步行街建筑自然排烟的研究

张 鑫

(华东建筑设计研究院有限公司，上海 200041)

在建设工程设计中，步行街设计是城市建设的一部分。《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014，2018年版)第5.3.6条，规定了步行街采用自然排烟的相关设计要求。当步行街采用自然排烟时，室内最大允许净高需依据《建筑防烟排烟系统技术标准》(GB 51251—2017，以下简称《防排烟标准》)给出的排烟系统设计相关公式进行计算。这些公式复杂、计算繁琐、理论性强，在实际应用中有一定难度。因此，笔者根据《防排烟标准》中关于自然排烟对储烟仓烟层与周围空气温度差的规定，导出步行街采用自然排烟时室内最大允许净高的算式和计算表，供相关从业人员在建筑设计中参考。

1 步行街自然排烟原理

众所周知，当建筑室内发生火灾时，火灾产生的大量热烟气较周围环境空气温度高。单位体积内热烟气较环境空气(常温下空气)密度低，同体积的热烟气较常温下空气轻，热烟气会产生向上的浮力。热烟气在上升过程中会逐渐冷却，其密度逐渐与常温空气接近，向上浮力也逐渐减小。当热烟气上升到一定高度后，原有的浮力将会消失，热烟气不再上升。如果建筑外墙上开口高度低于这个高度，热烟气会从开口自然排出，否则，热烟气将不能从外墙上开口自然排出。《防排烟标准》第4.6.8条规定：自然排烟窗口高度处的烟层与周围空气的温差不应小于15 ℃。也就是说，为满足自然排烟，应该控制热烟气上升的高度，即当热烟气上升到室内最高处，烟层与周围空气的温差不小于15 ℃时，烟气才能从室内空间上部开口(天窗或高侧窗)自然排出。因此，步行街若要满足自然排烟条件，则必须控制室内净高度，使室内上部烟层与周围空气的温度差满足规范规定。

2 步行街形式及火灾烟羽流

2.1 步行街的形式

步行街的剖面形式多种多样，为便于研究问题，将大量民用建筑工程中的步行街基本形式归纳为如下几种：(1)步行街两侧有挑廊，如图1(a)所示；(2)步行街两侧无挑廊，而是设有普通窗，如图1(b)所示；(3)步行街一侧有挑廊，另外一侧设有普通窗，如图1(c)所示。

2.2 室内火灾烟羽流

火灾发生时室内会有大量的热烟气卷吸其周围空气形成混合烟气流上升、流动、扩散，烟羽流大致可分为三种：(1)轴对称型烟羽流，即燃烧火源位于某室内中点，烟气大约像倒圆锥型，呈轴对称形式，如图2(a)所示；(2)阳台溢出型烟羽流，如图2(b)所示；(3)窗口型烟羽流，如图2(c)所示。

①商店；②步行街或中庭

图2 烟羽流示意图

在火灾情况下，若要保证步行街内最高楼层不受烟气影响，使步行街内烟气能从上部开口(天窗或侧高窗)自然排出，应满足《防排烟标准》第4.6.8条的要求：储烟仓的烟层与周围空气温差不小于15 ℃。由《防排烟标准》第4.6.11条和第4.6.12条给出的计算公式，可计算不同烟羽流情形下烟层底部至室内地坪的高度。步行街上部的排烟窗(侧高窗)口洞顶标高，低于各种烟羽流情形下烟层底部标高，步行街屋盖平顶底至烟层底部(近似水平面)之间的储烟仓内热烟气就能从两侧或顶部的排烟窗自然排出。火灾时烟气温度与其向上升起的距离成反比，在步行街底层较二层以上楼层发生火灾时热烟气上升的距离要长得多。也就是说，当底层火灾的烟气上升到建筑内某一高度(水平面)的热烟气与周围空气的温差不小于15 ℃时，二层及以上楼层发生火灾时，上升到这一水平面的热烟气与周围空气的温差定会大于15 ℃。因此，只要步行街上部开口能够满足底层火灾自然排烟，其他楼层火灾也能满足。

3 最小清晰高度与烟层温度

建筑室内发生火灾，热烟气在室内不断上升，当遇到建筑平顶楼板时，热烟气将不断充满室内上部空间(储烟仓)，室内清晰度的高度不断下降。如果此时上部烟气不能(自然或机械)排出，清晰度高度将越来越低，室内很快被烟气充满。此时不但影响室内人员疏散，而且会导致人员因吸入大量的有毒气体窒息死亡。确保火灾时室内最小清晰度的高度，对消防安全疏散十分重要。为使步行街室内烟气能从上部开口(天窗或高侧窗)自然排出，确保最小清晰高度不低于步行街上部侧向排烟窗的洞底标高，必须计算储烟仓的底部烟层温度。只有储烟仓的底部烟层与周围空气的温差不小于15 ℃时，才能满足步行街的自然排烟。因此，设定储烟仓的底部烟层与周围空气的温差等于15 ℃，计算出各种烟羽流情形下底层(燃料面)到烟层底部的高度，求出步行街满足自然排烟的最大允许净高。

计算步行街室内火灾烟层最小清晰高度涉及到热释放速率的取值，《防排烟标准》第4.6.7条给出了各类功能建筑室内火灾达到稳态时的热释放速率值。设步行街建筑类别为商店，两侧商店的层高一般为3.5～4.5 m，步行街室内净高一般均大于8 m。为研究步行街室内火灾烟层最小清晰高度，按《防排烟标准》规定，取热释放速率为10 MW。

4 步行街室内净高计算

根据《防排烟标准》第4.6.11、第4.6.12条规定，设△T=15 ℃，分别推导轴对称型、阳台溢出型、窗口型烟羽流的计算公式，并列出常规情况下步行街自然排烟时室内最大允许净高的计算表。

4.1 轴对称型烟羽流室内净高计算

步行街轴对称型烟羽流如图3所示。储烟仓高度h=H0-Z，在实际工程中h>0，为便于公式的推导，设h=0。室内地坪至屋面平顶底面的高度H0=Z，Z1为火焰极限高度。

轴对称型烟羽流形式室内净高计算公式推导如下：

设Z>Z1，计算仅考虑火焰极限高度Z1小于燃料面到烟层底部的高度Z。

①商店；②步行街；③火源

式中，Qc为热释放速率的对流部分，一般取值为Qc=0.7Q，kW；Z为燃料面到烟层底部的高度，m；Mρ为烟羽流质量流量，kg·s-1；△T为烟层平均温度与环境温度的差，按《防排烟标准》第4.6.8条规定，取△T=15 K；K为烟气中对流放热量因子，无量纲量，当自然排烟时，取K=0.5；Cρ为空气的定压比热，一般取1.01 kJ·kg-1·K-1。

将上述数值代入式(1)和式(2)，可得：

将Mρ代入式(4)化简后得：

(5)

由式(5)可计算出热释放速率为10 MW时步行街净高，见表1。

表1 轴对称型烟羽流情形步行街净高

4.2 阳台溢出型烟羽流室内净高计算

步行街阳台溢出型烟羽流如图4所示。储烟仓高度h=H0-Zb-H1，在实际工程中h>0，为便于公式的推导，设h=0。

阳台溢出型烟羽流形式室内净高计算公式推导如下：

式中，H1为燃料面至阳台的高度，m；Zb为阳台下缘至烟层底部的高度，m；Wb为烟羽流扩散宽度，m；w为火源区域的开口宽度，m；b为从开口至阳台边沿的距离，m；其他符号含义如前所述。

将式(6)和式(7)合并得：

(8)

将Qc=0.7Q代入式(2)得：

(9)

将烟层底部视为屋面平顶底面，室内净高度可表达为：

H0=Zb+H1

(10)

将式(8)与式(10)合并得：

(11)

将△T=15 K、K=0.5、Cρ=1.01 kJ·kg-1·K-1代入式(9)得：

(12)

(13)

将式(11)和式(13)合并得：

(14)

简化后得：

(15)

设燃料面至阳台的高度H1=4.20 m，挑廊宽度b=2.00 m；设开口宽度w=1.50 m、2.00 m、2.50 m、3.00 m、3.50 m、4.00 m；取火灾热释放速率10 MW代入式(15)，计算步行街净高，见表2。

由表2可见,当H1=4.20 m，b=2.00 m时，室内净高允许值H0随着开口宽度值增大而减小，其最小值为12.17 m。

表2 阳台溢出型烟羽流情形A步行街净高

设燃料面至阳台的高度H1=4.20 m，w=2.50 m；挑廊宽度b=1.50 m、1.80 m、2.10 m、2.40 m、2.70 m、3.00 m；取火灾热释放速率10 MW，计算步行街净高，见表3。

表3 阳台溢出型烟羽流情形B步行街净高

由表3可见，当H1=4.20 m，w=2.50 m时，室内净高允许值H0随着挑廊宽度增大而减小，其最小值为12.71 m。

设燃料面至阳台的高度H1=3.30 m、3.60 m、3.90 m、4.20 m、4.50 m、4.80 m，w=2.50 m，b=2.10 m；取火灾热释放速率10 MW，计算步行街净高，见表4。

表4 阳台溢出型烟羽流情形C步行街净高

由表4可见，当b=2.10 m，w=2.50 m时，室内净高允许值H0随着挑廊净高增大而增大，其最大值为14.37 m。

4.3 窗口型烟羽流室内净高计算

步行街窗口型烟羽流如图5所示。储烟仓高度h=H0-Zw-Hw-Ha，在实际工程中h>0，为便于公式的推导，设h=0。

①商店；②步行街；③火源

窗口型烟羽流形式室内净高计算公式推导如下：

式中，Aw为窗口开口的面积，Aw=HwBw，m2；Hw为窗口开口的高度，m；Bw为窗口开口的宽度，m；αw为窗口型烟羽流修正系数，m；Zw为窗口开口的顶部到烟层底部的高度，m；Ha为窗口开口下部窗台的高度，m。

设储烟仓高度为h=0，室内净高度可表达为：

H0=Zw+Hw+Ha

(18)

将Aw=HwBw代入式(17)得：

(19)

(20)

将式(18)与式(20)合并得：

设窗洞高度Hw=2.70 m，窗台高度Ha=0.60 m，窗洞宽度Bw=1.50 m、2.00 m、2.50 m、3.00 m、3.50 m、4.00 m；取火灾热释放速率10 MW代入式(21)，计算步行街净高，见表5。

表5 窗口型烟羽流情形A步行街净高

由表5可见，当Hw=2.70 m，Ha=0.60 m时，H0随窗洞宽度增大而减小，其最小值为34.18 m。

设窗洞宽度Bw=2.50 m，窗台高度Ha=0.60 m，窗洞高度Hw=2.10 m、2.40 m、2.70 m、3.00 m、3.30 m、3.60 m；取火灾热释放速率10 MW，分别计算出步行街净高，见表6。

表6 窗口型烟羽流情形B步行街净高

由表6可见，当Bw=2.50 m，Ha=0.60 m时，H0随着窗洞高度增大而增大，其最大值为43.88 m。

由式(21)可知，窗台高度Ha与H0成正比，即当窗台高度Ha增加，室内净高允许值H0也随之增加。

5 步行街室内总净高的确定

为满足步行街自然排烟的要求，必须控制步行街的室内净高。从上述计算可知，步行街室内最大允许净高与火灾达到稳态时的热释放速率、烟羽流情形、挑廊宽度、窗洞宽度等有关。据了解我国大部分地区的步行街剖面形式如图1(a)所示，由上述三种烟羽流情形计算表中数值可见，阳台溢出型烟羽流计算步行街室内净高最低。因此，对于设有挑廊的步行街，为满足自然排烟，其上部两侧排烟窗的洞顶至室内地坪的高度H0可查表2和表3、表4估测或经过简化公式(15)确定，室内总净高H可按式(22)计算：

H=H0+h

(22)

式中，h为储烟仓的高度，m，可根据步行街的宽度及顶棚和屋架形式确定。

6 结论

综上所述，步行街按《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014，2018年版)第5.3.6条规定可采用自然排烟。根据《防排烟标准》第4.6节中有关规定，可按公式(5)(15)(21)(22)计算(或参考上述表中数值求出)不同烟羽流情形下步行街室内总净高，为确定步行街的建筑高度提供参考。