關(guān)于中庭高層建筑防排煙設(shè)計優(yōu)化分析

姜林　劉昕瑩

摘 要：現(xiàn)代社會的進步，建筑行業(yè)也帶來的新的發(fā)展需求，如今高層建筑最注重的就是安全問題。要做好當下的防排煙設(shè)計驗證工作，確保下序工作結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)，做好相關(guān)評估驗證工作，數(shù)值模擬計算、模型試驗和現(xiàn)場的熱煙測試是常采用的評估和驗證方法。

關(guān)鍵詞：中庭高層建筑；排煙設(shè)計

火災(zāi)發(fā)生后，從可燃物起火初期至火災(zāi)發(fā)展全盛期，在可燃物上方形成穩(wěn)定火焰區(qū)、間斷火焰區(qū)和煙氣羽流區(qū)，上部的熱煙氣層與下部的冷空氣層通過煙羽流進行傳熱傳質(zhì)。在一定的建筑結(jié)構(gòu)和火災(zāi)規(guī)模條件下，煙氣的生成量主要取決于羽流的質(zhì)量流量。

1 工程概況

所選建筑高度為56.15m，屬一類高層建筑，耐火等級為一級。地下兩層，面積為9068m2，地上14層，面積為48665m2；地下一、二層為車庫及設(shè)備用房，地上部分為功能檢查科室、手術(shù)室、病房等。1層～3層布置一個中庭，中庭面積為152m2，高度為16m，中庭頂蓋采用鋼結(jié)構(gòu)，四周均勻開有百葉排煙窗；3層-4層布置一個設(shè)備夾層；4層～14層布置有一個高度為41.7m的天井，天井四周分布醫(yī)療室、住院病房等房間；建筑內(nèi)設(shè)有完善的自動噴水滅火系統(tǒng)。

2 火災(zāi)場景設(shè)置

2.1 火災(zāi)增長速率分析

大量的試驗研究及真實的火災(zāi)案例表明，許多物品從起火到旺盛階段，熱釋放速率大體按時間的指數(shù)規(guī)律增長。例如木材等纖維素材料，塑料等合成材料，這種火災(zāi)類型可表述為火災(zāi)按t2增長。根據(jù)NFPA手冊，火災(zāi)可分為極快、快速、中等和緩慢4種類型。

本建筑使用功能相對固定，可燃物的種類和分布相對穩(wěn)定。一層大廳、病房等位置可能引起火災(zāi)的可燃物為柜臺、座椅、棉被、衣物等。

2.2 火災(zāi)規(guī)模設(shè)定

根據(jù)最不利原則，假設(shè)自動噴水滅火系統(tǒng)失效，參照某市工程建筑規(guī)范5建筑防排煙技術(shù)規(guī)程6（DGJ 08-88）2006）中無噴淋的中庭火災(zāi)的最大熱釋放速率為4mW，設(shè)定典禮大廳中火源功率為4mW。

2.3 火源位置

經(jīng)過對內(nèi)科醫(yī)技樓可燃物的分布和火災(zāi)荷載密度等情況的分析，依據(jù)最不利和最具代表性原則，在一層大廳扶梯處設(shè)置起火點。

2.4 火災(zāi)場景設(shè)計

所選擇的火災(zāi)場景是根據(jù)最不利的原則確定的，同時兼顧起火部位的代表性。綜合考慮建筑內(nèi)的消防設(shè)施、內(nèi)科醫(yī)技樓所處的地理位置以及建筑內(nèi)可燃物性質(zhì)與分布后設(shè)計。

3 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

3.1 模擬軟件及方案判斷指標

模擬采用比較流行的FDS軟件，F(xiàn)DS（Fire Dy-namics Simulator）是由NIST（National Institute of Stan-dards and Technology，美國商務(wù)部標準和技術(shù)研究院）開發(fā)的計算機場景模擬軟件。結(jié)合本建筑的結(jié)構(gòu)和功能特點，對排煙效果好壞的判斷，將采用以下性能標準：①一層大廳距地面高度2m以下煙氣層/空氣層溫度不超過60℃；②各層距地面高度2m以下煙氣層/空氣層能見度不小于10m；③中庭內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，煙氣能否順利排出。

3.2 FDS模型與計算條件

根據(jù)某市建筑設(shè)計研究院提供的圖紙，建立了該內(nèi)科醫(yī)技樓的計算模型，如圖1所示。

3.3 計算初始條件

（1）建筑室內(nèi)外溫度設(shè)為25℃。（2）建筑內(nèi)通向室外或相鄰防火分區(qū)門窗為開啟的狀態(tài)。（3）火災(zāi)初期規(guī)模按照t2快速火增長。（4）火災(zāi)模擬時間為1800s。

圖1 FDS計算模型

3.4 方案一、方案二、方案三模擬分析模擬結(jié)果的部分截圖如圖4～圖5所示

（1）方案一和方案三在225s時煙氣沉降的位置達到三層，排煙效果基本相同；方案二煙氣沉降到二層中間位置，煙氣層厚度較方案一、方案三大，這是由于火災(zāi)初期，煙氣產(chǎn)生量少，熱浮力小，煙氣不能有效經(jīng)排煙天窗排到室外。煙羽流上升至頂蓋后，開始沿頂蓋向兩側(cè)水平蔓延，并開始沉降，煙氣層厚度逐漸加大，在1800s時，方案一的煙氣層已經(jīng)降至一層距地2m以下，不利于人員的安全疏散；方案二和方案三，煙氣蔓延至中庭頂，通過自然排煙窗排至天井，再排至室外，火災(zāi)排煙效果基本相同，煙氣層保持在二樓中間位置，較方案一優(yōu)，這是因為火災(zāi)中后期，產(chǎn)煙量大，熱浮力大，煙氣能有效經(jīng)排煙窗排到室外。

圖5 一層大廳距地面2m處900s時煙氣溫度分布圖對比分析

圖6 一層大廳距地面2m處1800s時 煙氣溫度分布圖對比分析

4 結(jié)語

火災(zāi)初期，熱釋放速率較小，產(chǎn)煙量小，熱浮力小，煙氣不能有效地經(jīng)中庭頂蓋天窗排出，須借助機械排煙；中后期熱釋放速率較大，產(chǎn)煙量大，采用自然排煙效果較好；基于火源熱釋放速率的變化規(guī)律對排煙系統(tǒng)進行優(yōu)化的設(shè)計效果與理論分析的結(jié)果相吻合；通過方案一和方案三對比分析，方案三的排煙效果最好，考慮到火災(zāi)初期自然排煙效果不好，中庭類高層建筑的排煙方案可以優(yōu)化為火災(zāi)初期只采用機械排煙，火災(zāi)中后期關(guān)閉機械排煙同時打開自然排煙窗。

摘 要：現(xiàn)代社會的進步，建筑行業(yè)也帶來的新的發(fā)展需求，如今高層建筑最注重的就是安全問題。要做好當下的防排煙設(shè)計驗證工作，確保下序工作結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)，做好相關(guān)評估驗證工作，數(shù)值模擬計算、模型試驗和現(xiàn)場的熱煙測試是常采用的評估和驗證方法。

關(guān)鍵詞：中庭高層建筑；排煙設(shè)計

火災(zāi)發(fā)生后，從可燃物起火初期至火災(zāi)發(fā)展全盛期，在可燃物上方形成穩(wěn)定火焰區(qū)、間斷火焰區(qū)和煙氣羽流區(qū)，上部的熱煙氣層與下部的冷空氣層通過煙羽流進行傳熱傳質(zhì)。在一定的建筑結(jié)構(gòu)和火災(zāi)規(guī)模條件下，煙氣的生成量主要取決于羽流的質(zhì)量流量。

1 工程概況

所選建筑高度為56.15m，屬一類高層建筑，耐火等級為一級。地下兩層，面積為9068m2，地上14層，面積為48665m2；地下一、二層為車庫及設(shè)備用房，地上部分為功能檢查科室、手術(shù)室、病房等。1層～3層布置一個中庭，中庭面積為152m2，高度為16m，中庭頂蓋采用鋼結(jié)構(gòu)，四周均勻開有百葉排煙窗；3層-4層布置一個設(shè)備夾層；4層～14層布置有一個高度為41.7m的天井，天井四周分布醫(yī)療室、住院病房等房間；建筑內(nèi)設(shè)有完善的自動噴水滅火系統(tǒng)。

2 火災(zāi)場景設(shè)置

2.1 火災(zāi)增長速率分析

大量的試驗研究及真實的火災(zāi)案例表明，許多物品從起火到旺盛階段，熱釋放速率大體按時間的指數(shù)規(guī)律增長。例如木材等纖維素材料，塑料等合成材料，這種火災(zāi)類型可表述為火災(zāi)按t2增長。根據(jù)NFPA手冊，火災(zāi)可分為極快、快速、中等和緩慢4種類型。

本建筑使用功能相對固定，可燃物的種類和分布相對穩(wěn)定。一層大廳、病房等位置可能引起火災(zāi)的可燃物為柜臺、座椅、棉被、衣物等。

2.2 火災(zāi)規(guī)模設(shè)定

根據(jù)最不利原則，假設(shè)自動噴水滅火系統(tǒng)失效，參照某市工程建筑規(guī)范5建筑防排煙技術(shù)規(guī)程6（DGJ 08-88）2006）中無噴淋的中庭火災(zāi)的最大熱釋放速率為4mW，設(shè)定典禮大廳中火源功率為4mW。

2.3 火源位置

經(jīng)過對內(nèi)科醫(yī)技樓可燃物的分布和火災(zāi)荷載密度等情況的分析，依據(jù)最不利和最具代表性原則，在一層大廳扶梯處設(shè)置起火點。

2.4 火災(zāi)場景設(shè)計

所選擇的火災(zāi)場景是根據(jù)最不利的原則確定的，同時兼顧起火部位的代表性。綜合考慮建筑內(nèi)的消防設(shè)施、內(nèi)科醫(yī)技樓所處的地理位置以及建筑內(nèi)可燃物性質(zhì)與分布后設(shè)計。

3 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

3.1 模擬軟件及方案判斷指標

模擬采用比較流行的FDS軟件，F(xiàn)DS（Fire Dy-namics Simulator）是由NIST（National Institute of Stan-dards and Technology，美國商務(wù)部標準和技術(shù)研究院）開發(fā)的計算機場景模擬軟件。結(jié)合本建筑的結(jié)構(gòu)和功能特點，對排煙效果好壞的判斷，將采用以下性能標準：①一層大廳距地面高度2m以下煙氣層/空氣層溫度不超過60℃；②各層距地面高度2m以下煙氣層/空氣層能見度不小于10m；③中庭內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，煙氣能否順利排出。

3.2 FDS模型與計算條件

根據(jù)某市建筑設(shè)計研究院提供的圖紙，建立了該內(nèi)科醫(yī)技樓的計算模型，如圖1所示。

3.3 計算初始條件

（1）建筑室內(nèi)外溫度設(shè)為25℃。（2）建筑內(nèi)通向室外或相鄰防火分區(qū)門窗為開啟的狀態(tài)。（3）火災(zāi)初期規(guī)模按照t2快速火增長。（4）火災(zāi)模擬時間為1800s。

圖1 FDS計算模型

3.4 方案一、方案二、方案三模擬分析模擬結(jié)果的部分截圖如圖4～圖5所示

（1）方案一和方案三在225s時煙氣沉降的位置達到三層，排煙效果基本相同；方案二煙氣沉降到二層中間位置，煙氣層厚度較方案一、方案三大，這是由于火災(zāi)初期，煙氣產(chǎn)生量少，熱浮力小，煙氣不能有效經(jīng)排煙天窗排到室外。煙羽流上升至頂蓋后，開始沿頂蓋向兩側(cè)水平蔓延，并開始沉降，煙氣層厚度逐漸加大，在1800s時，方案一的煙氣層已經(jīng)降至一層距地2m以下，不利于人員的安全疏散；方案二和方案三，煙氣蔓延至中庭頂，通過自然排煙窗排至天井，再排至室外，火災(zāi)排煙效果基本相同，煙氣層保持在二樓中間位置，較方案一優(yōu)，這是因為火災(zāi)中后期，產(chǎn)煙量大，熱浮力大，煙氣能有效經(jīng)排煙窗排到室外。

圖5 一層大廳距地面2m處900s時煙氣溫度分布圖對比分析

圖6 一層大廳距地面2m處1800s時 煙氣溫度分布圖對比分析

4 結(jié)語

火災(zāi)初期，熱釋放速率較小，產(chǎn)煙量小，熱浮力小，煙氣不能有效地經(jīng)中庭頂蓋天窗排出，須借助機械排煙；中后期熱釋放速率較大，產(chǎn)煙量大，采用自然排煙效果較好；基于火源熱釋放速率的變化規(guī)律對排煙系統(tǒng)進行優(yōu)化的設(shè)計效果與理論分析的結(jié)果相吻合；通過方案一和方案三對比分析，方案三的排煙效果最好，考慮到火災(zāi)初期自然排煙效果不好，中庭類高層建筑的排煙方案可以優(yōu)化為火災(zāi)初期只采用機械排煙，火災(zāi)中后期關(guān)閉機械排煙同時打開自然排煙窗。

摘 要：現(xiàn)代社會的進步，建筑行業(yè)也帶來的新的發(fā)展需求，如今高層建筑最注重的就是安全問題。要做好當下的防排煙設(shè)計驗證工作，確保下序工作結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)，做好相關(guān)評估驗證工作，數(shù)值模擬計算、模型試驗和現(xiàn)場的熱煙測試是常采用的評估和驗證方法。

關(guān)鍵詞：中庭高層建筑；排煙設(shè)計

火災(zāi)發(fā)生后，從可燃物起火初期至火災(zāi)發(fā)展全盛期，在可燃物上方形成穩(wěn)定火焰區(qū)、間斷火焰區(qū)和煙氣羽流區(qū)，上部的熱煙氣層與下部的冷空氣層通過煙羽流進行傳熱傳質(zhì)。在一定的建筑結(jié)構(gòu)和火災(zāi)規(guī)模條件下，煙氣的生成量主要取決于羽流的質(zhì)量流量。

1 工程概況

所選建筑高度為56.15m，屬一類高層建筑，耐火等級為一級。地下兩層，面積為9068m2，地上14層，面積為48665m2；地下一、二層為車庫及設(shè)備用房，地上部分為功能檢查科室、手術(shù)室、病房等。1層～3層布置一個中庭，中庭面積為152m2，高度為16m，中庭頂蓋采用鋼結(jié)構(gòu)，四周均勻開有百葉排煙窗；3層-4層布置一個設(shè)備夾層；4層～14層布置有一個高度為41.7m的天井，天井四周分布醫(yī)療室、住院病房等房間；建筑內(nèi)設(shè)有完善的自動噴水滅火系統(tǒng)。

2 火災(zāi)場景設(shè)置

2.1 火災(zāi)增長速率分析

大量的試驗研究及真實的火災(zāi)案例表明，許多物品從起火到旺盛階段，熱釋放速率大體按時間的指數(shù)規(guī)律增長。例如木材等纖維素材料，塑料等合成材料，這種火災(zāi)類型可表述為火災(zāi)按t2增長。根據(jù)NFPA手冊，火災(zāi)可分為極快、快速、中等和緩慢4種類型。

本建筑使用功能相對固定，可燃物的種類和分布相對穩(wěn)定。一層大廳、病房等位置可能引起火災(zāi)的可燃物為柜臺、座椅、棉被、衣物等。

2.2 火災(zāi)規(guī)模設(shè)定

根據(jù)最不利原則，假設(shè)自動噴水滅火系統(tǒng)失效，參照某市工程建筑規(guī)范5建筑防排煙技術(shù)規(guī)程6（DGJ 08-88）2006）中無噴淋的中庭火災(zāi)的最大熱釋放速率為4mW，設(shè)定典禮大廳中火源功率為4mW。

2.3 火源位置

經(jīng)過對內(nèi)科醫(yī)技樓可燃物的分布和火災(zāi)荷載密度等情況的分析，依據(jù)最不利和最具代表性原則，在一層大廳扶梯處設(shè)置起火點。

2.4 火災(zāi)場景設(shè)計

所選擇的火災(zāi)場景是根據(jù)最不利的原則確定的，同時兼顧起火部位的代表性。綜合考慮建筑內(nèi)的消防設(shè)施、內(nèi)科醫(yī)技樓所處的地理位置以及建筑內(nèi)可燃物性質(zhì)與分布后設(shè)計。

3 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

3.1 模擬軟件及方案判斷指標

模擬采用比較流行的FDS軟件，F(xiàn)DS（Fire Dy-namics Simulator）是由NIST（National Institute of Stan-dards and Technology，美國商務(wù)部標準和技術(shù)研究院）開發(fā)的計算機場景模擬軟件。結(jié)合本建筑的結(jié)構(gòu)和功能特點，對排煙效果好壞的判斷，將采用以下性能標準：①一層大廳距地面高度2m以下煙氣層/空氣層溫度不超過60℃；②各層距地面高度2m以下煙氣層/空氣層能見度不小于10m；③中庭內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，煙氣能否順利排出。

3.2 FDS模型與計算條件

根據(jù)某市建筑設(shè)計研究院提供的圖紙，建立了該內(nèi)科醫(yī)技樓的計算模型，如圖1所示。

3.3 計算初始條件

（1）建筑室內(nèi)外溫度設(shè)為25℃。（2）建筑內(nèi)通向室外或相鄰防火分區(qū)門窗為開啟的狀態(tài)。（3）火災(zāi)初期規(guī)模按照t2快速火增長。（4）火災(zāi)模擬時間為1800s。

圖1 FDS計算模型

3.4 方案一、方案二、方案三模擬分析模擬結(jié)果的部分截圖如圖4～圖5所示

（1）方案一和方案三在225s時煙氣沉降的位置達到三層，排煙效果基本相同；方案二煙氣沉降到二層中間位置，煙氣層厚度較方案一、方案三大，這是由于火災(zāi)初期，煙氣產(chǎn)生量少，熱浮力小，煙氣不能有效經(jīng)排煙天窗排到室外。煙羽流上升至頂蓋后，開始沿頂蓋向兩側(cè)水平蔓延，并開始沉降，煙氣層厚度逐漸加大，在1800s時，方案一的煙氣層已經(jīng)降至一層距地2m以下，不利于人員的安全疏散；方案二和方案三，煙氣蔓延至中庭頂，通過自然排煙窗排至天井，再排至室外，火災(zāi)排煙效果基本相同，煙氣層保持在二樓中間位置，較方案一優(yōu)，這是因為火災(zāi)中后期，產(chǎn)煙量大，熱浮力大，煙氣能有效經(jīng)排煙窗排到室外。

圖5 一層大廳距地面2m處900s時煙氣溫度分布圖對比分析

圖6 一層大廳距地面2m處1800s時 煙氣溫度分布圖對比分析

4 結(jié)語

火災(zāi)初期，熱釋放速率較小，產(chǎn)煙量小，熱浮力小，煙氣不能有效地經(jīng)中庭頂蓋天窗排出，須借助機械排煙；中后期熱釋放速率較大，產(chǎn)煙量大，采用自然排煙效果較好；基于火源熱釋放速率的變化規(guī)律對排煙系統(tǒng)進行優(yōu)化的設(shè)計效果與理論分析的結(jié)果相吻合；通過方案一和方案三對比分析，方案三的排煙效果最好，考慮到火災(zāi)初期自然排煙效果不好，中庭類高層建筑的排煙方案可以優(yōu)化為火災(zāi)初期只采用機械排煙，火災(zāi)中后期關(guān)閉機械排煙同時打開自然排煙窗。