狭长受限空间建筑自然排烟可行性分析

颜挺利　徐斌

摘 要：分析了某商业街类狭长受限空间建筑的火灾危险性和火灾烟气输运特性，对建筑进行火灾模拟，获得其发生火灾时的烟气浓度、可见度、温度场、CO2气体浓度等数据。模拟数据显示，使用建筑顶部自然排烟方式，可以有效利用大体量建筑的空间优势，在保证烟气底层稳定性的同时，尽快将烟气排出至室外，为人员安全疏散提供保证。

关键词：狭长受限空间；自然排烟；数值模拟；火灾烟气输运

前言

火灾烟气是建筑火灾中造成人员伤亡的主要因素，据统计，在火灾中死于火灾烟气毒性的死者约占80%以上，其中绝大多数是由于吸入火灾烟气昏迷继而死亡[1]。狭长受限建筑人员疏散及救援难度大，要求更多的疏散救援时间，这就要求在火灾发生后的烟气能够快速有效排出。故研究狭长受限空间的火灾烟气输运特性及控制措施，对减少此类建筑的火灾伤亡和经济损失具有重要意义。

1 狭长受限空间类建筑火灾特性分析

狭长受限空间类建筑具有以下火灾危险性[2，3]：（1）由于建筑长度方向尺度大但宽度或长度方向尺度小，火灾扑救面被严重限制；（2）人流密集，人员组成复杂，且人员对建筑安全出口和逃生路径不熟悉，易恐慌，易产生羊群效应；（3）疏散及救援距离长且路径有交叉，常互相影响，使疏散和救援的进行受阻。

与普通的腔室火灾不同，狭长建筑有其特有的烟气输运过程。过程可以分为四个阶段：烟气形成及撞击顶棚阶段；顶棚射流阶段（撞击后烟气沿顶棚径向扩散）；与顶棚壁面相互作用并开始向长度方向蔓延的过渡阶段；烟气沿顶棚长度方向呈一维蔓延阶段。由此，狭长空间与普通腔室的烟气输运特性最大的区别在于，烟气沿顶棚长度方向的一维蔓延。同时烟气的蔓延方向与疏散的方向相同，与救援方向相反，这将给疏散和救援造成很大困难。

2 自然排烟有效性分析

自然排烟主要受外部环境和建筑结构的影響。如果建筑结构满足一定条件，通常可以增加自然排烟口进行排烟。自然排烟具有设备简单、高可靠性、运行维护简单且费用低的优点，在倡导低碳生活的今天，越来越被消防设计重视并采纳。同时，自然排烟口可以增加建筑物与外界大气的连接，也可以兼顾采光与美观需求。

3 工程应用

3.1 基本情况

某室内商业街建筑长度方向将近200m，宽27m，室内最高5m，屋顶为柱面网壳结构，对应圆柱壳半径为21m，轻巧、简洁、美观；两侧分列各种商业店铺及餐厅，火灾荷载密度较大，一旦发生火灾极易蔓延。建筑采用大量的玻璃幕墙。商店和餐厅内均设有自动喷水灭火系统，且在发生火灾后正常动作。

3.2 火灾场景设定

假定起火商店位于建筑中部略偏一侧的位置，采用t2火模型，火灾增长因子α取为0.114kW/s2。经过对商业街建筑的火灾荷载分布情况以及各功能区域潜在火灾危险性的分析，此火灾场景下，火灾荷载分布区域的有效直径为2m，由t2火模型可计算得，在t=166.67s时火灾热释放速率达到最大，为3.18MW，模拟中取为3.5MW。采用自然排烟方式，并设不进行排烟的对照组。

在商店火灾达到最大热释放速率后，引燃另一侧的餐厅。餐厅火灾的相关参数与商店相同。即商店起火167s后，餐厅被引燃，且餐厅在334s后达到最大热释放速率，此时的火灾热释放速率为7MW。疏散出口在火灾发生3min后开启，用于人员疏散。在建筑物顶部另设2个自然排烟口（长8m，宽2m），与感烟探测器联动，接收到信号后延时5s开启。模型在XYZ三个方向的尺寸为200m、30m、10m，网格数分别依次为64、400、20，在火焰附近进行了加密，总计约60万网格。在火灾发生后，与感烟探测器等火灾探测设备联动的自然排烟窗打开后，建筑屋顶的弧面结构除可以作为储烟仓聚集烟气外，又可以在某种程度上发挥烟囱效应。自然排烟口的面积约占建筑面积的1%。

3.3 自然排烟方式可行性判定

3.4 模拟结果分析

在未采取自然或机械排烟措施的情况下，A工况模拟结果显示，在火灾发生后，由于热浮力作用，烟气迅速冲向顶棚，形成顶棚射流。约500s时，在建筑长度方向流动的烟气已经经过反浮力壁面射流开始向火源方向回流。约800s时整个建筑顶部均可看到烟气。随着大量烟气的产生，整个建筑顶部逐渐被烟气充满且烟气层开始明显下降。B工况，大厅的自然排烟窗在38s时联动打开，部分烟气从自然排烟窗排出至室外。但由于烟气过于分散，热压作用不明显，排烟窗排烟量小于火源的产烟量，烟气层有所下降，越来越多的烟气蓄积在建筑顶部。尽管如此，鉴于烟气被大量冷空气稀释，临界危险高度处的能见度仍维持在30m左右。与A工况相比，在800s时排烟窗的排烟量约与火源产烟量达到平衡。烟气层主要蓄积在建筑顶部，且稳定在临界危险高度以上。

模拟结果显示，在发生火灾30min内，A工况的烟气层平均温度最高约达到了60℃，且仍处于上升状态；而进行自然排烟的B工况，烟气层平均温度最终维持在35℃左右。对于紧急情况下人员疏散的主要区域的CO2体积浓度，B工况明显小于未开启自然排烟窗（A工况）。

4 结束语

通过分析狭长建筑的火灾危险性和火灾烟气输运特性，针对某狭长空间商业街，使用FDS模拟分析了使用自然排烟方式对狭长建筑内火灾烟气控制的有效性。主要结论：

（1）大体量建筑内部空气对于火灾烟气有非常好的稀释冷却作用；狭长受限空间长度维度上的烟气流动易受强迫通风的影响，因此，可以有效利用大体量建筑的空间优势，在保证烟气底层稳定性的同时，尽快将烟气排出至室外。

（2）在建筑顶部设置自然排烟窗，可以有效的将火灾烟气控制在人员安全疏散需要的高度之上，同时保证烟气底层的稳定性。

在建筑物顶部设置自然排烟窗，维护运营方便，经济投资相对较少，但对建筑结构的要求较高；同时自然排烟易受环境和气象条件的影响，在设计时需要考虑建筑所在地常年主导风向等多方面因素。在科技日益发达的今天，选择愈来愈多，如何高效利用资源，回归自然，值得深入探讨研究。

参考文献

[1]范维澄，王清安，姜冯辉.火灾简明学教程[M].合肥：中国科学技术大学出版社，1995.

[2]阳东.狭长受限空间火灾烟气分层与卷吸特性研究[D].中国科学技术大学，2010.

[3]许秦坤.狭长通道火灾烟气热分层及运动机制研究[D].中国科学技术大学，2012.

作者简介：颜挺利（1983-），男，邢台市消防支队，毕业于兰州交通大学通信工程专业，硕士研究生学历，主要从事消防工作。

徐斌（1987-），男，邢台市消防支队，毕业于西南交通大学消防工程专业，在读硕士研究生，主要从事消防工作。