某坡屋盖文化综合体步行街连廊特殊防火设计探讨

刘志超，杨千一，付小千，刘浩天

（中国人民警察大学研究生院，河北 廊坊 065000）

0 引言

随着近年来数字技术的快速发展, 颇具文化特色的建筑层出不穷。文化建筑不再仅仅是市民进行单一文化活动的场所,也承担了文化传播、重新定义地区文化，体现地区特色的使命。同时市民文化生活的内容和形式也不仅仅是被动接受, 更多的是主动的、强调群众参与的群众文化活动。并且公共文化建筑的功能也更加的综合化[1]。然而从消防安全的角度出发，这种复杂多功能建筑是不利的，尤其是火灾发生时由于结构复杂，烟气蔓延较快对于人员逃生较为困难。因此在火灾发生时能够快速排烟，有完善的防排烟方案措施，对于增加人员可用疏散时间，减少人员伤亡显得尤为重要。

本文针对这种各馆之间相互连接的建筑，采用多馆合一，通过坡屋面盖有上盖，中间部分位置镂空的艺术文化综合体内部的步行街连廊，运用FDS数值模拟软件模拟其火灾发生时人员正常安全疏散时间内，其火灾烟气能见度、温度、烟气毒性，看能否满足其作为室外安全区的要求，以便进行性能化防火设计。

1 文化中心综合体工程概况

1.1 项目概况

该项目的建筑造型采用整体上升的大屋面呼应中国传统建筑的形态，各功能体融合在大屋面以下，同时，各场馆之间形成街道、庭院等空间，作为室外活动的场地。建筑采用整体化的大屋面，自东南向西北逐渐上升，大屋面下部则汲取传统城市空间中的街巷、合院、广场的特征，在各馆之间形成可步行穿越的街道，街道交汇的位置则形成广场，局部2 层也通过架空屋面及连桥将空间立体化，为市民提供丰富的室外休闲空间。

工程建设用地面积40 056 m2，总建筑面积46 000 m2，其中地上30 344 m2，地下15 656 m2。建筑地下部分连为一个整体，地上各馆相对独立，通过连桥及屋面进行连接，建筑主体4 层，4 层屋顶平屋面建筑完成面高度23.7 m，坡屋面最高点41.9 m，最低点11.6 m，24 m 以上为装饰屋架及屋顶设备机房，其中设备机房面积占所在平屋面面积＜25%，建筑整体按照多层建筑考虑，建筑之间的室外街道部分被屋面覆盖。主要包含多功能剧场、电影院、青少年宫、图书馆、文博馆、商业服务等功能，设计将各种不同功能归类合理布局。文化类（图书馆、青少年宫）：面向老城及城市公园，主要空间直接面向景观；博览类（文博馆）：置于西南侧，面向雄安新区，展示地区文化；观演类（多功能剧场、电影院）：高度较高、置于北侧，面向次要道路、便于人流集散，各个功能区平面布局基本独立，相互间有机连接，形成连续的建筑群体。

项目地处廊坊，夏季月平均温度最高26.2 ℃，冬季月平均温度最低-4 ℃～-7 ℃，冬季多偏北风，夏季多偏南风，年平均风速多在1.5 m/s～2.5 m/s。当步行街两侧建筑发生火灾后，在室外风影响下，烟气在热浮升力和室外风的影响下，将呈现出同时向上和横向的蔓延扩散方式。由于本项目连通大屋顶为不规则坡屋顶，烟气的蓄积和蔓延对步行街疏散条件有影响，因此对步行街连廊的火灾烟气蔓延进行模拟尤为重要。

《建筑设计防火规范》GB 50016—2014（2018版）5.3.6 规定[2]，餐饮、商店等商业设施通过有顶棚的步行街连接，且步行街两侧的建筑需利用步行街进行安全疏散时，应符合下列规定：①步行街两侧建筑的耐火等级不应低于二级，本文化综合体建筑耐火等级设置为一级。②步行街两侧建筑相对面的最近距离均不应小于本规范对相应高度建筑的防火间距要求且不应小于9 m。步行街的端部在各层均不宜封闭，确需封闭时，应在外墙上设置可开启的门窗，且可开启门窗的面积不应小于该部位外墙面积的一半。步行街的长度不宜大于300 m。③步行街两侧建筑的商铺之间应设置耐火极限不低于2.00 h 的防火隔墙，每间商铺的建筑面积不宜大于300 m2。

1.2 主要存在问题

综合体建筑各个场馆之间通过坡屋盖连接，中间有部分露天部分（见图1～图2），由于有坡屋盖的存在使得各个建筑之间的步行街走道变成建筑内部空间，因此主要想通过FDS 模拟结果综合考虑步行街连廊部分是否可以视为室外安全区[3]，为性能优化设计提供依据。

图1 步行街连廊及顶部露天部分

图2 剖面示意图

2 连通步行街火灾场景分析

2.1 火灾危险因素

火灾原因一般分为客观原因和人为原因两大部分，其中客观原因主要包括电气引起火灾，本工程商铺、餐饮及办公、公寓内的电气设备主要为灯光、空调、电脑等，因此存在发生电气火灾的可能性。人为原因主要包括用火不慎、不安全吸烟、人为纵火等。

在材料的使用上，步行街的顶棚材料应采用不燃或难燃材料，其承重结构的耐火极限不应低于1.00 h。屋面连接部分均为室外空间，根据建筑规范屋面连接部分本身为A 级不燃材料，承重结构的耐火极限不低于1.00 h。

2.2 火灾规模的确定

1）自动喷淋控制火灾

考虑喷淋系统启动后将火灾最大热释放速率控制在某一恒定值，不增长也不衰减，再增加一定的不确定性余量来确认火灾规模，是国际上普遍接受的火灾设计方法。

2）根据权威统计资料确定火灾规模

根据权威部门的统计资料，或者相关研究部门的试验数据确定火灾的规模。如NFPA 手册中提出了可堆叠椅子的放热率。一般来说椅子会有金属腿和金属框架及在结构材料上的少量可燃填料。尽管这些椅子单个放起来不会造成多大风险，但是堆叠起来可能会引起较大危险。12 把堆叠椅子的热释放速率峰值可达2 250 kW，相当于燃烧大约17 min的中型火灾[4-6]。

《建筑防烟排烟系统技术标准》GB 51251—2017 给出了常见的各类场所火灾热释放速率的建议值[7]，见表1。

表1 《建筑防排烟技术规程》推荐的热释放速率值MW

该综合体建筑主要包含多功能剧场、电影院、青少年宫、图书馆、文博馆、商业服务等功能。根据《建筑防烟排烟系统技术标准》GB 51251—2017 中的相关规定，设有喷淋的商店、展览厅火灾规模为3 MW，无喷淋的商店、展览厅火灾规模为10 MW[7]。

由于连通步行街的容积较大，当建筑内发生较小的火灾规模时，可提供足够的蓄烟、释烟空间，对人员疏散的威胁相对不大。但当发生大规模火灾时，在风力影响下，烟气在连通空间聚集和蔓延，有可能会对人员疏散和消防救援造成不利影响。为评估这类影响，本次在进行火灾模拟时将火灾规模保守确定为10 MW。

表2 火灾场景统计表

2.3 火灾场景的设计

火灾场景设置时考虑室外环境的冬、夏季参数，自动灭火设施失效的状况。结合连通步行街的空间特征，设计火灾情况总结见表2。

3 连通步行街烟气蔓延数值模拟

3.1 基本参数设置

1）初始条件

假设流场的初始状态为静止，模拟区域内温度与室外环境温度冬季为-4 ℃，夏季为26 ℃，压力为1 个标准大气压，依据NFPA 消防工程师手册[4-6]，目前以火灾发生30 min（1 800 s）内人员基本从响应开始至到达安全区的时间，因此本次模拟1 800 s内能见度和温度等指标是否威胁到人员安全为标准。

2）边界条件

为绝热边界条件，即认为混凝土结构的围墙所区分的两区域在墙壁处没有热交换。

3.2 物理模型

模型的建立主要依据设计图纸进行处理，其所建立的FDS 物理模型见图3。

图3 烟气模拟物理模型

3.3 模拟场景参数设置

在进行FDS 模拟时基本参数的设置见表3。

表3 火灾C1-1 场景参数设置

4 模拟结果分析

由表4 可以看出，1 800 s 内，距离2 层地面2.5 m 高度处可逃生空间温度未达到60 ℃，对人员疏散无影响。

由表4 可以看出，1 800 s 内，距离2 层地面2.5 m 高度处可逃生空间的能见度＞10 m，对人员疏散无影响。

由表4 可以看出，353 s 时，1 层4 m 高街道部分，距离1 层地面2.5 m 高度处可逃生空间的能见度＜10 m，对人员疏散不利。

根据模拟结果得出各火灾场景危险来临时间，见表4。

表4 各火灾场景火灾危险来临时间表

通过FDS 模拟结果得出另外的火灾场景为C1-3，C1-4，C2-1，C2-2，C2-3，C2-4，C3-1，C3-2，C3-3，C3-4 时，在火灾发生后1 800 s 内，距离1 层/2 层2.5 m 高度处可逃生空间温度未达到60 ℃，对人员疏散无影响。

在火灾发生后1 800 s 内，距离1 层/2 层2.5 m高度处可逃生空间的能见度＞10 m，对人员疏散无影响。

在火灾发生后1 800 s 内，距1 层/2 层地面2.5 m 高度处平面上的CO 浓度除火源上空外其他未高于250 ppm，对人员疏散无影响。

5 结论

根据文化中心综合体建筑连通步行街火灾烟气模拟结果可以得出。

1）除C1-1，C1-2 工况外，其他工况在模拟1 800 s 内，连通步行街均满足人员疏散安全要求。对于C1-1，C1-2 设置的是冬季工况，因为气温较低，空气浮力较小，大量烟气在层高为4 m 纵向街道内蓄积沉降，因该部分街道层高较低，顶盖和侧部相对封闭，不利于烟气的扩散稀释，走廊内烟气温度较高、能见度较低，不利于疏散，因此应保持适当温度以满足需要。另外连通步行街的其余各部分在模拟1 800 s 内，均满足人员疏散安全要求。夏季室温较高，空气热浮力较大，与冬季工况相比，更有利于烟气通过屋顶开敞部分排出室外。

2）与无风工况相比，有风工况下，在风力和热浮升力共同作用下，更有利于烟气通过屋顶开敞部分排出室外。且模拟所有工况中，坡屋顶均未被引燃。理论计算表明，火灾对屋面影响不大，火灾烟气温度未达到屋面可燃材料的燃点温度。

因此得出结论，该坡屋盖文化综合体建筑在模拟1 800 s 范围内，可认为步行街连廊为室外安全区。