某坡屋蓋文化綜合體步行街連廊特殊防火設計探討

劉志超，楊千一，付小千，劉浩天

（中國人民警察大學研究生院，河北 廊坊 065000）

0 引言

隨著近年來數字技術的快速發展, 頗具文化特色的建筑層出不窮。文化建筑不再僅僅是市民進行單一文化活動的場所,也承擔了文化傳播、重新定義地區文化，體現地區特色的使命。同時市民文化生活的內容和形式也不僅僅是被動接受, 更多的是主動的、強調群眾參與的群眾文化活動。并且公共文化建筑的功能也更加的綜合化[1]。然而從消防安全的角度出發，這種復雜多功能建筑是不利的，尤其是火災發生時由于結構復雜，煙氣蔓延較快對于人員逃生較為困難。因此在火災發生時能夠快速排煙，有完善的防排煙方案措施，對于增加人員可用疏散時間，減少人員傷亡顯得尤為重要。

本文針對這種各館之間相互連接的建筑，采用多館合一，通過坡屋面蓋有上蓋，中間部分位置鏤空的藝術文化綜合體內部的步行街連廊，運用FDS數值模擬軟件模擬其火災發生時人員正常安全疏散時間內，其火災煙氣能見度、溫度、煙氣毒性，看能否滿足其作為室外安全區的要求，以便進行性能化防火設計。

1 文化中心綜合體工程概況

1.1 項目概況

該項目的建筑造型采用整體上升的大屋面呼應中國傳統建筑的形態，各功能體融合在大屋面以下，同時，各場館之間形成街道、庭院等空間，作為室外活動的場地。建筑采用整體化的大屋面，自東南向西北逐漸上升，大屋面下部則汲取傳統城市空間中的街巷、合院、廣場的特征，在各館之間形成可步行穿越的街道，街道交匯的位置則形成廣場，局部2 層也通過架空屋面及連橋將空間立體化，為市民提供豐富的室外休閑空間。

工程建設用地面積40 056 m2，總建筑面積46 000 m2，其中地上30 344 m2，地下15 656 m2。建筑地下部分連為一個整體，地上各館相對獨立，通過連橋及屋面進行連接，建筑主體4 層，4 層屋頂平屋面建筑完成面高度23.7 m，坡屋面最高點41.9 m，最低點11.6 m，24 m 以上為裝飾屋架及屋頂設備機房，其中設備機房面積占所在平屋面面積＜25%，建筑整體按照多層建筑考慮，建筑之間的室外街道部分被屋面覆蓋。主要包含多功能劇場、電影院、青少年宮、圖書館、文博館、商業服務等功能，設計將各種不同功能歸類合理布局。文化類（圖書館、青少年宮）：面向老城及城市公園，主要空間直接面向景觀；博覽類（文博館）：置于西南側，面向雄安新區，展示地區文化；觀演類（多功能劇場、電影院）：高度較高、置于北側，面向次要道路、便于人流集散，各個功能區平面布局基本獨立，相互間有機連接，形成連續的建筑群體。

項目地處廊坊，夏季月平均溫度最高26.2 ℃，冬季月平均溫度最低-4 ℃～-7 ℃，冬季多偏北風，夏季多偏南風，年平均風速多在1.5 m/s～2.5 m/s。當步行街兩側建筑發生火災后，在室外風影響下，煙氣在熱浮升力和室外風的影響下，將呈現出同時向上和橫向的蔓延擴散方式。由于本項目連通大屋頂為不規則坡屋頂，煙氣的蓄積和蔓延對步行街疏散條件有影響，因此對步行街連廊的火災煙氣蔓延進行模擬尤為重要。

《建筑設計防火規范》GB 50016—2014（2018版）5.3.6 規定[2]，餐飲、商店等商業設施通過有頂棚的步行街連接，且步行街兩側的建筑需利用步行街進行安全疏散時，應符合下列規定：①步行街兩側建筑的耐火等級不應低于二級，本文化綜合體建筑耐火等級設置為一級。②步行街兩側建筑相對面的最近距離均不應小于本規范對相應高度建筑的防火間距要求且不應小于9 m。步行街的端部在各層均不宜封閉，確需封閉時，應在外墻上設置可開啟的門窗，且可開啟門窗的面積不應小于該部位外墻面積的一半。步行街的長度不宜大于300 m。③步行街兩側建筑的商鋪之間應設置耐火極限不低于2.00 h 的防火隔墻，每間商鋪的建筑面積不宜大于300 m2。

1.2 主要存在問題

綜合體建筑各個場館之間通過坡屋蓋連接，中間有部分露天部分（見圖1～圖2），由于有坡屋蓋的存在使得各個建筑之間的步行街走道變成建筑內部空間，因此主要想通過FDS 模擬結果綜合考慮步行街連廊部分是否可以視為室外安全區[3]，為性能優化設計提供依據。

圖1 步行街連廊及頂部露天部分

圖2 剖面示意圖

2 連通步行街火災場景分析

2.1 火災危險因素

火災原因一般分為客觀原因和人為原因兩大部分，其中客觀原因主要包括電氣引起火災，本工程商鋪、餐飲及辦公、公寓內的電氣設備主要為燈光、空調、電腦等，因此存在發生電氣火災的可能性。人為原因主要包括用火不慎、不安全吸煙、人為縱火等。

在材料的使用上，步行街的頂棚材料應采用不燃或難燃材料，其承重結構的耐火極限不應低于1.00 h。屋面連接部分均為室外空間，根據建筑規范屋面連接部分本身為A 級不燃材料，承重結構的耐火極限不低于1.00 h。

2.2 火災規模的確定

1）自動噴淋控制火災

考慮噴淋系統啟動后將火災最大熱釋放速率控制在某一恒定值，不增長也不衰減，再增加一定的不確定性余量來確認火災規模，是國際上普遍接受的火災設計方法。

2）根據權威統計資料確定火災規模

根據權威部門的統計資料，或者相關研究部門的試驗數據確定火災的規模。如NFPA 手冊中提出了可堆疊椅子的放熱率。一般來說椅子會有金屬腿和金屬框架及在結構材料上的少量可燃填料。盡管這些椅子單個放起來不會造成多大風險，但是堆疊起來可能會引起較大危險。12 把堆疊椅子的熱釋放速率峰值可達2 250 kW，相當于燃燒大約17 min的中型火災[4-6]。

《建筑防煙排煙系統技術標準》GB 51251—2017 給出了常見的各類場所火災熱釋放速率的建議值[7]，見表1。

表1 《建筑防排煙技術規程》推薦的熱釋放速率值MW

該綜合體建筑主要包含多功能劇場、電影院、青少年宮、圖書館、文博館、商業服務等功能。根據《建筑防煙排煙系統技術標準》GB 51251—2017 中的相關規定，設有噴淋的商店、展覽廳火災規模為3 MW，無噴淋的商店、展覽廳火災規模為10 MW[7]。

由于連通步行街的容積較大，當建筑內發生較小的火災規模時，可提供足夠的蓄煙、釋煙空間，對人員疏散的威脅相對不大。但當發生大規模火災時，在風力影響下，煙氣在連通空間聚集和蔓延，有可能會對人員疏散和消防救援造成不利影響。為評估這類影響，本次在進行火災模擬時將火災規模保守確定為10 MW。

表2 火災場景統計表

2.3 火災場景的設計

火災場景設置時考慮室外環境的冬、夏季參數，自動滅火設施失效的狀況。結合連通步行街的空間特征，設計火災情況總結見表2。

3 連通步行街煙氣蔓延數值模擬

3.1 基本參數設置

1）初始條件

假設流場的初始狀態為靜止，模擬區域內溫度與室外環境溫度冬季為-4 ℃，夏季為26 ℃，壓力為1 個標準大氣壓，依據NFPA 消防工程師手冊[4-6]，目前以火災發生30 min（1 800 s）內人員基本從響應開始至到達安全區的時間，因此本次模擬1 800 s內能見度和溫度等指標是否威脅到人員安全為標準。

2）邊界條件

為絕熱邊界條件，即認為混凝土結構的圍墻所區分的兩區域在墻壁處沒有熱交換。

3.2 物理模型

模型的建立主要依據設計圖紙進行處理，其所建立的FDS 物理模型見圖3。

圖3 煙氣模擬物理模型

3.3 模擬場景參數設置

在進行FDS 模擬時基本參數的設置見表3。

表3 火災C1-1 場景參數設置

4 模擬結果分析

由表4 可以看出，1 800 s 內，距離2 層地面2.5 m 高度處可逃生空間溫度未達到60 ℃，對人員疏散無影響。

由表4 可以看出，1 800 s 內，距離2 層地面2.5 m 高度處可逃生空間的能見度＞10 m，對人員疏散無影響。

由表4 可以看出，353 s 時，1 層4 m 高街道部分，距離1 層地面2.5 m 高度處可逃生空間的能見度＜10 m，對人員疏散不利。

根據模擬結果得出各火災場景危險來臨時間，見表4。

表4 各火災場景火災危險來臨時間表

通過FDS 模擬結果得出另外的火災場景為C1-3，C1-4，C2-1，C2-2，C2-3，C2-4，C3-1，C3-2，C3-3，C3-4 時，在火災發生后1 800 s 內，距離1 層/2 層2.5 m 高度處可逃生空間溫度未達到60 ℃，對人員疏散無影響。

在火災發生后1 800 s 內，距離1 層/2 層2.5 m高度處可逃生空間的能見度＞10 m，對人員疏散無影響。

在火災發生后1 800 s 內，距1 層/2 層地面2.5 m 高度處平面上的CO 濃度除火源上空外其他未高于250 ppm，對人員疏散無影響。

5 結論

根據文化中心綜合體建筑連通步行街火災煙氣模擬結果可以得出。

1）除C1-1，C1-2 工況外，其他工況在模擬1 800 s 內，連通步行街均滿足人員疏散安全要求。對于C1-1，C1-2 設置的是冬季工況，因為氣溫較低，空氣浮力較小，大量煙氣在層高為4 m 縱向街道內蓄積沉降，因該部分街道層高較低，頂蓋和側部相對封閉，不利于煙氣的擴散稀釋，走廊內煙氣溫度較高、能見度較低，不利于疏散，因此應保持適當溫度以滿足需要。另外連通步行街的其余各部分在模擬1 800 s 內，均滿足人員疏散安全要求。夏季室溫較高，空氣熱浮力較大，與冬季工況相比，更有利于煙氣通過屋頂開敞部分排出室外。

2）與無風工況相比，有風工況下，在風力和熱浮升力共同作用下，更有利于煙氣通過屋頂開敞部分排出室外。且模擬所有工況中，坡屋頂均未被引燃。理論計算表明，火災對屋面影響不大，火災煙氣溫度未達到屋面可燃材料的燃點溫度。

因此得出結論，該坡屋蓋文化綜合體建筑在模擬1 800 s 范圍內，可認為步行街連廊為室外安全區。