淺談高層建筑火災(zāi)煙氣的運(yùn)動(dòng)特征和控制措施

方加軍 熊 超

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高層建筑的數(shù)量逐年增多，其消防安全問(wèn)題也越來(lái)越受到社會(huì)的關(guān)注。相關(guān)研究結(jié)果表明，高層建筑火災(zāi)中煙氣的毒害和窒息作用是致人死亡的最主要原因，如何控制火災(zāi)煙氣的蔓延和擴(kuò)散，已經(jīng)成為了研究高層建筑消防安全的重要內(nèi)容。由于影響高層建筑煙氣流動(dòng)的因素很多，高層建筑的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)又各不相同，使得控制高層建筑的煙氣流動(dòng)極為困難。因此，對(duì)高層建筑火災(zāi)煙氣的運(yùn)動(dòng)特征和控制措施進(jìn)行深入研究顯得極為重要。

一、高層建筑火災(zāi)煙氣的危害

高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，在“煙囪效應(yīng)”的作用下，有毒煙氣迅速蔓延，可能導(dǎo)致建筑物內(nèi)人員來(lái)不及疏散就被熏暈甚至窒息中毒死亡；此外，煙氣的擴(kuò)散使建筑物內(nèi)能度大幅下降，建筑物內(nèi)的人員看不清出口或看不清疏散標(biāo)志，驚慌失措下會(huì)嚴(yán)重影響人員的疏散，從而加大了人員傷亡率。國(guó)外相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示，在高層建筑火災(zāi)中死亡的人員中，有62.4%是由于窒息、吸入煙塵和CO中毒而死亡，而因燒傷而死亡的人員只占26%左右。

二、高層建筑火災(zāi)煙氣的運(yùn)動(dòng)特征

高層建筑火災(zāi)的煙氣運(yùn)動(dòng)過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的非定場(chǎng)問(wèn)題。相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和氣體膨脹定律表明，對(duì)于普通高層建筑火災(zāi)，當(dāng)火焰溫度達(dá)到700℃時(shí)，煙氣體積會(huì)膨脹3倍以上，壓力急劇升高, 迫使煙氣從著火部位向建筑物的其它部位蔓延和擴(kuò)散。因此，高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，高溫引起的氣體膨脹是影響煙氣流動(dòng)的根本的因素。

2.1 豎向井道是煙氣蔓延的主要途徑

一棟高層建筑中，設(shè)有風(fēng)道、排氣道、樓梯間、電梯井等豎向井道，如果防火分隔或防火處理不好，火災(zāi)時(shí)這些起著煙囪作用的豎井，常常會(huì)成為火勢(shì)迅速蔓延的途徑。相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，在火災(zāi)初期階段，在空氣對(duì)流的作用下，水平方向造成的煙氣擴(kuò)散速度為0.3m/s；進(jìn)入燃燒的猛烈階段后，在高溫?zé)釋?duì)流作用下，造成的水平方向擴(kuò)散速度為0.5～3m/s，而煙氣沿樓梯間和其它豎向管道的擴(kuò)散速度能達(dá)到3m/s以上。也就是說(shuō)，對(duì)于一座高度100m左右的高層建筑來(lái)說(shuō)，在無(wú)阻擋的情況下，由于煙囪效應(yīng)的作用，煙氣從豎井?dāng)U散到頂層只需要30s。

2.2 煙氣流存在“貼壁現(xiàn)象”

高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙氣會(huì)從窗戶向外擴(kuò)散，煙氣與室外空氣相比，溫度較高，密度較低，而較高樓層外圍受到的風(fēng)力作用較大，煙氣流會(huì)向上抬起，加上煙氣射流在擴(kuò)散過(guò)程中，煙氣流與墻壁面之間的補(bǔ)氣能力較弱，造成的負(fù)壓區(qū)會(huì)導(dǎo)致煙氣流撲向墻壁面形成“貼壁現(xiàn)象”。這種情況導(dǎo)致的直接后果是，當(dāng)貼壁的火焰或煙氣流的溫度達(dá)到500℃以上時(shí)，一旦接觸到上層窗戶的玻璃，玻璃會(huì)馬上破裂，從而使火災(zāi)蔓延到相鄰的上層。

2.3 中性層位于建筑高度的中部附近

熱壓作用是指室內(nèi)外溫度差和窗孔之間的高度差引起的浮力作用。室內(nèi)外溫差引起的熱壓作用導(dǎo)致上下層之間存在壓力差，在不考慮風(fēng)壓作用的情況下，由溫差引起的室內(nèi)外壓差稱為余壓。中性層就是指余壓為零的平面。當(dāng)高層建筑各樓層的開(kāi)口面積分布較為均勻時(shí)，中性層大致在建筑高度的1/2附近。如果在中性層以下的外墻上開(kāi)口，冬季火災(zāi)的初期，反而會(huì)從開(kāi)口處吸入室外空氣，若沒(méi)有合理安排防煙分區(qū)，電梯和樓梯等豎井會(huì)助長(zhǎng)煙氣的傳播；夏季發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于高層建筑中多使用空調(diào)，產(chǎn)生的下降氣流會(huì)導(dǎo)致煙氣向下層傳播。

2.4 “煙囪效應(yīng)”非常明顯

在建筑物的豎井中，由于溫度差的存在使得自然對(duì)流循環(huán)加強(qiáng)，促使煙氣上升流動(dòng)的效應(yīng)就是“煙囪效應(yīng)”。由于高度原因，高層建筑有比一般建筑更加明顯的浮力作用。在浮力作用下，建筑上層部分室內(nèi)將產(chǎn)生高于室外的壓力，室內(nèi)空氣會(huì)通過(guò)窗孔等開(kāi)口排至室外；相反，建筑下層部分室內(nèi)將產(chǎn)生低于室外的負(fù)壓，外部空氣流入室內(nèi)。這樣就會(huì)在建筑物內(nèi)的各種豎井中產(chǎn)生一股上升的氣流，空氣從室外進(jìn)入高層建筑的下層部分，然后源源不斷地通過(guò)這些豎井，從高層建筑的下層部分輸送到上層部分，最后由上層部分排向室外，從而形成了一個(gè)自然對(duì)流的循環(huán)過(guò)程。當(dāng)高層建筑的下層部分發(fā)生火災(zāi)時(shí)，產(chǎn)生的煙氣將隨空氣流入豎井，導(dǎo)致豎井中的氣溫大幅上升，浮力作用加大，當(dāng)煙氣在豎井內(nèi)上升到中性層以上時(shí)，煙氣就會(huì)流出豎井進(jìn)入高層建筑上部的各個(gè)樓層。這就是發(fā)生“煙囪效應(yīng)”的根本原因。

三、高層建筑火災(zāi)煙氣的控制措施

當(dāng)前，對(duì)于高層建筑火災(zāi)，采取的煙霧控制措施主要有控制煙霧的產(chǎn)生量和降低建筑物內(nèi)煙氣的濃度。前者要求在建筑的建造中，盡量減少可燃裝修材料的使用以及安裝火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)；后者主要依靠建筑自身構(gòu)造和防排煙系統(tǒng)排煙，具體方式主要包括自然排煙、機(jī)械防煙和機(jī)械排煙三種，其具體的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1所示。

3.1 自然排煙

自然排煙是指，借助室內(nèi)外氣體溫度差引起的熱壓作用和室外風(fēng)力所造成的風(fēng)壓作用而形成的室內(nèi)煙氣和室外空氣之間的對(duì)流運(yùn)動(dòng)。自然排煙要求需要排煙的房間必須有一面墻壁是面向室外的，而且進(jìn)深不能太大，排煙口至排煙區(qū)域最遠(yuǎn)處的水平距離不大于30m；自然排煙還對(duì)開(kāi)窗面積有一定的限制，要求排煙口的有效面積與排煙區(qū)域地面面積之比不小于規(guī)定值。具體主要包括以下幾點(diǎn)：（1）靠外墻的防煙樓梯間每5層內(nèi)可開(kāi)啟外窗，總面積之和不小于2m2；（2）設(shè)有不同朝向的可開(kāi)啟外窗前室的開(kāi)窗面積，獨(dú)用前室不小于2m2，合用前室不小于3m2；（3）凈空高度小于12m的中庭，可開(kāi)啟的天窗或高側(cè)窗的面積不應(yīng)小于該中庭地面面積的5%；（4）長(zhǎng)度不超過(guò)60m的內(nèi)走道，可開(kāi)啟外窗面積不應(yīng)小于走道面積的2%；（5）需要排煙的房間可開(kāi)啟外窗面積不小于該房間面積的2%。

3.2 機(jī)械防煙

機(jī)械防煙是指，在疏散通道等需要防煙的部位送入足夠的新鮮空氣，使其維持高于建筑物其它部位的壓力，從而把著火區(qū)域所產(chǎn)生的煙氣堵截于防煙部位之外，從而保證疏散通道的絕對(duì)安全。機(jī)械防煙系統(tǒng)根據(jù)適用場(chǎng)合和壓力水平，可分為單級(jí)系統(tǒng)和雙級(jí)系統(tǒng)兩種。前者只有在火災(zāi)緊急情況下才投入運(yùn)行，要求正壓水平較高；后者在正常情況下以低壓水平運(yùn)行，而在火災(zāi)緊急情況下增壓運(yùn)行。但無(wú)論是單級(jí)系統(tǒng)還是雙級(jí)系統(tǒng)，機(jī)械排煙方式保護(hù)的對(duì)象都是建筑物內(nèi)的疏散通道。為了使煙氣從著火房間通過(guò)窗戶排至室外，需要保持機(jī)械防煙氣流的流向?yàn)闃翘蓍g→前室→走廊→房間。根據(jù)《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》的規(guī)定，高層建筑中應(yīng)設(shè)置機(jī)械防煙設(shè)施的部位主要包括：封閉避難層/間；不具備自然排煙條件的防煙樓梯間及其前室、消防電梯前室或合用前室；采用自然排煙措施的防煙樓梯間，其不具備自然排煙條件的前室。

表1 三種煙氣控制措施的優(yōu)缺點(diǎn)比較

3.3 機(jī)械排煙

機(jī)械排煙方式是利用排煙機(jī)把著火區(qū)域產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)排煙口排至室外的排煙方式，其根本作用在于能及時(shí)而有效地排除著火層或者著火區(qū)域的煙氣，為受災(zāi)人員的疏散和財(cái)產(chǎn)的轉(zhuǎn)移在時(shí)間和空間上創(chuàng)造條件。國(guó)外相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，對(duì)于一棟50m左右的高層建筑，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良的機(jī)械排煙系統(tǒng)能排出80%的熱量，這樣就使火災(zāi)溫度大大降低，從而對(duì)人員疏散和火災(zāi)撲救起到重要作用?！陡邔用裼媒ㄖO(shè)計(jì)防火規(guī)范》規(guī)定，高層建筑中應(yīng)設(shè)置機(jī)械排煙設(shè)施的部位主要包括：（1）無(wú)直接自然采光和通風(fēng)，或設(shè)置了固定扇窗且長(zhǎng)度超過(guò)20m的內(nèi)走道；（2）有直接采光和自然通風(fēng)，但長(zhǎng)度超過(guò)60m的內(nèi)走道；（3）面積超過(guò)100m2且經(jīng)常有人停留或可燃物較多的房間；（4）不具備自然排煙條件或凈空高度超過(guò)12m的中庭；（5）除利用窗井等開(kāi)窗進(jìn)行自然排煙的房間外，各房間總面積超過(guò)200m2或一個(gè)房間面積超過(guò)50m2，且經(jīng)常有人停留或可燃物較多的地下室。

對(duì)于高層建筑特別是超高層建筑火災(zāi)，切實(shí)有效的煙氣控制系統(tǒng)對(duì)保障人員生命安全和減少火災(zāi)損失具有極其重要的意義。人員疏散所需時(shí)間大致與建筑物高度成正比，采用的防排煙系統(tǒng)必須對(duì)煙氣實(shí)施有效的控制，才能使某些特定區(qū)域內(nèi)的煙濃度始終能維持在人員疏散過(guò)程中可以忍受的水平。因此，深入研究高層建筑火災(zāi)煙氣的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并采取科學(xué)的煙氣控制措施，才能確保發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員的安全疏散和快速滅火，從而最大限度地減少火災(zāi)所造成的損失。