高層建筑消防防排煙設計研究

摘要：為提升高層建筑消防水平，并減少高層建筑使用過程中面臨的火災隱患，本文以實際工程案例為研究立足點，分析了該建筑的消防防排煙設計要點。研究發現，在高層建筑消防防排煙設計過程中，設計人員要注重自然排煙和機械排煙的有機結合，提升防排煙系統的消防能力。根據建筑內部空間的特點，合理設置防排煙系統參數，提升防排煙系統性能，確保高層建筑具備較強的防火能力。

關鍵詞：高層建筑；消防；防排煙

引言

隨著城市化建設水平的提升，高層建筑結構復雜，火災隱患較多，發生火災事故后往往會造成嚴重后果[1]。在眾多高層建筑火災事故案例中，造成人員死亡的原因往往是人員吸入過量煙霧導致的一氧化碳中毒。因此，在高層建筑的消防設計中，防排煙系統設計是重要的內容。

一、高層建筑的火災特征

（一）火災隱患多

高層建筑結構復雜，樓層較高，內部功能完善、多樣，會布置大量電氣設備，人員與各類物資相對集中，因人為因素、電氣因素導致的火災事故時有發生。此外，高層建筑內部存在許多火災監控盲區，在發生電氣故障后可能無法第一時間察覺隱患，導致火災事故，并在較短時間內形成一定規模。

（二）火勢發展迅速

高層建筑發生火災后，電梯井、排風道、樓梯間等豎向管井會形成煙囪效應，再加上高層建筑承受的風力遠高于其他類型的建筑，建筑內部大量辦公用品、裝修材料具有易燃特性，在發生火災后火勢發展速度較快，撲滅火災的難度較大。

（三）人員疏散難度大

高層建筑內部的人員密度較高，各區域人員與安全疏散點的距離較遠，現場疏散可能花費大量時間，火災事故容易造成嚴重人員傷亡。此外，高層建筑內部人員數量較多，發生火災后的安全疏散工作量大，進一步加大了疏散難度，不利于人員逃生，建筑內部人員的安全性很難得到保障。

二、高層建筑消防防排煙設計要點

（一）項目簡介

國內某高層建筑占地面積為12662.6m2，建筑高度為31層，該建筑由多層商業裙房、辦公樓和地下車庫組成，建筑總面積約343740m2，地面建筑高度約91.6m。

（二）防煙設計

1.防煙設備布置

（1）防煙樓梯間設置正壓送風系統，每間隔1層設置自垂百葉風口，發生火災時通過防排煙控制系統啟動加壓送風機或者由物業人員手動開啟加壓送風機，對防煙樓梯間加壓送風，防止樓梯間形成煙囪效應，在促進排煙的同時控制火勢蔓延速度。

（2）在防煙樓梯間和消防電梯的合用前室都布置正壓送風系統，火災時也由防排煙控制中心或手動開啟加壓送風機；在合用前室每層設置多葉送風機，發生火災時電動或手動將每層與上下層的多葉送風口打開，連鎖啟動加壓送風機，共同對合用前室送風。在建筑避難層增設加壓送風機，送風量不小于30m3/h；在各層避難間設置百葉送風口，火災時啟動正壓送風機對避難間送風。

（3）在防煙系統中，正壓送風機利用混凝土風道送風，各樓層設置適量送風口，一端與加壓送風機連接，另一端在非火災時封閉，正壓送風風道見圖1[2]。

2.送風量計算

發生火災時，所需送風量可以采用門洞風速法進行計算：

L1=AkvN1（1）

式（1）中，Ak為正壓送風風道出口的截面面積；N1為設計開啟的正壓送風風道的數量。正壓送風風道開啟后，在計算出正壓送風機的最大送風量和區域所需送風量后，可以計算出各樓層不同區域所需正壓送風機的數量，以此可以對各樓層的正壓送風機、正壓送風道的布局進行優化，最大化提升防煙效果。

3.送風口截面尺寸

樓梯間地上部分每3層設置一個送風口，每個送風口的送風量按設計送風量平均分配；地下部分設置1個送風口，送風口截面面積可按以下公式計算：

Ad=Qvd×3600（2）

式（2）中，Ad為送風口截面面積；Q為設計送風量；vd為設計風速。

（三）排煙設計

1.排煙形式

（1）自然排煙。該建筑在排煙設計中，將自然排煙作為首要選擇，設計重點集中在外窗類型、開窗面積上。在每層防煙樓梯間設計一層0.8×1.2m的排煙窗戶，確保發生火災后建筑可以通過自然排煙的方式減少各樓層的煙氣濃度。根據《建筑設計防火規范（2018年版）》（GB 50016-2014），建筑自然通風口應占其所在樓面面積的2%—5%。因此，設計者可以按照以下公式確定自然排煙的面積：

mv=（2ρ20gd）1/3Cd，vAv1+C2d，vA2vC2d，iA2i[T0（T-T0）T2]1/2（3）

式（3）中，mv表示自然排煙口的流速；ρ0表示，空氣密度；g表示自由落體加速度；Cd為排放系數；Av為排煙口面積；Ai表示補風口面積；T0表示環境溫度；T表示煙層溫度；d表示煙層厚度。

（2）機械排煙。該項目的機械排煙采用局部排煙和集中排煙相結合的形式。前者為直接排煙，需要在每個需要排煙的部位設置排煙風機；后者將建筑物劃分為若干區域，在每個區域設置獨立的排煙風機，通過排煙風機管道排除火災時產生的煙氣。在排煙設計時，設計者要重點計算各區域的排煙量。對本項目中排煙風機只負責一個區域的排煙任務時，按區域面積每平方米不小于60m3/h計算，對負責兩個或以上區域的排煙風機，按每平方米不小于120m3/h[3]。倘若一個排煙系統需要負責幾個區域的排煙任務，將設置最大排煙量為60000m3/h，最小排煙量為7200m3/h。風道內通過的風量，需要按照排煙系統中最大排煙口的2倍進行計算，同時要選擇合適的排煙風道材質，不同材質的風速見表1。

在機械排煙過程中，設計者可以結合煙氣通過排放口有效斷面時速度不超過10m/s來計算。本文的疏散樓梯間每層的體積約36.445m3，占地空間較小，因此只考慮在每層設置兩個排煙口。由于排煙口風速不宜超過10m/s，設置一個排煙口時排煙口面積可以按各排煙分區的最小規定值7200m3/h來計算，同時還要考慮有效面積系數，合理確定排煙口的面積。

（3）地下室排煙。本項目地下室部分的排煙，主要在地下室設備用房設置機械排煙裝置，用于地下室設備用房及各類房間的通風換氣以及火災事故發生后的消防排煙，設計排風換氣次數為4次/h—12次/h。地下室機械排煙時，利用低噪聲的排煙機組，將各房間內的渾濁空間排出。在高層建筑發生火災后，通過遠程控制或現場操作的方式開啟排煙機組，將區域內的煙氣排出。一旦排煙風機前的煙氣溫度超過設計閾值，排煙系統可以自動將排煙風機前的防火閥關閉，連鎖控制排煙風機停止運行。對地下車庫部分的排煙設計，將排煙次數控制在6次/h左右，利用低噪聲排煙風機日常排出汽車尾氣和渾濁氣體，發生火災時利用機械補風的方式排煙。

（四）防排煙控制系統

由于高層建筑發生火災后火勢蔓延速度較快，物業人員無法在第一時間通過手動操作全部將防排煙風機打開，因此需要設計一套防排煙控制系統。一方面，監測整個防排煙系統的運行，及時發現防排煙系統的運行故障；另一方面，通過遠程下達控制指令，自動控制各類防排煙裝置的啟停[4]。根據防排煙系統的特點，本文提出基于IOT技術建立防排煙控制系統的觀點，通過在防排煙系統中增設采集防排煙裝置狀態信息和捕捉現場圖像的監測設備，分別與送風/排煙、消防風機等設備連接，實時獲取各類設備的運行參數和信號數據。利用NB-IOT無線通信模塊與消防控制中心連接，從消防控制中心的顯示大屏了解建筑火災狀況、防排煙系統現狀等，在發現火災隱患或者故障隱患后及時預警，提醒相關人員及時處理問題。

三、高層建筑消防防排煙設計的優化建議

（一）防排煙系統優化

在消防防排煙系統中，主要排煙方式有自然排煙和機械排煙兩種。在自然排煙設計中，設計者要確保各排煙窗口朝向的差異性，合理計算排煙開口面積，確定排煙敞口的開啟方式，保證自然排煙效果和排煙效率。在對防排煙系統進行優化時，設計者要重點控制好防排煙管道的設計參數，如材質、規格、布局、排煙量等，合理設置防排煙口位置，控制好各類管道的橫截面積。在防排煙設計中，設計者要注意優化排煙口的位置，盡量在建筑的下風口設置排煙口，確保在發生火災后可以有效地將煙氣排出。在對防排煙系統進行優化時，設計者要盡量擴大防排煙系統的消防防排煙能力，在符合國家和地方標準的前提下，適當提高各節點的參數設計標準，提升系統處理煙氣的能力，避免發生火災后防排煙系統失效。

（二）風管密封設計

在高層建筑防排煙設計中，風管是防煙和排煙的主要通道，也是風機送風的主要通道，風管的密封性是決定防排煙系統應用效果的關鍵。因此，在防排煙設計中，設計者要重點關注風管密封性的問題，合理選擇風管連接方式、密封方式，合理設置風道外部附加支撐結構，防止外部荷載導致風道接口密封失效，保證高層建筑發生火災后風道的使用性能[5]。

（三）地下建筑防排煙設計優化

地下建筑防排煙設計是本文研究的重點，設計者要注意提升地下建筑的防排煙性能，合理設置排煙天井位置，將地下室內空間與室外空間自然連通，在引入室外光線的同時為火災煙氣的控制創造良好條件。在確定排煙天井位置時，設計者要盡量將其設置在不影響地面交通、外部環境的位置，盡量設置在室內煙氣最容易達到的部位，提升地下室煙氣排出能力，并考慮防火間距需要，調查排煙天井周邊是否存在相鄰建筑。排煙天井與相鄰建筑的間距應滿足《人民防空工程設計防火規范》（GB 50098-2009）的要求[6]。此外，設計者要注意天井構造的設置。排煙天井的主要作用是排煙、通風和采光。設計者要根據室內采取的防排煙方式確定好天井的尺寸，如采用機械排煙的方式，設計者只需要考慮排煙天井的通風與自然采光要求；倘若室內只采用自然排煙的形式，設計者必須保證排煙天井壁面及圍護結構的材料具有較強耐火性，并在排煙天井周邊砌筑一定高度的防火墻，避免排煙天井構造設計不合理影響室內自然排煙的效果[7]。

在地下室建筑防排煙設計中，設計者要合理規劃疏散通道和出口等疏散節點，在各節點進行排煙處理。在地下建筑的防排煙設計中，設計者要先掌握地下建筑各疏散節點的布局，重點在疏散出口和疏散通道設置排煙裝置，避免在安全疏散時煙氣彌漫導致人員失去方向感。例如，設計者可以采用出入口煙流與人流分離的排煙方式，使火災發生后煙氣的運動方向與人員逃生方向相反。在出入口周邊設置內部排煙口、擋煙墻，并在地面出入口附近設置排煙出口，盡量選擇下風向設置，防止排煙出口處的煙氣因外部風流重新返回地下空間。地下建筑的排煙口可以布置在地平面上，采用機械鼓風聯合自然排煙相結合的方式，滿足大規模地下空間的排煙需求[8]。

結語

綜上所述，高層建筑面臨的火災隱患較多，要想減少火災事故造成的生命財產損失，為建筑內部人員提供足夠的安全疏散時間，必須做好高層建筑的防排煙設計。在高層建筑的防排煙設計中，不僅要合理布置防煙和排煙系統，還要注意對防排煙設計方案進行優化，注重對防火單元格、風管密封設計的優化，注意地下建筑防排煙設計，盡量滿足高層建筑的防排煙需求。

參考文獻

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[3]張靜.高層建筑暖通空調防排煙施工技術的應用策略[J].房地產世界，2023（12）：142-144.

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[6]王紅光.高層建筑暖通消防工程防排煙施工技術研究[J].城市建筑空間，2022，29（S2）：719-720.

[7]顏琛浩.高層建筑消防防火排煙設計研究[J].今日消防，2022，7（02）：81-83.

[8]于雷.高層建筑消防排煙設計探討[J].工程建設與設計，2022（24）：30-32.

作者簡介：楊思浩（1994— ），男，漢族，廣東高州人，本科，助理工程師，研究方向：建筑消防。