廣州南沙某大型商業(yè)步行街自然排煙有效性分析

李哲存，徐佳欣，李鎵岐，周華龍，程新紅

（廣州華森建筑與工程設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司 廣州 510045）

1 步行街防火排煙要求

《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范（2018 年版）：GB 50016—2014》要求步行街的頂棚下檐距地不應(yīng)小于6 m［1］，是為了要求步行街要有一定的高度，防止煙氣下降影響疏散和危及人身安全，但對(duì)步行街的高度則沒(méi)有規(guī)定。自然排煙是利用火災(zāi)熱煙氣的浮力和外部風(fēng)壓的作用，將煙氣排至室外。當(dāng)煙氣冷卻失掉浮力時(shí)，則煙氣就失去了排出的能力。固步行街的高度應(yīng)有所限制或進(jìn)行自然排煙有效性的分析。

2 工程案例

某項(xiàng)目步行街共5層，步行街建筑高度為31.2 m。步行街與建筑物的所在位置如圖1所示。針對(duì)本項(xiàng)目步行街的高度問(wèn)題，將根據(jù)步行街兩側(cè)商鋪的火災(zāi)荷載及可燃物類(lèi)型進(jìn)行計(jì)算和模型分析，進(jìn)一步論證步行街自然排煙的有效性。

圖1 步行街所在區(qū)域Fig.1 The Area Where the Pedestrian Street is Located

3 步行街自然排煙有效性分析前提條件

3.1 主要消防設(shè)計(jì)條件

為保證步行街作為疏散功能的安全性，提高步行街的消防安全性能，主要采取了以下消防設(shè)計(jì)：

⑴步行街兩側(cè)建筑的耐火等級(jí)不低于二級(jí)。

⑵步行街兩側(cè)建筑相對(duì)面的最近距離不小于13 m。

⑶步行街的端部在各層外墻上設(shè)置可開(kāi)啟的門(mén)窗，且可開(kāi)啟門(mén)窗的面積不小于該部位外墻面積的一半。

⑷步行街的長(zhǎng)度不大于300 m。

⑸步行街兩側(cè)建筑的商鋪之間設(shè)置耐火極限不低于2.0 h的防火隔墻，每間商鋪的建筑面積不大于300 m2。

⑹步行街上部各層樓板的開(kāi)口面積不小于步行街地面面積的37%，且開(kāi)口宜均勻布置。

⑺步行街的頂棚設(shè)置自然排煙設(shè)施，自然排煙口的有效面積不小于步行街地面面積的25%。常閉式自然排煙設(shè)施能在火災(zāi)時(shí)手動(dòng)和自動(dòng)開(kāi)啟。

⑻步行街兩側(cè)的商鋪均設(shè)置機(jī)械排煙。

⑼步行街兩側(cè)的主力店單獨(dú)劃分防火分區(qū)，單獨(dú)設(shè)置防排煙設(shè)施，主力店的煙氣不會(huì)侵入到步行街。且主力店單獨(dú)考慮疏散系統(tǒng)，人員的疏散不會(huì)影響到步行街的疏散。

3.2 火災(zāi)時(shí)主要情景條件

⑴室外氣象參數(shù)，如表1所示；

表1 室外氣象參數(shù)Tab.1 Outdoor Weather Parameters

⑵商鋪環(huán)境溫度28 ℃；

⑶步行街和商鋪之間的壓力按0 Pa 計(jì)算；商鋪通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)停止；

⑷火災(zāi)荷載按3 MW，且按最大9 MW 的著火蔓延考慮。

4 步行街自然排煙措施

為保證室內(nèi)人員在煙氣下降到危及人員生命前能安全疏散出去。根據(jù)《國(guó)際建筑規(guī)范》規(guī)定：保證人員在安全疏散時(shí)間內(nèi)，煙氣層維持在一定的高度之上，即在火災(zāi)情況下持續(xù)20 min 以上的時(shí)間保持煙氣層界面據(jù)地1.8 m以上。

4.1 火災(zāi)情況分析

⑴步行街兩側(cè)商鋪發(fā)生火災(zāi)。

⑵步行街為安全疏散功能使用。即使因消防管理不善，在步行街臨時(shí)擺攤設(shè)點(diǎn)，相對(duì)兩側(cè)商鋪來(lái)說(shuō)，可燃物較少、火災(zāi)規(guī)模小、火災(zāi)煙氣量也較少。步行街內(nèi)發(fā)生火災(zāi)的情形，本分析報(bào)告不考慮。

4.2 火災(zāi)工況

有頂商業(yè)步行街內(nèi)按照兩側(cè)商鋪發(fā)生火災(zāi)情形考慮。兩側(cè)商鋪可燃物較多，發(fā)生火災(zāi)時(shí)的最大火災(zāi)熱釋放速率取9 MW，根據(jù)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：GB 51251—2017》［2］的規(guī)定，商業(yè)建筑火災(zāi)熱釋放速率有噴淋時(shí)按3 MW 計(jì)算?？梢岳斫鉃榛馂?zāi)蔓延至3間商鋪同時(shí)著火的情形。

4.3 自然排煙

4.3.1 自然排煙口面積計(jì)算

商業(yè)步行街最高點(diǎn)到室內(nèi)地面的凈高為31.2 m，最上面一層到首層地面的高度為24.2 m，到該處屋頂網(wǎng)架的高度為7.0 m。燃料面距地高度為1.0 m，有噴淋設(shè)計(jì)，步行街按照頂開(kāi)窗自然排煙，計(jì)算步行街火災(zāi)時(shí)排煙量。采用自然排煙方式所需自然排煙窗（口）截面積宜按式⑴計(jì)算：

式中：Av為自然排煙窗（口）截面積（m2）；A0為所有進(jìn)氣口總面積（m2）；Cv為自然排煙窗（口）流量系數(shù)（通常選定在0.5～0.7之間）；C0為進(jìn)氣口流量系數(shù)（通常約為0.6）；g為重力加速度（m/s2）。經(jīng)計(jì)算，自然排煙口截面積為633.78 m2。

4.3.2 自然排煙口設(shè)計(jì)

商業(yè)步行街頂棚自然排煙口按不小于步行街地面面積的25%設(shè)置電動(dòng)自然排煙窗。［3］自然排煙窗布置如圖2所示。

圖2 自然排煙窗布置Fig.2 Natural Smoke Exhaust Window Layout

建筑設(shè)置的自然排煙窗總面積約1 250 m2，大于計(jì)算的自然排煙窗面積。

5 步行街自然排煙有效性分析

疏散設(shè)計(jì)的目標(biāo)：人員能在安全的環(huán)境下疏散至外部安全地帶，疏散過(guò)程中應(yīng)保證人員安全不受火災(zāi)威脅［4］。

為了實(shí)現(xiàn)火災(zāi)時(shí)人員安全疏散，設(shè)計(jì)必須滿(mǎn)足ASET＞RSET，安全疏散設(shè)計(jì)原理如圖3所示。

圖3 安全疏散原理Fig.3 Safety Evacuation Schematic

RSET 為從火災(zāi)發(fā)生到建筑物內(nèi)所有人員安全疏散到安全出口所需的時(shí)間（s）；ASET 為火災(zāi)蔓延時(shí)間，即人員可利用的安全疏散時(shí)間（s）。

如果RSET＞ASET，意味著在建筑的煙氣溫度、濃度、有毒氣體、能見(jiàn)度在所有人疏散到安全的地方之前，至少有一個(gè)人超過(guò)人體的極限。

如果ASET＞RSET，意味著在火災(zāi)危險(xiǎn)狀態(tài)，所有人員能疏散到安全區(qū)域，可以確定建筑防火疏散設(shè)計(jì)是安全的［5］。

RSET以及ASET的計(jì)算公式如式⑵、式⑶。

式中：td為火災(zāi)報(bào)警時(shí)間（s）；tpre為人員疏散預(yù)動(dòng)作時(shí)間（s）；te為人員疏散行動(dòng)時(shí)間（s）；k為安全系數(shù)，一般取1.2～1.5。

式中：tco為疏散通道2 m 以下空氣層/煙氣層中CO 濃度達(dá)到臨界值的時(shí)間（s）；tT為疏散通道2 m 以下空氣層/煙氣層溫度達(dá)到臨界值的時(shí)間（s）；tν，為疏散通道2 m 以下空氣層/煙氣層能見(jiàn)度達(dá)到臨界值的時(shí)間（s）；tf為火災(zāi)中建筑結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)時(shí)間（s）。

疏散時(shí)間的組成如圖4所示。

圖4 疏散時(shí)間組成Fig.4 Evacuation Time Composition Chart

以上時(shí)間均通過(guò)建筑物內(nèi)設(shè)定火災(zāi)場(chǎng)景，由PyroSim和Pathfinder通過(guò)模擬得出。

PyroSim 為火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件，由美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）研發(fā)的，專(zhuān)用于消防動(dòng)態(tài)仿真模擬（Fire Dynamic Simulation，F(xiàn)DS）的軟件。它是在FDS的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。軟件以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)為依據(jù)，可以模擬預(yù)測(cè)火災(zāi)中的煙氣、CO 等毒氣的運(yùn)動(dòng)，溫度以及濃度等情況。

Pathfinder 為疏散模擬軟件，一套由美國(guó)的Thunderhead Engineering 公司研發(fā)的直觀、易用的新型智能人員緊急疏散逃生評(píng)估系統(tǒng)。它利用計(jì)算機(jī)圖形仿真和游戲角色領(lǐng)域的技術(shù)，對(duì)多個(gè)群體中的每個(gè)個(gè)體運(yùn)動(dòng)都進(jìn)行圖形化的虛擬演練，從而可以準(zhǔn)確確定每個(gè)個(gè)體在災(zāi)難發(fā)生時(shí)的快速逃生路徑和逃生時(shí)間。

6 步行街自然排煙煙氣積聚高度模擬和蔓延時(shí)間ASET模擬結(jié)果［6］

⑴利用BIM 模型導(dǎo)入PyroSim 進(jìn)行火災(zāi)模擬分析，提取商業(yè)局部模型如圖5所示。

圖5 建筑物BIM局部模型Fig.5 BIM Partial Model of the Building

⑵定義北區(qū)首層3 個(gè)商鋪同時(shí)發(fā)生火災(zāi)（圖6 填充區(qū)域?yàn)榘l(fā)生火災(zāi)商鋪）。

圖6 模擬首層商鋪火災(zāi)示意圖Fig.6 Simulation of the First Floor Store Fire Schematic

⑶BIM 模型導(dǎo)入PyroSim 軟件，并設(shè)置開(kāi)啟角度為70°的電動(dòng)排煙窗，如圖7所示。

圖7 導(dǎo)入PyoSim模型Fig.7 Importing PyoSim Models

⑷根據(jù)規(guī)范和項(xiàng)目情況對(duì)PyroSim 進(jìn)行參數(shù)設(shè)置：①火源熱釋放速率Q（MW）設(shè)置；②火災(zāi)增長(zhǎng)時(shí)間設(shè)置；③著火點(diǎn)位置及著火面積設(shè)定。

6.5 PyroSim火災(zāi)模擬分析結(jié)果

火災(zāi)發(fā)生第5 s、15 s、60 s、87 s、111.5 s、153 s 的煙氣情況如圖8 所示（建筑面積最大和疏散總?cè)藬?shù)最多的層數(shù)為3F，3F 人員疏散時(shí)間為111.5 s，結(jié)論依據(jù)詳下一章節(jié)RSET模擬結(jié)果及ASET模擬結(jié)果比較）。

圖8 火災(zāi)煙氣情況Fig.8 Smoke Situation of the Fire

7 步行街人員疏散時(shí)間ASET模擬結(jié)果［7］

經(jīng)過(guò)上一章節(jié)的模擬，可以得出，商業(yè)3F 為建筑面積最大和疏散總?cè)藬?shù)最多的樓層；5F為煙氣最快達(dá)最低清晰高度樓層，因此需要模擬3F 和5F 的人員疏散時(shí)間。其中，3F 疏散總?cè)藬?shù)為6 862 人。5F 疏散總?cè)藬?shù)為4 260人。

7.1 3F人員疏散時(shí)間分析

3F 人員疏散第0 s、第87 s、第111.5 s 的疏散情況如圖9所示。

圖9 3層人員疏散情況Fig.9 Situation Evacuation of People on the 3rd Floor

7.2 5F人員疏散時(shí)間分析

5F 人員疏散第0 s、第60 s、第87 s 的疏散情況如圖10所示。

圖10 5層人員疏散情況Fig.10 Situation Evacuation of People on the 5rd Floor

8 SET模擬結(jié)果及ASET模擬結(jié)果比較

通過(guò)PyroSim 火災(zāi)模擬得出：煙氣到達(dá)5F 最低清晰高度的時(shí)間為127 s；煙氣充滿(mǎn)5F的時(shí)間為153 s。

通過(guò)Pathfinder人員疏散模擬得出：3F 共6 862人疏散時(shí)間為111.5 s；5F 共4 260人的疏散時(shí)間為87 s。

從以上分析可以看出，本項(xiàng)目按9 MW 的火源，頂棚設(shè)置25%的相對(duì)頂層地面面積的自然排煙窗的情形下，煙氣因溫度下降發(fā)生的下沉積聚高度為26.5 m，積聚時(shí)間127 s，人員的最長(zhǎng)疏散時(shí)間為111.5 s。綜合各模擬結(jié)果得出ASET＞RSET，即在煙氣積聚時(shí)間內(nèi)，人員已完成安全疏散。從模擬的煙氣形態(tài)，每層還是會(huì)向兩側(cè)步行街環(huán)廊蔓延，建議每層步行街開(kāi)口部分周邊加設(shè)固定擋煙垂壁，阻止煙氣快速向兩側(cè)環(huán)廊蔓延，延長(zhǎng)疏散時(shí)間［8］。

9 消防安全措施

為提高步行街作為疏散功能的安全性［9］，進(jìn)一步采取以下消防安全措施：

⑴步行街各層回廊的開(kāi)口處設(shè)置500 mm 的固定擋煙垂壁，可以有效阻擋煙氣因下沉積聚蔓延至步行街環(huán)廊，影響人員疏散［10］。

⑵風(fēng)管穿越每間商鋪的隔墻均增設(shè)防火閥，以避免火災(zāi)時(shí)煙氣在商鋪之間的蔓延，將火災(zāi)和煙氣控制在著火商鋪內(nèi)，減少煙氣量，為步行街的人員安全疏散提供更長(zhǎng)的疏散時(shí)間。

⑶對(duì)于日后商業(yè)運(yùn)營(yíng)的消防管理，應(yīng)嚴(yán)格將步行街作為疏散條件使用，管理上需做到：

①?lài)?yán)禁在步行街各層臨時(shí)擺攤設(shè)點(diǎn)、布置可燃物。步行街僅供人員步行使用，杜絕步行街有可燃物帶來(lái)的火災(zāi)隱患，保證步行街疏散的安全性能。

②步行街每層的端部外墻開(kāi)口用于方便救援、排煙和消防補(bǔ)風(fēng)，不得設(shè)置廣告牌。

10 結(jié)論

⑴本項(xiàng)目商業(yè)步行街利用消防疏散模擬軟件對(duì)步行街自然排煙有效性進(jìn)行了分析，通過(guò)比較人員疏散時(shí)間RSET 及火災(zāi)蔓延時(shí)間ASET，步行街作為兩側(cè)商鋪的疏散路線(xiàn)仍然是安全的。

⑵從模擬的結(jié)果看，31.2 m 高的商業(yè)步行街，煙氣在上升的過(guò)程中，卷吸空氣，溫度下降，上升的浮力減小，煙氣仍有向兩側(cè)步行街蔓延的現(xiàn)象。雖然模擬的結(jié)果人員疏散的時(shí)間小于煙氣蔓延的時(shí)間，為保證步行街的人員安全疏散，建議在每層步行街的中庭開(kāi)口部位設(shè)置擋煙垂壁，阻止煙氣向兩側(cè)步行街蔓延，延長(zhǎng)煙氣的蔓延時(shí)間。

⑶步行街的建筑高度需有所限制，對(duì)于超過(guò)24 m的商業(yè)步行街，須采用消防安全軟件對(duì)步行街排煙的有效性進(jìn)行分析。