防火安全視角下的超高層建筑空間設計

楊得鑫　張慶順　馬躍峰

防火安全視角下的超高層建筑空間設計

楊得鑫張慶順馬躍峰

超高層建筑的安全與建筑空間的組織、劃分和技術密切相關，隨著超高層建筑高度的逐步攀升，安全隱患也不斷增加。論文從外部空間、內部空間和空間安全構造措施三個方面對超高層建筑空間與防火設計的關系進行探討，以尋求防火安全、火災損失和建筑設計之間的高度協調，并期望超高層建筑設計以建筑空間安全設計的系統性為目標，為其自防自救提供基礎保障。

超高層建筑；空間設計；防火安全；關系

0　引 言

近十年來中國超高層建筑呈現明顯快速增長的態勢，年均增長率達8.0%，是世界年增長率的2.5倍多。截止2014年底，中國已建超高層民用建筑占世界總量的77.8%，成為世界上超高層建筑數量最多的國家。在中國，建筑高度超過100m稱作超高層建筑，超過250m的稱作超限建筑。超高層建筑因其多功能性、綜合性和垂直交通系統的高效性，使得空間呈高度集約化、立體化和綜合化發展。空間是建筑的主角，但在超高層建筑設計中，空間的劃分和使用與消防疏散可能存在多方的矛盾和沖突，加之超高層建筑自身具有功能復雜、存在火源多、疏散距離長、空間多樣性等不利因素，使得防火安全問題更加突出。因超高層建筑撲救難度巨大，一旦發生火災，其防火安全必須立足于自防自救。本文從空間設計的角度探討超高層建筑外部空間、內部空間與防火設計的關系，力圖從空間系統的可靠性來尋求超高層建筑的防火安全保障。

1　外部空間與消防撲救

超高層建筑大多處在城市的核心區域，周邊城市道路、廣場及建筑較為復雜。總體布局時，應掌握超高層建筑所在地的風速、風向等情況和周邊建筑的年代、類型和耐火極限等情況，嚴格保證與四周建筑的防火間距，防止火勢蔓延對相鄰建筑造成的次生災害，從而在城市空間層面上進行主動防災減災，提高空間彈性[1]。

楊得鑫： 重慶大學建筑城規學院，碩士研究生，350737545@qq.com

張慶順： 重慶大學建筑城規學院，山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，副教授

馬躍峰： 重慶大學建筑城規學院，山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，副教授

除考慮其功能、造型、景觀等之外，為保證火災時消防車能順利進入場地進行撲救和登高，應在離超高層建筑四周一定距離設置環形消防車道，沿建筑至少一個長邊或周邊長度的1/4且不小于長邊長度的底邊連續布置消防車登高操作場地[2]。消防車道和消防車登高操作場地的長度和寬度應根據國家規范和當地大型消防裝備情況進行合理設計。超高層建筑主體和裙樓部分通常連為一體且裙樓面積規模較大，設計中裙樓的深度及寬度不應阻礙對主體的消防撲救；當裙樓與主體分離時，需按實際情況各自設置消防車道和消防車登高操作場地。如上海金茂大廈長形裙樓與方形主體之間以廳堂空間相連，二者四周均設有消防車道，基地內還設有綠化及回車場，消防撲救條件十分良好。

2　內部空間的特點

為有利于主體的使用功能及結構的穩定性，通常超高層建筑結構體系采用結構筒貫穿整個建筑，其內部包含電梯井、樓梯間、設備井道和其他輔助空間，在建筑空間中常起到交通樞紐作用。其中走廊、前室和疏散樓梯等肩負人員疏散的功能，結構筒之外就是具體的功能空間。由于結構技術的支撐，超高層建筑的功能空間具有大小不同規模的形態，空間類別呈現多元化組合的特點，既有閉合的空間，也有開放或半開放的空間。建筑的空間布局與人員的安全疏散有著不可分離的關系，建筑空間組合模式不同，安全疏散的流線和方式也會有所不同。

超高層建筑主體因其體量、面積龐大而構成復合功能型建筑，包括辦公、酒店、公寓等，通常采用平面重疊、豎向分區式布局，各種流線呈豎向延長的特點。與其相連的裙樓通常作為商場、餐廳、娛樂等商業功能，加上地下商業和地下車庫的豎向綜合，使得各種流線相互交叉、交匯。超高層建筑的空間格局與防火安全密切相關，空間的安全性是保證防火安全的基本前提。科學安排空間布局及組合模式是有效提高疏散效率的重要途徑，因此，在建筑空間、安全疏散及耐火構造等方面必須精心設計，從系統安全的角度保障防火安全。

3　水平空間組織與消防安全

根據防火規范對其一個防火分區的最大允許建筑面積，超高層建筑主體單層的建筑面積一般控制在2000～3000m2。若單層建筑面積超過3000m2，就應采用一定耐火能力的防火墻、防火門窗和防火卷簾等設施將建筑平面空間劃分為兩個防火分區，防止火災發生時火勢向同一層的其余空間蔓延，使火勢盡量控制在起火區域并加以撲滅，并且每個防火分區設置兩個獨立的安全出口以滿足雙向疏散。在防火分區劃分時常常會碰到將開敞辦公空間隔斷等情形，這就與建筑功能及其空間的完整性發生沖突。這種情形下，設計應綜合考慮平面功能和規模，空間的劃分與安全疏散等問題，保證空間組織的合理性和安全性。如北京中國尊35層建筑面積3410m2（圖1），將結構筒外部空間劃為一個防火分區，面積為2196m2，結構筒則加強保護，較之優化前的方案，避免了對辦公空間連貫性的破壞，并且使得單個防火分區的安全出口數量增加，以及疏散的流線和方式得到優化，提高了逃生的可能性。

在超高層建筑中，主體在高空中會受到風荷載和地震力的巨大影響，考慮到使其各個方向受力均衡，絕大多數主樓采用塔式形體[3]。塔式超高層根據結構筒的數量和位置分為中心筒、貫穿筒、偏置筒、雙側筒、周邊筒和放射筒六種類型（表1）。從水平空間來看，不同的結構筒類型所形成的建筑空間與疏散流線和疏散方式有所差異。中心筒和貫通筒通常使得外部功能空間獲得很好的景觀朝向和采光通風，而結構筒周圍形成的環道不但為平時交通提供便捷，而且在緊急疏散過程中的任一位置形成雙向疏散。當結構筒設有水平通道貫通電梯廳構成“日”“H”“田”形時，還可減少疏散距離并形成三向疏散。如深圳平安國際金融中心標準層的“日”形布局（圖2），避難人員處于環形走道的A點可形成雙向疏散，位于B點則可形成三向疏散，增加逃生的可能性。偏置筒一般用于場地一側有良好的景觀或者建筑有特殊的朝向要求，并且需要集中大空間的情形，但由于功能空間進深的加大會造成局部疏散距離的增加。從整層水平空間來看，因結構筒四周未形成環形走道，在進行疏散時會在疏散樓梯處形成擁擠。雙側筒和周邊筒兩種結構布局在中間形成的大空間使得人流在疏散過程中分流，提高了疏散效率，但若一方疏散受阻，會出現人流折返形現象從而發生不安全事故；當中部為中庭空間時，走道疏散方式類似于中心筒環形走道疏散方式，常見于酒店客房層。采用放射筒的建筑平面一般為“Y”形或“十”形，疏散方式與前面提到的雙側筒和周邊筒的兩種情形的前者類似。如哈法利塔中央六邊形結構筒與帶有防煙樓梯間的三個側翼共同組成結構系統，疏散系統分布于三翼，避難時人流可以從三個方向進行疏散，綜合考慮其空間營造和防火設計的要求，若采用中心筒的布置方式且在中央再設一部疏散樓梯，可符合避難人員的歸巢心理，能更好地滿足消防疏散。

圖1　“中國尊”35層平面防火劃分示意圖Fig.1 fire compartment in thirty-fifth floor of “China Zun” Tower

表1　超高層建筑安全疏散類型Tab.1 safe evacuation types of ultra-high-rise buildings

圖2　深圳平安國際金融中心標準層疏散示意圖Fig.2 evacuation map of standard floor in Ping an IFC

在超高層建筑防火設計中常會出現袋形走道的情形，如在京基金融中心酒店層中庭四周的走道兩側就出現了袋形走道。由于袋形走道兩側或盡端的房間只能向一個方向疏散，走道一旦被煙火切斷則無路可逃，不能充分保障人員安全。因此，在建筑設計時應盡量避免設置袋形走道以避免安全疏散上的隱患。

超高層建筑底部的裙樓通常每層面積較大，應與主體各自獨立分區并設置防火分隔，裙樓與主體各自進行疏散設計。在水平空間設計，不僅要考慮空間的使用和經濟，還需確保內部空間在火災時能防止火勢蔓延，有效撲滅火災，安全疏散建筑物內的人員。如深圳平安國際金融中心塔樓高597m，輔樓高55.8m，在輔樓兩端及中部共設有5座防煙樓梯間和3部消防電梯，與主體分區設置安全疏散，充分以滿足自身的疏散要求。

圖3　京基100中庭空間示意圖Fig.3 courtyard in KK100

4　豎向空間劃分與消防安全

超高層建筑豎向空間是由各層水平空間豎向疊加而成。隨著建筑高度的提升和區段功能的改變可能形成不同的豎向空間組合模式，結構筒的位置和形式以及內部的交通、管道和設備的要求在豎向一定區段會發生相應的變化。由此，豎向防火分區的劃分會隨之改變。根據結構筒豎向的變化可分為疊加式和轉換式[4]。疊加式又可細分為等截面式和收縮式，兩者內部結構形式均沒有發生重大變化，連續性與整體性較好。在豎向劃分防火分區時，通常采用傳統的耐火分隔措施，如耐火樓板、窗檻墻、防火挑檐等對建筑空間進行豎向分隔和劃分，以防煙火上竄。轉換式指超高層建筑結構筒因功能和空間需求的改變在某一高度整體改變位置、輪廓、大小等，轉換前后結構不對位。如廣州珠江新城西塔67層以下為寫字樓，結構筒屬于中心筒，70層以上為酒店，結構筒分散成3個小型筒體分布于原結構筒的外角處，在中部形成通高至屋頂的中庭空間，使客人在酒店內部環廊即可享受陽光。但具有“煙囪效應”的中庭空間一旦起火，便為火勢蔓延提供了豎向途徑，從而殃及整個建筑空間。因此，在劃分豎向防火分區時，應將中庭空間上下連通的各樓層及走廊作為一個防火分區，建筑面積應按上下層相連通面積疊加計算。當疊加計算后的建筑面積大于規定允許的最大建筑面積時，應采用相應的防火措施（如防火隔墻、防火卷簾和防火門窗等）與周圍空間進行分隔，并且在回廊處設置自動噴水滅火系統、火災自動報警系統和排煙設施等。如深圳京基100的酒店客房層和以上的設備層、第5避難層、中餐廳，以及酒店大堂，形成一個內部中庭，客房圍繞中庭環形布局。設計上在中餐廳層和酒店大堂層的中庭旁設置豎向特級防火卷簾，與中庭回廊相通的酒店客房門、窗設置為可自行關閉的乙級防火門、窗（若按GB50016-2014要求，應設置為火災時能自行關閉的甲級防火門、窗），由此，下面的中餐廳成為一個獨立的防火分區，酒店中庭與其回廊劃為一個防火分區，酒店大堂層、蛋形觀光餐廳和拱形玻璃外幕墻圍合部分的內部空間設為一個防火分區（圖3）。

另外，與中庭空間類似的功能空間是邊庭空間。如上海中心大廈塔樓豎向上共分為8個區段和1個觀光層。在每個區段內，沿標準層樓板外圍布置平面呈圓形的內層玻璃幕墻。內層幕墻、外層幕墻和三角形平面的設備層共同組成一高度約80m的共享空間（圖4a，4b），最窄處類似雙幕墻，最寬處類似中庭，給超高層辦公空間帶來全新的體驗。每個區段的邊庭以內外幕墻狹窄區域為界，分為三個防火分區（圖4c），與四周為功能用房的傳統中庭相比，受災影響面變小，安全性有所提高。

在超高層建筑中，由于高度及規模造成的內部使用人員多和疏散距離長的特點，使得垂直疏散一直是關注的重點。根據大量的疏散演習和疏散模擬的總結[5-6]，在100m的建筑中受困人員完全疏散最快需十幾分鐘，建筑高度達到300m時所需疏散時間可能長達1h以上。因此，在超高層建筑中為使受困人員免遭蔓延全樓的火勢威脅，豎向上每隔不大于50m處須設置避難層（間）用以暫時避難。在垂直方向上，上通屋頂，下達地面，形成雙向疏散。通向避難層（間）的防煙樓梯應在避難層分隔、同層錯位或上下斷開，通過強制導入的措施保證人員順利到達，若樓梯內發生堵塞則可在其中暫時避難，并且阻斷煙火貫通。同時，為避免疏散人員誤入地下室，首層的樓梯間平臺也應設有分隔措施，以便下行疏散人員及地下室上行疏散者可各自疏散到室外而互不干擾。此外，避難區面積按5人/m2計算。如上海金茂大廈辦公約7500人，在第15、30層各設有2個避難區共約1500m2，每個避難區緊靠防煙樓梯間而形成擴大前室，同時有周密的引入措施（圖5a）。而酒店部分則采取了另一種布置方式（圖5b）：在一座防煙樓梯間的每層合用前室中設有小型避難區，另一座防煙樓梯間則完全無此考慮，這造成了垂直疏散中的安全隱患問題。另外，超高層建筑主體和裙樓的屋頂均可作為避難區域，并且主體屋頂平臺還可設置直升機停機坪或供直升機救助設施。如中國尊塔樓屋頂的圓形直升機停機坪，于兩側設置有寬度0.9m的疏散樓梯。在火災發生時，不但能組織疏散、營救避難人員和運送傷亡人員，而且還能提供滅火活動場地。

超高層建筑通過傳統的疏散方式需要很長時間來完成，因此需考慮其他更有效的疏散方式。電梯在超高層建筑中是最重要的垂直運輸工具，由于本身存在的安全問題和煙氣侵害等原因，規范規定一般電梯不應計作安全疏散措施。但從實例和試驗中顯示，緊急狀況下用防煙樓梯加電梯的疏散方式對人員進行安全疏散，能減少人員傷亡和提高人員疏散的效率[7-8]。因此近年來，采用電梯輔助疏散成為研究和討論使其提高全樓疏散效率的關注點。目前國內外已有超高層建筑采用穿梭電梯作為中區和高區的輔助疏散方式。如深圳京基100，發生火災時，當消防控制中心確定需要采用電梯輔助疏散時，就將運行于負1層、首層至39層、40層的雙轎廂穿梭電梯轉換為疏散電梯模式，且只采用其中的下層轎廂，往返于首層和37層的避難層，37層以上樓層疏散至該層的人員可選擇等候電梯疏散，同時設置于負1層、39層和40層電梯門口的特級防火卷簾會自動放下，而且穿梭電梯必須做到嚴格的防火、防煙和防水，以及保障供電、信息溝通和專業人員操作等[9]。另外，主要供消防施救人員交通和運載滅火設施的消防電梯在發生火災時必須能停靠可達到的任何樓層，在設計時最好將消防電梯與疏散樓梯結合布置，使避難者向救援者靠攏，形成一個可靠的安全區域，符合安全疏散的歸巢心理，必要時也可作為老弱病殘和受傷人員疏散的途徑。

圖4　上海中心大廈邊庭空間示意圖Fig.4 side court of Shanghai Tower

5　空間安全構造措施

超高層建筑外墻和幕墻是形成火災豎向蔓延的重要通道。2009年央視大火、2010年上海“11·15”火災、2011年沈陽“2·3”火災都顯示出外墻保溫系統的火災安全隱患：火勢沿保溫系統蔓延相鄰樓層，還威脅到相鄰建筑的安全。因此，在保溫系統中，除應考慮保溫材料的燃燒性能達到A級外，還應設置水平或垂直的帶狀防火構造和擋火梁及考慮使用金屬固件穩固面層等措施，以維持系統穩固性的能力和系統阻止火焰傳播。超高層建筑主體結構也應在長時間內保持堅固穩定，為保障安全疏散時提供良好的通路空間；保證建筑的耐火性能，是減少火災隱患的基本訴求[10]。鋼筋混凝土材料耐火性能優異，墻柱梁板等能滿足耐火要求；鋼結構耐火性能則較差，必須采取保護措施，如耐火材料包覆或者噴涂防火涂料、在空心鋼柱中灌注可防凍結和腐蝕的溶液等。

圖5　上海金茂大廈避難區示意圖Fig.5 refuge fl oor in Jinmao Tower

設計為了兼顧消防安全、使用的靈活性及美觀的要求，有時會采取垂直或水平的防火卷簾、防火玻璃等分隔措施。如金茂大廈在避難層防煙樓梯的分隔處，采取夾絲玻璃（圖5c），既符合防火設計規范，又使上部疏散人員即時觀察到該層疏散情況。再如上海中心大廈共享空間中每個防火分區的狹窄區域的幕墻采用防火玻璃系統，寬闊區域在距離中庭底部5m和10m處與頂部以下2層標準層采用防火玻璃系統，其余標準層采用“鋼化玻璃+內側窗玻璃噴頭保護”形式來控制火勢蔓延。

在超高層建筑中應全面設置自動報警和自動噴水滅火設施，既能及時通知和指揮疏散，又能對疏散通路進行保護。另外，當建筑空間的防火設計用常規消防方案不能解決時，如防火分區面積過大、安全疏散距離過長等，可運用計算機手段進行性能化的防火設計、評估，建筑設計目標與防火安全目標高度協調。

6　結 語

目前消防登高及撲救雖能達到100余米，但對于超高層建筑而言，初期火災時人員自救的重要性遠遠大于消防救援，建筑空間系統的安全性顯得尤為重要。防火安全與空間設計具有系統的密切關聯性，防火安全設計的目標是為了保障人在空間中的安全。超高層建筑空間設計相關的總平面布局、防火分區、安全疏散、耐火構造和防排煙、報警滅火系統等方面的安全，構成了空間安全設計的系統性，也構成了人在空間中自防自救的基本保障。未來超高層建筑安全性探討中，只有將空間設計與防火安全整合考慮，才能使設計實踐的藝術化理想成為可能。

[1] 李云燕. 西南山地城市空間適災理論與方法研究[J]. 西部人居環境學刊, 2014, 29(06)： 120.

[2] 中華人民共和國公安部. 建筑設計防火規范（GB50016-2014）[S]. 北京： 中國計劃出版社, 2014.

[3] 盧斌. 超高層建筑標準層平面關聯性研究[D]. 上海： 同濟大學, 2008： 26-27.

[4] 萬黎萍. 超高層建筑核心筒設計研究——以珠江新城新建超高層建筑為例[D]. 廣東： 華南理工大學, 2014： 34.

[5] CAI Na. Fire Safe Elevator Used For Evacuation in Supertall Building[D]. Hong Kong： The Hong Kong Polytechnic University, 2014： 92.

[6] 郭大剛, 文德明, 馬莉莉. 地標性超高層建筑消防問題探討[J]. 消防科學與技術, 2013, 32(04)： 389.

[7] 王超, 王漢良, 韓見云. 超高層建筑電梯疏散效率研究[J]. 消防科學與技術, 2014, 33(11)： 1257-1260.

[8] 潘李偉. 超高層塔樓的消防設計分析[J].中國公共安全(學術版), 2013(02)： 70.

[9] 谷再平, 葉林青. 超高層建筑消防設計——以京基金融中心大廈為例[J]. 建筑學報, 2009(09)： 98.

[10] 何丘原, 張慶順. 山地歷史街區的火災隱患分析及防火策略案例研究——以重慶磁器口為例[J]. 室內設計, 2012, 27(05)：41.

圖表來源：

表1：作者整理繪制

圖1-2，3a，4b，4c，5：作者整理繪制

圖3b：http：//www.archcy.com/focus/elevator/ d640b3f290a0

圖4a：http：//blog.sina.com.cn/s/blog_01 f1aa0b0100xn79.html

（編輯：曾引）

Ultra-high-rise Buildings’ Space Design from the Perspective of Fire Safety

YANG Dexin, ZHANG Qingshun, MA Yuefeng

With the rising height and the increasing security risks of ultra high-rise buildings, architectural safety is closely related to space organization and division and technology. In the thesis, discussing the relationship between the space and the fire protection design, from three aspects–the outer space, internal space and fire-resistant construction, seeks high coordination among fire safety, fire losses and architectural design, and expects that systemic of space security provides basic protection for ultra-highrise buildings of self-defense and self-help.

Ultra-high-rise Buildings; Space Design; Safety; Relationship

10.13791/j.cnki.hsfwest.20160308

楊得鑫, 張慶順, 馬躍峰. 防火安全視角下的超高層建筑空間設計[J]. 西部人居環境學刊, 2016, 31(03)： 50-55.

X947,TU972.4

B

2095-6304(2016)03-0050-06

2016-03-04