高层建筑火灾烟气流动规律分析及烟气控制措施★

何勇军 郭 蓉

(1.四川警察学院,四川 泸州 646000； 2.泸州职业技术学院,四川 泸州 646000)

1 概述

当前高层建筑的增多在给城市带来繁华的同时,也因其结构复杂、功能多样、人员密集、施救困难等诸多原因增加了消防安全隐患，一旦发生火灾，往往火势很猛，烟雾很大，经常会造成群死群伤的严重后果[1]。2015年7月11日，湖北武汉紫荆嘉苑大火，住宅楼电缆竖井线路老化发生自燃，造成人员伤亡；2017年6月14日凌晨英国伦敦大火，造成多人遇难。从国内外大量火灾案例表明，绝大部分的火灾事故中的人员伤亡都是由于吸入火灾过程中产生的有毒有害烟气造成的[2,3]。因此对高层建筑火灾烟气流动规律进行分析、探究烟气控制的方法等就显得尤为重要。

2 高层建筑火灾特点

2.1 人员疏散困难

由于高层建筑内部功能齐全，空间结构多变，人员来往复杂，垂直距离远，并且在发生火灾时，唯一可以利用的疏散通道只有楼梯这样的竖向通道，因此，被困人员在一个短的时间内很难疏散到安全区域。当高层建筑发生火灾时，建筑内部的装修材料燃烧会产生大量的烟气，这使得人员的视线距离缩短，看不清安全出口或者安全疏散标志，容易造成严重的人员伤亡事故。

2.2 火势蔓延迅速

高层建筑内部垂直的通道很多，如电梯竖井，管道竖井，电缆竖井，一旦发生火灾，如果防火分隔或防火处理措施不当，竖井就会成为火势蔓延的途径，烟囱效应就会通过这些竖井很容易形成。火势就会很快向上蔓延到楼层的其他部位。加之外部的风力也会使火灾向相邻的建筑物扩散。

2.3 功能复杂，火灾荷载大，起火因素多

高层建筑一般具有很多的使用功能。很多高层建筑集餐饮、娱乐、宾馆于一体。为满足这些功能，高层建筑需要进行大量的装修。而装修材料内部含有大量的可燃物，使整个建筑物的火灾荷载增大。并且建筑物内用电设备很多，用电量大，漏电、短路时有发生容易形成点火源。建筑物内电路复杂，在安装、使用、维修过程中也易形成潜在的点火源。如果在用电过程中乱拉电线，随意增加用电荷载，就会增大火灾危险性。

2.4 扑救难度大

高层建筑高达几十米，甚至超过二三百米，现在的消防设备远不能满足高层建筑对高度的要求。目前，国内最高的消防云梯车出现在杭州，高度可达到101 m，约35层楼的高度；世界上先进的消防云梯才能达到112 m，约40多层楼的高度。远远不能满足高层建筑消防要求。消防队员徒步登楼的忍耐极限是10层楼左右，再高就会因体力不支而失去战斗力。建筑物一旦发生火灾，火势会很快向上蔓延，几只消防水枪控制不住火势。因此扑救高层建筑火灾往往难度较大。

3 高层建筑火灾的烟气流动规律分析

3.1 烟气的竖向流动

烟气在高层建筑竖向流动时，其运动过程受到两种机制控制，第一种是“烟囱效应”；第二种是湍流混合机制。具体就是竖井内烟气的流动是由两部分组成：先是烟气从着火空间溢出后进入竖井，沿着竖井的侧壁上升，最后到达顶部，并通过竖井的上部开口流出室外；与此同时在烟气的上升过程中，竖井内的空气又与烟气进行混合，就形成大量的涡旋流动。在垂直空间中烟气的上升过程和烟气与空气的混合过程都在不断的吸入新鲜的空气，且烟气与空气的混合过程中的混合气体也慢慢下沉，外部的新鲜风流就通过竖井底部开口流进垂直的着火空间。

3.2 烟气的横向流动

高层建筑火灾烟气的横向流动时，对流作用是主要的原因之一。火灾发生后，热气流的迅速向上翻腾和新的冷空气的不断向下补充，从而形成热对流现象。随着着火区域的不断扩大，温度不断上升，将会形成强烈的热对流。在热对流的作用下，热气流在上升过程中热流量不断增加，当遇到障碍物或者阻碍时烟气会向四周扩散，这将导致火灾的蔓延扩大。其烟气膨胀的速度不断加快，使得横向空间充满烟气的时间越短。当横向空间充烟后，烟气又通过建筑物左右及上下的渗漏进入建筑内未充烟的空间，从而引起整个建筑物的充烟甚至着火，使得火灾扩大蔓延。

3.3 烟气的沉降

对于高层建筑火灾，烟气除了会在建筑物内横向和竖向流动，还会因建筑结构的阻挡而向下扩散，即烟气的沉降。资料显示，对于高层建筑居民楼的火灾荷载条件下，着火房间的烟气降至80 cm的时间一般不会超过3 min，所以房间一旦着火就会伴随着烟气的侵袭。这不仅使得房间的能见度降低，还使得携带并辐射大量热量的空气中含氧量减少，形成缺氧环境，并伴随着有毒、有害和腐蚀性的物质，从而威胁到生命及财产安全。

4 高层建筑火灾烟气控制方式

4.1 防烟方式

防烟的方式主要有不燃化防烟、密闭防烟和机械加压送风系统防烟。不燃化防烟不仅是采用不燃材料或难燃材料，而且建筑室内的可燃物品也使用不燃材料或难燃材料的橱柜存放，此外在管道穿过楼板、墙等部位要采用不燃材料封堵材料密封；密闭防烟是指利用密封性能很好的门窗和墙壁等将房间封闭起来防止火灾发生时烟气窜入房间的防烟方式，当房间起火时，密闭的门和窗可以杜绝新鲜空气流入，使着火房间因缺氧而自行熄灭。机械加压送风防烟系统是在高层建筑物内设计加压送风防烟系统，其目的是当建筑物内发生火灾时楼梯间等疏散通道内部不受烟气的干扰，有利于人员疏散，这就要求需要加压的位置的门在关闭着的时候，加压部位必须与发生火灾的楼层保持一定的压力差。同时，在加压地方的门打开时，在门洞断面处从里到外必须有足够的流速，以防止烟气的入侵。

4.2 排烟方式

排烟方式主要有自然排烟和机械排烟。自然排烟利用火灾时产生的热压力和室外风力作用，通过建筑物的窗子或门等开口把烟气输送至室外的排烟方式，这种排烟方式实质上是高温烟气与室外冷空气的对流运动，自然排烟不需要动力。窗口以及专门设置在疏散通道的排烟口都可以作为自然排烟的出口。机械排烟是利用风机将建筑物内部着火区域产生的烟气通过排烟管道和排烟口排到室外的排烟方式。这种强制排烟方法有很大的优势。一个好的排烟系统在火灾发生时可以排除80%的热量和大部分的烟气，给人员疏散和灭火提供了极大的便利条件。再利用这种方法进行排烟时，要将建筑物内部的空间利用挡烟垂壁，隔墙划分成不同的区域，这样有利于排烟的效率。因此在选择科学的排烟系统时，需注重自然排烟的作用。

5 结语

针对高层建筑特别是超高层建筑的火灾烟气，切实可行的防排烟控制措施对保障人民生命财产安全具有很大的作用。通过对建筑火灾特点的分析以及建筑火灾烟气流动分析，得出了烟气控制的一般方法，对高层建筑火灾烟气控制系统的设计具有一定的借鉴作用。