高層住宅非封閉式天井結構對煙氣流動的影響性分析

■ 辛文江　西藏消防總隊日喀則支隊薩迦寺大隊

為了保證住宅建筑背陰面室內具備良好的采光和通風條件，非封閉式天井正越來越多地應用于住宅工程設計中，但非封閉式天井的設置在當前《建筑設計防火規范》GB50016-2014中并未提出明確要求。在實際使用中，如果非封閉式天井的開口寬度不足或者進深較大時，其形狀結構類似于一個三面圍擋的煙囪，當火災發生時，進入天井內的煙氣會在煙囪效應的作用下，快速拔升至上部空間，進而蔓延擴散至連廊及住戶內，對人員生命安全造成威脅。研究表明，煙氣的上升速度與天井的形狀結構、尺寸大小、連廊開口面積、起火位置、火源功率以及環境溫度、風速等諸多因素相關。2010年11月15日，上海膠州路728號教師公寓在節能改造時因電焊作業引發火災，并受煙囪效應影響形成大面積立體火災，共造成58人死亡，71人受傷。大量的火災案例表明，煙囪效應對于火勢發展具有非常大的促進作用，容易形成火災跳躍式蔓延，大大縮短人員的可用疏散時間。

一、工程概況

本文以某高層住宅單元樓為例，標準層如圖1所示，兩梯六戶，共33層，層高2．9m。單元樓左右兩側設置同樣大小的非封閉式天井，結構對稱，長4．1m，寬2．1m。非封閉式天井北側與敞開式外廊相連，左、右側外廊直接對外開口寬度分別為3．2m和5．4m，外廊底部設置高度為1．0m的檻墻；南側與住戶空中花園相通，東西兩側均與廚房相鄰，廚房設有可開啟外窗。

圖1　住宅標準層平面布置圖

二、模型簡介

為研究不同連廊外開口尺寸對進入非封閉式天井內的煙氣蔓延擴散造成的影響，模擬選取了兩組火災場景。考慮到單元左右兩側天井及周邊住戶結構相互對稱，因此，模型假定火災均發生在5層住戶廚房內，具體參數設置詳見表1。模型采用0．3m×0．3m×0．3m的立方體網格進行網格化，尺寸大小滿足FDS技術文件要求，模擬時長900s。

表1　場景設置參數

煙氣能見度、溫度數據監測點分別設置在起火住戶及以上各層住戶客廳內，距離樓板高度1．6m，熱輻射強度數據監測點設置在各樓層天井中心位置處。

三、結果分析

1．煙氣上升對各樓層住戶的影響性分析

為分析火災發生后，煙氣進入上層住戶內對人員及物品可能造成的威脅，模擬分別獲取了煙氣進入各層客廳的時刻以及到達危險臨界的時刻，其中，危險臨界時刻取煙氣能見度開始低于5m的時間點。以Case01為例，各參數模擬結果如圖2、圖3所示：

圖2　各層客廳煙氣進入時刻圖

圖3　各層客廳煙氣溫度變化情況

從圖2可以看出，火災發生后，起火層人員的可用疏散時間不足30s；起火層以上樓層煙氣進入客廳的時刻，有所滯后，但人員若不能在有限的時間內疏散至安全區域，其生命安全仍然會受到威脅。從煙氣進入各樓層的時刻可以看出，9層和10層，煙氣進入的時刻相對較早，這是因為煙氣剛進入天井時溫度較高，煙囪效應明顯，其豎直方向的上升速度相較于水平方向的蔓延速度較大，煙氣來不及進入起火層鄰近的幾層住戶內，但隨著煙氣上升，卷吸空氣量增加，溫度下降，到達9層、10層時，橫向蔓延明顯擴大，煙氣開始穿過窗戶進入室內。

從圖3可以看出，火災發展穩定階段，除起火層外，各樓層客廳內的煙氣溫度隨樓層的增加而下降，且最大不超過50℃，在此溫度下，煙氣很難會引燃室內物品，不會對住戶財產造成損失。

2．不同外廊開敞寬度對天井內煙氣蔓延的影響性分析

為研究外廊開敞寬度對進入天井內的煙氣上升蔓延的影響，模型分別在左右兩側天井中心位置處設置了熱輻射與速度監測點。各樓層監測數據如圖4、圖5所示：

圖4　天井內部熱輻射強度變化曲線

圖5　天井內部氣流速度變化曲線

從圖4中可以看出，不同外廊開敞寬度下，天井內部煙氣熱輻射強度隨著樓層的增加而下降，各曲線走勢基本一致，起火樓層天井處最大熱輻射強度不超過4kw/m2，此強度下難以造成火災蔓延。通過同一樓層熱輻射強度對比可以發現，右側天井中心處熱輻射強度偏小，說明連廊對外開敞寬度越大，越有利于外界空氣的補入，天井內熱煙氣卷吸、混合低溫空氣越容易。

圖5給出了穩定時間段內起火層及以上十五層的天井內氣流速度變化情況，從中可以看出，隨樓層的升高天井內氣流速度逐漸增大，且同等條件下，右側天井氣流速度大于左側，并隨樓層增高速度擴大趨勢越明顯，這說明天井尺寸相同時，連廊對外開口寬度越大，越有利于外界空氣的進入，煙氣上升蔓延及混合程度越劇烈。

四、結語

通過對設置非封閉式天井結構的高層住宅建筑火災模擬發現，煙氣會經過天井向上蔓延并橫向擴散至上部樓層住戶內，且隨著時間的推移，進入的煙氣量慢慢蓄積，能見度下降可能會對戶內人員生命安全造成威脅。研究表明，當非封閉式天井連廊對外開口寬度較大時，熱煙氣更容易卷吸外界新鮮空氣，氣流混合程度更劇烈，但天井內熱輻射強度相對較小。

結合實際情況，建議住戶與天井相鄰的廚房、衛生間采用下懸式外開窗，以降低煙氣進入量。同時，考慮到火災發生時人員可能處于睡眠狀態，建議高層住宅建筑各層連廊出設置聲光警報器，其聲響應確保住戶內人員在窗戶關閉時仍能聽清。

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