建筑防火性能化設(shè)計方法中煙氣控制安全評估方法的研究

高曉嶸

摘 要：火災(zāi)是無窮無盡變量的組合，火災(zāi)給人類帶來的危害有目共睹。在現(xiàn)實生活中，要想預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生，就必須對火災(zāi)的發(fā)生原理和發(fā)展過程有全面的了解。只有采取科學(xué)、合理的防火、滅火措施，才能減少或降低火災(zāi)造成危害性?，F(xiàn)就建筑防火性能化設(shè)計方法中煙氣控制安全評估方法進(jìn)行簡要探討。

關(guān)鍵詞：建筑防火；性能化設(shè)計；煙氣控制；安全評估

中圖分類號：X932 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）05-0048-02

在火災(zāi)發(fā)生的不同階段，煙氣的流動狀態(tài)是不同的：在火災(zāi)剛發(fā)生時，煙氣的密度比較小，火焰帶著煙氣向上升起；在遇到屋頂?shù)臅r候，順著屋頂?shù)姆较蜃兂伤竭\動，最終形成層流狀的運動方向。相關(guān)實驗證明，這種層流的狀態(tài)可以一直保持40～50 m，當(dāng)煙氣水平蔓延直到碰到垂直墻壁或其他隔擋物時，會反彈回來并在上空聚集，直到煙層的厚度超過隔擋物的時候，便會向下擴(kuò)散至其他區(qū)域，占據(jù)其他空間。

1 建筑火災(zāi)煙氣的組成

火災(zāi)煙氣的成分并非是完全一致的，它是由燃燒物自身的化學(xué)成分所決定的，并受當(dāng)時燃燒條件的影響，例如燃燒時間和當(dāng)時的空氣條件等。一般來說，火災(zāi)煙氣主要包括以下幾種：①物體燃燒產(chǎn)生的氣體，例如一氧化碳、二氧化碳、乙醛、氯氣等。②懸浮在空氣中的一些液態(tài)顆粒和固態(tài)顆粒。這些顆粒主要是燃燒產(chǎn)生的蒸汽和一些燃點較高的顆?；蛉紵螽a(chǎn)生的灰燼和炭黑粒子組成的。

根據(jù)實際觀察和物理學(xué)的規(guī)律可知，一般煙氣受到房間內(nèi)的壓力影響而產(chǎn)生不同的流動規(guī)律，例如，當(dāng)外界的大氣壓大于屋內(nèi)的氣壓時，煙火就會從窗口、門口等地方進(jìn)入屋內(nèi)。促使煙氣流動的動力則主要是由于室內(nèi)溫差造成的煙筒效應(yīng)、煙氣自身的浮力和膨脹力、當(dāng)時的風(fēng)力和通風(fēng)設(shè)施的影響及電梯的活塞效應(yīng)等。

2 建筑煙氣控制安全評估方法

煙在垂直方向的流動速度很快。根據(jù)有關(guān)試驗表明，煙氣的流動速度在上升方向比水平方向上快得多，一般可達(dá)到3～5 m/s。

2.1 煙囪效應(yīng)

煙囪效應(yīng)產(chǎn)生的原因主要是因為室內(nèi)外的溫差：

當(dāng)室內(nèi)溫度高于室外溫度時，室內(nèi)空氣的密度相對較低，從而使室內(nèi)的空氣具有一定的浮力。另外，受高層建筑自身建筑特點的影響，在眾多的豎井中，例如電梯井、樓梯井、管道井、垃圾井等，會產(chǎn)生非常明顯的煙囪效應(yīng)，氣體上升的效果非常明顯，尤其在發(fā)生火災(zāi)時，熱度導(dǎo)致氣體上升更加迅速，這時候由下向上的煙囪效應(yīng)被稱為正煙囪效應(yīng)。

當(dāng)室內(nèi)氣溫遠(yuǎn)低于室外氣溫時，例如在夏季開空調(diào)的情況下，這時建筑物的氣體是由上向下運動的，被稱為逆煙囪效應(yīng)。煙囪效應(yīng)是建筑火災(zāi)中煙氣流動的主要因素。在中性面（建筑物內(nèi)外壓力相等的高度）以下樓層發(fā)生火災(zāi)時，在發(fā)生正煙囪效應(yīng)的情況下，火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣會隨著空氣進(jìn)入到豎井當(dāng)中，并隨之快速上升。當(dāng)升到一定位置時，會隨著空氣從豎井中溢出，到其他的樓層或建筑物的外部。另外，煙氣還能夠從樓層間的縫隙進(jìn)入發(fā)生火災(zāi)的樓層上部的其他樓層，上部樓層的煙氣要遠(yuǎn)多于其他的樓層。但如果樓層之間縫隙較小，那么，中性面以下的其他樓層除了火災(zāi)層之外不會有煙氣。

2.2 高溫?zé)煔獾母×团蛎浟?/p>

高溫?zé)煔馓幱诨鹪磪^(qū)附近，其密度比常溫氣體低得多，因而具有較大的浮力。研究表明，對于高度約為3.5 m的著火房間，其頂部壁面內(nèi)外的最大壓力為16 Pa。當(dāng)著火房間較高時，中性面以上的高度也較大，便會產(chǎn)生較大的壓差。如果著火房間只有一個小的墻壁開口與建筑物其他部分相連通時，高溫?zé)煔鈱拈_口的上半部流出，外界空氣將從開口下半部流進(jìn)。當(dāng)高溫?zé)煔獾臏囟冗_(dá)到600 ℃的時候，因熱脹冷縮，其自身的體積會膨脹到之前的3倍。在這種情況下，如果門窗等處于打開狀態(tài)，由于室內(nèi)外空氣流動較多，這種壓強(qiáng)不會很明顯；但如果火災(zāi)發(fā)生在一個較為封閉的空間，并假設(shè)有充足的氧氣和可燃物供其燃燒，那么高溫?zé)煔馀蛎浺鸬膲翰顒t較大。

2.3 風(fēng)力影響

風(fēng)力在建筑物的周圍產(chǎn)生壓力分布，對建筑物內(nèi)的煙氣流動影響很大。建筑物外部的壓力分布受到多種因素的影響，其中包括風(fēng)的速度和方向、建筑物的高度和幾何形狀等。風(fēng)力影響往往可以超過其他驅(qū)動煙氣運動的力。在通常情況下，朝著建筑物迎面吹來的直風(fēng)會在建筑物的迎風(fēng)側(cè)面產(chǎn)生較高的風(fēng)壓，這種風(fēng)壓會增強(qiáng)建筑物內(nèi)煙氣向下風(fēng)方向的流動速度，一般壓力差的大小與風(fēng)速的平方成正比。

一棟建筑與其他建筑的毗連狀況、建筑本身的幾何形狀對其表面的風(fēng)壓分布有重要影響。例如，在高層建筑的下部布置有裙房時，其周圍風(fēng)的流動形式是相當(dāng)復(fù)雜的。隨著風(fēng)的速度和方向的變化，裙房房頂表面的壓力分布也會發(fā)生顯著變化。在某種風(fēng)向時，裙房可以通過房頂?shù)耐熆趤砼艧?，而在另一種風(fēng)向時，由于室外空氣壓力要高于室內(nèi)，則煙氣不能依靠自然通風(fēng)排出去，所以在設(shè)計煙氣控制系統(tǒng)時，要考慮風(fēng)速的因素，參考風(fēng)速為當(dāng)?shù)仄骄L(fēng)速的2倍。

2.4 機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)造成的壓力

在設(shè)置了專門的通風(fēng)或空調(diào)系統(tǒng)的建筑物內(nèi)，即便是這些系統(tǒng)并未運轉(zhuǎn)，管道也會起到較強(qiáng)的通風(fēng)效果，尤其是在自然的動力之下，例如煙囪效應(yīng)，煙氣會自然地順著管道流動，使煙氣蔓延在整個建筑物內(nèi)。如果這種通風(fēng)系統(tǒng)開始運作時，這種效果會更強(qiáng)。

2.5 電梯的活塞效應(yīng)

電梯在電梯井中運動時，能夠使電梯井內(nèi)出現(xiàn)瞬時壓力變化，這被稱為電梯的活塞效應(yīng)。這種活塞效應(yīng)能夠在較短的時間內(nèi)影響電梯附近門廳和房間的煙氣流動方向和速度。控制煙氣在建筑物內(nèi)流動的方法主要有兩種：①擋煙。這主要是依靠燃點較高的材料來發(fā)揮作用，將煙氣限制在一定的區(qū)域之內(nèi)。②排煙。這是依靠通風(fēng)系統(tǒng)將煙氣從室內(nèi)排出。

3 煙氣控制的安全措施

排煙的目的就是避免人和物受到危害，而又能通過有效途徑安全排到建筑物以外，也就是說通過技術(shù)手段消除或降低煙氣造成的有害影響。排煙有自然排煙和機(jī)械排煙兩種形式。

3.1 防煙分隔

在建筑物中，墻壁、隔板、樓板和其他阻擋物都可作為防煙分隔的構(gòu)件，它們能使離火源較遠(yuǎn)的空間不受或少受煙氣的

影響。這些分隔構(gòu)件可以單獨使用，也可與加壓方式配合使用。

3.2 非火源區(qū)的煙氣稀釋

當(dāng)煙氣由一個空間泄漏到另一個空間時，采取煙氣稀釋可使后一空間的煙氣或粒子濃度控制在人可承受的范圍內(nèi)。如果煙氣泄漏量與所保護(hù)空間的體積或流進(jìn)、流出該空間的凈化空氣流率相比較小時，這種方法則很有效。對于進(jìn)人、離火源較遠(yuǎn)區(qū)域的煙氣可通過供應(yīng)外界空氣來稀釋。由于浮力的作用，頂棚附近的煙氣濃度較高，因此，在頂棚附近設(shè)置排煙口排煙，而在貼近地板處供給空氣能夠加快煙氣的稀釋。這時應(yīng)當(dāng)注意供氣口和排煙口的相對位置，防止剛供入的空氣很快進(jìn)入排煙口。

3.3 加壓控制

控制煙氣流動，可采用在防煙分隔物的兩側(cè)制造壓力差的措施（通過風(fēng)機(jī)實施）來解決。加壓控制煙氣有兩種情況，利用分隔物兩側(cè)的壓力差控制；利用平均流速足夠大的空氣流控制。

3.4 空氣流

巨大化的空氣流率可以阻止煙氣運動，但正常的空氣流又會給火災(zāi)提供助燃氧氣，因此，合理的空氣流需要較復(fù)雜的控制措施。

3.5 浮力

利用熱煙氣的浮力機(jī)理進(jìn)行排煙也是一種煙氣控制的技術(shù)手段，它經(jīng)常應(yīng)用于風(fēng)機(jī)驅(qū)動和自然通風(fēng)系統(tǒng)中。

4 結(jié)束語

總之，在建筑防火設(shè)計中，常見的自然排煙形式有排煙窗和排煙井兩種，它們主要適用于煙氣有足夠大的浮力、能克服其他阻礙煙氣流動驅(qū)動力的區(qū)域。在現(xiàn)代建筑中，應(yīng)用最廣泛的方法是采用風(fēng)機(jī)進(jìn)行機(jī)械排煙。這種方法雖然需要增加很多設(shè)備，但可以克服自然排煙的局限性，能夠有效地排出煙氣。

〔編輯：白潔〕

Research Building Fire Performance in Smoke Control Design Methods of Safety Assessment Methods

Gao Xiaorong

Abstract： The fires are endless combinations of variables， fire obvious harm to human beings. In real life， in order to prevent fires， they must be the principle of fire occurrence and development of a comprehensive understanding. Only by taking a scientific and rational fire extinguishing measures to reduce the harm caused by fire or lower. Now briefly discuss performance on building fire smoke control design methods in safety assessment methods.

Key words： building fire； performance design； smoke control； safety assessment