楼梯间自然防烟与首层房间窗口面积研究

李钰，张亚龙

(1.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028；2.大连交通大学 土木工程学院，辽宁 大连 116028)*

火灾初期是人员逃生的最佳时期，因此，采取合理的烟气控制措施，保证火灾初期高层建筑中的楼梯间竖向疏散通道不遭受烟气的侵害，使人员逃生更安全.根据我国《建筑防烟排烟系统技术标准》(GB51251-2017)[1]规定：建筑高度小于或等于50 m的公共建筑、工业建筑，其防烟楼梯间、独立前室应采用自然通风系统.建筑空间净高小于或等于6m的场所，设置有效面积不小于该房间建筑面积2%的自然排烟窗(口).目前国内外学者在高层建筑烟气排放方面已经做出了大量的研究[2-6]，得出了火灾过程中楼梯井内烟气流动特性以及温度、压力等参数的分布规律；楼梯间内开窗方式及自然排烟总量对排烟效率的影响，并开展实体火灾试验.以上几位学者都是研究烟气进入楼梯间后的防烟分析.本文主要是对在自然防烟形式下的楼梯间与首层火源房间自然排烟窗面积的研究，以期得到最佳开窗面积，使得烟气不进入楼梯间，楼梯间防烟效果更优，为标准优化与修订提供参考.

1 数值模拟模型的建立

1.1 模型建立的基础

本模型为12层，层高4 m，高度为48 m的办公楼.该建筑模型主要由办公室、会议室、疏散走道、电梯、楼梯间前室以及楼梯间几部分组成，其平面示意图与三维模型，如图1和图2所示.火源房间开启0.66 m2外窗，各组成部分建筑具体尺寸，如表1所示.

图1 模型平面示意图

图2 三维模型示意图

表1 模型建筑尺寸表 m

1.2 火源设置及网格划分

在建筑首层办公室室内发生火灾的情景中，考虑火灾最不利影响因素将火源设于首层楼梯间旁边办公室中央，尺寸为1 m×1 m.参照文献[1]的规定：设有喷淋的办公室内火灾模拟场景内，火源的最大热释放速率为1.5 MW.然而实际工况与数值模拟存在着差异，根据《性能化消防设计与评估导则》选定安全系数为1.5，即火源最大热释放速率为2.25 MW以使模拟结果与实际贴合.根据文献[1]综合考量办公室内部陈设材料燃烧性能，将火灾类型设定为t2极快速增长火，增长因子为0.178 kW/s2，模拟时间600 s.

FDS数值模拟需要进行网格划分，网格划分越精密，计算越准确；但同时网格越细，计算时间也会越长，占用内存越大.因此划分单元网格时要兼顾准确性与计算时间两个因素.为防止网格规模过大导致计算过程繁复，在保证模拟结果可靠性的前提下，选定网格尺寸为0.20 m×0.20 m×0.20 m.

2 火灾模拟结果与分析

火源设置在首层时，有以下默认条件：室外疏散门设置为开启状态；楼梯间疏散门仅火源层且靠近火源房间的楼梯间设置为开启状态，其他楼层设置为关闭状态；楼梯间前室疏散门仅靠近火源房间一侧设置为开启状态；仅火源房间窗户和疏散门设置为开启状态；首层火源房间窗口面积试验以下四种分别为：0.66 m2(窗地比2.0%，下文“窗地比”省略不写)、0.8 m2(2.42%)、0.85 m2(2.6%)和0.825 m2(2.5%).

根据文献[1]可知，火源房间面积为33 m2，首层火源房间应开启0.66 m2窗口，首层火源房间窗口面积为0.66、0.8、0.85、0.825m2的烟气状态见表2，不同窗口面积时烟气蔓延情况，如图3～图6所示.

图4 首层火源房间窗口面积为0.8 m2(2.42%)时烟气蔓延情况

图5 首层火源房间窗口面积为0.85 m2(2.6%)时烟气蔓延情况

图6 首层火源房间窗口面积为0.825 m2(2.5%)时烟气蔓延情况

表2 首层房间窗口四种面积下的烟气状态对比

3 验证

火源设置在首层，改变图1中③轴线到⑤轴线的距离为6m，使得火源房间面积为39.6 m2，火源房间窗口面积为0.99 m2(2.5%).火灾模拟结果得到图7(为观察更为直观，放大首层).从图7中可以得到烟气状态和表2中0.825 m2(2.5%)状态一样.

图7 首层火源房间窗口面积为0.99 m2(2.5%)时烟气蔓延情况

由此可知在火源在首层时，火源房间面积39.6 m2窗口面积按照建筑面积的2.5%设置时，烟气没有烟气进入楼梯间，排烟效果很好达到了楼梯间防烟的要求.

4 结论

本文通过数值模拟的方法研究了火源设置在首层房间内时，可以得出以下结论：

火源在首层时火源房间窗口面积按照建筑面积的2%设置，有烟气进入楼梯间，在建筑净高小于或等于6 m时，设置有效面积不小于该房间建筑面积2.5%的自然排烟窗(口)，可得到烟气不进入楼梯间的更优的防烟效果.考虑到工程应用，建议修订为建筑空间净高小于或等于6 m的首层场所，在自然排烟形式下应设置有效面积不小于该房间建筑面积3%的自然排烟窗(口).