建筑防火技术在高层建筑设计中的应用

杨万红 兰州新现代建筑设计有限公司

随着城市化建设的步伐逐渐深入，建筑规模越来越大，高度也在不断提升，这在一定程度上可缓解城市化进程中土地使用的压力。但是，建筑内部功能的复杂程度也随着高度与规模的增加而增加，这种多样性且复杂的功能设计也对火灾的处置造成一定难度，随之出现了众多安全隐患。因此，需结合目前高层建筑在防火设计中的相关特点，促使设计与施工人员能够充分认识防火规范设计的重要价值，保障建筑使用的安全性。

1 高层建筑火灾发生特点

1.1 外墙面积相对较大且易燃烧

一般高层建筑在设计期间，其外部的墙面面积都相对较大，所使用的保温材料一旦发生火灾，火势会随着建筑外墙快速向上蔓延，极易出现多层同时燃烧的现象，形成“烟囱效应”，造成大型的立体式火灾。此外，高层建筑中，建筑层数越高风速也会越大，在风力和气压的影响下，楼体外部的温度逐渐升高，由此所产生的烟囱效应也会快速提升，造成大火。因此，高层建筑发生火灾产生的损失无法估量。

1.2 火灾扑救难度较大

高层建筑的数量不断增加，规模不断扩大，但目前我国消防设施可操作的高度一般不会超过100 m，如果发生火灾的高度在100 m 以上，那么消防车也难以在第一时间进行扑救，最终难以有效控制高层建筑的火势[1]。同时，结合目前我国高层建筑的设计经验分析，如果在高层建筑中发生火灾，则救援人员实施室外扑救十分困难，救援设备也存在一定的使用限制，如超高层发生火灾时，消防云梯难以达到有效高度等。这些都是高层建筑发生火灾后面临的困境。

1.3 人员疏散和救助困难

建筑物发生火灾后，对人们生命威胁最大的就是物体燃烧所产生的烟雾，并且随着建筑层数的逐渐升高，风速也随之提升，促使烟雾扩散与蔓延的速度加快。

同时，这些建筑物内燃烧所产生烟雾的浓度较大、能见度极低，且还会伴随着有毒气体的产生，这些烟雾如果被吸入人体内，将直接影响到人们的生命安全。另外，高层建筑本身的建筑面积较大、楼层较高，无论是水平方向还是垂直方向，疏散的距离都相对较远，人员众多，如果遭遇火灾，人员疏散所需时间相对较长，加之高层位置火灾蔓延的速度较快，不利于人员的快速安全逃生。如果此时疏散楼梯间内也进入了浓烟，那么将会直接影响人员疏散效率[2]。

2 工程案例

某市一小区的层数为8 层，平面图如图1 所示。建筑设计属于通廊式设计，其中包含房间、走廊和楼梯间3 大部分。为了实现计算方便和对各分区进行分析，有意将所有的房间隐蔽，所涉及的内容数据如表1 所示。其中排烟窗口分别设计在4、5、7 和8 层位置，均为1.44 m2的可开启面积，且在走廊靠近外墙一端。

表1 模型对应的建筑尺寸统计

图1 该8 层建筑平面模型示意

3 基于性能化防火的高层建筑防火设计与应用

3.1 火灾场景设定

3.1.1 前提假设

假设在火源燃料的控制上，其大小与位置都不变；关闭所有建筑内的空调系统；假设建筑内所有的家具和人员都不会影响气流。

3.1.2 设置边界参数

本次设计模拟利用了“大涡”模型，且传热的状态为一维空间。将室外温度设置为20 ℃，建筑外墙壁与环境温度保持一致，设定空气不流动，并将基础数据依据设定为1 个标准大气压[3]；将通风与烟气所产生的气流均假设为理想气体；设定且关闭机械加压的送风系统；调用可燃物相关参数以及FDS 数据库内的空气参数；以1.2 m×1.2 m 的尺寸设计每个楼层走廊中的外窗；走廊与房间的内壁上不存在可燃性的装饰材料，这样则不用去考虑墙面自身的燃烧状态，且可根据FDS 数据库中的特征值来选择墙壁的导热参数，并根据其自身的粘滞性来取值。

3.1.3 网格划分

FDS 计算与划分的主要依据在于最小网格单位，且基于每一个离散的时间来对其内部相关的温度、密度等内容进行计算。这里面网格的大小也表示整个模型所具有的计算模型在空间和时间上的精度，这也是模型中最为重要的参数内容。

基于FDS 软件模型，尤其是在高层建筑的火灾模拟中计算，一般都需要将其划分为数百万个或者上千万个乃至上亿个时间网格，但从理论角度来分析，更加细致地划分网格，可保障计算结果更加精确。需要注意的是，这二者不属于线性关系，在空间与时间的预测上，需要明确的是FDS 本身具有一定精度的二维特征，所以可以根据一次二分的网格分析来减少方程计算期间所产生的离散性误差，也正是因为所设计的方程式是非线性的，所以就算是将其所产生的离散误差降低，也不能够表示已经将结果的错误率全面消除，且一次二分的操作每进行一次，就会增加16 倍的计算时间，也会降低计算精度与计算效率[4]。因此，需要在此期间找到一个平衡点，进而获取最佳的计算结果。

3.2 火灾场景设计

根据前面所设计的模型和有关工作内容，可采取PyroSim 来分析火灾发生后烟气蔓延的情况及其他一些因素的影响，进而提出具体的设计措施。

本次以1 层某个靠近楼梯间的房间一角作为发生火灾的具体区域，该区域坐标为min（9.0，5.0，0.0）、max（10.0，6.0，0.0）。在房间建设内部与走廊之间，喷淋系统全部失效，以自然排烟的形式进行，并且自然补风来自所有开启的窗户，保障最大的火灾热量为10 MW 的释放率，同时在火灾发生时，假设已经将房门、窗户、排烟窗都开启，并且走廊内部的通风口都已经被关闭[5]。以此作为该场景的模拟模型，模拟时间为360 s。

3.3 模拟结果与分析

3.3.1 烟气运动情况

为了更加明确本建筑的烟气蔓延情况，在查看烟气期间，隐去墙体和其他的固体部分，以外部轮廓作为分析框架。

根据烟气在楼梯间和走廊的蔓延情况可以看出，火灾发生过程中，由于只有走廊尽头的一个排烟窗口，因此着火的区域也会产生较大烟气，在120 s 时烟气已经充满整个走廊。楼梯间本身结构与竖井结构相似，但在楼梯的影响下，烟气的蔓延逐渐减缓，产生的烟囱效应不够明显。同时可以看出，8 层的烟层高度明显高于6 层和7 层，且底部2 层和3 层的烟气高度也相对较高。这种现象产生的原因在于，随着烟气逐渐向上蔓延，遭遇到顶部阻挡之后便向下蔓延，这也是低楼层人员死亡率高于高楼层的主要原因。

3.3.2 烟气温度情况

为了对本次走廊和楼梯中烟气的温度状况进行详细分析，在72 s、216 s 和360 s ，以3D 效果图展示烟气温度。由此可以明确的是，烟气温度会随着距离火源的距离减少而提升。并且在走廊位置，分层扩散是主要扩散形式，底部温度要远远低于顶部温度[6]。

3.3.3 烟气压力分布情况

根据72 s、216 s 和360 s 3 个时刻走廊和楼梯间压力分布3D 效果图分析，楼层高度的增加会增加其空气压力，这时底层在空气注入效果下会产生负压，并且底层中的烟气量要高于高层，压力也会随之增加。在楼梯的影响下，该位置的压力也可表示出吸收不够均匀的严重问题[7]。

3.4 防火墙设计

根据该高层建筑的烟气蔓延程度与方向的模型分析，可以采用防火墙的设计来保证建筑防火工程的实用性与居民的安全性。在此设计中，需要对防火墙的厚度、材料进行科学选择，保障其防火性能的全面提升。另外，在防火墙的设计中，还要求要符合实际设计的标准，符合相关建筑参数标准的规定，为救援创造适合的条件[8]。

3.5 消防电梯设计

我国在建筑物构造相关标准中指出，住宅建筑如果达到33 m 以上及32 m 以上的二类高层公共建筑和一类高层公共建筑都需要设计消防电梯。基于案例分析，本案例高度为8 层楼体设计，根据相关设计规范要求，需要进行消防电梯的加装[9]。而在设计地下区域期间，需要具备10 m 以上的深度和3 000 m2以上的面积，消防电梯相较于普通电梯速度更快，消防人员在发生灾情期间可更快地达到受灾地点进行援救[10]。消防电梯的防火技术应用具体如图2 所示。

图2 消防电梯的防火技术示意

4 结语

高层建筑本身具备一定的特殊性质，如果发生火灾期间处理不当，不仅会导致大量的人员伤亡，同时会造成极大的财产损失。

因此，需要在对建筑进行设计期间，科学且合理地开展消防设计工作，保障火灾出现后能够得到快速、有效控制。可在必要的位置上配备数量充足的灭火装置，以此来实现火灾的有效处理，在保障人民生命财产安全的基础上减少建筑设计的经济损失。