室內(nèi)步行街排煙系統(tǒng)設(shè)計的探討

張 宇

(北京朝陽區(qū)消防支隊，北京 100032)

室內(nèi)步行街排煙系統(tǒng)設(shè)計的探討

張 宇

(北京朝陽區(qū)消防支隊，北京 100032)

以某商業(yè)裙房工程項目為例，結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)造型特點，對其室內(nèi)步行街的排煙設(shè)計進(jìn)行了分析。結(jié)合性能化設(shè)計的理論與方法，提出了控?zé)煼謪^(qū)的概念和步行街排煙系統(tǒng)分區(qū)控制的方案，并采用火災(zāi)動力學(xué)分析軟件FDS模擬分析了不同火災(zāi)場景下的步行街火災(zāi)煙氣蔓延情況，驗證了各火災(zāi)場景下，現(xiàn)有的排煙設(shè)計方案能夠滿足步行街區(qū)域各樓層人員安全疏散的環(huán)境要求。

室內(nèi)步行街；防煙分區(qū)；控?zé)煼謪^(qū)

1 工程背景

某商業(yè)裙房建筑地下二層、地上四層，其中，地下二層為車庫、設(shè)備機房、庫房；地下一層為超市、消防控制室、貨運通道；地上一層至四層為商業(yè)，商業(yè)中部設(shè)置商業(yè)步行街。步行街地面位于首層，二層至四層設(shè)有回廊及連橋。南北向步行街地面凈寬度不小于13 m，二至四層回廊人行道寬度不小于3 m，步行街空間高度約22 m。其主要消防設(shè)計如下：

1.1 防火分區(qū)劃分

該工程商業(yè)營業(yè)廳部分防火分區(qū)面積不大于4 000 m2；餐飲、影院部分防火分區(qū)面積不大于2 000 m2；地下車庫防火分區(qū)面積不大于4 000 m2；設(shè)備用房部分防火分區(qū)面積不大于1 000 m2。

1.2 人員疏散設(shè)計

樓梯、走道凈寬度每100人不小于1 m，各層樓梯疏散寬度滿足規(guī)范要求；商業(yè)營業(yè)廳室內(nèi)疏散距離按大空間30 m設(shè)置，其他部分內(nèi)任何一點至最近的安全出口的直線距離雙向不超過40 m,單向不超過20 m。

1.3 報警系統(tǒng)設(shè)計

該工程為一類防火建筑，火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的保護等級按一級設(shè)置。消防控制室設(shè)在地下一層，設(shè)有直接通往室外的出口。除衛(wèi)生間、水箱間等場所，均設(shè)火災(zāi)自動報警系統(tǒng)。

1.4 防排煙系統(tǒng)設(shè)計

按《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》的規(guī)定設(shè)計防排煙系統(tǒng)。不滿足自然防排煙條件的防煙樓梯間均設(shè)置機械加壓送風(fēng)系統(tǒng)，地上樓梯間與地下樓梯間分別設(shè)置加壓送風(fēng)系統(tǒng)。中庭設(shè)有機械排煙系統(tǒng)，排煙風(fēng)機設(shè)置于屋頂，發(fā)生火災(zāi)時，經(jīng)消防控制中心確認(rèn)后，排煙口及排煙風(fēng)機即自動開啟，進(jìn)行排煙。排煙系統(tǒng)按防煙分區(qū)設(shè)置排煙口，每個排煙分區(qū)內(nèi)的排煙口平時常閉，當(dāng)發(fā)生火警時，經(jīng)消防控制中心確認(rèn)后，自動或手動開啟報警區(qū)內(nèi)的排煙閥及該系統(tǒng)的排煙風(fēng)機和補風(fēng)機，進(jìn)行排煙和補風(fēng)。

1.5 自動滅火系統(tǒng)設(shè)計

除小于5 m2的衛(wèi)生間、設(shè)備間及其他不宜用水滅火的部位外均設(shè)置自動滅火設(shè)施。商業(yè)、地下超市按中危險II級布置自動噴水滅火系統(tǒng),地下車庫按中危險II級布置預(yù)作用噴水滅火系統(tǒng)。室內(nèi)凈高大于8 m、小于12 m的場所按非倉庫類高大凈空場所設(shè)計，室內(nèi)凈高大于12 m的大空間(商業(yè)中庭部分)設(shè)置大空間智能型主動噴水滅火系統(tǒng)。

2 消防設(shè)計問題

該工程步行街貫通一層至四層，其防火分區(qū)面積超過現(xiàn)行規(guī)范的相關(guān)規(guī)定。另外，由于工程占地面積大，部分位于建筑中部的疏散樓梯，需經(jīng)首層步行街疏散至室外。為了保證人員疏散的安全，需要對人員疏散的安全性進(jìn)行評估，針對排煙系統(tǒng)設(shè)計的評估是其中的一個重要方面。

《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB 50016-2006)規(guī)定需設(shè)置機械排煙設(shè)施且室內(nèi)凈高小于等于6.0 m的場所應(yīng)劃分防煙分區(qū)；每個防煙分區(qū)的建筑面積不宜超過500 m2，防煙分區(qū)不應(yīng)跨越防火分區(qū)，防煙分區(qū)宜采用隔墻、頂棚下凸出不小于500 mm的結(jié)構(gòu)梁以及頂棚或吊頂下凸出不小于500 mm的不燃燒體等進(jìn)行分隔。針對機械排煙系統(tǒng)的排煙量計算，《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB 50016-2006)第9.4.5條規(guī)定了機械排煙系統(tǒng)的最小排煙量。

由于該工程室內(nèi)步行街?jǐn)M作為疏散準(zhǔn)安全區(qū)考慮，如何合理設(shè)置防煙分區(qū)，如何確定合理的排煙量，需要深入分析，不宜完全依照現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行排煙設(shè)計。因此針對該工程室內(nèi)步行街，采用基于性能的方法分析該大空間區(qū)域的排煙系統(tǒng)，并根據(jù)分析結(jié)果提出相應(yīng)的設(shè)計要求。

3 排煙設(shè)計策略

考慮到安全疏散的需要，室內(nèi)步行街需要具備疏散臨時安全區(qū)的功能，應(yīng)充分利用室內(nèi)步行街空間高大的特點，為人員疏散創(chuàng)造有利的條件。由于室內(nèi)步行街僅作為人員交通通道使用，可燃物很少，如果步行街與周圍店鋪間的防火分隔措施能夠控制火災(zāi)蔓延，則室內(nèi)步行街內(nèi)不會發(fā)生燃燒的大面積蔓延，但是必須有效地控制火災(zāi)煙氣的蔓延。

參照上海市工程建設(shè)規(guī)范《建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》及國內(nèi)外相關(guān)消防性能化設(shè)計指南，防煙分區(qū)的長邊不應(yīng)大于60 m，當(dāng)室內(nèi)高度超過6 m且具有對流條件時不應(yīng)大于75 m，所以建議防煙分區(qū)最大長度不超過75 m。當(dāng)防煙分區(qū)面積超過2 000 m2或長邊大于60 m時，應(yīng)采用擋煙垂壁、隔墻或梁劃分防煙分區(qū)，且應(yīng)滿足疏散所需的清晰高度。

針對該工程的排煙設(shè)計，提出了控?zé)煼謪^(qū)的概念?？?zé)煼謪^(qū)是指在建筑內(nèi)部屋頂或頂板、吊頂下采用具有擋煙功能的構(gòu)配件進(jìn)行分隔所形成的控制煙氣水平蔓延的區(qū)域。防煙分區(qū)一定是控?zé)煼謪^(qū)，但控?zé)煼謪^(qū)不一定是防煙分區(qū)?？?zé)煼謪^(qū)的最大建筑面積不宜大于2 000 m2，最大長度不宜大于60 m，且不要求一定具有蓄煙能力。

4 排煙設(shè)計方案

該工程室內(nèi)步行街長度約113 m，寬15 m，高約22 m，由于考慮作為疏散準(zhǔn)安全區(qū)，不宜完全依照現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行排煙設(shè)計，擬采用基于性能的方法分析該大空間區(qū)域的排煙系統(tǒng)，并根據(jù)分析結(jié)果提出相應(yīng)的設(shè)計要求。

4.1 控?zé)煼謪^(qū)的劃分

步行街建筑內(nèi)沒有條件設(shè)置物理分隔措施劃分防煙分區(qū)，但是可在不同分區(qū)內(nèi)設(shè)置獨立的機械排煙系統(tǒng)，形成控?zé)煼謪^(qū)。每個控?zé)焻^(qū)域均有獨立的排煙設(shè)施和統(tǒng)一的報警聯(lián)動地址，從而減小火災(zāi)煙氣的蔓延范圍，有利于整個建筑的安全疏散。該工程室內(nèi)步行街的控?zé)煼謪^(qū)的劃分示意圖如圖1(以二層平面圖為例)所示。

圖1 步行街控?zé)煼謪^(qū)劃分示意圖

具體劃分方法如下：(1)室內(nèi)步行街區(qū)域總共劃分3個控?zé)煼謪^(qū)，控?zé)煼謪^(qū)之間設(shè)置擋煙垂壁，擋煙垂壁下降高度為1.0 m。(2)步行街內(nèi)的圓形中庭區(qū)域獨立劃分為一個控?zé)煼謪^(qū)，長41.9 m，為“控?zé)煼謪^(qū)2”。(3)步行街北側(cè)與南側(cè)2個邊形中庭區(qū)域，按照區(qū)域長度進(jìn)行劃分，若30 m≤長度≤60 m，則獨立進(jìn)行煙控設(shè)計；若長度≤30 m，則可與相鄰的中庭控?zé)煼謪^(qū)合并成一個區(qū)域進(jìn)行控?zé)熢O(shè)計。該工程北、南側(cè)邊形中庭長度分別為33.7 m、37.4 m，因此作為獨立的控?zé)煼謪^(qū)，將其命名為“控?zé)煼謪^(qū)1”和“控?zé)煼謪^(qū)3”。

4.2 控?zé)煵呗?/p>

該工程中庭大空間為集中排煙，但是為了有效控制火災(zāi)煙氣蔓延的范圍，不宜同時排煙，因此建議分區(qū)域排煙。若某控?zé)煼謪^(qū)內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，則只啟動該控?zé)煼謪^(qū)內(nèi)排煙口；若煙氣蔓延至其他控?zé)煼謪^(qū)，則相鄰控?zé)煼謪^(qū)內(nèi)感煙探測器探測到煙氣后，聯(lián)動啟動相應(yīng)控?zé)煼謪^(qū)內(nèi)的排煙口排煙。

4.3 排煙量計算

針對機械排煙系統(tǒng)的排煙量計算，目前主要有手動計算和相關(guān)規(guī)范規(guī)定兩種方法?！督ㄖO(shè)計防火規(guī)范》(GB 50016-2006)第9.4.5條規(guī)定了機械排煙系統(tǒng)的最小排煙量；手動計算時，排煙系統(tǒng)的排煙量與火災(zāi)的熱釋放速率和煙縷的質(zhì)量流量有關(guān)。以產(chǎn)煙量等于排煙量為標(biāo)準(zhǔn)，計算機械排煙系統(tǒng)的臨界排煙量。NFPA 204、NFPA 92B以及上海市《建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》等設(shè)計指南提出了適合工程應(yīng)用的排煙量計算公式，煙氣生成量的計算方法如下：

式中，mp為羽流的質(zhì)量流量，kg·s-1；Qc為火源熱釋放速率轉(zhuǎn)化成的對流熱量部分，kW；z為設(shè)計煙層高度，m；zl為限制火焰高度，取3.54m；Tp為高度z時的煙氣的絕對溫度，K；T0為環(huán)境絕對溫度，298K；Cp為空氣比熱，1.02kJ·kg-1·K-1；V為排煙量，m3·s-1；ρ0為空氣密度，1.2kg·m-3。

取設(shè)計煙層高度為18.7m(四層地面高度以上2.0m)，火源熱釋放速率為3MW，計算可得每個控?zé)煼謪^(qū)所需最小排煙量為391 420m3·h-1，即步行街沿水平方向每75m區(qū)域的排煙量為391 420m3·h-1。該工程步行街長約113m，因此整個步行街的最小排煙量應(yīng)為391 420×113/75=589 739m3·h-1。每個控?zé)煼謪^(qū)的排煙量可按照長度進(jìn)行均勻設(shè)置，即控?zé)煼謪^(qū)1排煙量為175 878m3·h-1(長33.7m)、控?zé)煼謪^(qū)2排煙量為218 673.3m3·h-1(長41.9m)、控?zé)煼謪^(qū)3排煙量為195 188.1m3·h-1(長37.4m)。

5 模擬分析結(jié)論

為了進(jìn)一步驗證基于控?zé)煼謪^(qū)排煙設(shè)計理念進(jìn)行中庭排煙系統(tǒng)設(shè)計的有效性，采用火災(zāi)動力學(xué)分析軟件FDS進(jìn)行數(shù)值模擬。排煙有效性判定指標(biāo)為：火災(zāi)煙氣層高度在模擬過程中始終穩(wěn)定在清晰高度之上；各層距離地面2m處煙氣溫度在模擬時間內(nèi)不超過60 ℃；各層距離地面2m處的能見度在模擬時間內(nèi)不小于10m。

5.1 火災(zāi)煙氣分析

該工程在首層中庭地面、首層商鋪及四層店鋪內(nèi)設(shè)置了火災(zāi)場景，具體見表1。

表1 步行街火災(zāi)場景設(shè)置

各場景計算結(jié)果表明：(1)首層邊部商鋪發(fā)生火災(zāi)，由于中庭區(qū)域各層樓板開洞率較小，商鋪與洞口有一定的距離，因此煙氣會先在本層內(nèi)蔓延，到達(dá)開洞區(qū)域后，才會豎向蔓延。因靠近首層出口，有自然補風(fēng)的影響，因此首層的煙氣相對較少，二層靠近邊部的區(qū)域煙氣較易聚集。(2)首層中庭發(fā)生火災(zāi)，首先煙氣豎向蔓延，到達(dá)頂棚后開始水平蔓延，由于煙氣在上升過程中不斷卷吸冷空氣，使得煙氣的溫度有所下降，上升浮力有所減小，因此煙氣容易在頂棚下方聚集，四層平面危險來臨時間為800s。(3)四層商鋪發(fā)生火災(zāi)，由于火災(zāi)位置靠近頂棚，產(chǎn)生的熱煙氣浮力較大，能很快被機械排煙系統(tǒng)排出，在1 200s內(nèi)并未出現(xiàn)煙氣大量聚集的現(xiàn)象。

5.2 人員疏散分析

該工程中疏散運動時間采用STEPS分析軟件進(jìn)行預(yù)測分析。疏散模型中人員屬性包括：人員類型、人員組成分布、人員行走速度、出口及通道流量。人員分類及組成比例設(shè)定為：男士(40%)、女士(40%)、兒童(10%)、長者(10%)。各人員種類的行走速度參考了美國SFPEHandbook及英國Simulex模型的建議，并結(jié)合我國人員形體尺寸和行走速度統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的折減。有效寬度是出口或樓梯間的凈寬度減去邊界層寬度，邊界層的寬度參考SFPE手冊中的建議數(shù)值。

根據(jù)所設(shè)置的火災(zāi)場景，考慮了四種火災(zāi)情況下的人員疏散情況，具體疏散模型及模擬結(jié)果如下：

5.2.1 疏散場景S1，火源位于首層步行街安全出口附近的商鋪內(nèi)，考慮封堵火源附近的安全出口，首層人員向遠(yuǎn)離火源的其他安全出口疏散；四層人員在20s左右疏散到步行街鄰近的各疏散樓梯入口，出現(xiàn)排隊等待現(xiàn)象，在320s左右四層步行街人員全部進(jìn)入樓梯間。步行街內(nèi)人員全部離開步行街的時間總計465s。

5.2.2 疏散場景S2，火源位于首層步行街中庭內(nèi)，各安全出口均可用，360s左右本層步行街內(nèi)人員完全疏散；四層人員在30s左右疏散到步行街鄰近的各疏散樓梯入口，出現(xiàn)排隊等待現(xiàn)象，305s左右四層步行街內(nèi)人員全部疏散至樓梯間內(nèi)。步行街內(nèi)人員全部離開步行街的時間總計455s。

5.2.3 疏散場景S3，火源位于四層步行街中庭附近的餐飲店鋪內(nèi)，考慮封堵火源附近的疏散樓梯，本層步行街內(nèi)人員在30s左右疏散到步行街鄰近的各疏散樓梯入口，出現(xiàn)排隊等待現(xiàn)象，290s左右四層步行街內(nèi)人員全部疏散至樓梯間內(nèi)。步行街內(nèi)人員全部離開步行街的時間總計450s。

5.2.4 疏散場景S4，火源位于四層步行街中庭附近的餐飲店鋪內(nèi)，考慮封堵火源附近的疏散走道，人員經(jīng)其他疏散出口進(jìn)行疏散，本層步行街內(nèi)人員在30s左右疏散到步行街鄰近的各疏散樓梯入口，出現(xiàn)排隊等待現(xiàn)象，320s左右四層步行街內(nèi)人員全部疏散至樓梯間內(nèi)。步行街內(nèi)人員全部離開步行街的時間總計485s。

6 結(jié)論

通過對某商業(yè)裙房工程室內(nèi)步行街人員疏散安全性的分析，特別是排煙系統(tǒng)的分析，可以得出以下結(jié)論：(1)防煙分區(qū)的劃分與火災(zāi)煙氣的蔓延特性、排煙系統(tǒng)的排煙量、建筑的空間結(jié)構(gòu)形式等因素有關(guān)。(2)防煙分區(qū)劃分一般不宜跨越建筑樓層，但是控?zé)煼謪^(qū)可以跨越樓層。防煙分區(qū)由頂棚和擋煙垂壁圍合而成，控?zé)煼謪^(qū)主要由各層的擋煙垂壁圍合而成，僅對火災(zāi)煙氣的水平蔓延范圍進(jìn)行控制。(3)控?zé)煼謪^(qū)可應(yīng)用于凈空高度大于6m的場所的排煙系統(tǒng)設(shè)計。當(dāng)應(yīng)用于多層且各層均有人員活動的場所時，應(yīng)該結(jié)合不同的火災(zāi)形式，建立典型的火災(zāi)場景，借助火災(zāi)模型分析進(jìn)行有效性驗證。

[1]GB50016-2006,建筑設(shè)計防火規(guī)范[S].

[2]DJG08-88-2006,建筑防排煙技術(shù)規(guī)程[S].

[3]NFPA204:StandardforSmokeandHeatVenting(2007Edition)[S].

[4]CIBSEGuideE:FireEngineering[M].CIBSEGuideESteeringCommittee,2003.

[5]PD7974-2:2002:BritishStandards,SpreadofSmokeandToxicGasesWithinandBeyondtheEnclosureofOrigin[S].

(責(zé)任編輯 李 蕾)

On the Smoke-ventilation-system Design with Indoor Business Streets

ZHANG Yu

(ChaoyangDistrictMunicipalFireBrigade,Beijing100032,China)

This paper explains the smoke-ventilation-system with indoor business street based on the structural features of certain business project. The paper puts forward a plan of smoke compartment and a smoke-ventilation compartment system with an indoor business street according to the performance-based design theory and ways, and the smoke spread and movement is simulated in the case of a fire to test whether this plan will meet the needs of human evacuation.

indoor business street; smoke compartment; smoke-control compartment

2015-04-15

張宇(1982— )，女，山西平陸人，工程師。

TU998.1

A

1008-2077(2015)06-0074-04