試論高層建筑電梯井煙囪效應及防火設計

劉建軍

（無錫市消防救援支隊，江蘇無錫214000）

1 高層建筑電梯井煙囪效應成因

從高層建筑運行情況來看，煙囪效應主要是由電梯井拔風現象導致的。當建筑物室內外溫差較大時，室內外空氣會存在密度差，室內熱空氣密度較小，會沿著電梯井等豎直通道逐漸向上擴散，通過各種縫隙逐漸從較高層外滲。而外界冷空氣密度較大，會從建筑物底層逐漸滲入，采用式（1）計算其壓差：

式中，ΔP為壓差，Pa；ti為室內溫度，℃；to為室外溫度，℃；g為自由落體加速度，m/s2；ρ為空氣密度，kg/m；Δh為距離中和界的高度，m。

由式（1）可知，壓差值通常情況下與室內外溫差以及中和界高度差成正比關系。因此，建筑物高度越高，室內外溫差越大，那么，電梯井產生的煙囪效應便越明顯。

2 高層建筑電梯井煙囪效應防火設計

要預防高層建筑電梯井煙囪效應，需要從加強維護結構密閉性、分段設置電梯、在侯梯廳設計隔斷或前室等方面入手，做好防火設計，為建筑物安全穩定運行奠定堅實基礎。以下內容對此詳細論述。

2.1 加強維護結構密閉性

相關試驗結果顯示，某高度為100 m的建筑物，在沒有任何阻擋的情況下，煙囪效應會導致煙氣從電梯井等豎向井管向上擴散，并且只需要30 s就可以在短時間內導致建筑物成為立體火場。要有效解決高層建筑煙囪效應，需要加強圍護結構的密閉性，通過改善高層建筑外墻密封性能改善煙囪效應。需要注意的是，由于該高層建筑為辦公建筑，出入口人流量較大，滲風現象較為嚴重，加強出入口密封性也十分重要[1]。

2.2 分段設置電梯

已知煙囪效應與建筑物高度以及室內外溫差成正比關系，可以根據此規律從源頭上對此現象進行遏制。通過在高層建筑分層設置電梯的方式，降低電梯井高度，減小電梯門兩側氣壓差，以達到防火的目的，為人員疏散逃生提供足夠的時間。

2.3 在候梯廳前設計隔斷或前室

除了上述兩種手段外，還可以通過在候梯廳前設置隔斷或前室的方式減小煙囪效應造成的影響。這一手段與分段設置電梯原理相同，通過采用該手段能夠降低電梯門內外壓差，減弱煙囪效應。

2.4 合理設計機械通風系統

通過在建筑工程內部設計機械通風系統的方式，能夠降低室內壓力，也能夠降低電梯井內部與外界的溫差，以此達到減弱煙囪效應的目的。其原理是：由風機設備提供動力，促使樓內空氣流動。機械通風不會受到自然條件限制，可以根據建筑物情況排風、送風，最終獲得穩定的通風效果。圖1為該工程項目機械通風系統示意圖。

圖1 機械通風系統示意圖

3 工程案例

某高層建筑位于某省會城市，建筑功能主要為辦公，在樓層頂部設置有高級會所及觀光層，建筑物高254 m，層高15.3 m，標準層高4.3 m，標準層建筑面積為3 012 m2，其中，電梯井面積為260 m2。該建筑物外圍護結構主要以玻璃幕墻為主。作為典型的高層建筑類型，需充分考慮電梯井煙囪效應，采取針對性防火設計，以保障建筑物安全穩定運行。

4 模擬與分析

4.1 根據項目要求保障模擬工具的合理性

模擬工具的選擇直接關系到模擬結果的準確度，對后續防火方案的制訂有重要意義。基于此，筆者作為監督人員，與設計人員從建筑物內部運行情況出發，保障模擬工具的合理性。通過對比多種模擬工具，本文主要采用CONTAMW軟件對建筑物中各構件壓差及換氣量進行計算。CONTAMW是美國火災研究所針對多區域空氣流動模擬的最新版本。通過該軟件可以利用高層建筑中的空氣流通路徑、區域等變化，設置不同模擬目標，對建筑物煙囪效應進行模擬探究[2]。

4.2 結合項目實況督促工作人員設計模型

在該高層建筑項目當中，標準層外區都為辦公區，內區核心設備為機房與電梯。筆者根據這一事實，督促工作人員在構建設計模型時從實際情況出發，同比例縮小建筑結構，確保模型符合建筑現實情況。

4.3 以建筑物運行狀態為基礎進行參數設定

根據該建筑工程以往的運行情況，筆者督促設計人員結合項目實況設定相關參數，在本次模擬分析工作中，設定室外溫度為-7℃，室內溫度為20℃，項目外圍護結構以玻璃幕墻為主。該建筑物玻璃幕墻氣密性為3級，單位面積內幕墻的滲風量為1.0 m3/h。此外，對于建筑物煙囪效應產生影響的關鍵設施有電梯門、推拉門等。盡可能促使此項模擬工作符合建筑實況，為提高模擬活動效果奠定基礎。

4.4 結果與分析

4.4.1 加強維護結構密閉性

除了加強維護結構密閉性之外，還對電梯井當中存在的縫隙，以及大樓出入口的密封性進行了明確要求。根據模擬情況來看，該方法能減小建筑高層與底層的溫差，進而減小建筑物內外壓差，避免冷空氣從低樓層滲入，熱空氣從高樓層滲出，進而減小煙囪效應，避免發生火災時事故不斷擴大。

4.4.2 區間分段電梯

在對高層建筑電梯進行分段設計后，通過模擬情況可知，區間電梯的電梯門兩側壓差在安全范圍。電梯在低層與高層間穿梭時，最大壓差為69 Pa，小于100 Pa。由此可見，在該建筑物中，通過設置分段電梯的方式能夠降低電梯井的高度差，進而有效降低電梯門兩側壓差，以達到減小煙囪效應的目的。

4.4.3 候梯廳前設計隔斷或前室

在該建筑工程中，共設置3部消防電梯，在明顯超壓層（73層）對消防電梯1、2設置隔斷門，第三部消防梯不做任何處理。根據模擬結果來看，隔斷門的設置能夠促使消防梯門的壓差從設置前的150 Pa降低到25 Pa。但是需要注意的是，由于該超壓層壓強的變化，導致各層壓力分布情況也隨之變化，高區（68層）電梯門壓差即將達到100 Pa，基于此，在該層也加設隔斷門，將其壓差穩定在100 Pa以下，以解決超壓問題，減弱煙囪效應。

對于高層建筑，要做好煙囪效應防火設計，需要在設計、施工階段加強高層建筑圍護結構的密閉性，減少建筑物漏風現象。在通往外界的出入口等地加設隔斷，防止煙囪效應。與此同時，還需要結合建筑物實際運行情況，設計電梯轉換層。通過考慮外界風壓等因素，還可以在不常用的門窗上裝設門斗、窗簾等，在電梯廳設計隔斷或者前室，有效抑制煙囪效應，為高層建筑的安全穩定運行奠定基礎。

5 高層建筑電梯井煙囪效應防火策略

5.1 保障消防安全與孔洞封堵

要做好高層建筑電梯井煙囪效應防火工作，還需要做好以下工作：

1）由于不少高層建筑火災事故是由外保溫層材料起火導致，再加上外保溫層與電梯井距離較近，相關物業人員要對建筑物外墻裝飾層進行檢查，確保其完好無損，尤其是在封閉區域，要定期維修，避免保溫層脫落等為火災事故埋下隱患。

2）設計人員需要以GB 50016—2014《建筑設計防火規范》、GB/T 51410—2020《建筑防火封堵應用技術規程》為基礎，對于建筑設計中可能出現的孔洞進行充分考慮，進而完善設計，重點考慮建筑物管道井的樓板孔洞以及電纜井縫隙、風管橋架穿墻孔等。選擇的封堵材料要以不燃燒體為主。相關單位在后期驗收檢查過程中也需要將孔洞、縫隙封堵情況作為竣工驗收內容，盡可能地保障高層建筑后期穩定運行。

5.2 及時檢查樓內設施

防火門是防止建筑物火災事故不斷擴大的重要設施。基于此，物業人員要與設計人員形成聯動，在合理設置防火門的同時，物業部門在后期要做好相關設施的維護工作。對建筑物內的各防火門進行全面檢查，隨報隨修。若因建筑物煙囪效應導致防火門憑借自閉力出現無法關閉的現象，工作人員要進行人工干預。此外，樓梯間也是加強煙囪效應的主要豎向通道，對此也要引起重視。

在該建筑物地下室區域，熱水鍋爐機房、直燃機組需要合理設置進氣口，因為這兩種設備在運行過程中會消耗該區域很多空氣，進而導致設備所在區域出現抽取空氣的現象。基于此，要在設備所在機房中設置通往建筑物外部的進氣口，以此減弱地下室空氣流動現象。

對于電梯井旁邊的門窗，不經常使用的可以加裝保溫門簾，需要注意的是，門簾不得遮擋安全出口指示標識[3]。

5.3 通過加強管理弱化煙囪效應

1）設置測溫點，通過設置測溫點對建筑物內部溫度情況進行監控，以便及時調節室溫，避免出現開雙散熱等現象，降低建筑物高層區域與底層區域溫差。

2）做好防凍工作，因為高層建筑物煙囪效應，導致室內部分區域溫度較低。例如，在該工程項目中，風機盤管管道會出現凍裂跑水現象，因此，要做好管道與縫隙的封堵工作，并且做好宣傳培訓工作，使員工與客戶能夠對高層建筑煙囪效應進行充分了解，進而配合物業部門的相關工作。

3）在高層建筑物內部容易產生煙囪效應的區域，不得隨便使用裝飾材料與易燃材料。在垂直通風道，如電梯井等，需要采取相關回流措施，以便減弱高層建筑煙囪效應，為其后期安全穩定運行奠定基礎。

6 結語

綜上所述，高層建筑作為現代建筑行業的發展產物，對于提高城市空間利用率具有十分重要的現實意義。與此同時，因為高層建筑本身結構復雜、高度高等因素，導致在寒冷天氣下，建筑物內外部、上下部溫差大，產生煙囪效應。在該效應下，一旦建筑物發生火災，火勢會通過電梯井在短時間內縱向蔓延，對居住者的生命安全造成嚴重威脅。基于此，需要結合建筑物實況采取科學合理的措施進行解決，為建筑物后期安全穩定運行奠定基礎。