高層住宅非封閉式天井結(jié)構對煙氣流動的影響性分析

■ 辛文江　西藏消防總隊日喀則支隊薩迦寺大隊

為了保證住宅建筑背陰面室內(nèi)具備良好的采光和通風條件，非封閉式天井正越來越多地應用于住宅工程設計中，但非封閉式天井的設置在當前《建筑設計防火規(guī)范》GB50016-2014中并未提出明確要求。在實際使用中，如果非封閉式天井的開口寬度不足或者進深較大時，其形狀結(jié)構類似于一個三面圍擋的煙囪，當火災發(fā)生時，進入天井內(nèi)的煙氣會在煙囪效應的作用下，快速拔升至上部空間，進而蔓延擴散至連廊及住戶內(nèi)，對人員生命安全造成威脅。研究表明，煙氣的上升速度與天井的形狀結(jié)構、尺寸大小、連廊開口面積、起火位置、火源功率以及環(huán)境溫度、風速等諸多因素相關。2010年11月15日，上海膠州路728號教師公寓在節(jié)能改造時因電焊作業(yè)引發(fā)火災，并受煙囪效應影響形成大面積立體火災，共造成58人死亡，71人受傷。大量的火災案例表明，煙囪效應對于火勢發(fā)展具有非常大的促進作用，容易形成火災跳躍式蔓延，大大縮短人員的可用疏散時間。

一、工程概況

本文以某高層住宅單元樓為例，標準層如圖1所示，兩梯六戶，共33層，層高2．9m。單元樓左右兩側(cè)設置同樣大小的非封閉式天井，結(jié)構對稱，長4．1m，寬2．1m。非封閉式天井北側(cè)與敞開式外廊相連，左、右側(cè)外廊直接對外開口寬度分別為3．2m和5．4m，外廊底部設置高度為1．0m的檻墻；南側(cè)與住戶空中花園相通，東西兩側(cè)均與廚房相鄰，廚房設有可開啟外窗。

圖1　住宅標準層平面布置圖

二、模型簡介

為研究不同連廊外開口尺寸對進入非封閉式天井內(nèi)的煙氣蔓延擴散造成的影響，模擬選取了兩組火災場景。考慮到單元左右兩側(cè)天井及周邊住戶結(jié)構相互對稱，因此，模型假定火災均發(fā)生在5層住戶廚房內(nèi)，具體參數(shù)設置詳見表1。模型采用0．3m×0．3m×0．3m的立方體網(wǎng)格進行網(wǎng)格化，尺寸大小滿足FDS技術文件要求，模擬時長900s。

表1　場景設置參數(shù)

煙氣能見度、溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測點分別設置在起火住戶及以上各層住戶客廳內(nèi)，距離樓板高度1．6m，熱輻射強度數(shù)據(jù)監(jiān)測點設置在各樓層天井中心位置處。

三、結(jié)果分析

1．煙氣上升對各樓層住戶的影響性分析

為分析火災發(fā)生后，煙氣進入上層住戶內(nèi)對人員及物品可能造成的威脅，模擬分別獲取了煙氣進入各層客廳的時刻以及到達危險臨界的時刻，其中，危險臨界時刻取煙氣能見度開始低于5m的時間點。以Case01為例，各參數(shù)模擬結(jié)果如圖2、圖3所示：

圖2　各層客廳煙氣進入時刻圖

圖3　各層客廳煙氣溫度變化情況

從圖2可以看出，火災發(fā)生后，起火層人員的可用疏散時間不足30s；起火層以上樓層煙氣進入客廳的時刻，有所滯后，但人員若不能在有限的時間內(nèi)疏散至安全區(qū)域，其生命安全仍然會受到威脅。從煙氣進入各樓層的時刻可以看出，9層和10層，煙氣進入的時刻相對較早，這是因為煙氣剛進入天井時溫度較高，煙囪效應明顯，其豎直方向的上升速度相較于水平方向的蔓延速度較大，煙氣來不及進入起火層鄰近的幾層住戶內(nèi)，但隨著煙氣上升，卷吸空氣量增加，溫度下降，到達9層、10層時，橫向蔓延明顯擴大，煙氣開始穿過窗戶進入室內(nèi)。

從圖3可以看出，火災發(fā)展穩(wěn)定階段，除起火層外，各樓層客廳內(nèi)的煙氣溫度隨樓層的增加而下降，且最大不超過50℃，在此溫度下，煙氣很難會引燃室內(nèi)物品，不會對住戶財產(chǎn)造成損失。

2．不同外廊開敞寬度對天井內(nèi)煙氣蔓延的影響性分析

為研究外廊開敞寬度對進入天井內(nèi)的煙氣上升蔓延的影響，模型分別在左右兩側(cè)天井中心位置處設置了熱輻射與速度監(jiān)測點。各樓層監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖4、圖5所示：

圖4　天井內(nèi)部熱輻射強度變化曲線

圖5　天井內(nèi)部氣流速度變化曲線

從圖4中可以看出，不同外廊開敞寬度下，天井內(nèi)部煙氣熱輻射強度隨著樓層的增加而下降，各曲線走勢基本一致，起火樓層天井處最大熱輻射強度不超過4kw/m2，此強度下難以造成火災蔓延。通過同一樓層熱輻射強度對比可以發(fā)現(xiàn)，右側(cè)天井中心處熱輻射強度偏小，說明連廊對外開敞寬度越大，越有利于外界空氣的補入，天井內(nèi)熱煙氣卷吸、混合低溫空氣越容易。

圖5給出了穩(wěn)定時間段內(nèi)起火層及以上十五層的天井內(nèi)氣流速度變化情況，從中可以看出，隨樓層的升高天井內(nèi)氣流速度逐漸增大，且同等條件下，右側(cè)天井氣流速度大于左側(cè)，并隨樓層增高速度擴大趨勢越明顯，這說明天井尺寸相同時，連廊對外開口寬度越大，越有利于外界空氣的進入，煙氣上升蔓延及混合程度越劇烈。

四、結(jié)語

通過對設置非封閉式天井結(jié)構的高層住宅建筑火災模擬發(fā)現(xiàn)，煙氣會經(jīng)過天井向上蔓延并橫向擴散至上部樓層住戶內(nèi)，且隨著時間的推移，進入的煙氣量慢慢蓄積，能見度下降可能會對戶內(nèi)人員生命安全造成威脅。研究表明，當非封閉式天井連廊對外開口寬度較大時，熱煙氣更容易卷吸外界新鮮空氣，氣流混合程度更劇烈，但天井內(nèi)熱輻射強度相對較小。

結(jié)合實際情況，建議住戶與天井相鄰的廚房、衛(wèi)生間采用下懸式外開窗，以降低煙氣進入量。同時，考慮到火災發(fā)生時人員可能處于睡眠狀態(tài)，建議高層住宅建筑各層連廊出設置聲光警報器，其聲響應確保住戶內(nèi)人員在窗戶關閉時仍能聽清。

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