广州南沙某大型商业步行街自然排烟有效性分析

李哲存，徐佳欣，李镓岐，周华龙，程新红

（广州华森建筑与工程设计顾问有限公司 广州 510045）

1 步行街防火排烟要求

《建筑设计防火规范（2018 年版）：GB 50016—2014》要求步行街的顶棚下檐距地不应小于6 m［1］，是为了要求步行街要有一定的高度，防止烟气下降影响疏散和危及人身安全，但对步行街的高度则没有规定。自然排烟是利用火灾热烟气的浮力和外部风压的作用，将烟气排至室外。当烟气冷却失掉浮力时，则烟气就失去了排出的能力。固步行街的高度应有所限制或进行自然排烟有效性的分析。

2 工程案例

某项目步行街共5层，步行街建筑高度为31.2 m。步行街与建筑物的所在位置如图1所示。针对本项目步行街的高度问题，将根据步行街两侧商铺的火灾荷载及可燃物类型进行计算和模型分析，进一步论证步行街自然排烟的有效性。

图1 步行街所在区域Fig.1 The Area Where the Pedestrian Street is Located

3 步行街自然排烟有效性分析前提条件

3.1 主要消防设计条件

为保证步行街作为疏散功能的安全性，提高步行街的消防安全性能，主要采取了以下消防设计：

⑴步行街两侧建筑的耐火等级不低于二级。

⑵步行街两侧建筑相对面的最近距离不小于13 m。

⑶步行街的端部在各层外墙上设置可开启的门窗，且可开启门窗的面积不小于该部位外墙面积的一半。

⑷步行街的长度不大于300 m。

⑸步行街两侧建筑的商铺之间设置耐火极限不低于2.0 h的防火隔墙，每间商铺的建筑面积不大于300 m2。

⑹步行街上部各层楼板的开口面积不小于步行街地面面积的37%，且开口宜均匀布置。

⑺步行街的顶棚设置自然排烟设施，自然排烟口的有效面积不小于步行街地面面积的25%。常闭式自然排烟设施能在火灾时手动和自动开启。

⑻步行街两侧的商铺均设置机械排烟。

⑼步行街两侧的主力店单独划分防火分区，单独设置防排烟设施，主力店的烟气不会侵入到步行街。且主力店单独考虑疏散系统，人员的疏散不会影响到步行街的疏散。

3.2 火灾时主要情景条件

⑴室外气象参数，如表1所示；

表1 室外气象参数Tab.1 Outdoor Weather Parameters

⑵商铺环境温度28 ℃；

⑶步行街和商铺之间的压力按0 Pa 计算；商铺通风空调系统停止；

⑷火灾荷载按3 MW，且按最大9 MW 的着火蔓延考虑。

4 步行街自然排烟措施

为保证室内人员在烟气下降到危及人员生命前能安全疏散出去。根据《国际建筑规范》规定：保证人员在安全疏散时间内，烟气层维持在一定的高度之上，即在火灾情况下持续20 min 以上的时间保持烟气层界面据地1.8 m以上。

4.1 火灾情况分析

⑴步行街两侧商铺发生火灾。

⑵步行街为安全疏散功能使用。即使因消防管理不善，在步行街临时摆摊设点，相对两侧商铺来说，可燃物较少、火灾规模小、火灾烟气量也较少。步行街内发生火灾的情形，本分析报告不考虑。

4.2 火灾工况

有顶商业步行街内按照两侧商铺发生火灾情形考虑。两侧商铺可燃物较多，发生火灾时的最大火灾热释放速率取9 MW，根据《建筑防烟排烟系统技术标准：GB 51251—2017》［2］的规定，商业建筑火灾热释放速率有喷淋时按3 MW 计算。可以理解为火灾蔓延至3间商铺同时着火的情形。

4.3 自然排烟

4.3.1 自然排烟口面积计算

商业步行街最高点到室内地面的净高为31.2 m，最上面一层到首层地面的高度为24.2 m，到该处屋顶网架的高度为7.0 m。燃料面距地高度为1.0 m，有喷淋设计，步行街按照顶开窗自然排烟，计算步行街火灾时排烟量。采用自然排烟方式所需自然排烟窗（口）截面积宜按式⑴计算：

式中：Av为自然排烟窗（口）截面积（m2）；A0为所有进气口总面积（m2）；Cv为自然排烟窗（口）流量系数（通常选定在0.5～0.7之间）；C0为进气口流量系数（通常约为0.6）；g为重力加速度（m/s2）。经计算，自然排烟口截面积为633.78 m2。

4.3.2 自然排烟口设计

商业步行街顶棚自然排烟口按不小于步行街地面面积的25%设置电动自然排烟窗。［3］自然排烟窗布置如图2所示。

图2 自然排烟窗布置Fig.2 Natural Smoke Exhaust Window Layout

建筑设置的自然排烟窗总面积约1 250 m2，大于计算的自然排烟窗面积。

5 步行街自然排烟有效性分析

疏散设计的目标：人员能在安全的环境下疏散至外部安全地带，疏散过程中应保证人员安全不受火灾威胁［4］。

为了实现火灾时人员安全疏散，设计必须满足ASET＞RSET，安全疏散设计原理如图3所示。

图3 安全疏散原理Fig.3 Safety Evacuation Schematic

RSET 为从火灾发生到建筑物内所有人员安全疏散到安全出口所需的时间（s）；ASET 为火灾蔓延时间，即人员可利用的安全疏散时间（s）。

如果RSET＞ASET，意味着在建筑的烟气温度、浓度、有毒气体、能见度在所有人疏散到安全的地方之前，至少有一个人超过人体的极限。

如果ASET＞RSET，意味着在火灾危险状态，所有人员能疏散到安全区域，可以确定建筑防火疏散设计是安全的［5］。

RSET以及ASET的计算公式如式⑵、式⑶。

式中：td为火灾报警时间（s）；tpre为人员疏散预动作时间（s）；te为人员疏散行动时间（s）；k为安全系数，一般取1.2～1.5。

式中：tco为疏散通道2 m 以下空气层/烟气层中CO 浓度达到临界值的时间（s）；tT为疏散通道2 m 以下空气层/烟气层温度达到临界值的时间（s）；tν，为疏散通道2 m 以下空气层/烟气层能见度达到临界值的时间（s）；tf为火灾中建筑结构的失稳时间（s）。

疏散时间的组成如图4所示。

图4 疏散时间组成Fig.4 Evacuation Time Composition Chart

以上时间均通过建筑物内设定火灾场景，由PyroSim和Pathfinder通过模拟得出。

PyroSim 为火灾动力学模拟软件，由美国标准技术研究院（NIST）研发的，专用于消防动态仿真模拟（Fire Dynamic Simulation，FDS）的软件。它是在FDS的基础上发展起来的。软件以计算流体动力学为依据，可以模拟预测火灾中的烟气、CO 等毒气的运动，温度以及浓度等情况。

Pathfinder 为疏散模拟软件，一套由美国的Thunderhead Engineering 公司研发的直观、易用的新型智能人员紧急疏散逃生评估系统。它利用计算机图形仿真和游戏角色领域的技术，对多个群体中的每个个体运动都进行图形化的虚拟演练，从而可以准确确定每个个体在灾难发生时的快速逃生路径和逃生时间。

6 步行街自然排烟烟气积聚高度模拟和蔓延时间ASET模拟结果［6］

⑴利用BIM 模型导入PyroSim 进行火灾模拟分析，提取商业局部模型如图5所示。

图5 建筑物BIM局部模型Fig.5 BIM Partial Model of the Building

⑵定义北区首层3 个商铺同时发生火灾（图6 填充区域为发生火灾商铺）。

图6 模拟首层商铺火灾示意图Fig.6 Simulation of the First Floor Store Fire Schematic

⑶BIM 模型导入PyroSim 软件，并设置开启角度为70°的电动排烟窗，如图7所示。

图7 导入PyoSim模型Fig.7 Importing PyoSim Models

⑷根据规范和项目情况对PyroSim 进行参数设置：①火源热释放速率Q（MW）设置；②火灾增长时间设置；③着火点位置及着火面积设定。

6.5 PyroSim火灾模拟分析结果

火灾发生第5 s、15 s、60 s、87 s、111.5 s、153 s 的烟气情况如图8 所示（建筑面积最大和疏散总人数最多的层数为3F，3F 人员疏散时间为111.5 s，结论依据详下一章节RSET模拟结果及ASET模拟结果比较）。

图8 火灾烟气情况Fig.8 Smoke Situation of the Fire

7 步行街人员疏散时间ASET模拟结果［7］

经过上一章节的模拟，可以得出，商业3F 为建筑面积最大和疏散总人数最多的楼层；5F为烟气最快达最低清晰高度楼层，因此需要模拟3F 和5F 的人员疏散时间。其中，3F 疏散总人数为6 862 人。5F 疏散总人数为4 260人。

7.1 3F人员疏散时间分析

3F 人员疏散第0 s、第87 s、第111.5 s 的疏散情况如图9所示。

图9 3层人员疏散情况Fig.9 Situation Evacuation of People on the 3rd Floor

7.2 5F人员疏散时间分析

5F 人员疏散第0 s、第60 s、第87 s 的疏散情况如图10所示。

图10 5层人员疏散情况Fig.10 Situation Evacuation of People on the 5rd Floor

8 SET模拟结果及ASET模拟结果比较

通过PyroSim 火灾模拟得出：烟气到达5F 最低清晰高度的时间为127 s；烟气充满5F的时间为153 s。

通过Pathfinder人员疏散模拟得出：3F 共6 862人疏散时间为111.5 s；5F 共4 260人的疏散时间为87 s。

从以上分析可以看出，本项目按9 MW 的火源，顶棚设置25%的相对顶层地面面积的自然排烟窗的情形下，烟气因温度下降发生的下沉积聚高度为26.5 m，积聚时间127 s，人员的最长疏散时间为111.5 s。综合各模拟结果得出ASET＞RSET，即在烟气积聚时间内，人员已完成安全疏散。从模拟的烟气形态，每层还是会向两侧步行街环廊蔓延，建议每层步行街开口部分周边加设固定挡烟垂壁，阻止烟气快速向两侧环廊蔓延，延长疏散时间［8］。

9 消防安全措施

为提高步行街作为疏散功能的安全性［9］，进一步采取以下消防安全措施：

⑴步行街各层回廊的开口处设置500 mm 的固定挡烟垂壁，可以有效阻挡烟气因下沉积聚蔓延至步行街环廊，影响人员疏散［10］。

⑵风管穿越每间商铺的隔墙均增设防火阀，以避免火灾时烟气在商铺之间的蔓延，将火灾和烟气控制在着火商铺内，减少烟气量，为步行街的人员安全疏散提供更长的疏散时间。

⑶对于日后商业运营的消防管理，应严格将步行街作为疏散条件使用，管理上需做到：

①严禁在步行街各层临时摆摊设点、布置可燃物。步行街仅供人员步行使用，杜绝步行街有可燃物带来的火灾隐患，保证步行街疏散的安全性能。

②步行街每层的端部外墙开口用于方便救援、排烟和消防补风，不得设置广告牌。

10 结论

⑴本项目商业步行街利用消防疏散模拟软件对步行街自然排烟有效性进行了分析，通过比较人员疏散时间RSET 及火灾蔓延时间ASET，步行街作为两侧商铺的疏散路线仍然是安全的。

⑵从模拟的结果看，31.2 m 高的商业步行街，烟气在上升的过程中，卷吸空气，温度下降，上升的浮力减小，烟气仍有向两侧步行街蔓延的现象。虽然模拟的结果人员疏散的时间小于烟气蔓延的时间，为保证步行街的人员安全疏散，建议在每层步行街的中庭开口部位设置挡烟垂壁，阻止烟气向两侧步行街蔓延，延长烟气的蔓延时间。

⑶步行街的建筑高度需有所限制，对于超过24 m的商业步行街，须采用消防安全软件对步行街排烟的有效性进行分析。