高層住宅樓小天井與外廊結(jié)構(gòu)的消防安全問題研究

李德成，周天念，陳欽佩，周德闖*

(1.安徽理工大學(xué)，淮南，232001； 2.中國(guó)科技大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026)

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高層住宅樓小天井與外廊結(jié)構(gòu)的消防安全問題研究

李德成1，周天念2，陳欽佩2，周德闖2*

(1.安徽理工大學(xué)，淮南，232001； 2.中國(guó)科技大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026)

摘要：高層住宅樓已經(jīng)成為城市建筑中最主要的建筑形式，高層住宅樓的小天井由于具有采光、通風(fēng)功能又可以節(jié)省占地面積而受到開發(fā)商和用戶的青睞。高層住宅樓采用小天井和外廊結(jié)構(gòu)可能帶來的消防安全問題，給城市的消防安全管理增加了不確定因素。采用數(shù)值模擬的方法構(gòu)建了采用小天井與外廊結(jié)構(gòu)的高層住宅樓火災(zāi)場(chǎng)景，并開展現(xiàn)場(chǎng)熱煙試驗(yàn)，研究了小天井與外廊結(jié)構(gòu)的火災(zāi)危險(xiǎn)性，對(duì)采用防火玻璃分隔方法的可行性進(jìn)行了論證。研究結(jié)果顯示，采取使用防火玻璃將小天井和外廊進(jìn)行分隔的消防措施，不利于外廊煙氣的排放和人員疏散。

關(guān)鍵詞：高層住宅；小天井；外廊；火災(zāi)；排煙

0引言

隨著我國(guó)建筑業(yè)的飛速發(fā)展，城市土地資源日趨緊張，高層住宅樓已經(jīng)成為城市住宅最主要的建筑形式。小天井作為既具有采光、通風(fēng)功能又可以節(jié)省占地面積的建筑形式，得到了不少開發(fā)商和用戶的青睞。高層建筑中的小天井結(jié)構(gòu)主要有兩種形式：一種是在高層建筑內(nèi)含一個(gè)內(nèi)天井或雙內(nèi)天井[1,2]，另一種則表現(xiàn)為凹口的形式，即內(nèi)天井一側(cè)不封閉，與室外連通從而呈現(xiàn)出“凹”字形的結(jié)構(gòu)，且凹口一側(cè)通常還設(shè)計(jì)有外廊[3]。

建筑中采用小天井的目的主要是起自然通風(fēng)和采光的作用，但這種小天井在火災(zāi)情況下的利弊卻存在爭(zhēng)議,即雖然小天井具有排煙、排熱作用，但起火室上方和天井對(duì)面的窗口卻存在被引燃的危險(xiǎn)，因此，小天井的設(shè)計(jì)尺寸往往成為建筑設(shè)計(jì)單位與消防建審部門之間爭(zhēng)論的焦點(diǎn)[1]。而且對(duì)于凹口外側(cè)有走廊連通的建筑，在利用凹口進(jìn)行自然排煙的過程中，煙氣會(huì)對(duì)外廊產(chǎn)生不同程度的影響[3]，這又給高層建筑的消防安全管理增加了不確定因素。因此，本文將通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)熱煙試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)小天井搭配外廊的結(jié)構(gòu)可能存在的消防安全問題進(jìn)行分析和探討，為高層住宅樓中小天井和外廊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和消防管理提供科學(xué)依據(jù)。

1項(xiàng)目概況

某高99 m的33層高層住宅樓由于其設(shè)計(jì)的獨(dú)特性，使用了小天井的建筑結(jié)構(gòu)，并在小天井與室外連通的一側(cè)設(shè)置了外廊,該外廊與兩側(cè)樓梯間前室有門連通，且兩側(cè)前室均設(shè)置有排煙窗可向外廊自然排煙。小天井深4.5 m、寬2.0 m，兩側(cè)住戶房間均朝向小天井開窗，小天井及外廊的平面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　小天井及外廊平面圖Fig.1　Plan of small patio and verandah

依據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50016-2014[4]第5.5.27和第6.4.3條規(guī)定，高層住宅應(yīng)采用防煙樓梯間，疏散走道和通向前室的戶門應(yīng)采用乙級(jí)防火門。該高層建筑雖然可以按照規(guī)范要求使用防火門，但其外廊和小天井的設(shè)計(jì)格局有其獨(dú)特性，兩個(gè)防煙樓梯間前室是通過有頂?shù)耐饫冗B接，樓梯間前室均設(shè)計(jì)有門、窗可開向外廊，人員可利用外廊通道往返于兩側(cè)樓梯間前室，排煙窗可向外廊自然排煙?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)，此種設(shè)計(jì)可能存在的危險(xiǎn)性如下：①若小天井一側(cè)住戶廚房發(fā)生火災(zāi)，熱輻射是否會(huì)引燃樓上住戶或小天井對(duì)面住戶，其排入小天井的煙氣是否會(huì)對(duì)高層住戶造成嚴(yán)重影響；②在一側(cè)前室有煙氣的情況下，煙氣將通過排煙窗(或打開的門)向外廊排放，此時(shí)，煙氣是否會(huì)通過外廊進(jìn)入另一側(cè)前室；③如果使用防火玻璃將小天井和外廊進(jìn)行分隔，會(huì)如何影響煙氣的蔓延，對(duì)煙氣的排放是利還是弊。針對(duì)以上問題,下面采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行火災(zāi)煙氣蔓延的定量分析，并配合現(xiàn)場(chǎng)熱煙試驗(yàn)進(jìn)行討論。

2火災(zāi)數(shù)值模擬

2.1　火災(zāi)模擬場(chǎng)景和危險(xiǎn)判據(jù)

采用FDS場(chǎng)模擬軟件進(jìn)行火災(zāi)模擬，該高層住宅建筑實(shí)體和建立的FDS三維模型如圖2所示。

圖2　高層住宅建筑實(shí)體(左)和FDS三維模型圖(右)Fig.2　High-rise residential building entities (left) and three-dimensional FDS model (right)

為了研究火災(zāi)煙氣在小天井和外廊中的運(yùn)動(dòng)情況，本文選定較低的二層為著火樓層，著火位置如圖3所示。位置1主要考察緊靠小天井的廚房起火，火災(zāi)煙氣將通過廚房窗口直接排入小天井，需要分析火災(zāi)是否會(huì)引燃天井對(duì)面或樓上住戶、小天井中煙氣的上升對(duì)高層住戶的影響程度。位置2主要考察側(cè)面住戶室內(nèi)起火時(shí)，煙氣通過進(jìn)戶門進(jìn)入樓梯前室，并向外廊和另一側(cè)前室蔓延的火災(zāi)危險(xiǎn)性。此外，為了探討小天井和外廊之間連通和分隔對(duì)火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)過程的影響，對(duì)于以上兩個(gè)位置的火災(zāi)場(chǎng)景需要分別模擬沒有防火玻璃分隔和有防火玻璃分隔的情況。因此，本文火災(zāi)模擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)為以下四個(gè)：

(1)203住戶廚房火災(zāi)，小天井與外廊間連通；

(2)203住戶廚房火災(zāi)，小天井與外廊間采用防火玻璃分隔；

(3)204住戶的客廳火災(zāi)，小天井與外廊間連通；

(4)204住戶的客廳火災(zāi)，小天井與外廊間采用防火玻璃分隔。

圖3　起火位置1(廚房)和位置2(客廳)Fig.3　Fire position 1 (kitchen) and position 2 (living room)

對(duì)構(gòu)建的火災(zāi)場(chǎng)景劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格元胞的長(zhǎng)度取為0.2 m，網(wǎng)格總數(shù)為950萬，模擬時(shí)間設(shè)置為1200 s。考慮煙氣在較不利條件下的蔓延情況，因此住戶的門、窗均設(shè)置為開啟狀態(tài)。在火源功率設(shè)置方面，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生于廚房時(shí)，主要的可燃物為烹調(diào)油鍋冒火及個(gè)別櫥柜等木制品,設(shè)定熱釋放速率峰值為3 MW的中速(t2)火為本場(chǎng)景的火災(zāi)規(guī)模[5]，由于燃燒模擬采用混合分?jǐn)?shù)模型，模擬將可根據(jù)通風(fēng)狀況自動(dòng)確定燃燒所能達(dá)到的熱釋放速率峰值。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在住宅客廳時(shí)，參照上海市地方標(biāo)準(zhǔn)DGJ08-88-2000《民用建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，熱釋放速率選取4 MW的中速(t2)火為該場(chǎng)景的火災(zāi)規(guī)模[6]。

本文采用的人員耐受極限的性能判據(jù)如表1所列，這些判據(jù)在其它公共建筑的消防安全分析中也

得到了采用[7]。其中關(guān)于安全疏散的能見度判據(jù)，由于本文研究的住宅建筑是住戶較熟悉的場(chǎng)所，且用于疏散的樓梯前室及外廊通道均屬于較小空間，參考火場(chǎng)中能見度對(duì)于較大空間應(yīng)不小于10 m，在較小空間能見度應(yīng)不小于5 m的指標(biāo)[8]，本文選取5 m為能見度臨界值。

表1　人員耐受極限標(biāo)準(zhǔn)Table 1　Standard of human tolerance

注：安全高度h=1.6 m+0.1H，H為建筑空間高度，單位為m。

引燃是火災(zāi)系統(tǒng)中一個(gè)很重要的現(xiàn)象，為分析火災(zāi)對(duì)小天井對(duì)面住戶及上層住戶可能產(chǎn)生的引燃，本文在開向天井的窗口位置高度方向上每間隔0.5 m分別設(shè)置有溫度和熱輻射記錄點(diǎn)，用于記錄溫度和輻射熱通量隨時(shí)間的變化。關(guān)于引燃的判據(jù)，NFPA[9]建議的易燃物被點(diǎn)燃的臨界輻射通量不得超過10 kW/m2，程等[10]實(shí)驗(yàn)測(cè)量的木材臨界輻射熱流約為11 kW/m2，以往文獻(xiàn)[11,12]提供的實(shí)驗(yàn)測(cè)量木材點(diǎn)燃的臨界溫度分布在200℃～540℃范圍內(nèi)。住宅使用的窗戶通常有木窗、斷橋鋁、木包鋁、塑鋼窗、鋁合金窗等，本文基于保守考慮，引燃判據(jù)取輻射熱通量達(dá)到10 kW/m2或溫度大于250℃。

2.2　火災(zāi)模擬結(jié)果與分析

2.2.1廚房火災(zāi)模擬

廚房火災(zāi)的模擬場(chǎng)景設(shè)定的火源位于2層203住戶，如圖3所示。廚房窗戶開向小天井，火災(zāi)場(chǎng)景1小天井與外廊之間連通(無防火玻璃分隔)，火災(zāi)場(chǎng)景2小天井與外廊之間不連通(采用防火玻璃分隔)，兩個(gè)場(chǎng)景的部分模擬結(jié)果對(duì)比如圖4～圖7所示。

圖4　火災(zāi)場(chǎng)景1(左)場(chǎng)景2(右)1200 s時(shí)溫度對(duì)比Fig.4　The temperatures of fire scenario 1 (left) and fire scenario 2 (right) at 1200 s

圖5　火災(zāi)場(chǎng)景1(左)場(chǎng)景2(右)1200 s時(shí)速度對(duì)比Fig.5　The velocity of fire scenario 1 (left) and fire scenario 2 (right) at 1200 s

圖6　火災(zāi)場(chǎng)景1(左)場(chǎng)景2(右)1200 s時(shí)二層安全高度上溫度對(duì)比Fig.6　The temperatures of 1.9 m height on second floor of fire scenario 1 (left) and fire scenario 2 (right) at 1200 s

圖7　火災(zāi)場(chǎng)景1(左)場(chǎng)景2(右)1200 s時(shí)二層安全高度上能見度對(duì)比Fig.7　The visibility of 1.9 m height on second floor of fire scenario 1 (left) and fire scenario 2 (right) at 1200 s

模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，場(chǎng)景1和場(chǎng)景2存在以下規(guī)律：203戶廚房著火，煙氣在向小天井排放過程中，部分熱煙氣會(huì)通過開向小天井的窗戶竄入樓上住戶，以進(jìn)入對(duì)面三層的302住戶為最典型；在模擬時(shí)間1200 s內(nèi)，除起火側(cè)附近區(qū)域外，二層的樓梯前室和外廊通道的煙氣溫度均小于60℃、CO濃度小于1400 ppm，起火的203戶室內(nèi)和二層左側(cè)樓梯前室能見度均小于5 m；設(shè)置在天井壁面的熱電偶和輻射測(cè)量點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，最高溫度和最大熱輻射分別出現(xiàn)在303戶和202戶的窗口位置，溫度和熱輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)如圖8、圖9所示，303窗戶處測(cè)量點(diǎn)最高溫度小于250℃，202窗戶處測(cè)量點(diǎn)最大熱輻射小于10 kW/m2，均達(dá)不到引燃的臨界值。

圖8　火災(zāi)場(chǎng)景1(左)場(chǎng)景2(右) 303戶窗口的溫度測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)Fig.8　Data of the temperatures measuring points at window 303 of fire scenario 1 (left) and fire scenario 2 (right)

場(chǎng)景1和場(chǎng)景2的模擬結(jié)果的差異主要體現(xiàn)在：由圖4、圖5可見，場(chǎng)景1中沒有防火玻璃分隔時(shí)，外界新鮮空氣可以通過外廊不斷卷吸進(jìn)小天井與熱煙氣混合，因此煙氣在上升過程中變得較稀薄、溫度也較低；場(chǎng)景2中由于防火玻璃的封閉作用，小天井中的煙氣溫度較高，上升速度也較快，小天井的煙囪效應(yīng)更明顯；由圖6、圖7可見，場(chǎng)景1中由于外廊上下兩側(cè)均有排煙的作用，通過203入戶門進(jìn)入左側(cè)前室及外廊的煙氣更容易排出，煙氣難以到達(dá)右側(cè)前室；而場(chǎng)景2采用防火玻璃將外廊和小天井分隔，煙氣通過203入戶門進(jìn)入左側(cè)前室后，在外廊不能排向小天井從而更容易向右側(cè)前室蔓延，進(jìn)而影響右側(cè)的人員疏散。在模擬時(shí)間1200 s內(nèi)，場(chǎng)景1的右側(cè)樓梯前室能見度始終大于5 m，而場(chǎng)景2的右側(cè)樓梯前室能見度大約在1130 s時(shí)局部開始小于5 m，以兩側(cè)的疏散通道(即前室)均影響人員疏散為危險(xiǎn)判據(jù)，場(chǎng)景1二層可用安全疏散時(shí)間>1200 s，場(chǎng)景2二層可用安全疏散時(shí)間約為1130 s。

2.2.2客廳火災(zāi)模擬

客廳火災(zāi)模擬場(chǎng)景設(shè)定的火源位于2層204住戶，如圖3所示?？梢钥疾煲粋?cè)住戶發(fā)生火災(zāi)后，煙氣通過入戶門進(jìn)入樓梯前室，通過外廊排煙時(shí)的煙氣運(yùn)動(dòng)情況。火災(zāi)場(chǎng)景3小天井與外廊之間連通(無防火玻璃分隔)，火災(zāi)場(chǎng)景4小天井與外廊之間不連通(采用防火玻璃封閉)，兩個(gè)場(chǎng)景的部分計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖10～圖14所示。

模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)場(chǎng)景3和場(chǎng)景4存在以下規(guī)律：204戶客廳著火后，煙氣通過204入戶門進(jìn)入左側(cè)樓梯前室和外廊(煙氣溫度達(dá)到180℃)，在通過外廊向室外排煙的同時(shí)，部分煙氣可蔓延至右側(cè)前室。在模擬時(shí)間1200 s內(nèi)，在安全高度上，起火的204戶及左側(cè)前室、外廊的煙氣溫度均高于60℃，僅右側(cè)前室的煙氣溫度低于60℃；能見度方面，二層左側(cè)樓梯前室能見度在200 s時(shí)小于5 m，隨著時(shí)間的推移，右側(cè)樓梯前室能見度逐漸開始小于5 m。

圖11　火災(zāi)場(chǎng)景3(左)場(chǎng)景4(右)1200 s時(shí)速度側(cè)視圖Fig.11　Lateral view of the velocity at 1200 s of fire scenario 3 (left) and fire scenario 4 (right)

圖12　火災(zāi)場(chǎng)景3(左)場(chǎng)景4(右)1200 s時(shí)二層安全高度上溫度對(duì)比Fig.12　The temperatures of 1.9 m height on second floor at 1200 s of fire scenario 3 (left) and fire scenario 4(right)

圖13　火災(zāi)場(chǎng)景3(左)場(chǎng)景4(右)二層安全高度上能見度對(duì)比Fig.13　The visibility of 1.9 m height on second floor of fire scenario 3 (left) and fire scenario 4 (right)

圖14　火災(zāi)場(chǎng)景3(左)場(chǎng)景4(右)三層安全高度上能見度對(duì)比Fig.14　The visibility of 1.9 m height on third floor of fire scenario 3 (left) and fire scenario 4 (right)

場(chǎng)景3和場(chǎng)景4模擬結(jié)果的差異如下：場(chǎng)景3中沒有防火玻璃分隔時(shí)，煙氣通過外廊上下兩側(cè)同時(shí)排煙(下側(cè)排向天井)，對(duì)著火的二層來說更有利于煙氣的排放，從而相對(duì)采用防火玻璃分隔的場(chǎng)景4來說，場(chǎng)景3進(jìn)入右側(cè)前室的煙氣量較少，溫度也較低，能見度下降速度也較慢。在模擬時(shí)間1200 s內(nèi)，場(chǎng)景3中二層右側(cè)樓梯前室能見度大約在330 s時(shí)開始小于5 m，外廊排放的煙氣在上升過程中可卷吸至三層外廊，部分煙氣還通過開向內(nèi)天井的廚房窗口進(jìn)入住戶，但并未影響三層左右兩側(cè)樓梯前室的能見度。以兩側(cè)疏散通道(即前室)均影響人員疏散為判據(jù)，場(chǎng)景3二層可用安全疏散時(shí)間為330 s，三層可用安全疏散時(shí)間>1200 s；場(chǎng)景4中由于防火玻璃的分隔作用，二層右側(cè)樓梯前室能見度大約在235 s時(shí)開始小于5 m，外廊排出的煙氣在上升過程中卷吸至三層外廊，并逐漸影響三層的樓梯前室，660 s開始右側(cè)樓梯前室能見度小于5 m，約900 s時(shí)左側(cè)樓梯前室能見度開始小于5 m。以兩側(cè)疏散通道(即前室)均影響人員疏散為判據(jù)，場(chǎng)景4二層可用安全疏散時(shí)間為235 s，三層可用安全疏散時(shí)間為900 s。

2.3　火災(zāi)模擬小結(jié)

針對(duì)以上4個(gè)火災(zāi)場(chǎng)景模擬結(jié)果的分析，可得到每個(gè)場(chǎng)景的可用安全疏散時(shí)間如表2所示。

緊靠小天井的廚房起火時(shí)，熱輻射不足以引燃天井對(duì)面或樓上住戶。沒有防火玻璃隔斷的情況下，由于外界新鮮空氣可以通過外廊不斷卷吸進(jìn)天井與熱煙氣混合，使得煙氣更稀薄溫度更低，但煙氣在天井上升過程中進(jìn)入兩側(cè)高層住戶的現(xiàn)象也更明顯；同時(shí)，由于沒有防火玻璃隔斷，外廊可同時(shí)向室外和小天井排煙，著火房間煙氣通過入戶門進(jìn)入前室及外廊后也更容易排出，因此煙氣更難到達(dá)未著火側(cè)前室，延長(zhǎng)了可用安全疏散時(shí)間，可見不采用防火玻璃分隔對(duì)人員疏散是有利的。

側(cè)邊住戶客廳起火時(shí)，在沒有防火玻璃隔斷的情況下，煙氣通過外廊上下兩側(cè)同時(shí)排煙(下側(cè)排向小天井)，對(duì)著火層來說更有利于排煙。與設(shè)置了防火玻璃分隔的工況相比，未設(shè)置防火玻璃時(shí)著火側(cè)煙氣通過外廊進(jìn)入未著火側(cè)前室的煙氣量更少，溫度也較低，因此可用安全疏散時(shí)間也更長(zhǎng)，也是更有利于人員疏散。

表2　火災(zāi)場(chǎng)景ASET計(jì)算結(jié)果表Table 2　ASET results of fire scenario

3現(xiàn)場(chǎng)熱煙試驗(yàn)

3.1　熱煙試驗(yàn)方案

為了對(duì)火災(zāi)模擬的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，本文進(jìn)一步開展了現(xiàn)場(chǎng)熱煙試驗(yàn)。該高層住宅的小天井和外廊之間處于連通狀態(tài)(未采用防火玻璃分隔)，內(nèi)天井和外廊的實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖15所示。

圖15　小天井(左)和外廊(右)結(jié)構(gòu)圖Fig.15　Picture of the mall patio (left) and verandah (right)

為了避免現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)試驗(yàn)對(duì)建筑產(chǎn)生破壞，試驗(yàn)采用工業(yè)酒精加煙餅的方式來模擬火災(zāi)煙氣的蔓延規(guī)律，盛放工業(yè)酒精的燃燒盤為0.5 m×1.0 m的方形油盤。為了驗(yàn)證起火點(diǎn)在廚房和側(cè)面住戶客廳的煙氣流動(dòng)規(guī)律，現(xiàn)場(chǎng)開展的2組熱煙實(shí)驗(yàn)如下：

(1)廚房熱煙試驗(yàn)：油盤放置在二層203住戶的廚房?jī)?nèi)，廚房窗和入戶門打開，測(cè)試廚房著火后煙氣的蔓延情況；

(2)客廳熱煙試驗(yàn)：為了達(dá)到使用少量酒精就可使煙餅釋放的煙霧獲得接近真實(shí)火災(zāi)的浮力和卷吸效果，油盤靠近二層204戶的入戶門放置，樓梯前室排煙窗和外廊門均打開，在著火側(cè)排煙窗和未著火側(cè)的樓梯口人員安全高度處布置熱電偶用于測(cè)量煙氣溫度，并使用攝像機(jī)記錄外廊的蓄煙和排煙效果。

3.2　熱煙試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1廚房熱煙試驗(yàn)

廚房熱煙試驗(yàn)釋放的煙氣向小天井和前室的蔓延情況如圖16所示。油盤燃燒一段時(shí)間后，煙氣蔓延到203室內(nèi)的各個(gè)房間，此后熱煙氣便從廚房、衛(wèi)生間等開向天井的窗口一起排向天井，煙氣在內(nèi)天井中擴(kuò)散得較均勻，同時(shí)有大量煙氣從開啟的進(jìn)戶門蔓延到樓梯間前室內(nèi)，并滯留在前室內(nèi)難以排出。熱煙試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，在第10層及以上樓層向天井開窗的房間內(nèi)會(huì)進(jìn)入少量煙氣，煙氣溫度很低，觀察不到明顯的分層現(xiàn)象。

圖16　廚房窗口排出的煙氣(左)和前室內(nèi)的煙氣(右)狀況Fig.16　Status of smoke exhausted from the kitchen window (left) and front room (right)

3.2.2客廳熱煙試驗(yàn)

客廳熱煙試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大量煙氣可經(jīng)過外廊蔓延至未著火側(cè)前室，并繼續(xù)蔓延至未著火側(cè)住戶室里，試驗(yàn)人員在外廊未著火側(cè)的201戶拍攝的前室和外廊煙氣層以及進(jìn)入201戶的煙氣狀態(tài)如圖17所示。熱電偶測(cè)量著火側(cè)前室的排煙窗位置熱煙氣溫度可達(dá)130℃，煙氣蔓延至未著火側(cè)前室的樓梯口2 m高度處的溫度接近60℃，如圖18、圖19所示。

圖17　外廊煙氣(左)和未著火側(cè)201室內(nèi)的煙氣(右)狀況Fig.17　Status of smoke in verandah (left) and the 201-room at non-fire side (right)

圖18 著火側(cè)前室排煙窗處測(cè)量溫度值Fig.18 Measuredtemperaturesatthewindowoffrontroomofthefireside圖19 未著火側(cè)前室樓梯口處測(cè)量溫度值Fig.19 Measuredtemperaturesatthestairexitofthenon-fireside

試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，煙氣除了蔓延至未著火側(cè)前室并進(jìn)入對(duì)面住戶外，外廊的煙氣大量排向天井，如下圖20所示。由于大量的煙氣通過外廊排向小天井，有窗口開向小天井的高層住戶室內(nèi)會(huì)不同程度進(jìn)入煙氣，試驗(yàn)人員可以聞到刺鼻的煙氣，但由于煙氣的溫度較低而無法呈現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。

圖20　煙氣經(jīng)外廊排入內(nèi)天井的現(xiàn)象Fig.20　Phenomenon of smoke moving from verandah to small patio

3.3　熱煙試驗(yàn)小結(jié)

開展實(shí)地?zé)釤熢囼?yàn)觀察到的煙氣運(yùn)動(dòng)情況與計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果吻合，很好的驗(yàn)證了火災(zāi)數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。通過開展的熱煙試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了以下結(jié)論：

(1)起火位置位于廚房時(shí)，煙氣在著火住戶室內(nèi)迅速蔓延，并從廚房和其它開向天井的窗口一起排向天井；煙氣在小天井中的擴(kuò)散比較均勻，部分進(jìn)入高樓層的房間，但由于煙氣溫度很低而觀察不到分層現(xiàn)象；著火住戶的進(jìn)戶門在開啟的狀態(tài)下，煙氣會(huì)經(jīng)進(jìn)戶門蔓延至前室，并在前室內(nèi)滯留較長(zhǎng)的時(shí)間。

(2)起火位置位于側(cè)面住戶門口時(shí)，煙氣很容易通過外廊蔓延至未著火側(cè)前室，并大量進(jìn)入未著火側(cè)住戶家里。外廊有一定蓄煙作用，但蓄煙能力十分有限。外廊的煙氣可排向小天井，高層住戶(有窗口通向內(nèi)天井)室內(nèi)會(huì)不同程度進(jìn)入煙氣，但由于煙氣溫度很低而無明顯分層現(xiàn)象。

4結(jié)論及建議

本文針對(duì)高層住宅樓小天井與外廊結(jié)構(gòu)可能帶來的消防安全問題，采用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)不同火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行了模擬，并開展現(xiàn)場(chǎng)熱煙試驗(yàn)對(duì)計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。模擬結(jié)果顯示，當(dāng)緊靠小天井的廚房起火時(shí)，火災(zāi)難以引燃小天井對(duì)面或樓上住戶；小天井和外廊之間保持連通而不采用防火玻璃分隔時(shí)，外廊可同時(shí)向室外和小天井內(nèi)排煙，因此煙氣更難蔓延到未著火側(cè)前室，從而延長(zhǎng)了可用安全疏散時(shí)間。側(cè)邊住戶客廳起火時(shí)，煙氣會(huì)通過外廊蔓延至未著火側(cè)前室，排出的煙氣也會(huì)對(duì)上層的外廊有一定的影響；與設(shè)置防火玻璃分隔的工況相比，未設(shè)置防火玻璃分隔情況下著火側(cè)煙氣通過外廊進(jìn)入未著火側(cè)前室的煙氣量更少，溫度也較低，因此可用安全疏散時(shí)間也更長(zhǎng)。熱煙試驗(yàn)結(jié)果顯示，小天井的排煙作用明顯，外廊雖有一定蓄煙作用，但蓄煙能力十分有限，有效驗(yàn)證了煙氣通過外廊蔓延至另一側(cè)前室的現(xiàn)象，與計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果一致。

綜上，基于計(jì)算機(jī)模擬數(shù)據(jù)和熱煙試驗(yàn)結(jié)果，本文針對(duì)高層住宅樓中的小天井和外廊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和消防管理提出以下幾點(diǎn)建議：

1.對(duì)于外廊與兩側(cè)樓梯間前室連通，人員可利用外廊通道往返于兩側(cè)樓梯間前室的設(shè)計(jì)，外廊與兩側(cè)前室連通的門應(yīng)按照規(guī)范要求使用乙級(jí)防火門，且日常管理要確保該外廊通道常閉，外廊通道兩側(cè)的門不可同時(shí)打開。

2.左右兩側(cè)前室均設(shè)計(jì)有排煙窗開向外廊，該設(shè)計(jì)可將著火側(cè)前室內(nèi)煙氣排入外廊，但同時(shí)會(huì)造成煙氣經(jīng)外廊和排煙窗蔓延至未著火側(cè)前室，因此建議前室的排煙窗設(shè)計(jì)應(yīng)直接朝向室外，不宜將煙氣排入具有一定蓄煙能力的外廊。

3.對(duì)于含有小天井與外廊結(jié)構(gòu)的高層住宅樓，小天井與外廊之間處于連通狀態(tài)時(shí)對(duì)煙氣排放和人員疏散更有利，因此建議不需采用防火玻璃對(duì)小天井和外廊進(jìn)行分隔處理。

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Investigation on fire safety of high-rise residential building

with small patio and verandah

LI Decheng1, ZHOU Tiannian2, CHEN Qinpei2, ZHOU Dechuang2

(1.Anhui University Of Science and Technology, Huainan 232001, China;

2.State Key Lab of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

Abstract:High-rise building has become the main architectural form in cities. High-rise residential buildings with small patio and verandah are favored by the developers and users for its functions regarding lighting, ventilation and saving area. However, structure of small patio and verandah has caused fire safety problem, leading to uncertainty in safety management. In this work, the numerical simulation method is used to build fire scenes of the high-rise residential buildings with small patio and verandah, and the hot smoke experiment was conducted. The fire danger of small patio and verandah is studied and the feasibility of separating the small patio and verandah with fire-resistant glass is investigated. Results show that separating the small patio and verandah with fire-resistant glass cannot meet the fire safety requirements of smoke exhaust and evacuation.

Keyword: High-rise residential building; Small patio; Verandah; Fire; Smoke exhaust

DOI:10.3969/j.issn.1004-5309.2015.04.05

文章編號(hào)：1004-5309(2015)-00221-08

通訊作者：王鵬，E-mail: wangpengcapf@139.com

作者簡(jiǎn)介：王鵬(1980-)，男，中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院科研部滅火救援技術(shù)公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室講師，主要從事滅火劑的研究。

收稿日期：2015-03-01；修改日期：2015-05-06

中圖分類號(hào)：TU972+.4; X932

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A