建筑防烟分区划分安全性研究
王婉娣 , 张辉     
清华大学 工程物理系, 公共安全研究院, 北京 100084
摘要:设置防烟分区是建筑防排烟的重要措施之一。同一防火分区,其防烟分区可有多种划分,为探讨安全性高且又能应对各种火灾可能性的合理化设计,该文基于火灾安全性分析原理,通过场模型的仿真计算方法,研究了典型建筑空间中防烟分区划分对火灾安全性的影响。研究结果表明:防烟分区划分应该与疏散出口的分布相匹配;过多疏散出口划归在一个防烟分区将导致安全性严重降低;各个防烟分区均匀分布疏散出口,则有助于适应火灾发生地点的不可预知性,确保任何火灾情况下的疏散安全性。
关键词建筑     火灾     防烟分区     安全性     疏散出口    
Smoke bay design in buildings
WANG Wandi, ZHANG Hui     
Institute for Public Safety Research, Department of Engineering Physics, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Abstract:Smoke bays in buildings are an important measure of fire smoke control. One fire compartment can be divided into various smoke bays. To figure out the rational division way with high safety, the influence of the smoke bay design on the fire safety was studied by using field model simulations to find the best method that ensures safety. The results show that smoke bays should be divided to match the evacuation exit distribution. The safety is seriously compromised if too many evacuation exits are connected to one smoke bay. The number of smoke bays should match the number of exits to improve fire safety.
Key words: building     fire     smoke bays     safety     evacuation exits    

现代公共建筑内的人员不仅密集,而且对疏散逃生路线不甚熟悉,对于建筑面积较大的空间,火灾过程中人员完成安全疏散所需的时间较长。为了保证足够的疏散时间,在建筑内通过划分防烟分区以减小烟气对人员和结构的危害,是建筑防排烟的主要措施之一[1-4]

在国家《建筑防火设计规范》[1]和《高层民用建筑设计防火规范》[2]中均规定,对于设置了机械排烟设施且净高不超过6 m的房间和走道等场所,应划分防烟分区,其目的是防止烟气在建筑内不受控制地扩散,以满足人员安全疏散和消防扑救要求。规范中对于指导划分防烟分区,在诸如防烟分区不应跨越防火分区、特殊用途场所应单独划分防烟分区、房间与走道之间根据是否为防火门进行不同的划分处理等多个方面均给出了具体的条文说明,国内一些学者对条文中所涉及的细节和设备展开了论述和探讨[5-6]

然而,对于在同一防火分区内,如何进行合理的防烟分区划分,规范则尚未给出具体的指导性建议或说明,因而在实际工程中的防烟分区划分的合理性和安全性没有形成统一的认识。同一防火分区,可以有多种划分设计,且设计人员因技术背景和设计理念上的差异,以致设计出现多样化。各个设计是否合理,所能达到的火灾安全性是否有明显差异,如何从中选择出安全性高且又能应对各种火灾可能性的合理化设计,是当前建筑防火设计中存在的一大实际问题,急需研究和解决,而国内在该方面的深入研究尚不多。

本文基于实际公共建筑工程算例,通过场模拟的方法对烟气流动及分布进行计算,分析不同防烟分区划分设计对人员疏散安全性的影响,力求防排烟系统在火灾中确实能配合疏散设施发挥作用,为人员安全逃生提供足够的时间。

1 研究方法

从国内外的研究情况可见,计算机模拟软件在理论研究和工程设计中得到了大量应用,就用于火灾仿真模拟研究的软件来看,以美国NIST (National Institute of Standards and Technology)开发的FDS (fire dynamics simulator)应用最为广泛[7-9]。基于数值计算方法,该软件重点针对火灾情况下烟气的流动扩散以及热量传递[10]。无论开展研究还是着手设计,都可以运用FDS来模拟出物理量在空间上随时间的变化,使火灾过程及现象较为精细地得以仿真,从而对烟气控制方面存在的实际问题进行解决。本文以软件FDS为研究工具,仿真预测建筑内的火灾烟气分布状况,进而对不同防排烟设计的安全性和合理性进行研究。FDS采用大涡模拟,基本守恒方程如下。

连续性方程:

$ \frac{{\partial \rho }}{{\partial t}} + \nabla \cdot \rho \mathit{\boldsymbol{u}} = 0. $ (1)

动量方程:

$ \rho \left( {\frac{{\partial \mathit{\boldsymbol{u}}}}{{\partial t}} + \left( {\mathit{\boldsymbol{u}} \cdot \nabla } \right)\mathit{\boldsymbol{u}}} \right) + \nabla p = \rho \mathit{\boldsymbol{g + f + }}\nabla \cdot \tau . $ (2)

能量守恒方程:

$ \begin{array}{*{20}{c}} {\frac{{\partial \left( {\rho h} \right)}}{{\partial t}} + \nabla \cdot \rho h\mathit{\boldsymbol{u = }}\frac{{Dp}}{{Dt}} + \dot q''' - \nabla \cdot {\mathit{\boldsymbol{q}}_r} + \nabla \cdot k\nabla T + }\\ {\nabla \cdot \sum\limits_l {{h_l}\rho {D_l}\nabla {Y_L}.} } \end{array} $ (3)

组分输运方程:

$ \frac{{\partial \left( {\rho {Y_l}} \right)}}{{\partial t}} + \nabla \cdot \rho {Y_l}\mathit{\boldsymbol{u = }}\nabla \cdot \rho {D_l}\nabla {Y_l} + \dot m''{'_l}. $ (4)
2 工程实例研究 2.1 算例一 2.1.1 防烟分区划分

以某商业建筑中的一个防火分区空间为例,该区为大型超市,建筑空间通透,封闭吊顶以下的净空高度为3.2 m,设有机械排烟系统,其排烟量为60 000 m3/h。有2部疏散楼梯及1个能够通往相邻防火分区的借用出口可供该区人员逃生。本文针对该空间2种不同的防烟分区划分设计进行烟气分布的模拟计算,对比各自烟气控制达到的安全性。

设计方案A将空间分成东西向2个防烟分区,如图 1所示,该设计方案来源于原有的建筑设计;设计方案B则按照南北向划分为2个防烟分区,如图 2所示,该设计为本文提出的优化设计。这2种方案的不同之处在于:设计方案A中的防烟分区A1有2部疏散楼梯可用,防烟分区A2则没有疏散楼梯;设计方案B中,防烟分区B1B2各有一部疏散楼梯可用。

图 1 算例一设计方案A平面示意图

图 2 算例一设计方案B平面示意图

2.1.2 火灾场景设定

基于火灾场景设置中的最不利原则,设火灾发生在1号楼梯间附近,火灾增长采用时间平方火模型[11],如下所示:

$ Q = \alpha {t^2}. $ (5)

其中:α为火灾增长系数;Q为热释放速率,单位kW;t为火灾发展时间,单位s。本算例中α取值为0.046 89,Q的最大值为3 000 kW[12]

对于火灾附近的人员,能够直接意识到火灾,从而迅速从就近的安全出口进行疏散。但是,对于远离火灾的人员来讲,由于看不见火势,只有间接的从火灾报警系统获得火灾发生的信息后,才会开始采取行动撤离。1号楼梯间由于靠近火源,人员大多不会朝它疏散,而是朝着2号楼梯间进行疏散。因此,对2号楼梯间应保证其较长时间的安全性。

2.1.3 模拟结果

设计方案A的烟气分布模拟结果如图 3所示。结果表明,火灾发生后不久,2号楼梯间出口前就被烟气所覆盖。从图 3a可见,火灾发生后240 s,烟气就蔓延到2号楼梯间,再过60 s之后,该楼梯间出口前的空间已完全弥漫烟气, 如图 3b所示;并且用于通往相邻防火分区的出口,也在360 s后被烟气遮没,不能够再提供给人员安全撤离,如图 3c所示。

图 3 算例一设计方案A各时刻下的烟气分布云图

设计方案B的烟气分布模拟结果如图 4所示,在火灾发生600 s后,2号楼梯间疏散出口处才开始有烟气到达,如图 4b所示。表 1给出了算例火灾场景下,防烟分区设计方案A与方案B中各出口可用安全疏散时间的对比。

表 1 算例一中各出口可用安全疏散时间对比
设计方案 1号疏散出口 2号疏散出口 借用出口
A 不可用 240 s 360 s
B 不可用 600 s >600 s

图 4 算例一设计方案B各时刻下的烟气分布云图

2.2 算例二 2.2.1 防烟分区划分

该算例中的建筑空间为集餐饮和购物为一体的综合区,设有4间商店和1间餐厅。其中,商店为单独的隔间,餐厅则为面向大厅的开敞式设计。该综合区封闭吊顶以下的净空高度为3 m,设有机械排烟系统,其排烟量为60 000 m3/h。火灾发生时,综合区内的人员通过1部疏散楼梯及3个能够通往相邻防火分区的借用出口进行逃生,如图 5所示。

图 5 算例二设计方案A平面示意图

设计方案A的防烟分区划分如图 5所示,沿着餐厅的外延轮廓设置了挡烟垂壁1,该设计方案来源于原有的建筑设计;设计方案B为本文提出的优化设计,如图 6所示,除了设置挡烟垂壁1,还设置了挡烟垂壁2和3。这2种方案的不同之处在于:设计方案A中,出口1、出口2和出口3均位于同一防烟分区;而设计方案B中,则将出口1、出口2和出口3分隔开划分到不同的防烟分区。

图 6 算例二设计方案B平面示意图

2.2.2 火灾场景设定

基于火灾场景设置中的最不利原则,设火灾发生在餐厅内,如图 56所示。火灾增长采用时间平方火模型,火灾增长系数α取值为0.046 89,热释放速率Q的最大值为2 000 kW[12]。对于餐厅内的人员,能够在早期意识到火灾,从而迅速从就近的安全出口进行疏散。而对于商店内的人员来讲,由于空间被相对封闭,声音和视觉上均被阻隔,很难在早期得知火情,大多只有当火灾报警启动之后,才会开始采取行动撤离。对于这部分人员,主要通过出口3,以及出口4进行逃生,出口1和出口2由于紧邻发生火灾的餐厅而不能用于疏散。因此,出口3和出口4应保证其较长时间的安全性。

2.2.3 模拟结果

设计方案A的模拟结果表明,火灾烟气从餐厅溢出后,使得楼梯间出口1以及大厅的2个借用出口2和出口3在火灾发生后的400 s就被超标烟气所包围,通往出口4的走道也已被烟气所填充,人员无法再进行疏散,如图 7所示。

图 7 算例二设计方案A在火灾400 s烟气分布云图

设计方案B的烟气分布模拟结果如图 8所示,相比于方案A,火灾发生后400 s的烟气分布云图中,借用出口3所在的防烟分区烟气量较少,通往出口4的走道也只有极少量烟气侵入,如图 8a所示,出口3和出口4的可用安全疏散时间分别延长到480和600 s,如图 8b8c所示。算例二中,2种设计方案下,各出口的可用安全疏散时间对比如表 2所示。

图 8 算例二设计方案B各时刻下的烟气分布云图

表 2 算例二中各出口可用安全时间对比
设计方案 楼梯间
出口1
借用
出口2
借用
出口3
借用
出口4
A 不可用 不可用 400 s 400 s
B 不可用 不可用 480 s 600 s

3 结果分析

算例一和算例二分别以开敞的大空间和有隔间的大空间这2种典型的建筑为研究对象,针对不同的防烟分区划分进行了火灾烟气模拟计算,模拟结果显示:火灾产生的烟气在着火防烟分区内横向蔓延很快,且在撞击到墙壁后,将沿着壁面下降一定高度,因而对于空间高度较低的场所来讲,着火防烟分区内的疏散出口在短时间内就被火源或烟气封堵,而不能为人员疏散所用;随着烟气的蔓延沉降,当烟气层低于挡烟垂壁下边缘后,烟气才会溢出火灾防烟分区,侵入相邻分区,因而对非着火防烟分区而言,在挡烟垂壁和排烟的共同作用下,受到烟气威胁的时间被延迟,疏散出口可用安全时间相对较长。由此可见,相同的排烟设施和疏散条件下,防烟分区的划分不同,致使各分区的疏散出口数量配比不同,从而造成火灾中人员疏散整体安全性上的差别。

对于算例一和算例二,基于上述结果和分析,可得出:

1)设计方案A,只对某些特定的火灾场景能保证足够长的安全疏散时间。如算例一,当火灾发生在1号防烟分区时,2部楼梯间安全出口可供人员疏散的时间均较短,而只有当火灾发生在2号防烟分区时,楼梯间的安全出口才能保证人员疏散的安全需求;

2)相比之下,设计方案B则不管火灾发生在任何地点,均能保证至少有一个楼梯间安全出口具有较长的安全时间供人员疏散。

由于火灾的不确定性特征,其发生的位置难以预测,因而设计中最好全面考虑应对各种火灾可能性,鉴于此,设计方案B中的防烟分区划分更合理。

4 结论与建议

本文基于实际工程算例,根据最不利的原则设置火灾场景,通过仿真模拟计算和火灾安全性分析,对典型建筑空间中的防烟分区划分进行了研究,给出以下结论和建议,为今后的消防设计和规范修订提供科学的参考。

1)防烟分区的划分对烟气控制所能达到的安全程度有着重要的影响。当疏散出口的分布已固定时,不同的防烟分区划分设计下,各个防烟分区间的疏散出口配比不同,由此将导致相同排烟设施下人员疏散安全性有明显差异。

2)进行分区划分的过程中,如果忽视与疏散出口的分布相匹配,而将过多疏散出口划归在一个防烟分区内,一旦该防烟分区着火,则整个防火分区的疏散条件将明显不足,特别是所有出口均处于一个防烟分区的设计,安全隐患尤为严重。

3)划分防烟分区的设计中,建议避免一个防烟分区内占有过多疏散出口;若能将疏散出口均匀划归到各个防烟分区,则不管火灾发生在哪个分区,烟气的蔓延都不会引起疏散条件的大幅降低,有助于适应火灾发生地点的不可预知性,以保证任何火灾情况下的疏散安全性。

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