基于“氣旋”的中庭防排煙優化設計

李俊霖 管天舒 胡志鵬 蔣首超

（同濟大學土木工程學院，上海 200092）

基于“氣旋”的中庭防排煙優化設計

李俊霖 管天舒 胡志鵬 蔣首超

（同濟大學土木工程學院，上海 200092）

本文提出一種新型的、基于“氣旋”機理的中庭結構防排煙優化設計，并通過FDS（fire dynamics simulator）軟件模擬，對比兩種防排煙模式的效果。模擬結果表明：采用新型防排煙優化設計能夠使得中庭頂部排煙速率提高1倍，模擬得到的結果對于中庭結構的防排煙有著巨大的實用價值。

中庭結構；防排煙；氣旋；煙囪效應；煙氣動力分析

高層、超高層建筑在我們的生活中逐漸普及。在這些建筑中往往可見寬敞、明亮、通透的中庭空間。但這些中庭結構在帶給人舒適和美的享受的同時卻對建筑物的防火排煙性能提出了很大的挑戰［1-2］。顯然現有的國內設計規范已不再適應中庭防火排煙的要求，亟需研究人員對中庭結構的防排煙提出一種優化設計方案。

1　中庭防排煙現狀

1.1中庭消防難題

目前常用的排煙方式有自然排煙、機械排煙和機械防煙等。其中自然排煙利用室內熱氣流的浮力或室外風力的作用；機械防煙利用風機產生的氣流和壓力差在高層建筑關鍵部位進行機械送風加壓，阻止煙氣進入；機械排煙是使用排煙風機進行強制排煙。

而高層建筑中庭會產生煙囪效應，即室內空氣沿著垂直方向上升或下降，造成空氣加強對流的現象。煙囪效應的存在會使低層火災產生的熱空氣向上流動，在頂層制造另一個火場令火勢加劇；還會使有害煙氣停滯在中性層并橫向蔓延。這不單使撲救變得更加困難，更會危及逃生者的生命安全。三種常用排煙方式尚無法有效地解決這些問題。

1.2實例：嘉利大廈大火

1996年11月20日香港嘉利大廈的大火起于2樓電梯井附近，火勢由于電梯井產生的煙囪效應而蔓延至高層。煙氣則在上升過程中冷卻至和周圍空氣密度相近時不再上升，停留在了13～15樓（中性層）并開始橫向蔓延，導致濃煙在13～15層大范圍擴散。最終釀成41死80傷的慘劇。

可見煙囪效應帶來的危害主要分為兩點：①火災縱向迅速蔓延。②中性層煙氣的橫向彌漫。

2　基于“氣旋”機理的中庭結構防排煙優化設計

2.1設計思路

氣旋的形成過程和煙囪效應十分相似。氣旋中心氣壓低、四周氣壓高，是一種近地面氣流向內輻合，中心氣流上升的天氣系統。而當中庭建筑發生火災時，該處溫度升高，空氣受熱膨脹上升，外部的空氣向內補充，夾雜著煙氣向中庭的頂部迅速擴散。

但二者之后的發展卻有所不同。氣旋中下部空氣在上升階段幾乎不向外擴散。但中庭中由于中性層的存在，煙氣豎向擴散的同時也向四周擴散。因此可以設想將氣旋的機理運用在中庭結構中，既限制煙氣水平蔓延，又促使其更快地上升至頂部排煙口。

2.2實現手段

氣旋實質上只是簡單外部高壓空氣進入補充內部低壓的現象。之所以產生“氣旋”是因為外部空氣被吸入到內部的過程中，由于地球自轉與科氏力的作用，產生了一個與運動速度垂直的加速度。但對局限在中庭中的流動空氣科氏力作用極為有限，所以需要產生人工的氣旋。通過FDS模擬可知，在中庭內壁上豎直方向上每隔一定距離安裝恰當的鼓風裝置可以產生人工氣旋。

2.3FDS簡單氣旋模擬（簡易模型）

由《高層民用建筑防火規范》知中庭應作為一個單獨的防火分區，因此簡易模型不考慮中庭周圍的結構在火災發生時的溫度變化對煙氣彌漫產生的影響。

采用了相似原理后設置以下參數：中庭截面積（2m* 2m）；中庭高度（10m）；因為大部分中庭建筑在頂部只有自然排煙口，所以模型以開放頂部邊界近似；建筑中下部一般設置了很多長時間開口的小門窗作為補風口，我們開放模型0.5m以下空間來近似。每三米高度統一在墻壁的順時針靠邊一側設置一層送風口（0.5*1m），使其提供側向加速度。送風速度（3m/s）為實地考察送風裝置得到數據。

火源（聚氨酯）：雖然民用建筑內可燃物一般為木材，但木材的相關參數難以確定，而聚氨酯燃燒釋放的煙氣濃度極高且容易觀測比較，所以采用聚氨酯作為燃燒的火源。

燃燒面積（1m*1m）。

放熱速率（500kW/m2）為《消防手冊》中一般燃燒面的放熱速率。

四周封閉邊界條件（不考慮結構溫度對煙氣走向的影響）

圖1　FDS煙氣模擬示意圖

模擬結果清楚顯示，煙氣在上升過程中形成了旋轉上升的正氣旋且被很好地局限在中庭范圍內。而沒有鼓風裝置的結構，燃燒5s后煙氣便開始水平擴散，頂部開放的排煙口不能及時將煙氣排空，整個中庭充滿了煙氣。

3　排煙效率對比

3.1探測裝置的設置

燃燒物正上方1.5m出設置一處熱電偶，用來追蹤溫度變化量。

每隔3m設置一個感煙裝置，位于中庭側面的中心處，用來檢測煙氣的擴散情況。

頂部10m處在中庭的正上方和側面的中點處各設置一個感煙裝置，用來計算煙氣的豎向排放速度。

在中庭的正中設置一組垂直正交的溫度切片，以云圖的方式，展現火災的動態變化。

3.2相關模擬數據對比

3.2.1中部煙氣擴散情

圖2　新型（a）與傳統（b）中庭6m高處回廊煙氣濃度對比

從模擬的數據可以看出由于側向送風機的作用，回廊處的煙氣濃度波動極大，但是平均小于0.00001，而傳統設計的濃度平均已經達到了0.0015，大了將近150倍。可見，側向鼓風機對于限制中庭煙氣濃度的橫向擴散具有極大的作用，這對回廊中的人員安全關系重大。

3.2.2頂部排煙速率對比

排煙口的排煙速率是衡量排煙效果好壞的最直觀的標準。從圖中可以清楚看到，普通中庭的平均排煙速率約7 m3/s，而新型排煙設計的排煙速率在12m3/s左右，提升了將近一倍?？梢娦滦团艧熢O計有效提升了排煙效果。

綜上可見，新型設計能將燃燒發出的熱量較好地限制在一定的范圍和高度內。有設置的溫度切片還可看出中庭的中上部的溫度與火災前相比變化不大，依然維持在20～30℃的范圍內。但傳統的中庭則充滿了高溫煙氣，整個中庭的溫度都在250℃左右。這不僅高出很多材料的著火點，更對人產生致命影響，它不但會灼傷逃生者，更會大大降低能見度，最終導致逃生率大大降低。

圖3　新型（左）與傳統（右）設計排煙口排煙速率對比

4　同濟大學綜合樓煙囪效應模擬

同濟大學綜合樓是為慶祝同濟百年校慶建造的全國高校鋼結構第一高樓，占地面積15615m2，地下1層，地上21層，建筑高度98m。但是，綜合樓內部巨大的中庭，給消防安全埋下了一顆定時炸彈。

圖4　同濟大學綜合樓FDS模型

下面，為了測試綜合樓的煙囪效應和新的排煙設計的可行性，按綜合樓的實際尺寸建立模型。

4.1綜合樓模型總體介紹

4.1.1幾何參數

總高98m，主體平面49.5m×49.5m，在建筑中部沿豎向形成平面15.3m×15.3m正方形貫通中庭及與之貫通螺旋上升的組合中庭。

4.1.2材料參數

模型材料：考慮材料的導熱系數，模型全部使用混凝土（FDS內置）為材料。導熱率：1.8W/（m·K），輻射系數0.9，吸收系數5.0E4/m。

燃燒源：聚氨酯。每平方米熱釋放功率：1000kW。中庭底部正中4m×4m為燃燒面。

4.1.3模型說明

綜合樓結構特殊，無法在中庭添加四個方向的鼓風裝置，因此僅添加兩個方向。

4.2數據分析（右上角帶“'”的數據為添加氣旋后的數據

圖5　68m高度處煙氣體積分數

16m與68m高度處的煙氣濃度分析結果顯示，添加氣旋后，非中庭的開放區域煙氣濃度下降約達1/2。可見新的排煙設計對中庭外圍開放區域的保護效果良好

5　結論

經過簡易模型分析和實際建筑模擬可知，基于“氣旋”的中庭防排煙優化設計可以將燃燒帶來的煙氣和熱量有效控制在中庭之中，減小煙囪效應帶來的大量煙氣和高溫對建筑物的影響，為逃生救援贏得高貴的時間。

［1］陳妙芳.建筑設備［M］.上海：同濟大學出版社，2002.

［2］李國強，蔣首超，等.某綜合樓鋼結構抗火安全設計與評估［J］.防災減災工程學報，2006，26（1）：13-20.

Optimization Design of SmokeControl and Exhaustion in Atriumbased on "Cyclone"

Li Junlin Guan Tianshu Hu Zhipeng Jiang Shouchao
（School of Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092）

This paper proposed a novel optimization design of smoke control and exhaustion in atrium structure based on"cyclone"mechanism，and through the FDS software simulation compared the effects of two smoke control and exhaustion modes.The simulation results showed that the optimization design of the new smoke control and exhaustion can make the top smoke exhaustion rate of the atrium get a double increase.The simulation results have a great practical value for the smoke control and exhaustion of the atrium structure.

atrium Structure；smoke control and exhaustion；cyclone；chimney effect；dynamic analysis of flue gas

U231.96

A

1003-5168（2015）12-0042-3

2015-12-8

李俊霖（1995.6-），男，本科，研究方向：土木工程。