高層建筑火災煙氣流動規律分析及煙氣控制措施★

何勇軍 郭 蓉

(1.四川警察學院,四川 瀘州 646000； 2.瀘州職業技術學院,四川 瀘州 646000)

1 概述

當前高層建筑的增多在給城市帶來繁華的同時,也因其結構復雜、功能多樣、人員密集、施救困難等諸多原因增加了消防安全隱患，一旦發生火災，往往火勢很猛，煙霧很大，經常會造成群死群傷的嚴重后果[1]。2015年7月11日，湖北武漢紫荊嘉苑大火，住宅樓電纜豎井線路老化發生自燃，造成人員傷亡；2017年6月14日凌晨英國倫敦大火，造成多人遇難。從國內外大量火災案例表明，絕大部分的火災事故中的人員傷亡都是由于吸入火災過程中產生的有毒有害煙氣造成的[2,3]。因此對高層建筑火災煙氣流動規律進行分析、探究煙氣控制的方法等就顯得尤為重要。

2 高層建筑火災特點

2.1 人員疏散困難

由于高層建筑內部功能齊全，空間結構多變，人員來往復雜，垂直距離遠，并且在發生火災時，唯一可以利用的疏散通道只有樓梯這樣的豎向通道，因此，被困人員在一個短的時間內很難疏散到安全區域。當高層建筑發生火災時，建筑內部的裝修材料燃燒會產生大量的煙氣，這使得人員的視線距離縮短，看不清安全出口或者安全疏散標志，容易造成嚴重的人員傷亡事故。

2.2 火勢蔓延迅速

高層建筑內部垂直的通道很多，如電梯豎井，管道豎井，電纜豎井，一旦發生火災，如果防火分隔或防火處理措施不當，豎井就會成為火勢蔓延的途徑，煙囪效應就會通過這些豎井很容易形成。火勢就會很快向上蔓延到樓層的其他部位。加之外部的風力也會使火災向相鄰的建筑物擴散。

2.3 功能復雜，火災荷載大，起火因素多

高層建筑一般具有很多的使用功能。很多高層建筑集餐飲、娛樂、賓館于一體。為滿足這些功能，高層建筑需要進行大量的裝修。而裝修材料內部含有大量的可燃物，使整個建筑物的火災荷載增大。并且建筑物內用電設備很多，用電量大，漏電、短路時有發生容易形成點火源。建筑物內電路復雜，在安裝、使用、維修過程中也易形成潛在的點火源。如果在用電過程中亂拉電線，隨意增加用電荷載，就會增大火災危險性。

2.4 撲救難度大

高層建筑高達幾十米，甚至超過二三百米，現在的消防設備遠不能滿足高層建筑對高度的要求。目前，國內最高的消防云梯車出現在杭州，高度可達到101 m，約35層樓的高度；世界上先進的消防云梯才能達到112 m，約40多層樓的高度。遠遠不能滿足高層建筑消防要求。消防隊員徒步登樓的忍耐極限是10層樓左右，再高就會因體力不支而失去戰斗力。建筑物一旦發生火災，火勢會很快向上蔓延，幾只消防水槍控制不住火勢。因此撲救高層建筑火災往往難度較大。

3 高層建筑火災的煙氣流動規律分析

3.1 煙氣的豎向流動

煙氣在高層建筑豎向流動時，其運動過程受到兩種機制控制，第一種是“煙囪效應”；第二種是湍流混合機制。具體就是豎井內煙氣的流動是由兩部分組成：先是煙氣從著火空間溢出后進入豎井，沿著豎井的側壁上升，最后到達頂部，并通過豎井的上部開口流出室外；與此同時在煙氣的上升過程中，豎井內的空氣又與煙氣進行混合，就形成大量的渦旋流動。在垂直空間中煙氣的上升過程和煙氣與空氣的混合過程都在不斷的吸入新鮮的空氣，且煙氣與空氣的混合過程中的混合氣體也慢慢下沉，外部的新鮮風流就通過豎井底部開口流進垂直的著火空間。

3.2 煙氣的橫向流動

高層建筑火災煙氣的橫向流動時，對流作用是主要的原因之一。火災發生后，熱氣流的迅速向上翻騰和新的冷空氣的不斷向下補充，從而形成熱對流現象。隨著著火區域的不斷擴大，溫度不斷上升，將會形成強烈的熱對流。在熱對流的作用下，熱氣流在上升過程中熱流量不斷增加，當遇到障礙物或者阻礙時煙氣會向四周擴散，這將導致火災的蔓延擴大。其煙氣膨脹的速度不斷加快，使得橫向空間充滿煙氣的時間越短。當橫向空間充煙后，煙氣又通過建筑物左右及上下的滲漏進入建筑內未充煙的空間，從而引起整個建筑物的充煙甚至著火，使得火災擴大蔓延。

3.3 煙氣的沉降

對于高層建筑火災，煙氣除了會在建筑物內橫向和豎向流動，還會因建筑結構的阻擋而向下擴散，即煙氣的沉降。資料顯示，對于高層建筑居民樓的火災荷載條件下，著火房間的煙氣降至80 cm的時間一般不會超過3 min，所以房間一旦著火就會伴隨著煙氣的侵襲。這不僅使得房間的能見度降低，還使得攜帶并輻射大量熱量的空氣中含氧量減少，形成缺氧環境，并伴隨著有毒、有害和腐蝕性的物質，從而威脅到生命及財產安全。

4 高層建筑火災煙氣控制方式

4.1 防煙方式

防煙的方式主要有不燃化防煙、密閉防煙和機械加壓送風系統防煙。不燃化防煙不僅是采用不燃材料或難燃材料，而且建筑室內的可燃物品也使用不燃材料或難燃材料的櫥柜存放，此外在管道穿過樓板、墻等部位要采用不燃材料封堵材料密封；密閉防煙是指利用密封性能很好的門窗和墻壁等將房間封閉起來防止火災發生時煙氣竄入房間的防煙方式，當房間起火時，密閉的門和窗可以杜絕新鮮空氣流入，使著火房間因缺氧而自行熄滅。機械加壓送風防煙系統是在高層建筑物內設計加壓送風防煙系統，其目的是當建筑物內發生火災時樓梯間等疏散通道內部不受煙氣的干擾，有利于人員疏散，這就要求需要加壓的位置的門在關閉著的時候，加壓部位必須與發生火災的樓層保持一定的壓力差。同時，在加壓地方的門打開時，在門洞斷面處從里到外必須有足夠的流速，以防止煙氣的入侵。

4.2 排煙方式

排煙方式主要有自然排煙和機械排煙。自然排煙利用火災時產生的熱壓力和室外風力作用，通過建筑物的窗子或門等開口把煙氣輸送至室外的排煙方式，這種排煙方式實質上是高溫煙氣與室外冷空氣的對流運動，自然排煙不需要動力。窗口以及專門設置在疏散通道的排煙口都可以作為自然排煙的出口。機械排煙是利用風機將建筑物內部著火區域產生的煙氣通過排煙管道和排煙口排到室外的排煙方式。這種強制排煙方法有很大的優勢。一個好的排煙系統在火災發生時可以排除80%的熱量和大部分的煙氣，給人員疏散和滅火提供了極大的便利條件。再利用這種方法進行排煙時，要將建筑物內部的空間利用擋煙垂壁，隔墻劃分成不同的區域，這樣有利于排煙的效率。因此在選擇科學的排煙系統時，需注重自然排煙的作用。

5 結語

針對高層建筑特別是超高層建筑的火災煙氣，切實可行的防排煙控制措施對保障人民生命財產安全具有很大的作用。通過對建筑火災特點的分析以及建筑火災煙氣流動分析，得出了煙氣控制的一般方法，對高層建筑火災煙氣控制系統的設計具有一定的借鑒作用。