民用建筑自然排煙設計分析

阮麗君

上海滬防建筑設計有限公司

民用建筑自然排煙設計分析

阮麗君

上海滬防建筑設計有限公司

在建筑物的防排煙設計中，自然排煙是優先考慮采用的一種方式，因為它具有結構簡單可靠、節省投資、運行維護方便等優點。自然排煙易受到外界環境因素的影響，因此規范規定了設計自然排煙的允許條件及方法。現有的各種規范的要求有所差異，本文對此作出分析比較，認為進行自然排煙設計時，不同規范之間可以相互參考補充，但是有些不一致的條文規定會導致設計結果相距甚遠，有待修正。

自然排煙 規范 分析比較

在防排煙設計中，作為設計依據的國家規范包括《建筑設計防火規范》（GB50016-2006）（以下簡稱《建規》）、《高層民用建筑設計防火規范》（GB50045-95-2005）（以下簡稱《高規》）。另外有一些地方標準主要有上海《上海市建筑防排煙技術規程》（DGJ08-88-2006）（以下簡稱《上海標準》）、北京《自然排煙系統設計施工及驗收規范》（DBJ 01-623-2006）（以下簡稱《北京標準》）。

1 中庭自然排煙分析

對于中庭的自然排煙，《高規》和《北京標準》規定只有中庭高度低于12m時才能采用自然排煙，開窗面積為不小于中庭占地面積的5%。《建規》和《上海標準》則沒有限制12m高度。在實際工程中，中庭的圍護結構往往為玻璃，頂面可能為弧形，設機械排風非常困難。其實不少建筑經過數值模擬及理論分析計算，證明對大于12m的中庭采用自然排煙是可行的，表1列出了這些模擬和實際工程的具體情況。

表1 模擬工程統計

火災發生時，煙氣在熱壓作用下上升，到達頂棚后進行水平擴散，當碰到墻壁或水平障礙物后，煙氣開始下降，煙層逐漸下降，溫度不斷升高。排煙要求在一定時間內煙層維持在某一高度，使排出的煙量與產生的煙量相等，煙層厚度不再發生變化，煙層下方即為清晰高度。該高度應滿足人員的疏散要求。根據這個排煙原理，雖然中庭高度大于12m時，部分煙氣會遇冷下降，但建筑中的高大中庭具有較強的蓄煙功能，為人員的疏散贏得時間。在表1中的各個項目均論證了通過合理的設置自然排風與補風的面積和位置，同時最小清晰高度滿足最上層的人員疏散要求的情況下，對大于12m的中庭，自然排煙能很好地滿足消防要求。所以在實際工程中，對于高于12m中庭，可綜合考慮風壓、熱壓的作用通過模擬計算論證，進行自然排煙設計。

2 樓梯間自然排煙

各防火規范都規定靠外墻的防煙樓梯間設計自然排煙時，每五層內可開啟排煙窗的總面積不應小于2.0m2。其中《建規》和《高規》在條文說明中指出這五層中頂層或上兩層應有一定的開窗面積，其余樓層不限，所謂一定的開窗面積，并未有明確的數據，若只在上面第二層開窗，且面積很小，由于煙氣往上躥升，那么樓梯間最上面兩層的煙氣會聚集，不利于疏散。在《上海標準》和《北京標準》明確規定了自然排煙樓梯間頂層的通風面積不小于0.8m2，一般樓梯間的截面積約為20～30m2，該開窗面積占截面積比為2.6%～4%，與《建規》9.2.2.4規定的其余區域自然排煙的開窗面積占房間占地面積之比在2%～5%范圍內相符。德國《高層住宅設計規范》規定：必須在最上部設排煙裝置，其面積必須至少為樓梯間截面積的5%。日本《建筑法規執行條例》規定：在頂棚下80cm高度范圍內，能開啟窗戶的凈面積不小于房間面積的2%。所以參考國外的經驗，我們在樓梯間自然排煙設計中，頂層通風面積0.8m2的要求也是必要的。實際工程中，若外墻開窗面積無法滿足時，可以在伸出屋頂的風井側面設百葉窗排煙。

3 自然排煙開窗面積及補風問題

在《建規》、《高規》中規定自然排煙時不同空間的可開啟外窗面積，沒有提及補風要求。但在《北京標準》中明確規定設置自動自然排煙系統的場所應設置補風系統，而補風可以采用自然補風或機械補風。《上海標準》中規定除面積小于500m2的區域或帶噴淋的大空間辦公室和汽車庫外，其余空間需設排煙和補風口，自然通風面積按下式計算：

式中：Av、A0為排煙口、所有進風口的截面積，m2；Cv為排煙口流量系數，通常取0.5～0.7；C0為進氣口流量系數，通常取0.6；ρ0為環境密度下的氣體密度，kg/m3；db為排煙窗下煙氣的厚度，m；T為煙氣的絕對溫度，K；T0為環境的絕對溫度，K。

從式（1）看出，當Av/A0確定后，對某一個火災模型所需的Av即可確定，從節能角度考慮，可開啟外窗面積越小越好，圖1為不同火災模型下，Av/A0與Av+A0的曲線圖。

圖1 不同火災模型下Av/A0與Av+A0的關系

圖1中曲線一、二為層高為4.5m的辦公室，曲線三、四為層高為12m的中庭。從圖中可看出在Av/A0比例在1.1～1.35之間時，排煙及補風的面積之和較小，所以在設計時可根據建筑條件按此比例范圍取值。

從各規范可看出，主要有下列建筑空間的自然排煙補風要求是不同的（表2）。

表2 各種建筑空間的自然排煙補風

表2中兩種空間自然排煙開窗面積比較見表3。

表3 兩種空間自然排煙的開窗面積比較

從表3可看出：自然排煙按不同的標準設計，開窗面積中庭在380m2（大空間建筑面積500m2）時大致相同，隨著面積增加至2000m2，《上海標準》要求的開窗面積約為其他規范規定面積的30%。當中庭面積減小至100m2時，《上海標準》要求的開窗面積約為其他規范的規定面積的3.5倍。《上海標準》中4.3.7規定，當建筑室內凈高度超過6m，建筑室內凈高度每增加1m，排煙面積可減少5%。此條文未說明是否適用于中庭，考慮到中庭與相鄰走道或回廊聯通時，中庭的清晰高度須滿足最高層的疏散要求，因此4.3.7條不能直接適用于中庭。

《上海標準》主要采用火災模型確定自然排煙和補風面積，《建規》、《高規》主要按面積確定自然排煙面積。《北京標準》主要按面積確定自然排煙面積，采用火災模型確定補風面積。兩套計算規則在防火分區的上下限時自然通風面積差距很大，如果每一種標準都是滿足要求的，那么必有一種標準在某個建筑面積范圍內是要求過高的，所以兩種計算方法還需根據建筑面積作修正。

火災時產生的大量煙氣通過開啟外窗自然排煙時，必須有一定的補風才能保證排煙的實現，《建規》、《高規》未規定補風面積，應是考慮了通過門或窗縫隙自然補風，所以設計時須考慮這些補風的有效性，如果沒有合理的補風量，那么一部分排煙口就成為補風口，使煙氣下沉，排煙就不能順利進行，所以自然補風口應設在儲煙倉的下部。當無法實現自然補風時，應采用機械補風。

4 結語

1）由于《高規》等規范規定只有高度不大于12m的中庭才能采用自然排煙，雖然《建規》沒有這個高度限制，審圖或消防審批時往往從嚴要求，不允許大于12m的中庭采用自然排煙，通過不少模擬分析和理論計算證明，通過合理設計，大于12m的中庭自然排煙是可以滿足防排煙要求的。對一些無法機械排煙的場所可以采用自然排煙。

2）《上海標準》和《北京標準》規定的自然排煙樓梯間頂層的通風面積不小于0.8m2，建議在其他地區設計中也參考應用，使樓梯間的自然通風更加可靠有效。

3）自然排煙也需要一定的補風量，《高規》和《建規》未明確補風要求，應是考慮了疏散門和窗的縫隙補風，若實際工程中沒有這些補風條件，應該增加自然補風口或機械補風。

4）本文提到的四個規范在某些特定建筑空間的自然排煙面積設計結果相差3.5倍，必有一種是不合理的，對這些區域需要一定的修正。

[1] 建筑設計防火規范(GB50016-2006)[S]

[2] 高層民用建筑設計防火規范(GB50045-95-2005)[S]

[3] 上海市建筑防排煙技術規程(DGJ08-88-2006)[S]

[4] 自然排煙系統設計施工及驗收規范(DBJ 01-623-2006)[S]

[5] 王旭,石鶴.國家大劇院高大空間排煙系統的分析設計[J].暖通空調,2008,38(9):52-54

[6] 王健,田盛松,肖裔平.東莞國際會展中心中庭排煙設計[J].暖通空調,2003,33(1):78-79

[7] 阮文.扁平中庭自然排煙有效性分析[J].消防科學與技術,2013, 32(3):265-267

[8] 郭宏曉.酒店中庭自然排煙方式的數值模擬[J].消防科學與技術,2012,31(6):592-594

[9] 江蘋,葉大法.浦東圖書館中庭自然通風研究與應用[J].制冷空調與電力機械,31(133):58-61

Analysis on Natural Ventilation Design of Civil Construction

RUAN Li-jun
Shanghai Civil Air Deference Architecture Design Co.,Ltd.

In design of smoke control system,natural smoke extraction is a priority,because it has the advantage of saving investment,simple and reliable structure,convenient operation and maintenance etc...Natural ventilation is vulnerable to external environmental factors,so the codes provided the conditions and method of design of natural ventilation.There are some difference between the various codes,so this passage makes some analysis and comparison, thinking it can be referenced between different codes in design of smoke control system,and some rules lead to the results of design so far,need to be modified.

natural ventilation design,code,analysis and comparison

1003-0344（2015）04-098-3

2014-4-26

阮麗君（1971～），女，大學，工程師；上海徐匯區園南三村27號301室（200231）；E-mail:1822806058@qq.com