工業建筑之自然排煙設計探討

孫雁飛

上海凱匯建筑設計有限公司

建筑物發生火災時，會產生大量有毒煙氣，人員在逃生時一旦吸入，輕則引起呼吸道燒傷，重則中毒暈倒，甚至不少死亡都是因為暈倒后被燒，因此，及時排除煙氣至關重要。每一次火災都是一次警鐘，國家對消防工作的要求越發嚴格，對建筑物的消防設計要求日益提高，作為一名暖通工作者，深感前期建筑設計階段做好防火、防煙、排煙設計非常有必要。本文以工業建筑為研究對象，重點對其自然排煙及自然補風設計進行闡述。

1 工業建筑中需設排煙設施的場所或部位

《建筑設計防火規范》中對工業廠房或倉庫中需要設置排煙設施的場所或部位，做了明確的規定：①人員或可燃物較多的丙類生產場所，丙類廠房內建筑面積大于300 m2且經常有人停留或可燃物較多的地上房間。②建筑面積大于5000 m2的丁類生產車間。③占地面積大于1000 m2的丙類倉庫。④高度大于32 m的高層廠房（倉庫）內長度大于20 m 的走道，其它廠房（倉庫）內長度大于40 m 的疏散走道[1]。

之所以未提及甲、乙類廠房或倉庫，是因為這兩類廠房或倉庫有爆炸危險，一旦著火，可能直接構成爆炸，往往不考慮排煙設施，重點考慮加強其防火設計及正常通風、事故通風等預防爆炸的技術措施。之所以未提及戊類廠房或倉庫，是因為這類廠房或倉庫生產，儲存物質為不燃燒物品，火災危險性小，不考慮排煙的設施。

丁類廠房或倉庫火災危險性也較小，但在建筑面積較大的丁類車間中，仍然可能存在火災危險性較大或者可燃物較多的局部區域，比如空調生產與組裝車間，有的制冷劑是可燃的，萬一泄漏，遇到火源即有可能發生持續燃燒，再者，雖然丁類廠房內生產、儲存物品為難燃物，但是物品的包裝物很有可能是可燃的紙箱、泡沫等，而較大的生產車間，僅依靠外墻開口難以及時將煙氣排除，因此，設置排煙設施可以有效預防火災，減少人員傷亡及財產損失。

2 工業建筑的自然排煙問題

排煙設施，包括自然排煙和機械排煙兩種方式。對于工業建筑來說，自然排煙無疑是最佳方案，經濟安全。

2.1 防煙分區內任一點與最近的自然排煙窗（口）之間的水平距離要求

《建筑防煙排煙系統技術標準》（以下簡稱煙規）要求：防煙分區內任一點與最近的自然排煙窗（口）之間的水平距離不應大于30 m。當工業建筑采用自然排煙方式時，其水平距離尚不應大于建筑內空間凈高的2.8 倍[2]。如果按規范的字面理解，對于凈高只有3 m的車間，凈高的2.8 倍才8.4 m，而當自然排煙窗（口）設置在外墻時，應沿建筑物的兩條對邊均勻設置，這就要求建筑物的寬邊不能大于16.8 m，實際工程中，這樣的工業建筑比較少。因此，按此條規范，對于絕大多數工業建筑而言，只能采用機械排煙，這是極其不經濟不合理的。幸而規范編委組專家后來對這一條給出了明確解釋：①防煙分區內任一點到自然排煙窗（口）之間的水平距離不大于30 m 的要求對于任何排煙場合都適用。②當工業建筑采用自然排煙方式時，凈高大于10.7 m 時，其水平距離尚不應大于建筑室內凈高的2.8 倍。10.7 m 的由來是這樣的：30 m÷2.8≈10.7 m，也就是說，當采用自然排煙的工業建筑空間凈高大于10.7 m 時，其水平距離要求是適當放寬的，只要滿足不大于空間凈高的2.8 倍即可。這就比較符合規范編制者的初衷，因此，設計師應讀透規范，弄懂規范條文的編制目的。

按照專家的解釋，很多工業建筑便可設計自然排煙。圖1 給出一個實例：某丙類廠房長邊106.4 m，寬邊36.2 m，層高5 m。按煙規劃分防煙分區，各防煙分區面積應≯1000 m2，長邊應≯36 m，故而劃分為4 個防煙分區，再分別計算每個防煙分區的自然排煙窗有效開啟面積，并考慮自然補風即可。得益于專家對規范的解讀，此廠房才能自然排煙，否則按照規范的字面意思，該廠房不滿足兩側自然排煙窗（口）到防煙分區內任一點的水平距離不應大于14 m（5 m×2.8），就要設計機械排煙系統。

圖1 某丙類廠房三層平面圖

2.2 自然排煙窗（口）如何沿建筑物的兩條對邊均勻的設置

廠房、倉庫的自然排煙窗（口）設置除了滿足最基本的要求外，還有一條規定值得討論：當設置在外墻上時，自然排煙窗（口）應沿建筑物的兩條對邊均勻設置[2]?！督ㄖ罒熍艧熛到y技術標準》圖示（以下簡稱圖集）中對這條規定給出了示意圖及注釋（圖2[3]），明確示出如何沿對邊均勻設置：對稱布置，要么a 組，要么b 組，均勻布置在高位，且自然排煙窗開啟方向應順煙氣流動方向。顯然，圖集中示意出的是理想狀態，實際工程中，廠房必然有樓梯間、設備管井，往往還有電梯、衛生間、設備用房等，勢必會占用一些室內位置，那么就會出現對邊的自然排煙窗不能完全一一對應。這樣的情況筆者多次遇到，也與多家審圖公司溝通過，總結得出以下幾點設計注意點：首先，對邊設置的自然排煙窗實際可開啟總面積需滿足規范要求。其次，自然排煙窗只能沿a 組或者b 組設置，假如a 組自然排煙窗有效總面積達不到規范要求時，不可借用b 組位置上的窗，這就需要建筑設計師盡量將電梯、衛生間、設備用房等移位，盡量避免占用a 組自然排煙窗位置。再者，當某一組自然排煙窗對邊面積出現懸殊時，要保證少的一邊自然排煙窗有效面積不少于多的一邊的1/2，有條件時，盡量使其達到大于多的一邊的2/3，如此可保證煙氣形成比較好的對流。最后，對于有屋頂的廠房、倉庫，可以將自然排煙窗均勻設置在屋頂，對于向上流動的煙氣來說，排出會更加有利。

圖2 自然排煙窗（口）沿建筑物外墻的兩條對邊均勻布置

關于“均勻設置”，在設計初期，要注意與建筑提前溝通，每組自然排煙窗的長度不宜大于3 m，相鄰防火分區處兩邊的自然排煙窗間距應大于等于2 m，以減少火災對相鄰防火分區的影響，參見圖3[3]。

圖3 自然排煙窗（口）分散均勻布置示意圖

關于“對邊設置”，條文如此描述：在側墻上設置的，應盡量在建筑的兩側長邊的高位對稱布置，形成對流。這里，“建筑的兩側長邊”，有人理解為字面意思“建筑物的兩側長邊”，也有人理解為“防煙分區的兩側長邊”。如果按照“建筑物的兩側長邊”執行，圖1 所示廠房是能滿足要求的，但是如果按“防煙分區的兩側長邊”來執行，圖1 所示廠房自然排煙窗雖然均勻設置在建筑物兩條長邊側，但對于每個防煙分區來說，均設置在防煙分區的短邊側，便無法滿足要求。筆者在實際項目中遇到過類似情況，有審圖老師認同第二種理解，后來便增設了機械排煙系統。再看圖1 示例的廠房，顯然，該廠房設置機械排煙系統時，防煙分區的計算排煙量較大，系統排煙量較大，并且需增設排煙管井、排煙專用機房、固定窗等，后期尚需定期進行維護管理。如果該廠房設計年限內一直未發生火災，機械排煙設備常年不使用的話，年久會失效，遠沒有自然排煙可靠，設計機械排煙系統便會造成無畏的資源浪費。筆者認為，“建筑的兩側長邊”出現在條文解釋中，前面也加了修飾詞“應盡量”，結合前面的圖2，也就是說也可以沿建筑的兩條短邊均勻設置，那么，沿防煙分區的兩條短邊均勻設置亦可，只要能形成有效的對流即可，不應過分教條。當然，如果方案階段建筑設計師將廠房設計得扁長一些，盡量使建筑物兩側的自然排煙窗（口）位于防煙分區的長邊，采用自然排煙，會更加經濟合理。

3 工業建筑的自然補風問題

眾所周知，空氣有進才能有出，因此，補風系統是排煙系統不可缺少的要素。煙規在補風章節中規定：除地上建筑的走道或建筑面積小于500 m2的房間外，設置排煙系統的場所應設置補風系統[2]。在此簡要探討兩個問題。

一是，設置自然排煙系統的場所是否要設置補風系統？筆者認為，排煙系統應包括自然排煙系統和機械排煙系統，補風系統應包括自然補風和機械補風系統，根據字面意思可初步判定，設置自然排煙系統的場所應設置補風系統。再根據條文解釋，不設補風系統的特例是設置機械排煙系統的地上走道和地上小于500 m2的房間，不是說這些場所不需要設置補風系統，而是因為這些場所的排煙量較小，可以通過建筑的門窗等縫隙滲透補風。如果專門設置補風系統，工程初投資和后期運行管理都要增加投入，不夠經濟，由此可見，任何設有排煙系統的場所，包括設置自然排煙系統的場所，均需要設置補風系統。另外，圖集中也給出了自然補風的平面示意圖，由圖4[3]和圖5[3]也可以看出隱含表達，不管是利用自然排煙窗自然排煙，還是通過機械排煙口機械排煙，均需要設置補風系統，而且補風要達到一定的量，且補風口設在儲煙倉以下時，才能更好地有效地排出煙氣。因此，不能理解為只有機械排煙系統需要設置補風系統，從而造成設計失誤。

圖4 自然補風的平面示意圖

圖5 補風口與排煙口設置在同一空間內的平面示意圖

二是，設置自然排煙系統的場所設置自然補風系統還是機械補風系統？自然補風口風速要求是多少？其實，自然排煙系統的動力來源于火災煙氣的熱浮力和建筑物外部風壓，室內外空氣溫度差和排煙補風窗之間的高度差是必要條件，因此設置自然排煙系統的場所設置自然補風系統即可。如若設置機械補風，如同給著火場所設置鼓風機，助長火勢。煙規指出：自然補風口的風速不宜大于3 m/s[2]，筆者認為，這個自然補風口風速限值適用于機械排煙、自然補風的情形，對于自然排煙、自然補風的情形，應根據煙規4.6.15 條公式進行迭代計算，確定自然補風口的面積。從該公式不難發現，自然排煙進排風口面積與煙層平均溫度和環境溫度差△T 和排煙窗下煙氣層厚度db有關。舉個實例來簡要闡述如何設計自然排煙、自然補風系統。

圖6 所示廠房長56.9 m，寬22.5 m，三層層高4.2 m，面積1103 m2，采用自然排煙、自然補風系統。首先，將該生產車間劃分為兩個防煙分區，分別計算每個防煙分區所需自然排煙窗面積，并計算最小清晰高度為2.007 m，設定清晰高度Hq取為2.20 m，提資于建筑。然后，將建筑計算出的自然排煙窗有效面積及其他相關參數輸入后，進行多次試算，筆者根據公式編輯了計算表格，當公式左右兩側無限接近的時候，就能得到所需的自然補風面積。這里，需要注意的是，排煙窗下煙氣層厚度db越小，所需自然補風窗面積就越大，該值一般最小取0.2 m，再小，自然補風窗面積就會很大甚至無解，因此，在建筑初步計算自然排煙窗面積時，需提醒建筑將自然排煙窗設置在清晰高度以上至少0.2 m。最后，在平面圖上標注實際可開啟自然補風窗面積及位置，要注意與自然排煙窗距離不應＜5 m。實際工程中，計算后有時會發現可以設置自然補風窗的位置不多、面積不夠等問題，這就需要跟建筑商議調整排煙窗下煙氣層厚度db后，再重新計算，反復幾次，得出最優設計。

圖6 某丙類廠房三層自然排煙系統平面布置圖

4 結論

1）工業建筑的自然排煙問題。指出防煙分區內任一點到自然排煙窗（口）之間的水平距離不大于30 m的要求對于任何排煙場合都適用。當工業建筑采用自然排煙方式時，凈高大于10.7 m 時，才需控制其水平距離尚不應大于建筑室內凈高的2.8 倍。當自然排煙窗（口）設置在外墻上時，如何更好地沿建筑物的兩條對邊均勻設置，筆者認為，重點應是煙氣能形成有效的對流。

2）工業建筑的自然補風問題。分析得出設置自然排煙系統的場所應設置自然補風系統，并指出對于自然排煙、自然補風的情形，自然補風窗（口）面積應根據煙規4.6.15 條公式進行多次試算得出。

此外，設計人員需注意，煙規是建筑和暖通兩個專業的規范，這就要求建筑和暖通設計師仔細研讀規范，項目各個階段多溝通配合，在滿足規范的條件下，設計出更優的作品。