民用建筑自然排烟设计分析

阮丽君

上海沪防建筑设计有限公司

民用建筑自然排烟设计分析

阮丽君

上海沪防建筑设计有限公司

在建筑物的防排烟设计中，自然排烟是优先考虑采用的一种方式，因为它具有结构简单可靠、节省投资、运行维护方便等优点。自然排烟易受到外界环境因素的影响，因此规范规定了设计自然排烟的允许条件及方法。现有的各种规范的要求有所差异，本文对此作出分析比较，认为进行自然排烟设计时，不同规范之间可以相互参考补充，但是有些不一致的条文规定会导致设计结果相距甚远，有待修正。

自然排烟 规范 分析比较

在防排烟设计中，作为设计依据的国家规范包括《建筑设计防火规范》（GB50016-2006）（以下简称《建规》）、《高层民用建筑设计防火规范》（GB50045-95-2005）（以下简称《高规》）。另外有一些地方标准主要有上海《上海市建筑防排烟技术规程》（DGJ08-88-2006）（以下简称《上海标准》）、北京《自然排烟系统设计施工及验收规范》（DBJ 01-623-2006）（以下简称《北京标准》）。

1 中庭自然排烟分析

对于中庭的自然排烟，《高规》和《北京标准》规定只有中庭高度低于12m时才能采用自然排烟，开窗面积为不小于中庭占地面积的5%。《建规》和《上海标准》则没有限制12m高度。在实际工程中，中庭的围护结构往往为玻璃，顶面可能为弧形，设机械排风非常困难。其实不少建筑经过数值模拟及理论分析计算，证明对大于12m的中庭采用自然排烟是可行的，表1列出了这些模拟和实际工程的具体情况。

表1 模拟工程统计

火灾发生时，烟气在热压作用下上升，到达顶棚后进行水平扩散，当碰到墙壁或水平障碍物后，烟气开始下降，烟层逐渐下降，温度不断升高。排烟要求在一定时间内烟层维持在某一高度，使排出的烟量与产生的烟量相等，烟层厚度不再发生变化，烟层下方即为清晰高度。该高度应满足人员的疏散要求。根据这个排烟原理，虽然中庭高度大于12m时，部分烟气会遇冷下降，但建筑中的高大中庭具有较强的蓄烟功能，为人员的疏散赢得时间。在表1中的各个项目均论证了通过合理的设置自然排风与补风的面积和位置，同时最小清晰高度满足最上层的人员疏散要求的情况下，对大于12m的中庭，自然排烟能很好地满足消防要求。所以在实际工程中，对于高于12m中庭，可综合考虑风压、热压的作用通过模拟计算论证，进行自然排烟设计。

2 楼梯间自然排烟

各防火规范都规定靠外墙的防烟楼梯间设计自然排烟时，每五层内可开启排烟窗的总面积不应小于2.0m2。其中《建规》和《高规》在条文说明中指出这五层中顶层或上两层应有一定的开窗面积，其余楼层不限，所谓一定的开窗面积，并未有明确的数据，若只在上面第二层开窗，且面积很小，由于烟气往上蹿升，那么楼梯间最上面两层的烟气会聚集，不利于疏散。在《上海标准》和《北京标准》明确规定了自然排烟楼梯间顶层的通风面积不小于0.8m2，一般楼梯间的截面积约为20～30m2，该开窗面积占截面积比为2.6%～4%，与《建规》9.2.2.4规定的其余区域自然排烟的开窗面积占房间占地面积之比在2%～5%范围内相符。德国《高层住宅设计规范》规定：必须在最上部设排烟装置，其面积必须至少为楼梯间截面积的5%。日本《建筑法规执行条例》规定：在顶棚下80cm高度范围内，能开启窗户的净面积不小于房间面积的2%。所以参考国外的经验，我们在楼梯间自然排烟设计中，顶层通风面积0.8m2的要求也是必要的。实际工程中，若外墙开窗面积无法满足时，可以在伸出屋顶的风井侧面设百叶窗排烟。

3 自然排烟开窗面积及补风问题

在《建规》、《高规》中规定自然排烟时不同空间的可开启外窗面积，没有提及补风要求。但在《北京标准》中明确规定设置自动自然排烟系统的场所应设置补风系统，而补风可以采用自然补风或机械补风。《上海标准》中规定除面积小于500m2的区域或带喷淋的大空间办公室和汽车库外，其余空间需设排烟和补风口，自然通风面积按下式计算：

式中：Av、A0为排烟口、所有进风口的截面积，m2；Cv为排烟口流量系数，通常取0.5～0.7；C0为进气口流量系数，通常取0.6；ρ0为环境密度下的气体密度，kg/m3；db为排烟窗下烟气的厚度，m；T为烟气的绝对温度，K；T0为环境的绝对温度，K。

从式（1）看出，当Av/A0确定后，对某一个火灾模型所需的Av即可确定，从节能角度考虑，可开启外窗面积越小越好，图1为不同火灾模型下，Av/A0与Av+A0的曲线图。

图1 不同火灾模型下Av/A0与Av+A0的关系

图1中曲线一、二为层高为4.5m的办公室，曲线三、四为层高为12m的中庭。从图中可看出在Av/A0比例在1.1～1.35之间时，排烟及补风的面积之和较小，所以在设计时可根据建筑条件按此比例范围取值。

从各规范可看出，主要有下列建筑空间的自然排烟补风要求是不同的（表2）。

表2 各种建筑空间的自然排烟补风

表2中两种空间自然排烟开窗面积比较见表3。

表3 两种空间自然排烟的开窗面积比较

从表3可看出：自然排烟按不同的标准设计，开窗面积中庭在380m2（大空间建筑面积500m2）时大致相同，随着面积增加至2000m2，《上海标准》要求的开窗面积约为其他规范规定面积的30%。当中庭面积减小至100m2时，《上海标准》要求的开窗面积约为其他规范的规定面积的3.5倍。《上海标准》中4.3.7规定，当建筑室内净高度超过6m，建筑室内净高度每增加1m，排烟面积可减少5%。此条文未说明是否适用于中庭，考虑到中庭与相邻走道或回廊联通时，中庭的清晰高度须满足最高层的疏散要求，因此4.3.7条不能直接适用于中庭。

《上海标准》主要采用火灾模型确定自然排烟和补风面积，《建规》、《高规》主要按面积确定自然排烟面积。《北京标准》主要按面积确定自然排烟面积，采用火灾模型确定补风面积。两套计算规则在防火分区的上下限时自然通风面积差距很大，如果每一种标准都是满足要求的，那么必有一种标准在某个建筑面积范围内是要求过高的，所以两种计算方法还需根据建筑面积作修正。

火灾时产生的大量烟气通过开启外窗自然排烟时，必须有一定的补风才能保证排烟的实现，《建规》、《高规》未规定补风面积，应是考虑了通过门或窗缝隙自然补风，所以设计时须考虑这些补风的有效性，如果没有合理的补风量，那么一部分排烟口就成为补风口，使烟气下沉，排烟就不能顺利进行，所以自然补风口应设在储烟仓的下部。当无法实现自然补风时，应采用机械补风。

4 结语

1）由于《高规》等规范规定只有高度不大于12m的中庭才能采用自然排烟，虽然《建规》没有这个高度限制，审图或消防审批时往往从严要求，不允许大于12m的中庭采用自然排烟，通过不少模拟分析和理论计算证明，通过合理设计，大于12m的中庭自然排烟是可以满足防排烟要求的。对一些无法机械排烟的场所可以采用自然排烟。

2）《上海标准》和《北京标准》规定的自然排烟楼梯间顶层的通风面积不小于0.8m2，建议在其他地区设计中也参考应用，使楼梯间的自然通风更加可靠有效。

3）自然排烟也需要一定的补风量，《高规》和《建规》未明确补风要求，应是考虑了疏散门和窗的缝隙补风，若实际工程中没有这些补风条件，应该增加自然补风口或机械补风。

4）本文提到的四个规范在某些特定建筑空间的自然排烟面积设计结果相差3.5倍，必有一种是不合理的，对这些区域需要一定的修正。

[1] 建筑设计防火规范(GB50016-2006)[S]

[2] 高层民用建筑设计防火规范(GB50045-95-2005)[S]

[3] 上海市建筑防排烟技术规程(DGJ08-88-2006)[S]

[4] 自然排烟系统设计施工及验收规范(DBJ 01-623-2006)[S]

[5] 王旭,石鹤.国家大剧院高大空间排烟系统的分析设计[J].暖通空调,2008,38(9):52-54

[6] 王健,田盛松,肖裔平.东莞国际会展中心中庭排烟设计[J].暖通空调,2003,33(1):78-79

[7] 阮文.扁平中庭自然排烟有效性分析[J].消防科学与技术,2013, 32(3):265-267

[8] 郭宏晓.酒店中庭自然排烟方式的数值模拟[J].消防科学与技术,2012,31(6):592-594

[9] 江苹,叶大法.浦东图书馆中庭自然通风研究与应用[J].制冷空调与电力机械,31(133):58-61

Analysis on Natural Ventilation Design of Civil Construction

RUAN Li-jun
Shanghai Civil Air Deference Architecture Design Co.,Ltd.

In design of smoke control system,natural smoke extraction is a priority,because it has the advantage of saving investment,simple and reliable structure,convenient operation and maintenance etc...Natural ventilation is vulnerable to external environmental factors,so the codes provided the conditions and method of design of natural ventilation.There are some difference between the various codes,so this passage makes some analysis and comparison, thinking it can be referenced between different codes in design of smoke control system,and some rules lead to the results of design so far,need to be modified.

natural ventilation design,code,analysis and comparison

1003-0344（2015）04-098-3

2014-4-26

阮丽君（1971～），女，大学，工程师；上海徐汇区园南三村27号301室（200231）；E-mail:1822806058@qq.com