針對下沉式商業建筑群煙氣的模擬研究

摘要 通過對當前下沉式商業建筑存在的消防安全問題分析，結合數值模擬結果的驗證，研究下沉式商業建筑較地下商業建筑的區別和優勢，針對相應的消防安全問題，提出管理措施和整改意見。

關鍵詞 數值模擬; 下沉式商業; FDS; 消防安全

中圖分類號 TU998.12 文獻標志碼 A

0引言

隨著城市經濟的迅速發展，城市建筑的規劃和建設也逐步發展起來，在地上建筑不斷興起的同時，地下建筑和下沉式建筑也逐漸被開發建設起來，并通過在垂直方向上運用不同高度的設計手法對建筑進行分割，以便取得大空間在層次上的變化，下沉式商業建筑可以很好的將地上空間和地下空間聯系在一起。下沉式商業建筑和地下建筑最大的區別在于它與自然環境是相接觸的，可利用自然通風和采光，也可以通過設置大型坡道加強與地面交通的聯系，借助有利的空間設計發展不同類型的戶外活動，該設計手法在很大程度上提升了地下建筑的商業價值、通風和采光以及商業舒適度，并且較地下商業建筑增強了方位感，有利于人員的疏散和引導，減少火災危險性和撲救難度，也有效的解決了完全地下商業所面臨的消防設計問題［1-4］。

1下沉式商業建筑群面臨的消防問題

某商業建筑的商業功能分區設計為下沉式建筑群組（靠擋土墻一側形成坡地建筑），室外下沉式地面與周邊市政道路高差約13 m，室外下沉地面之上由多棟2～3層建筑單體組成，建筑單體之間按不小于9 m的防火間距控制，形成了9 m多寬的消防車道（消防車轉彎半徑不小于12 m），消防車道的設置不僅滿足了下沉地面之上建筑的消防救援條件又創造了利于人員疏散的室外開敞空間。由于下沉式建筑存在多個安全層概念，因此單體內人員疏散同時存在多種疏散路徑，便于分散疏散人流。

該項目消防設計中最重要的特點是將消防車道設置在下沉地面，形成本項目的建筑室外地坪，下沉地面以上的2層商業建筑按地上建筑防火分區進行設計。目前國內的規范針對此類情況沒有規定，因此，需要借鑒境外標準的相關條例。

2下沉式商業建筑群特殊消防設計

2.1特殊消防設計的原因

設計方案受規劃條件限制：①建筑選址臨近某條大道，要求臨近180 m范圍內，地面不得修建建筑物；②建筑物出地面高度不得超過1 m；③地下商業建筑面積大小有要求；④綠地率不小于75%。

受上述規劃條件限制，因地下商業體量較大，如果按傳統的地下室設計，地下商業建筑無自然采光通風條件，需全部采用機械排煙措施，火災危險性較大，對消防救援及人員疏散不利。

2.2防火分區

以其中某一建筑單體為例總層數為2層，從上到下分別為L1和L2層。設置封閉樓梯間及室外疏散廣場。該建筑內部還設有火災自動報警系統與自動噴淋滅火系統，消防設計所劃分的每個防火分區的面積均未達到5 000 m²。L1和L2層均被劃分成8個防火分區。

2.3防排煙系統

2.3.1防煙系統

（1）L2層至L1層自然通風的樓梯間、前室、消防前室、合用前室需滿足要求：①在樓梯間的外側墻壁上設置能夠打開的外窗或者其他開口的總面積大于等于2 m²，以及在樓梯間的最高部位上設置一個面積大于等于1 m²能夠打開的外窗或者開口；②單獨的前室或者消防電梯前室能夠打開的外窗或者其他的開口的有效面積必須在2 m²以上，共用的前室以及合用前室則要求有效面積在3 m²以上。

（2）防煙排煙的樓梯間以及它的前室的消防設計如果不能夠滿足自然排煙條件，消防電梯前室或者合用前室、避難走道以及前室必須增設機械加壓送風系統，加壓送風量必須根據規范上的有關條款加以計算核實，而機械加壓送風量也應當根據規定滿足壓力梯度規定值。

2.3.2排煙系統

（1）排煙系統設計：①建筑內部長度在20 m以上的疏散內走道需要設置相應的排煙設施；②地下或半地下室建筑物（室）、設有固定窗、防火窗的房間、地上建筑內的無窗空間，當總面積不低于200 m²或一個房間的建筑面積不低于50 m²，以及室內可燃物較多并有人員經常停留時，這種類型的空間也需要設置排煙設施；③中庭。

（2）建筑面積不超過100 m²且凈高小于6 m的房間，使用自然排煙的方法。

（3）面積超過100 m²且房間凈高小于6 m的房間，被劃分的每個防煙分區的排煙量按60 m3/（h·m²）計算，且要求排煙量在15 000 m³/h以上。

（4）建筑中庭的機械排煙量，需要根據其周圍空間防煙分區中最大的排煙量的2倍進行測算核實，并且排煙量要在107 000 m³/h以上。

（5）建筑內長度超過20 m的內走道需要根據規范的相關要求設置防煙分區，每個防煙分區排煙量按60 m3/（h·m²）計算，并且排煙量要在13 000 m³/h以上。

（6）建筑內部凈高度未達到6 m的空間，如果遇到一個排煙系統需要負擔多個防煙分區的排煙工作時，整個排煙系統的總排煙量就必須根據相鄰2個防煙分區的排煙量之和的最大值來計算獲得，而且風機最終的排煙量應按計算得到的排煙量的1.2倍來確定。

（7）本項目除地下1、2層室內建筑面積不足500 m²的空間或著建筑內走道以外，其余布置有排煙系統的空間均需考慮布置合理的補風系統。排煙補風系統也可以直接從室外補入空氣，且補風量要超過排煙量的50%。若建筑沒有可開啟外窗，從而無法自然補風時，需要設置補風系統。

（8）自然補風口風速不大于3 m/s。

（9）擋煙垂壁選用不燃材料制作，材料的各種特性應滿足GB 533-2012《擋煙垂壁》的有關要求，擋煙垂壁的高度應按照相應規范要求設置［5-7］。

3數值模擬實驗

3.1火災模擬軟件FDS的介紹

由于CFD技術的高速發展，利用CFD技術來解決和處理建筑物中的三維流動，解決這些流動所產生的問題也已變成了可能性。

FDS（Fire Dynamics Simulator）是美國國家標準與技術研究院（NIST）和芬蘭的VTT技術研發中心合作開發的一款融合了可視化工具Smoke-view的場仿真應用軟件，現在已經形成了一個十分實用和流行的仿真火災現場的開發工具［8］。

3.2FDS模型的建立

3.2.1網格選取方法

FDS模型的網格選取對于模型的計算時間和精度有很大影響，網格的尺寸越小，計算出的結果精度就越高。但是網格過小的話，計算得出結果的時間就會很長，所以在保證計算精度的同時，又能節約時間，需要保證特征長度與網格的尺寸的比值在4～16之間，其中D^*為特征長度，δ為網格尺寸，特征長度的計算公式見式（1）。

火災場景的選擇一般采用最不利原則，根據火災的危害程度和可能發生火災的風險程度來選取火災場景。設計原則一般分為：突出火源特點、客觀反映實際火災、同時也要深度研究建筑的結構，綜合考慮不同的不利因素，用來研究建筑模型火災發展和蔓延的特點和過程。在設定火災場景時，要綜合考慮評估對象的建筑特點以及使用功能，這也是消防安全評估的基礎，綜合以上因素分別選取臨近下沉式消防車道和建筑內部的兩種商業房間進行模擬研究。

模擬工況各項參數設定如表1所示。

3.3火災危險性分析

3.3.1人員疏散安全性判斷準則及判據

3.3.1.1煙層高度

在評估工作中要提高和保證建筑物內疏散人員的安全性，需要確保火災形成的煙霧保持在撤離人群頭頂以上的地方，避免人在撤離過程中停留在煙霧中，接受煙霧熱輻射或直接吸入呼吸道，影響建筑內部人員安全。本報告所選取的判斷準則為：煙氣層離地的臨界高度在人員撤離過程中，維持在離地2 m以上的部位。

3.3.1.2人體耐受極限條件和人員疏散安全性能判據

當火災發生后，高溫空氣中的水分含量對人的承受能力有明顯的影響，高溫煙氣的熱對流，毒性氣體，煙氣能見度對人員的疏散都有很大的影響（表2）。

繪制各項判據模擬結果的變化曲線（圖1～圖6）。

3.4結果分析

數值模擬結果得出以上折線圖，由工況1的模擬結果看出，在臨近街道的房間內發生火災時，假設不受室外環境風的影響，有少部分煙氣通過門洞擴散到室外，大部分煙氣則通過內部的門洞在館內擴散，對館內空間煙氣能見度和人員安全疏散有一定的影響。

（1）工況2與工況1形成對照，在室外風的影響下臨近街道的房間內發生火災，因為消防車道之間空氣流動使得臨近街道門洞處壓強減小，大部分煙氣通過門洞擴散至室外，少部分煙氣向館內其他空間蔓延，且由于室外風的影響，煙氣擴散到室外后會被風吹散，降低了煙氣濃度，能保持2 m以下的空間能見度保持在10 m以上，其他各項判據均未達到人員耐受極限的臨界值，通過折線圖對比，當沒有室外風的影響時，著火房間內室內溫度和CO體積分數偏高，且與著火房間相鄰的街道上煙氣較為集中，能見度較低。

（2）由工況3數值模擬結果得出，在館內某商業區發生火災時，若不受室外風的影響，煙氣能有效的控制在火源所對應的區域內，除該區域內煙氣濃度和溫度稍微偏高以外，火勢并沒有進一步蔓延，對人員安全疏散影響較小，有利于火場的救援。

（3）由工況4與工況3形成對照，在室外風環境的影響下，部分煙氣會通過室內連接的門洞擴散到室內其他區域，對館內空間煙氣能見度有一定的影響，但由于煙氣被吹散，除著火區域，館內其他區域CO體積分數和能見度普遍較低，而且降低了火源所在區域的CO體積分數，能見度能保持在10 m以上，若采取合理的機械排煙設計以及防火分隔煙氣得到有效控制。

4結論

（1）若臨近街道的房間著火，在室外風作用下室內外形成壓強差，煙氣能通過與街道相鄰的門洞及時排出室外，而沒有室外風影響的對照組，排煙效果較差，大部分煙氣向室內其他區域擴散，所以當火災發生在與街道相連的房間時，下沉式空間與大氣相通，與完全地下商業相比較，增強了地下商業的通風條件，有助于煙氣及時排至室外，降低煙氣濃度和室內溫度，從而提高人員可用安全疏散時間，保證人員安全降低了火災風險。

（2）若館內某開放式商鋪發生火災，沒有室外風影響時大部分煙氣能有效的控制在火源所在防煙分區內，室內溫度和CO相比有室外風影響的工況較大，有室外風影響時增大了室內煙氣流動的可能，煙氣會從室內相連門洞擴散，但降低了整體的溫度和CO體積分數，所以在規劃建設時應加強防煙措施，從而保證煙氣得到有效控制，對照來看下沉式商業建筑，增強了地下商業的空氣流通，也有效的解決了完全地下商業所面臨的消防設計問題，下沉式商業建筑的設計，在很大程度上改善了此類地下商業的消防設計問題，有利于地下商業的開發和建設。

（3）該項目目前的防火設計能保證人員的安全疏散以及阻止火災蔓延，并提供有利于救援人員滅火救援環境。結合計算機模擬分析結果，認為本項目防火分區設計和疏散設計是可行的，但需從設計角度，針對項目消防設計的難點，提出可靠的消防安全策略及有效的加強措施。

（4）針對該評估對象存在的一些防火設計難點，根據評估對象的使用功能、建筑特性以及建筑設計的特殊性提出了消防安全策略，通過數值模擬分析對建筑防火設計的安全目標采用定性和定量分析，以保護建筑內人員的生命安全、減少財產損失、并制定出合理可靠的安全疏散路徑和有利于滅火救援的環境等。

參考文獻

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