老舊辦公樓防排煙系統(tǒng)改造方案及可行性論證

莫海浩 傅碧峰 曾景灼 邱玉峰 黃園靜 豆鵬亮

摘要：為使既有建筑消防系統(tǒng)滿足安全目標，確?；馂?zāi)發(fā)生時人員順利逃生，對老舊辦公樓的防排煙系統(tǒng)提出改造方案，重新劃分防煙分區(qū)，滿足各樓層有效排煙面積和增設(shè)機械排煙系統(tǒng)。采用數(shù)值仿真進行排煙有效性分析，運用FDS模擬火災(zāi)煙氣，用Pathfinder模擬人員安全疏散。最終，第8層、第9層、第16層模擬得出的人員必須疏散時間（RSET）均小于可用疏散時間（ASET），表明該防排煙系統(tǒng)改造設(shè)計方案可保證火災(zāi)狀態(tài)下人員疏散安全，滿足消防安全目標。

關(guān)鍵詞：既有建筑；防排煙系統(tǒng)；仿真模擬；可行性

中圖分類號：X913.4? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2023）10-0004-03

隨著高層建筑的發(fā)展以及建筑防火、防排煙規(guī)范的更新，老舊建筑逐漸不能滿足新規(guī)范對建筑防火的要求，使得既有建筑改造具有必然性。既有建筑面臨的火災(zāi)有救援難度大、蔓延傳播快、持續(xù)時間長等特點[1]，再加上火災(zāi)煙氣的危害，極可能造成嚴重后果。然而，我國既有建筑消防改造面臨缺少文件指導、技術(shù)要求難執(zhí)行、監(jiān)管滯后和防火設(shè)計不合理等問題[2-3]。因此，提高既有建筑消防安全水平刻不容緩。

針對既有建筑火災(zāi)，丁厚成等[4]模擬了高層建筑火災(zāi)煙氣的流動特性，表明煙氣流動速度與火源HHR（熱釋放速率）直接相關(guān)；朱毅等[5]實驗研究了耦合因素對高層筑疏散走廊排煙效果的影響，確定了走廊疏散的最佳機械排煙量；鄭冠霞等[6]對大型商業(yè)綜合體火災(zāi)進行了煙氣與疏散模擬研究，探究其煙氣蔓延情況和人員疏散安全時間；郭阿敏等[7]模擬了圖書館的煙氣流動以及人員疏散，分析得出不同工況下的火災(zāi)危險性。在既有建筑火災(zāi)中，防排煙系統(tǒng)是降低建筑安全隱患、延緩火勢蔓延速度的重要途徑。因此，應(yīng)高度重視既有建筑防排煙設(shè)計，保證建筑安全性，提高火災(zāi)逃生率[8]。王亞峰[9]提出全敞開式室外疏散措施，借助通風空調(diào)系統(tǒng)開展防排煙工作，電梯井用作防排煙設(shè)施；陳興鋒[10]提出通風防排煙風機安裝位置需合理科學，且不能在前室或樓梯間安裝；陳真珍[11]提出防排煙系統(tǒng)豎井設(shè)計，應(yīng)盡量采用金屬風道，保持風道的可靠性、光滑性、嚴密性。

本文以某辦公樓為研究對象，由于建筑老化以及相關(guān)規(guī)范的更替，其消防設(shè)計不能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求以及正常使用需求，因此對消防設(shè)計中尤為重要的防排煙系統(tǒng)進行改造，并通過火災(zāi)模擬軟件FDS和疏散軟件pathfinder模擬論證其可行性。

1 項目概述

1.1? 項目介紹

本項目建筑為辦公樓使用功能，于2004年進行設(shè)計，2009年1月竣工投入使用。項目地下1層為車庫及設(shè)備用房，地上1～16層主要功能房間有：辦公室、會議室、檔案室、食堂與餐廳、專業(yè)設(shè)備機房、職工活動室等。本項目東、西及北面外墻均為玻璃幕墻，幕墻上局部位置開有懸窗，裙樓南面與主樓南面的1層均為玻璃幕墻（無可開啟窗），主樓南面2～16層外窗為推拉窗。項目結(jié)構(gòu)形式為框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑高度67.05m，總建筑面積28978m2，為一類高層公共建筑。

1.2? 設(shè)計難點

由于本項目建成時間久遠，防排煙系統(tǒng)大部分無法滿足現(xiàn)行標準，為本次改造設(shè)計帶來很大困難。按照《建筑防排煙系統(tǒng)技術(shù)標準》復核原設(shè)計及項目現(xiàn)狀，其中防煙系統(tǒng)改造難點為：原土建加壓送風井無法滿足內(nèi)襯為金屬風管，并且屋面布置設(shè)備多而分散，無增加專用加壓送風機房的條件。排煙系統(tǒng)改造難點為：不能滿足自然排煙窗的面積計算；不能滿足機械排煙設(shè)置。

2 防排煙設(shè)計方案

2.1? 設(shè)計思路及方案

本設(shè)計方案的思路是在原主體施工圖執(zhí)行規(guī)范的基礎(chǔ)上，盡量滿足現(xiàn)行規(guī)范《建筑防排煙系統(tǒng)技術(shù)標準》，對于確實難以滿足現(xiàn)行規(guī)范的，可根據(jù)住建部發(fā)布的《關(guān)于開展既有建筑改造利用消防設(shè)計審查驗收試點的通知》，參考試點區(qū)域解決方案，可按原規(guī)范《高層民用建筑防火設(shè)計規(guī)范》實施。通過分析本建筑的消防設(shè)計以及新舊規(guī)范，把防排煙系統(tǒng)的改造方案分為遵循新規(guī)范和沿用舊規(guī)范。對防煙分區(qū)劃分、自然排煙窗開啟角度、機械排煙系統(tǒng)按照新規(guī)范改造。對防煙分區(qū)進行重新劃分，保證其任意一點與最近的自然排煙窗的距離不大于30m；對于自然排煙窗有效面積計算按照新規(guī)范考慮窗開啟角度，開啟高度按照原設(shè)計不作相應(yīng)要求；對各防煙分區(qū)自然排煙面積不滿足2%要求的再增設(shè)機械排煙系統(tǒng)，第8、9層標準層東側(cè)走道設(shè)計為機械排煙，第16層等候區(qū)及走道均設(shè)置為機械排煙系統(tǒng)。

本建筑的防排煙豎井、防排煙風機專用機房以及自然排煙窗開啟高度無法滿足現(xiàn)行標準的，參考《北京市既有建筑改造工程消防設(shè)計指南》中的4.2節(jié)解決方案。防排煙豎井內(nèi)襯無法滿足金屬風管的要求，按原設(shè)計實施；屋面無增加專用防排煙機房的條件，其防煙系統(tǒng)按原設(shè)計實施；自然排煙窗開啟高度均按照原設(shè)計不作相應(yīng)要求。

2.2? 防排煙系統(tǒng)改造設(shè)計方案安全判定

安全評估以“人員安全疏散時間小于火災(zāi)危險來臨時間”作為安全疏散的判定準則。建筑的使用者撤離到安全地帶所花的時間（RSET）小于火勢發(fā)展到超出人體耐受極限的時間（ASET），則表明疏散過程達到人員生命安全的要求?？紤]到疏散過程中的不確定性，增加一個安全裕量時間（ts），通常取不小于0.1倍的疏散行動時間，即：

TRSET + ts＜TASET? ? ? ? ? ? ? ? （1）

2.3? 火災(zāi)煙氣模擬分析

選取典型樓層第8層、第9層和第16層，采用火災(zāi)動態(tài)模擬軟件FDS根據(jù)建筑設(shè)計圖紙和改造方案創(chuàng)建三維仿真模擬模型，進行煙氣流動仿真模擬；本設(shè)計排煙方式為自然排煙與機械排煙組合的方式。

2.3.1? 火災(zāi)場景分析與設(shè)定

本建筑為通信辦公樓，可燃物主要為沙發(fā)、紙張以及木制家具等，日常人流量大且人員集中，因此設(shè)定8、9、16層辦公區(qū)起火，考慮噴淋系統(tǒng)無效，火源位置位于樓層中心位置，有利于觀察煙霧向樓層各方向蔓延?；鹪丛鲩L速率為快速t2增長型火源，增長系數(shù)為0.046889kW/s2，火源功率為6.0MW。本設(shè)計排煙方式為自然排煙與機械排煙組合的方式。

2.3.2? 火災(zāi)煙氣模擬結(jié)果分析

在分析火災(zāi)對疏散的影響時，一般從能見度（煙層高度2.0m以下時，大空間能見度臨界指標為10m，小空間為5m）、溫度（熱煙層降到2.0m以下，持續(xù)時間30min的臨界溫度為60℃）來衡量人體耐受極限，通過分析參數(shù)的臨界值判斷火災(zāi)的危險狀態(tài)。

2.3.2.1? 能見度分析

圖1 a、b、c為第8層發(fā)生火災(zāi)時機械排煙與自然排煙相結(jié)合的能見度切片，火災(zāi)發(fā)生后煙氣上升至頂棚沿四周徑向蔓延至墻體邊界與擋煙垂壁，隨后煙氣層下降至擋煙垂壁下沿以下時，就會向東側(cè)區(qū)域擴散，并通過門進入其他房間。煙氣蔓延先到達西側(cè)合用前室，后到達東側(cè)前室，當時間達到183s、203s和300s時，煙氣蔓延至整個樓層，東西兩側(cè)前室能見度均已低于5m，只有邊緣區(qū)域由于房門以及墻壁的阻擋，能見度高于5m。當采用機械排煙時，第8層東側(cè)合用前室入口可用疏散時間為203s，西側(cè)前室入口處可用疏散時間為183s，采用機械排煙可以保證人員安全疏散。

2.3.2.2? 溫度分析

當發(fā)生火災(zāi)300s后，樓層中心區(qū)域溫度均大于60℃，達到了臨界值；而外圍的區(qū)域由于門的阻擋作用，溫度均小于60℃。表明了火災(zāi)發(fā)生后以火源為中心的空曠區(qū)域溫度將會快速上升，因此被困人員需要及時的疏散。

2.4? 人員疏散模擬

采用人員疏散模擬軟件pathfinder創(chuàng)建三維仿真模擬模型，進行人員疏散仿真模擬。因為人員的體型以及人員密度會影響疏散速度，所以參考《SFPE消防工程手冊》對仿真模擬人員進行參數(shù)設(shè)置。全樓疏散模擬總時間為547s。通過分析疏散模擬結(jié)果，得出8、9、16樓層不同區(qū)域的模擬時間，計算出人員必須疏散時間，見表1。

2.5? 判定結(jié)論

通過以上煙氣模擬分析得出樓層內(nèi)各安全出口的必須疏散時間（RSET），結(jié)合安全疏散分析得出的可用疏散時間（ASET），可得出各場景下的疏散安全性結(jié)論，如表1所示。第8層人員疏散至ST1、ST2可用時間為203s、183s，人員必須疏散時間為156s、179s，分別相差47s和4s；第9層和第16層的人員疏散可用時間和人員必須疏散時間分別相差78s、45s和36s、20s，故增加機械排煙后，當?shù)?、9、16層著火后，都能保證滿足人員疏散安全要求。

3 結(jié)論

本研究對象防排煙系統(tǒng)的改造方案基本執(zhí)行現(xiàn)行國家工程建設(shè)消防技術(shù)標準，確實受條件限制無法執(zhí)行新規(guī)范的部分，在充分考慮新舊技術(shù)標準差異的同時，堅持不降低既有建筑原有結(jié)構(gòu)和消防安全水準，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)消防改造的可行性和技術(shù)合理性，實現(xiàn)改造建筑安全性和工程經(jīng)濟性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，使得項目的消防安全性能得到了整體提升，達到了預定的改造后消防安全目標。

通過量化分析方法選取典型樓層，對本次防排煙系統(tǒng)改造方案是否能滿足消防安全目標進行驗證，通過對典型樓層不同火災(zāi)場景的火災(zāi)煙氣及人員安全疏散模擬分析，實行上述防排煙系統(tǒng)改造方案，各種火災(zāi)場景下，人員疏散的可用安全疏散時間均大于人員必須安全疏散時間，各樓層及整棟樓人員均可安全疏散，因此，本項目提出的上述消防改造方案可行。

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Reconstruction scheme and feasibility demonstration of smoke prevention and exhaust system in old office buildings

Mo Haihao1， Fu Bifeng1， Zeng Jingzhuo1， Qiu Yufeng1， Huang Yuanjing1， Dou Pengliang2

（1. Nanning Construction Engineering Fire Service Center， Guangxi Nanning 530029; 2. Nanning Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Guangxi Nanning 530022）

Abstract： In order to make the fire protection system of the existing building meet the safety goals and ensure the smooth escape of personnel in the event of a fire， a renovation plan is proposed for the smoke prevention and exhaust system of the old office building， and the smoke prevention zone is re-divided to meet the effective smoke exhaust area of each floor and to add a mechanical smoke exhaust system. Numerical simulation is used to analyze the effectiveness of smoke exhaust， FDS is used to simulate fire smoke， and Pathfinder is used to simulate the safe evacuation of personnel. Finally， the necessary evacuation time（RSET）obtained by the simulation of the 8th， 9th and 16th layers is less than the available evacuation time（ASET）， indicating that the modification design scheme of the smoke prevention and exhaust system can ensure the evacuation of personnel under fire conditions. Safety and meet fire safety goals.

Keywords： existing building; smoke prevention and exhaust system; simulation;feasibility.