非常好的稀釋冷卻作用；狹長受限空間長度維度上的煙氣流動易受強迫通風的影響，因此，可以有效利用大體量建筑的空間優勢，在保證煙氣底層穩定性的同時，盡快將煙氣排出至室外。

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

在建筑物頂部設置自然排煙窗，維護運營方便，經濟投資相對較少，但對建筑結構的要求較高；同時自然排煙易受環境和氣象條件的影響，在設計時需要考慮建筑所在地常年主導風向等多方面因素。在科技日益發達的今天，選擇愈來愈多，如何高效利用資源，回歸自然，值得深入探討研究。

參考文獻

[1]范維澄，王清安，姜馮輝.火災簡明學教程[M].合肥：中國科學技術大學出版社，1995.

[2]陽東.狹長受限空間火災煙氣分層與卷吸特性研究[D].中國科學技術大學，2010.

[3]許秦坤.狹長通道火災煙氣熱分層及運動機制研究[D].中國科學技術大學，2012.

作者簡介：顏挺利（1983-），男，邢臺市消防支隊，畢業于蘭州交通大學通信工程專業，碩士研究生學歷，主要從事消防工作。

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