浅谈高层建筑火灾烟气的运动特征和控制措施

方加军 熊 超

随着我国经济的快速发展，高层建筑的数量逐年增多，其消防安全问题也越来越受到社会的关注。相关研究结果表明，高层建筑火灾中烟气的毒害和窒息作用是致人死亡的最主要原因，如何控制火灾烟气的蔓延和扩散，已经成为了研究高层建筑消防安全的重要内容。由于影响高层建筑烟气流动的因素很多，高层建筑的外形、内部结构又各不相同，使得控制高层建筑的烟气流动极为困难。因此，对高层建筑火灾烟气的运动特征和控制措施进行深入研究显得极为重要。

一、高层建筑火灾烟气的危害

高层建筑发生火灾时，在“烟囱效应”的作用下，有毒烟气迅速蔓延，可能导致建筑物内人员来不及疏散就被熏晕甚至窒息中毒死亡；此外，烟气的扩散使建筑物内能度大幅下降，建筑物内的人员看不清出口或看不清疏散标志，惊慌失措下会严重影响人员的疏散，从而加大了人员伤亡率。国外相关统计资料显示，在高层建筑火灾中死亡的人员中，有62.4%是由于窒息、吸入烟尘和CO中毒而死亡，而因烧伤而死亡的人员只占26%左右。

二、高层建筑火灾烟气的运动特征

高层建筑火灾的烟气运动过程是一个复杂的非定场问题。相关实验结果和气体膨胀定律表明，对于普通高层建筑火灾，当火焰温度达到700℃时，烟气体积会膨胀3倍以上，压力急剧升高, 迫使烟气从着火部位向建筑物的其它部位蔓延和扩散。因此，高层建筑发生火灾时，高温引起的气体膨胀是影响烟气流动的根本的因素。

2.1 竖向井道是烟气蔓延的主要途径

一栋高层建筑中，设有风道、排气道、楼梯间、电梯井等竖向井道，如果防火分隔或防火处理不好，火灾时这些起着烟囱作用的竖井，常常会成为火势迅速蔓延的途径。相关测量数据显示，在火灾初期阶段，在空气对流的作用下，水平方向造成的烟气扩散速度为0.3m/s；进入燃烧的猛烈阶段后，在高温热对流作用下，造成的水平方向扩散速度为0.5～3m/s，而烟气沿楼梯间和其它竖向管道的扩散速度能达到3m/s以上。也就是说，对于一座高度100m左右的高层建筑来说，在无阻挡的情况下，由于烟囱效应的作用，烟气从竖井扩散到顶层只需要30s。

2.2 烟气流存在“贴壁现象”

高层建筑发生火灾时，烟气会从窗户向外扩散，烟气与室外空气相比，温度较高，密度较低，而较高楼层外围受到的风力作用较大，烟气流会向上抬起，加上烟气射流在扩散过程中，烟气流与墙壁面之间的补气能力较弱，造成的负压区会导致烟气流扑向墙壁面形成“贴壁现象”。这种情况导致的直接后果是，当贴壁的火焰或烟气流的温度达到500℃以上时，一旦接触到上层窗户的玻璃，玻璃会马上破裂，从而使火灾蔓延到相邻的上层。

2.3 中性层位于建筑高度的中部附近

热压作用是指室内外温度差和窗孔之间的高度差引起的浮力作用。室内外温差引起的热压作用导致上下层之间存在压力差，在不考虑风压作用的情况下，由温差引起的室内外压差称为余压。中性层就是指余压为零的平面。当高层建筑各楼层的开口面积分布较为均匀时，中性层大致在建筑高度的1/2附近。如果在中性层以下的外墙上开口，冬季火灾的初期，反而会从开口处吸入室外空气，若没有合理安排防烟分区，电梯和楼梯等竖井会助长烟气的传播；夏季发生火灾时，由于高层建筑中多使用空调，产生的下降气流会导致烟气向下层传播。

2.4 “烟囱效应”非常明显

在建筑物的竖井中，由于温度差的存在使得自然对流循环加强，促使烟气上升流动的效应就是“烟囱效应”。由于高度原因，高层建筑有比一般建筑更加明显的浮力作用。在浮力作用下，建筑上层部分室内将产生高于室外的压力，室内空气会通过窗孔等开口排至室外；相反，建筑下层部分室内将产生低于室外的负压，外部空气流入室内。这样就会在建筑物内的各种竖井中产生一股上升的气流，空气从室外进入高层建筑的下层部分，然后源源不断地通过这些竖井，从高层建筑的下层部分输送到上层部分，最后由上层部分排向室外，从而形成了一个自然对流的循环过程。当高层建筑的下层部分发生火灾时，产生的烟气将随空气流入竖井，导致竖井中的气温大幅上升，浮力作用加大，当烟气在竖井内上升到中性层以上时，烟气就会流出竖井进入高层建筑上部的各个楼层。这就是发生“烟囱效应”的根本原因。

三、高层建筑火灾烟气的控制措施

当前，对于高层建筑火灾，采取的烟雾控制措施主要有控制烟雾的产生量和降低建筑物内烟气的浓度。前者要求在建筑的建造中，尽量减少可燃装修材料的使用以及安装火灾自动报警系统；后者主要依靠建筑自身构造和防排烟系统排烟，具体方式主要包括自然排烟、机械防烟和机械排烟三种，其具体的优缺点见表1所示。

3.1 自然排烟

自然排烟是指，借助室内外气体温度差引起的热压作用和室外风力所造成的风压作用而形成的室内烟气和室外空气之间的对流运动。自然排烟要求需要排烟的房间必须有一面墙壁是面向室外的，而且进深不能太大，排烟口至排烟区域最远处的水平距离不大于30m；自然排烟还对开窗面积有一定的限制，要求排烟口的有效面积与排烟区域地面面积之比不小于规定值。具体主要包括以下几点：（1）靠外墙的防烟楼梯间每5层内可开启外窗，总面积之和不小于2m2；（2）设有不同朝向的可开启外窗前室的开窗面积，独用前室不小于2m2，合用前室不小于3m2；（3）净空高度小于12m的中庭，可开启的天窗或高侧窗的面积不应小于该中庭地面面积的5%；（4）长度不超过60m的内走道，可开启外窗面积不应小于走道面积的2%；（5）需要排烟的房间可开启外窗面积不小于该房间面积的2%。

3.2 机械防烟

机械防烟是指，在疏散通道等需要防烟的部位送入足够的新鲜空气，使其维持高于建筑物其它部位的压力，从而把着火区域所产生的烟气堵截于防烟部位之外，从而保证疏散通道的绝对安全。机械防烟系统根据适用场合和压力水平，可分为单级系统和双级系统两种。前者只有在火灾紧急情况下才投入运行，要求正压水平较高；后者在正常情况下以低压水平运行，而在火灾紧急情况下增压运行。但无论是单级系统还是双级系统，机械排烟方式保护的对象都是建筑物内的疏散通道。为了使烟气从着火房间通过窗户排至室外，需要保持机械防烟气流的流向为楼梯间→前室→走廊→房间。根据《高层民用建筑设计防火规范》的规定，高层建筑中应设置机械防烟设施的部位主要包括：封闭避难层/间；不具备自然排烟条件的防烟楼梯间及其前室、消防电梯前室或合用前室；采用自然排烟措施的防烟楼梯间，其不具备自然排烟条件的前室。

表1 三种烟气控制措施的优缺点比较

3.3 机械排烟

机械排烟方式是利用排烟机把着火区域产生的高温烟气通过排烟口排至室外的排烟方式，其根本作用在于能及时而有效地排除着火层或者着火区域的烟气，为受灾人员的疏散和财产的转移在时间和空间上创造条件。国外相关测量数据显示，对于一栋50m左右的高层建筑，发生火灾时，一个设计优良的机械排烟系统能排出80%的热量，这样就使火灾温度大大降低，从而对人员疏散和火灾扑救起到重要作用。《高层民用建筑设计防火规范》规定，高层建筑中应设置机械排烟设施的部位主要包括：（1）无直接自然采光和通风，或设置了固定扇窗且长度超过20m的内走道；（2）有直接采光和自然通风，但长度超过60m的内走道；（3）面积超过100m2且经常有人停留或可燃物较多的房间；（4）不具备自然排烟条件或净空高度超过12m的中庭；（5）除利用窗井等开窗进行自然排烟的房间外，各房间总面积超过200m2或一个房间面积超过50m2，且经常有人停留或可燃物较多的地下室。

对于高层建筑特别是超高层建筑火灾，切实有效的烟气控制系统对保障人员生命安全和减少火灾损失具有极其重要的意义。人员疏散所需时间大致与建筑物高度成正比，采用的防排烟系统必须对烟气实施有效的控制，才能使某些特定区域内的烟浓度始终能维持在人员疏散过程中可以忍受的水平。因此，深入研究高层建筑火灾烟气的运动过程，并采取科学的烟气控制措施，才能确保发生火灾时人员的安全疏散和快速灭火，从而最大限度地减少火灾所造成的损失。