高層建筑火災(zāi)排煙研究

孫敏捷

摘要：新時(shí)期，城市化進(jìn)程持續(xù)加快，城市建筑工程規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，高層建筑數(shù)量和高度都與日俱增。與普通多層建筑不同，高層建筑通常人員聚集，豎向高度較高、內(nèi)部空間較大、布局復(fù)雜，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，疏散十分困難，且建筑內(nèi)可燃物很多，任何火災(zāi)的發(fā)生都存在較大的救援難度，會(huì)帶來(lái)難以估量的經(jīng)濟(jì)和財(cái)產(chǎn)損失，對(duì)此，必須加強(qiáng)高層建筑排煙研究，找出科學(xué)的排煙措施。本文以高層建筑火災(zāi)撲救排煙為研究對(duì)象，討論高層建筑火災(zāi)排煙方式對(duì)高層建筑火災(zāi)撲救的影響，以供參考。

關(guān)鍵詞：高層建筑；火災(zāi)撲救；排煙方式

DOI：10.12433/zgkjtz.20232851

據(jù)世界高層建筑與都市人居學(xué)會(huì)2021年發(fā)布的一份關(guān)于世界高層建筑的報(bào)告顯示，目前我國(guó)擁有150m以上的高層建筑2581座，200m以上建筑861座，而300m以上的超高層建筑則有99座，這三項(xiàng)指標(biāo)均排在世界前列。

高層建筑起火時(shí)，高溫?zé)煔夂苋菀自诮ㄖ呢Q向通道中縱深擴(kuò)散，加快火災(zāi)蔓延，不利于火災(zāi)撲救及人員逃生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，煙氣致死人數(shù)在高層建筑火災(zāi)死亡人數(shù)中的占比高達(dá)82%。高層建筑起火時(shí)，如果能有效排煙，可以提高火場(chǎng)能見度，降低高溫毒氣對(duì)人體的傷害，從而控制火勢(shì)蔓延，提高救人與滅火的效率。本文在總結(jié)高層建筑煙氣流動(dòng)規(guī)律和排煙的方式、特點(diǎn)、缺陷的基礎(chǔ)上，針對(duì)性地提出了改進(jìn)措施，以期促進(jìn)高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)科學(xué)排煙。

一、高層建筑火災(zāi)排煙的研究背景

（一）高層建筑的火災(zāi)特點(diǎn)

第一，火災(zāi)蔓延迅速、途徑多樣、易形成立體的火災(zāi)。如果防火分隔或者防火處理不當(dāng)，高層建筑內(nèi)的樓梯井、電梯井、管道井、風(fēng)管、電纜井以及排氣管等猶如煙囪，都會(huì)成為火災(zāi)快速傳播的渠道。高端酒店、辦公樓、圖書館、檔案館和科研樓等建筑，一般情況下，室內(nèi)可燃材料較多，有些高層建筑還設(shè)有可燃材料倉(cāng)庫(kù)，一旦發(fā)生火災(zāi)，會(huì)導(dǎo)致高層建筑的火勢(shì)迅速蔓延。另外，受氣壓、風(fēng)速等因素影響，高層建筑火災(zāi)極易形成全樓三維火場(chǎng)，“風(fēng)助火勢(shì)、火借風(fēng)威”在高層建筑中表現(xiàn)得尤為明顯。風(fēng)在火災(zāi)中的作用強(qiáng)弱是風(fēng)速主導(dǎo)的，在近地面，高度越高，風(fēng)速越大，所以高層建筑火災(zāi)往往比中低層建筑更加猛烈。建筑物著火后，煙霧、火焰沿一定方向擴(kuò)散，先朝上接觸天花板，再轉(zhuǎn)為橫向擴(kuò)散，最后沿墻體上下運(yùn)動(dòng)。

第二，人員疏散難度大。在高層建筑內(nèi)，將人員快速撤離至地面或建筑物內(nèi)不受火災(zāi)威脅的安全場(chǎng)所較為困難。首先，建筑高大、樓層眾多，垂直疏散距離較遠(yuǎn)，疏散時(shí)間較長(zhǎng)。其次，人員集中，疏散設(shè)施少。高層民用建筑可容納的人員大多超過(guò)千人，很難在短期內(nèi)把人都疏散到安全區(qū)。再次，發(fā)生火災(zāi)后普通電梯無(wú)法作為安全疏散的場(chǎng)所，樓梯作為高層建筑中的疏散設(shè)施，如果樓梯間不能有效阻止煙火的入侵，煙氣將被迅速充滿樓梯間，不但無(wú)法確保人員的安全撤離，還會(huì)成為火勢(shì)蔓延渠道。因此，高層建筑中因來(lái)不及撤離造成的煙熏或火燒致死較常見。

第三，撲救困難。與中低層建筑火災(zāi)相比，高層建筑的火災(zāi)撲救工作更加困難。首先，高層建筑高度會(huì)導(dǎo)致消防供水困難?？刂苹饎?shì)蔓延、消除著火點(diǎn)和冷卻降溫需要大量的水，普通消防車水壓不能滿足高層建筑上部的供水需求，且水帶耐壓的強(qiáng)度有限，也會(huì)限制高層建筑的外部消防供水。當(dāng)建筑物本身供水能力不足時(shí)，需要消防員借助特種登高、排煙消防車輛和搶險(xiǎn)救生裝備進(jìn)行高樓接力供水。其次，由于經(jīng)濟(jì)、空間等因素限制，高層建筑內(nèi)消防電梯設(shè)置的數(shù)目有限，在開展救援作業(yè)時(shí)，消防電梯需要運(yùn)送的設(shè)備和人員多，運(yùn)輸距離遠(yuǎn)，消耗時(shí)間長(zhǎng)，往往抓不住控制初期火災(zāi)的有利時(shí)機(jī)。

第四，火災(zāi)隱患眾多。有的建筑設(shè)有商業(yè)營(yíng)業(yè)廳、可燃物倉(cāng)庫(kù)、人員密集的禮堂、餐廳等，安全管理不統(tǒng)一，潛在火災(zāi)隱患多，一旦起火，容易發(fā)生大面積火災(zāi)，且火勢(shì)蔓延很快，撲救疏散困難，從而造成極大的人員傷亡。

（二）高層建筑火災(zāi)煙氣的危害

第一，缺氧。火災(zāi)發(fā)生時(shí)，建筑室內(nèi)會(huì)出現(xiàn)大面積燃燒現(xiàn)象，燃燒需要氧氣，因此會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)缺氧，如果救援不及時(shí)，可能造成嚴(yán)重的窒息，危害人體健康，甚至引發(fā)生命事故。

第二，中毒。眾所周知，建筑室內(nèi)火災(zāi)發(fā)生后，可燃物燃燒將產(chǎn)生大量的煙霧與其他毒害氣體，包括一氧化碳（CO）、氯化氫（HCl）、氰化氫（HCN）等多種有毒氣體，對(duì)人體的危害極為嚴(yán)重。

第三，高溫灼傷?；馂?zāi)中的煙氣溫度可達(dá)到800～1000℃，特別是燃燒中心區(qū)域火焰的溫度更高，對(duì)人的損傷更大。一般來(lái)說(shuō)，火災(zāi)由著火至擴(kuò)散只需6～7min，大部分火場(chǎng)的實(shí)測(cè)溫度在6min內(nèi)可達(dá)300～400℃。公眾聚集場(chǎng)所如果有大量的可燃物，會(huì)加快火災(zāi)蔓延速度，使火場(chǎng)溫度更高，增加人員傷亡的可能性。

第四，減光危害。火災(zāi)發(fā)生時(shí)，只有當(dāng)疏散的能見距離大于一定的數(shù)值時(shí)，逃生人員才能看清疏散通道中的疏散標(biāo)志和疏散門的位置，因此保障疏散通道上的能見度對(duì)逃生具有重要作用。一般火場(chǎng)中的能見距離低于3m時(shí)，會(huì)降低高層建筑火災(zāi)中逃生的概率?；馂?zāi)中煙氣蔓延時(shí)，煙氣中煙塵遮蔽可見光，會(huì)縮短能見距離。因此，逃生人員會(huì)難以辨認(rèn)目標(biāo)和方向，導(dǎo)致原有的事故照明設(shè)施和疏散標(biāo)志難以發(fā)揮應(yīng)有的作用。

（三）高層建筑火災(zāi)排煙的意義

第一，有助于救援工作順利進(jìn)行。在火場(chǎng)中，可燃物的燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的有毒煙氣，導(dǎo)致人窒息、中毒、灼傷，降低逃生能見度，引起心理恐慌，影響消防員的施救。因此，先排煙，再搜救，才能提高救援效率，才能更好地保障被困人員的人身安全。

第二，撲救火災(zāi)?；馂?zāi)中煙氣溫度可達(dá)近千度，排除高層建筑內(nèi)的高溫?zé)煔馐墙o建筑降溫的有效手段。同時(shí)，通過(guò)排煙控制煙氣的流動(dòng)方向還可以控制火勢(shì)的蔓延。另外，有效排煙可延長(zhǎng)建筑內(nèi)部的能見距離，更有利于滅火工作的開展。

第三，保障消防員的生命安全?；饒?chǎng)內(nèi)的煙氣不僅妨礙群眾逃生，也會(huì)在很大程度上降低消防員的可視距離，造成消防員在陌生環(huán)境中迷失方向，或使消防員因跌落隱藏的豎井、被空中墜物砸傷等。因此，排除建筑內(nèi)的高溫?zé)煔飧欣诒Ｕ舷绬T在火場(chǎng)中的安全。

二、高層建筑火災(zāi)煙氣流動(dòng)的規(guī)律及影響因素

（一）高層建筑火災(zāi)煙氣蔓延途徑

建筑火災(zāi)發(fā)生后，煙氣主要沿水平和豎直兩個(gè)方向蔓延。水平的蔓延是著火樓層內(nèi)的蔓延，速度較慢。而豎直的蔓延速度很快，煙氣進(jìn)入樓梯間、電梯井和管道井等建筑豎井后會(huì)迅速向上蔓延擴(kuò)散，速度高達(dá)十幾米每秒，在幾十秒甚至幾秒的時(shí)間內(nèi)可到達(dá)高層建筑頂部。

（二）高層建筑火災(zāi)煙氣流動(dòng)的影響因素

第一，煙囪效應(yīng)。高層建筑的結(jié)構(gòu)特征為：豎直方向會(huì)設(shè)置從上到下的通道，以滿足高層的運(yùn)輸需求，主要的上下豎直通道包括電梯、管道井或者樓梯等。然而，高層建筑室內(nèi)與室外的溫度不同，二者會(huì)有一定的溫度差，從而使上下通道中產(chǎn)生上下流動(dòng)的氣流，出現(xiàn)工業(yè)煙囪效應(yīng)。

第二，氣體受熱膨脹。建筑房間被火災(zāi)侵蝕后，不僅會(huì)出現(xiàn)高溫?zé)煔鈳?lái)的浮力，氣體受熱后也將發(fā)生膨脹，由此帶來(lái)壓差，影響煙氣流動(dòng)。如果房間僅設(shè)置一個(gè)通風(fēng)口，并與外部空間相連，會(huì)加劇氣體膨脹的系數(shù)。

第三，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)影響。要想建筑內(nèi)氣壓不受影響，建筑內(nèi)的通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)等換氣設(shè)施的排風(fēng)量應(yīng)與送風(fēng)量相當(dāng)。如果建筑內(nèi)某空間內(nèi)送風(fēng)量低于排風(fēng)量，其他空間的空氣就會(huì)流向此處。相反，如果此處的空氣流向其他空間，可以使換氣系統(tǒng)的送風(fēng)量大于排風(fēng)量。因此，合理控制換氣系統(tǒng)可以控制煙氣在建筑內(nèi)的流向。

第四，室外風(fēng)力、風(fēng)速的影響。風(fēng)對(duì)各個(gè)建筑面的作用不同，迎風(fēng)面的墻壁所受壓力向內(nèi)，兩側(cè)墻壁及背風(fēng)面則相反，而平頂層所受壓力向上。這種承壓方向上的差異導(dǎo)致空氣從建筑的迎風(fēng)面流入，從建筑的背風(fēng)面流出，并在頂層尚未封閉的豎直通風(fēng)管道中產(chǎn)生吸力。

三、高層建筑火災(zāi)不同排煙方式的特點(diǎn)

第一，自然排煙的特點(diǎn)。利用自然力使煙氣不能入侵消防電梯及樓梯間內(nèi)的排煙方式稱為自然排煙。這種方式的效果主要受所處樓層、室外溫度、風(fēng)力特征等因素影響，利用好這些因素，自然排煙也能起到良好的排煙效果。

第二，機(jī)械排煙的特點(diǎn)。機(jī)械排煙系統(tǒng)主要利用排煙風(fēng)機(jī)將著火區(qū)域內(nèi)的高溫有害煙氣從排煙口排出，主要由擋煙垂壁、排煙口、排煙機(jī)以及電氣控制等部分組成。排煙時(shí)，要注意及時(shí)排出人員疏散時(shí)帶入前室的煙。

第三，機(jī)械加壓排煙的特點(diǎn)。機(jī)械加壓排煙是通過(guò)使防煙樓梯間及其前室保持足夠的壓力避免煙氣進(jìn)入樓梯間及前室。機(jī)械加壓送風(fēng)系統(tǒng)是一種強(qiáng)制性的防排煙系統(tǒng)，主要由電氣控制設(shè)備控制的防煙部件、送風(fēng)口、送風(fēng)管道和送風(fēng)機(jī)組成，需要電梯前室、樓梯間保持一定的正壓，防止煙氣侵入。在高層建筑起火時(shí)，通過(guò)機(jī)械加壓送風(fēng)將一定量的空氣送到樓梯間和前室內(nèi)，可以確保煙氣無(wú)法入侵。

四、高層建筑火災(zāi)排煙的常見問(wèn)題

（一）自然排煙的常見問(wèn)題

第一，排煙的效果不穩(wěn)定。自然排煙效果容易受室外風(fēng)力特征、季節(jié)變化及高層建筑熱壓作用的影響。

第二，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮自然排煙。自然排煙需要借助外窗或者專用的排煙口，外窗或排煙口要滿足排煙需求。

第三，存在火災(zāi)通過(guò)排煙口蔓延到緊鄰上層的危險(xiǎn)性。由排煙口或外窗向外排煙時(shí)，由于排除的煙氣中可燃?xì)怏w未燃盡，且溫度很高，具備燃燒條件，會(huì)繼續(xù)燃燒。燃燒的煙氣火焰周圍的空氣補(bǔ)充條件有差異，火焰內(nèi)側(cè)靠近外墻的部分空氣不足形成負(fù)壓區(qū)，導(dǎo)致火焰有撲向墻壁面的貼壁燃燒現(xiàn)象，進(jìn)而引起上一層可燃物燃燒，增大建筑物的燃燒面積。

（二）機(jī)械排煙的常見問(wèn)題

第一，排煙口的位置設(shè)置不當(dāng)。機(jī)械排煙設(shè)施不達(dá)標(biāo)，主要的影響因素是排煙口的設(shè)置不合理。排煙口位置設(shè)置不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致排煙設(shè)施難排煙。不合理主要表現(xiàn)為：排煙口設(shè)置高度不夠，部分高層建筑的排煙口設(shè)置在墻下部，一旦發(fā)生火災(zāi)產(chǎn)生煙氣，很難實(shí)現(xiàn)機(jī)械排煙；布局不合理，部分建筑將排煙口設(shè)置在安全出口上方，不僅不能起到排煙的作用，還會(huì)增加安全出口的煙氣，增加安全疏散的難度。

第二，擋煙垂壁設(shè)置不規(guī)范。目前，部分高層建筑為了追求建筑內(nèi)部的美觀效果，未按照相關(guān)要求設(shè)置擋煙垂壁，影響了排煙效果。

第三，防排煙風(fēng)機(jī)供配電與規(guī)范不符。雖然相關(guān)規(guī)定對(duì)防排煙風(fēng)機(jī)的負(fù)荷級(jí)別和敷設(shè)安裝有明確要求，但在實(shí)際施工中仍存在防排煙風(fēng)機(jī)供配電與規(guī)范不符的問(wèn)題。

第四，維護(hù)保養(yǎng)不到位。防煙排煙系統(tǒng)能否正常使用與系統(tǒng)各組件、配件的現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)密切相關(guān)，很多單位對(duì)防排煙設(shè)施的日常管理維護(hù)很差，有的單位甚至只在消防部門檢查時(shí)才打開防排煙設(shè)施，導(dǎo)致存在嚴(yán)重的排煙隱患。

（三）機(jī)械加壓排煙的常見問(wèn)題

第一，不合理的風(fēng)機(jī)選配。實(shí)際設(shè)計(jì)機(jī)械加壓送風(fēng)裝備時(shí)，必須參照現(xiàn)實(shí)機(jī)械加壓送風(fēng)量配置風(fēng)機(jī)，當(dāng)風(fēng)機(jī)選配不合理時(shí)，會(huì)影響排煙，如果加壓風(fēng)機(jī)尺寸超出標(biāo)準(zhǔn)，防煙區(qū)的正壓值會(huì)上升，導(dǎo)致疏散門無(wú)法正常打開，如果加壓風(fēng)機(jī)的規(guī)格較小，防煙區(qū)內(nèi)的正壓值也會(huì)較低，無(wú)法有效抵擋煙氣擴(kuò)散。

第二，風(fēng)口與風(fēng)閥的選配不科學(xué)。在機(jī)械加壓送風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)，如果未能正確選配風(fēng)口與風(fēng)閥，會(huì)影響風(fēng)口面積，加大系統(tǒng)阻力，導(dǎo)致風(fēng)量不足。在建設(shè)高層建筑時(shí)，如果不積極抹光進(jìn)風(fēng)管道內(nèi)壁或尚未及時(shí)修理腳手架，可能影響風(fēng)閥調(diào)節(jié)，不能正常防煙。

第三，未安壓差調(diào)節(jié)設(shè)備。參照文件條款，在個(gè)別情況下，把防煙樓梯間、前室送風(fēng)系統(tǒng)統(tǒng)一共用，或?qū)翰钫{(diào)節(jié)裝置配設(shè)于前室風(fēng)管支管，如果出現(xiàn)火災(zāi)，可以打開機(jī)械加壓裝置，樓梯間與前室之間構(gòu)成壓差，便于排除煙霧。在現(xiàn)實(shí)中，一些高層建筑沒(méi)有配設(shè)壓差調(diào)節(jié)裝置，使得合用室的前壓力高于樓梯間，會(huì)影響防煙效果。

第四，維護(hù)保養(yǎng)不到位。與機(jī)械排煙相似，機(jī)械加壓排煙系統(tǒng)也存在使用單位對(duì)日常維護(hù)保養(yǎng)不到位，甚至在非消防檢查時(shí)不開啟的問(wèn)題。

五、高層建筑火災(zāi)排煙常見問(wèn)題的解決對(duì)策

（一）自然排煙的解決對(duì)策

根據(jù)風(fēng)力對(duì)高層建筑自然排煙的影響，在高層建筑防火設(shè)計(jì)上，將進(jìn)風(fēng)口設(shè)在上風(fēng)方向，排煙口設(shè)在下風(fēng)方向。在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，室外的風(fēng)順著上風(fēng)方向進(jìn)入建筑物進(jìn)風(fēng)口，將室內(nèi)大量的煙氣通過(guò)下風(fēng)方向的排煙口排出室外，具有良好的自然排煙效果。

排煙窗設(shè)置在墻的上部自然排煙效果更佳，最好安排在頂棚或頂板下800mm的距離內(nèi)、中和面的上方。

對(duì)于高層建筑自然排煙而言，能通過(guò)自然排煙將建筑內(nèi)煙氣排出室外。實(shí)際上，整個(gè)排煙過(guò)程是一個(gè)空氣循環(huán)過(guò)程，要加大建筑物室內(nèi)的補(bǔ)風(fēng)量，使煙氣快速?gòu)慕ㄖ锎翱谂懦鍪彝?，從而有利于人員的逃生和疏散。

（二）機(jī)械排煙的解決對(duì)策

防排煙系統(tǒng)關(guān)系到整個(gè)建筑的消防安全，一般用于緊急狀態(tài)下的安全防護(hù)，關(guān)系到整個(gè)建筑物內(nèi)的人員安全。因此，此系統(tǒng)應(yīng)與配電設(shè)備、空調(diào)、散熱設(shè)備等分離安裝，確保防煙系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)不受到其他設(shè)備的干擾。

排煙口的具體設(shè)計(jì)與布局關(guān)系到整個(gè)建筑物的排煙效果。必須科學(xué)設(shè)計(jì)排煙口的尺寸，做好定位，如果室內(nèi)面積很大，可以增加排煙口的數(shù)量，注意均勻、分開布局。如果室內(nèi)高度達(dá)不到3m，要將排煙口安裝在和室內(nèi)凈高度一半以上的部位，確保排煙口遠(yuǎn)離疏散口，并讓排煙方向和疏散方向反向布設(shè)。如果排煙口配設(shè)于棚頂，與四周可燃物保持1m以上的距離，同時(shí)注意排煙口的形狀應(yīng)為細(xì)長(zhǎng)條縫形。

（三）機(jī)械加壓排煙的解決對(duì)策

風(fēng)機(jī)是機(jī)械加壓送風(fēng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，直接影響著防排煙的質(zhì)量以及效果，因此，需要合理選擇風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)風(fēng)量需要滿足排煙需求，排氣口要設(shè)置在墻壁靠近頂棚的位置或直接設(shè)置在頂棚上，以增強(qiáng)排煙效果。

六、結(jié)語(yǔ)

在高層建筑火災(zāi)中，及時(shí)、正確的排煙可以有效排除建筑內(nèi)的煙氣，為消防員的滅火救（下轉(zhuǎn)第157頁(yè)）（上接第154頁(yè)）援行動(dòng)提供便利，也能使被困人員的疏散更加安全，從而提高被困人員的存活率。在高層建筑物中，主要利用自然排煙系統(tǒng)、機(jī)械排煙系統(tǒng)以及機(jī)械加壓排煙系統(tǒng)排煙，這三種排煙系統(tǒng)各有優(yōu)劣。在實(shí)際的高層建筑火場(chǎng)中，排煙情況復(fù)雜，消防救援人員要綜合考慮可燃物情況、起火部位和被困人員等因素，科學(xué)選擇合理的排煙方法，以獲得最佳的排煙效果。

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