基于“氣旋”的中庭防排煙優(yōu)化設(shè)計(jì)

李俊霖 管天舒 胡志鵬 蔣首超

（同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092）

基于“氣旋”的中庭防排煙優(yōu)化設(shè)計(jì)

李俊霖 管天舒 胡志鵬 蔣首超

（同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092）

本文提出一種新型的、基于“氣旋”機(jī)理的中庭結(jié)構(gòu)防排煙優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)FDS（fire dynamics simulator）軟件模擬，對(duì)比兩種防排煙模式的效果。模擬結(jié)果表明：采用新型防排煙優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠使得中庭頂部排煙速率提高1倍，模擬得到的結(jié)果對(duì)于中庭結(jié)構(gòu)的防排煙有著巨大的實(shí)用價(jià)值。

中庭結(jié)構(gòu)；防排煙；氣旋；煙囪效應(yīng)；煙氣動(dòng)力分析

高層、超高層建筑在我們的生活中逐漸普及。在這些建筑中往往可見(jiàn)寬敞、明亮、通透的中庭空間。但這些中庭結(jié)構(gòu)在帶給人舒適和美的享受的同時(shí)卻對(duì)建筑物的防火排煙性能提出了很大的挑戰(zhàn)［1-2］。顯然現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)規(guī)范已不再適應(yīng)中庭防火排煙的要求，亟需研究人員對(duì)中庭結(jié)構(gòu)的防排煙提出一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1　中庭防排煙現(xiàn)狀

1.1中庭消防難題

目前常用的排煙方式有自然排煙、機(jī)械排煙和機(jī)械防煙等。其中自然排煙利用室內(nèi)熱氣流的浮力或室外風(fēng)力的作用；機(jī)械防煙利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流和壓力差在高層建筑關(guān)鍵部位進(jìn)行機(jī)械送風(fēng)加壓，阻止煙氣進(jìn)入；機(jī)械排煙是使用排煙風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制排煙。

而高層建筑中庭會(huì)產(chǎn)生煙囪效應(yīng)，即室內(nèi)空氣沿著垂直方向上升或下降，造成空氣加強(qiáng)對(duì)流的現(xiàn)象。煙囪效應(yīng)的存在會(huì)使低層火災(zāi)產(chǎn)生的熱空氣向上流動(dòng)，在頂層制造另一個(gè)火場(chǎng)令火勢(shì)加劇；還會(huì)使有害煙氣停滯在中性層并橫向蔓延。這不單使撲救變得更加困難，更會(huì)危及逃生者的生命安全。三種常用排煙方式尚無(wú)法有效地解決這些問(wèn)題。

1.2實(shí)例：嘉利大廈大火

1996年11月20日香港嘉利大廈的大火起于2樓電梯井附近，火勢(shì)由于電梯井產(chǎn)生的煙囪效應(yīng)而蔓延至高層。煙氣則在上升過(guò)程中冷卻至和周?chē)諝饷芏认嘟鼤r(shí)不再上升，停留在了13～15樓（中性層）并開(kāi)始橫向蔓延，導(dǎo)致濃煙在13～15層大范圍擴(kuò)散。最終釀成41死80傷的慘劇。

可見(jiàn)煙囪效應(yīng)帶來(lái)的危害主要分為兩點(diǎn)：①火災(zāi)縱向迅速蔓延。②中性層煙氣的橫向彌漫。

2　基于“氣旋”機(jī)理的中庭結(jié)構(gòu)防排煙優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)思路

氣旋的形成過(guò)程和煙囪效應(yīng)十分相似。氣旋中心氣壓低、四周氣壓高，是一種近地面氣流向內(nèi)輻合，中心氣流上升的天氣系統(tǒng)。而當(dāng)中庭建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，該處溫度升高，空氣受熱膨脹上升，外部的空氣向內(nèi)補(bǔ)充，夾雜著煙氣向中庭的頂部迅速擴(kuò)散。

但二者之后的發(fā)展卻有所不同。氣旋中下部空氣在上升階段幾乎不向外擴(kuò)散。但中庭中由于中性層的存在，煙氣豎向擴(kuò)散的同時(shí)也向四周擴(kuò)散。因此可以設(shè)想將氣旋的機(jī)理運(yùn)用在中庭結(jié)構(gòu)中，既限制煙氣水平蔓延，又促使其更快地上升至頂部排煙口。

2.2實(shí)現(xiàn)手段

氣旋實(shí)質(zhì)上只是簡(jiǎn)單外部高壓空氣進(jìn)入補(bǔ)充內(nèi)部低壓的現(xiàn)象。之所以產(chǎn)生“氣旋”是因?yàn)橥獠靠諝獗晃氲絻?nèi)部的過(guò)程中，由于地球自轉(zhuǎn)與科氏力的作用，產(chǎn)生了一個(gè)與運(yùn)動(dòng)速度垂直的加速度。但對(duì)局限在中庭中的流動(dòng)空氣科氏力作用極為有限，所以需要產(chǎn)生人工的氣旋。通過(guò)FDS模擬可知，在中庭內(nèi)壁上豎直方向上每隔一定距離安裝恰當(dāng)?shù)墓娘L(fēng)裝置可以產(chǎn)生人工氣旋。

2.3FDS簡(jiǎn)單氣旋模擬（簡(jiǎn)易模型）

由《高層民用建筑防火規(guī)范》知中庭應(yīng)作為一個(gè)單獨(dú)的防火分區(qū)，因此簡(jiǎn)易模型不考慮中庭周?chē)慕Y(jié)構(gòu)在火災(zāi)發(fā)生時(shí)的溫度變化對(duì)煙氣彌漫產(chǎn)生的影響。

采用了相似原理后設(shè)置以下參數(shù)：中庭截面積（2m* 2m）；中庭高度（10m）；因?yàn)榇蟛糠种型ソㄖ陧敳恐挥凶匀慌艧熆?，所以模型以開(kāi)放頂部邊界近似；建筑中下部一般設(shè)置了很多長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)口的小門(mén)窗作為補(bǔ)風(fēng)口，我們開(kāi)放模型0.5m以下空間來(lái)近似。每三米高度統(tǒng)一在墻壁的順時(shí)針靠邊一側(cè)設(shè)置一層送風(fēng)口（0.5*1m），使其提供側(cè)向加速度。送風(fēng)速度（3m/s）為實(shí)地考察送風(fēng)裝置得到數(shù)據(jù)。

火源（聚氨酯）：雖然民用建筑內(nèi)可燃物一般為木材，但木材的相關(guān)參數(shù)難以確定，而聚氨酯燃燒釋放的煙氣濃度極高且容易觀測(cè)比較，所以采用聚氨酯作為燃燒的火源。

燃燒面積（1m*1m）。

放熱速率（500kW/m2）為《消防手冊(cè)》中一般燃燒面的放熱速率。

四周封閉邊界條件（不考慮結(jié)構(gòu)溫度對(duì)煙氣走向的影響）

圖1　FDS煙氣模擬示意圖

模擬結(jié)果清楚顯示，煙氣在上升過(guò)程中形成了旋轉(zhuǎn)上升的正氣旋且被很好地局限在中庭范圍內(nèi)。而沒(méi)有鼓風(fēng)裝置的結(jié)構(gòu)，燃燒5s后煙氣便開(kāi)始水平擴(kuò)散，頂部開(kāi)放的排煙口不能及時(shí)將煙氣排空，整個(gè)中庭充滿了煙氣。

3　排煙效率對(duì)比

3.1探測(cè)裝置的設(shè)置

燃燒物正上方1.5m出設(shè)置一處熱電偶，用來(lái)追蹤溫度變化量。

每隔3m設(shè)置一個(gè)感煙裝置，位于中庭側(cè)面的中心處，用來(lái)檢測(cè)煙氣的擴(kuò)散情況。

頂部10m處在中庭的正上方和側(cè)面的中點(diǎn)處各設(shè)置一個(gè)感煙裝置，用來(lái)計(jì)算煙氣的豎向排放速度。

在中庭的正中設(shè)置一組垂直正交的溫度切片，以云圖的方式，展現(xiàn)火災(zāi)的動(dòng)態(tài)變化。

3.2相關(guān)模擬數(shù)據(jù)對(duì)比

3.2.1中部煙氣擴(kuò)散情

圖2　新型（a）與傳統(tǒng)（b）中庭6m高處回廊煙氣濃度對(duì)比

從模擬的數(shù)據(jù)可以看出由于側(cè)向送風(fēng)機(jī)的作用，回廊處的煙氣濃度波動(dòng)極大，但是平均小于0.00001，而傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的濃度平均已經(jīng)達(dá)到了0.0015，大了將近150倍。可見(jiàn)，側(cè)向鼓風(fēng)機(jī)對(duì)于限制中庭煙氣濃度的橫向擴(kuò)散具有極大的作用，這對(duì)回廊中的人員安全關(guān)系重大。

3.2.2頂部排煙速率對(duì)比

排煙口的排煙速率是衡量排煙效果好壞的最直觀的標(biāo)準(zhǔn)。從圖中可以清楚看到，普通中庭的平均排煙速率約7 m3/s，而新型排煙設(shè)計(jì)的排煙速率在12m3/s左右，提升了將近一倍?？梢?jiàn)新型排煙設(shè)計(jì)有效提升了排煙效果。

綜上可見(jiàn)，新型設(shè)計(jì)能將燃燒發(fā)出的熱量較好地限制在一定的范圍和高度內(nèi)。有設(shè)置的溫度切片還可看出中庭的中上部的溫度與火災(zāi)前相比變化不大，依然維持在20～30℃的范圍內(nèi)。但傳統(tǒng)的中庭則充滿了高溫?zé)煔猓麄€(gè)中庭的溫度都在250℃左右。這不僅高出很多材料的著火點(diǎn)，更對(duì)人產(chǎn)生致命影響，它不但會(huì)灼傷逃生者，更會(huì)大大降低能見(jiàn)度，最終導(dǎo)致逃生率大大降低。

圖3　新型（左）與傳統(tǒng)（右）設(shè)計(jì)排煙口排煙速率對(duì)比

4　同濟(jì)大學(xué)綜合樓煙囪效應(yīng)模擬

同濟(jì)大學(xué)綜合樓是為慶祝同濟(jì)百年校慶建造的全國(guó)高校鋼結(jié)構(gòu)第一高樓，占地面積15615m2，地下1層，地上21層，建筑高度98m。但是，綜合樓內(nèi)部巨大的中庭，給消防安全埋下了一顆定時(shí)炸彈。

圖4　同濟(jì)大學(xué)綜合樓FDS模型

下面，為了測(cè)試綜合樓的煙囪效應(yīng)和新的排煙設(shè)計(jì)的可行性，按綜合樓的實(shí)際尺寸建立模型。

4.1綜合樓模型總體介紹

4.1.1幾何參數(shù)

總高98m，主體平面49.5m×49.5m，在建筑中部沿豎向形成平面15.3m×15.3m正方形貫通中庭及與之貫通螺旋上升的組合中庭。

4.1.2材料參數(shù)

模型材料：考慮材料的導(dǎo)熱系數(shù)，模型全部使用混凝土（FDS內(nèi)置）為材料。導(dǎo)熱率：1.8W/（m·K），輻射系數(shù)0.9，吸收系數(shù)5.0E4/m。

燃燒源：聚氨酯。每平方米熱釋放功率：1000kW。中庭底部正中4m×4m為燃燒面。

4.1.3模型說(shuō)明

綜合樓結(jié)構(gòu)特殊，無(wú)法在中庭添加四個(gè)方向的鼓風(fēng)裝置，因此僅添加兩個(gè)方向。

4.2數(shù)據(jù)分析（右上角帶“'”的數(shù)據(jù)為添加氣旋后的數(shù)據(jù)

圖5　68m高度處煙氣體積分?jǐn)?shù)

16m與68m高度處的煙氣濃度分析結(jié)果顯示，添加氣旋后，非中庭的開(kāi)放區(qū)域煙氣濃度下降約達(dá)1/2?？梢?jiàn)新的排煙設(shè)計(jì)對(duì)中庭外圍開(kāi)放區(qū)域的保護(hù)效果良好

5　結(jié)論

經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)易模型分析和實(shí)際建筑模擬可知，基于“氣旋”的中庭防排煙優(yōu)化設(shè)計(jì)可以將燃燒帶來(lái)的煙氣和熱量有效控制在中庭之中，減小煙囪效應(yīng)帶來(lái)的大量煙氣和高溫對(duì)建筑物的影響，為逃生救援贏得高貴的時(shí)間。

［1］陳妙芳.建筑設(shè)備［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2002.

［2］李國(guó)強(qiáng)，蔣首超，等.某綜合樓鋼結(jié)構(gòu)抗火安全設(shè)計(jì)與評(píng)估［J］.防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2006，26（1）：13-20.

Optimization Design of SmokeControl and Exhaustion in Atriumbased on "Cyclone"

Li Junlin Guan Tianshu Hu Zhipeng Jiang Shouchao
（School of Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092）

This paper proposed a novel optimization design of smoke control and exhaustion in atrium structure based on"cyclone"mechanism，and through the FDS software simulation compared the effects of two smoke control and exhaustion modes.The simulation results showed that the optimization design of the new smoke control and exhaustion can make the top smoke exhaustion rate of the atrium get a double increase.The simulation results have a great practical value for the smoke control and exhaustion of the atrium structure.

atrium Structure；smoke control and exhaustion；cyclone；chimney effect；dynamic analysis of flue gas

U231.96

A

1003-5168（2015）12-0042-3

2015-12-8

李俊霖（1995.6-），男，本科，研究方向：土木工程。