《建筑防烟排烟系统技术标准》GB 51251—2017中若干条文分析

陈 颖，李思成

《建筑防烟排烟系统技术标准》GB 51251—2017中若干条文分析

陈 颖，李思成

(中国人民警察大学防火工程学院，廊坊 065000)

《建筑防烟排烟系统技术标准》GB 51251—2017 立足实用和可靠的设计原则，得到了建筑消防设计人员和火灾学者的高度关注．通过对标准若干条款仔细研读，运用理论分析和文献分析的方法，对净高小于或等于6m的着火房间排烟量、防烟分区的临界蓄烟面积、走道排烟设置、楼梯间顶部固定窗设置进行了仔细分析和公式推导，给出了典型部位具体的参数数值．本文研究可为防排烟规范的修订完善提供一定的指导．

排烟量；防烟分区；临界蓄烟面积；走道排烟；固定窗

火灾发生之后，可燃物的热解和燃烧会产生大量火灾烟气．火灾烟气具有高温、缺氧、减光性、毒害等危害性，是造成人员死亡的主要原因[1]．为了保证人员安全疏散和消防队员的快速扑救，许多功能复杂、火灾荷载大、火灾危险性大的重要建筑都需设置固定防排烟设施[2]．《建筑设计防火规范》GB 50016—2014[3](以下简称《建规》)的第9部分对需要防烟和排烟的部位进行了规定，烟气控制设计师在判定不同类型建筑是否需要设置防烟排烟时，主要根据这些规定执行．这部规范对需要防烟排烟的场所和部位进行了界定，但是防烟排烟的具体设置参数并没有给出具体要求．

《建筑防烟排烟系统技术标准》GB 51251—2017[4](以下简称《防排烟标准》)于2018年8月1日正式实施，对防烟、排烟系统的设计、施工、验收及维护管理进行了详细规定．《防排烟标准》作为我国第一部专门的防烟排烟设计国家标准，为设计、施工、验收和消防监督管理提供了遵循．规范自颁布以来，得到了火灾科学研究者、设计人员和监督管理人员的关注、肯定和和探讨．

《防排烟标准》参考英美的烟气控制规范，设计理念和具体参数设置与以前规范规定有很大不同，比如：基于火羽流概念的排烟量计算方法，防烟分区的划分方法，增设了便于火灾救援现场便于破拆的固定窗，保证防排烟系统可靠性的措施等．但是，通过笔者对《防排烟标准》一些条款的解读分析，发现若干条文规定存在一些有待商榷的地方，通过理论计算，调查分析和翻阅一些资料，对标准中若干条文提出如下见解和建议．

1 净高小于或等于6m的着火房间排烟量

房间发生火灾后，如能有效排烟，可以把烟气控制在着火房间内，避免进入走道或其他区域．因此，着火房间的排烟非常重要．对于需要排烟的房间，《建规》第8.5.3条规定，“公共建筑内建筑面积大于100m2且经常有人停留的地上房间应设置排烟设施；公共建筑内建筑面积大于300m2且可燃物较多的地上房间应设置排烟设施；地下或半地下建筑(室)、地上建筑内的无窗房间，当总建筑面积大于200m2或一个房间建筑面积大于50m2，且经常有人停留或可燃物较多时，应设置排烟设施．”对于排烟量，特别是净高小于或等于6m的着火房间的排烟量，《防排烟标准》第4.6.3条规定，“建筑空间净高小于或等于6m的场所，其排烟量应按不小于60m3/(h·m2)计算，且取值不小于15000m3/h，或设置有效面积不小于该房间建筑面积2%的自然排烟窗(口)．”

按照《建规》的要求，对于无窗房间，当房间建筑面积大于50m2时，应该设置排烟设施．《防排烟标准》规定了着火房间的最小排烟量15000m3/h.为了便于形象理解，本文用换气次数的大小来显示排烟量的大小．换气次数＝房间送风量/房间体积，单位是次/h．图1为着火房间的面积范围为50～250m2时，空间净高分别为3m、4m、5m和6m时着火房间的换气次数．从图中可以看出，对于50m2的房间，当空间净高为3m时，换气次数可达100次/h；当空间净高为4m时，换气次数可达75次/h．对于着火房间，如此大的换气次数，可能会造成瞬时压力大幅下降，使烟气排不出去．

图1 根据规范规定[3]不同着火房间的换气次数

排烟时，合适的换气次数非常重要．查阅《建规》的相关规定，换气次数最大的是《建规》第9.3.16条，燃气锅炉房事故排风量换气次数不少于 12次/h.《人民防空工程设计防火规范》GB50098—2009[5]第6.3.1条第3款，对中庭的最大排烟量按其体积的6次/h换气计算．经过对国内性能化报告的查阅，发现排烟量换气次数最大约为20次/h．对于《防排烟标准》规定的60m3/(h·m2)的排烟量，按房间净空高度为3m换算，换气次数为20次/h．根据进一步的保守估计，房间的换气次数可按最大不超过50次/h推算，可以据此来推算着火房间的排烟量．

根据此标准，对于建筑空间净高小于或等于6m的房间，排烟量可按下列要求计算：当单个防烟分区建筑面积小于或等于100m2时，其计算排烟量不应小于7200m3/h；当单个防烟分区建筑面积大于100m2时，其排烟量应按不小于60m3/(h·m2)计算，且不应小于15000m3/h．

图2为根据上述规定，着火房间的面积范围为50～250m2时，空间净高分别为3m、4m、5m和6m时着火房间的换气次数．从图中可以看出：对于50m2的房间，当空间净高为3m时，换气次数为48次/h；对于110m2的房间，当空间净高为3m时，换气次数可达46次/h，没有出现换气次数太大的情况．

图2 根据本文新规定[4]不同着火房间的换气次数

2 防烟分区临界蓄烟面积

防烟分区能够有效阻碍火灾烟气的蔓延扩散(图3)，是排烟系统设计中的一个主要部分，其合理划分十分重要[6-9]．防烟分区面积的大小是划分防烟分区的关键参数之一．如果防烟分区面积过大，会增大烟气扩散面积，不利于人员疏散和火灾扑救；同时，不受限制的高温火灾烟气会使喷头启动个数增加，加重自动喷淋系统的负担，降低喷淋强度，影响灭火效果．相反，如果防烟分区面积过小，热烟气沉降速度加快，烟气越过挡烟垂壁外溢，影响控烟效果；另外，工程造价增加，不利于工程设计[9]．

图3 商场内划分防烟分区的挡烟垂壁

国际上，一般采用具体工程具体计算的方法进行防烟分区划分，也有一些国家依据当地的建筑规范进行防烟分区划分．不同国家关于防烟分区划分的具体数值见表1[10]．

表1 不同国家防烟分区的划分面积[10]

Tab.1 Area of smoke reservoir in different countries[10]

目前，我国《防排烟标准》第4.2.4条对防烟分区的划分提出了具体规定，规定了根据不同空间净高确定最大允许面积的防烟分区，并规定了不同高度下防烟分区长边的最大允许长度，如表2所示．

表2 公共建筑防烟分区的最大允许面积及其长边最大允许长度

Tab.2 Maximum allowable area and maximum allowable length of long sides of smoke reservoir in public buildings

从上述规范规定来看，防烟分区的面积都规定了最大值，而对最小值没有规定．为有效控制火灾烟气，在排烟系统启动时，火灾烟气不能从着火防烟分区蔓延出来．因此，防烟分区面积应该有最小值，即防烟分区的临界蓄烟面积．

根据防烟分区排烟量和排烟系统的启动时间可以计算得到排烟系统启动前，建筑防烟分区内所产生的烟气体积，再结合储烟仓厚度，即可确定不同空间净高下防烟分区的临界蓄烟面积，公式如下：

式中：RTI为响应时间指数，取RTI＝5(m·s)1/2；为顶棚射流速率，m/s；为顶棚射流温度，K；0为环境温度，K；a为探测器的动作温度，取a＝327K．

顶棚射流速度和温度可根据Alpert[11]提出的简化计算顶棚射流的经验公式计算得到．

图4为不同火灾热释放速率条件下，储烟仓厚度为0.5m时，防烟分区临界蓄烟面积随空间净高的变化．

由图4(a)～(c)可知，在空间净高不超过9m的情况下，火灾热释放速率分别为2.5MW、3.0MW、4.0MW的防烟分区临界蓄烟面积明显小于火灾热释放速率分别为8.0MW、10.0MW、20.0MW的防烟分区临界蓄烟面积，即建筑内设置有自动喷水灭火系统的防烟分区临界蓄烟面积小于建筑内未设置自动喷水灭火系统的防烟分区临界蓄烟面积．这主要是因为火灾热释放速率越大，产生的烟羽流质量流量越大，排烟量越大，造成排烟系统启动前0.5m厚的储烟仓内烟气体积增大，则防烟分区的临界蓄烟面积相应增大．

防烟分区的临界蓄烟面积随空间净高的增大而增大．这说明随着空间净高的增大，火灾产生的烟羽流质量流量增大，排烟量增大，同时火灾探测器动作响应时间增大，进而排烟系统启动前0.5m厚的储烟仓内烟气体积增大，因此，防烟分区的临界蓄烟面积相应增加．

因此，防烟分区的面积，不应仅考虑最大值，还应该根据防烟分区内的火灾荷载、空间净高、储烟仓厚度和排烟系统的启动时间考虑其最小值，即防烟分区临界蓄烟面积．

3 疏散走道的排烟

走道是人员疏散的第二安全区，需保证走道不受火灾烟气的威胁．因此，《建规》第8.5.3条第5款规定，“建筑内长度大于20m的疏散走道应设置排烟设施．”对于走道内的排烟方式和排烟量，《防排烟标准》第4.6.3条第3款和第4款作了详细规定．第3款规定，“当公共建筑仅需在走道或回廊设置排烟时，其机械排烟量不应小于13000m3/h，或在走道两端(侧)均设置面积不小于2m2的自然排烟窗(口)且两则自然排烟窗(口)的距离不应小于走道长度的2/3．”第4款规定，“当公共建筑房间内与走道或回廊均需设置排烟时，其走道或回廊的机械排烟量可按60m3/(h·m2)计算，且不小于13000m3/h，或设置有效面积不小于走道、回廊建筑面积2%的自然排烟窗(口)．”

发生火灾之后，走道中的火灾烟气主要来自于房间．进入走道内火灾烟气量的大小与紧邻房间的可燃物的多少有关．房间的大小也是确定该房间是否采取排烟措施的一个重要指标．从第3款的规定来看，当公共建筑仅需在走道或回廊设置排烟时，应理解为房间面积小于50m2且总面积小于200m2，房间不需排烟，但走道或回廊长度大于20m的情况.

如走道或回廊采用自然排烟时，走道两端(侧)均应设置面积不小于2m2的自然排烟窗(口)．根据规范要求，在走道两端设置面积总和不小于4m2这种设计要求在工程上很难实现．有的设计人员为了便于设计，于是创造利用第4款规定的条件，在某一房间设置自然排烟，以谋求在走道设置面积为2%的自然排烟窗(口)．然而，这与规范的本意并不相符．第4款规定房间内与走道或回廊均需设置排烟，是房间的大小应满足《防排烟标准》设置排烟的要求，并不是房间是否排烟这一事实．

从危险性分析来看，公共建筑房间内与走道或回廊均需设置排烟的情况应该比公共建筑仅需在走道或回廊设置排烟的情况要危险．但从规定来看，与第3款相比，第4款的要求对机械排烟的要求高，而对自然排烟的要求低，这与危险性大小的应对措施并不相符．

为了更好地排出走道中的烟气，又不至于工程上不可行，建议《防排烟标准》在修订时，对于走道的排烟，不再对与走道相邻的房间排烟情况进行综合分析，只分析走道或回廊的排烟量．即当走道或回廊采用机械排烟方式时，机械排烟量可按60m2/(h·m2)计算，且不小于13000m3/h；当采用自然排烟时，在走道或回廊两端(侧)设置总有效面积不小于走道或回廊地面面积的 2%的自然排烟窗(口)，且两端(侧)自然排烟窗(口)之间的距离不应小于走道或回廊长度的2/3．

4 固定窗的设置

楼梯间作为火灾发生后人员疏散的唯一生命通道，应保证绝对安全[12]．另外，与消防电梯合用前室的楼梯间作为消防员灭火与救援的通道，为使消防救援人员在一个安全的环境中灭火和救援，保证消防员人身安全和工作效率，也应该保证无烟环境．然而，由于设备可靠性或设计、施工等原因，火灾发生后，防烟系统不能启动或者发挥不了有效防烟的作用，火灾烟气可能会进入楼梯间[13]．然而在设置机械防烟系统的楼梯间，火灾烟气快速排出并非易事．为了解决这个问题，《防排烟标准》提出固定窗的概念．即在楼梯间的顶部或靠外墙的侧墙上设置固定窗，固定窗平时不可开启，在发生火灾时可由消防员或其他人员人工破拆，以排出火场中的浓烟和高温．

对于固定窗具体的设置参数，《防排烟标准》第3.3.11条规定，“设置机械加压送风系统的封闭楼梯间、防烟楼梯间，尚应在其顶部设置不小于1m2的固定窗．靠外墙的防烟楼梯间，尚应在其外墙上每5层内设置总面积不小于2m2的固定窗．”

当楼梯间直通楼顶时，在顶部设置固定窗比较容易实现．然而，许多高层、超高层建筑的楼梯间并不直通楼顶．如《建规》第5.5.23条规定，建筑高度大于100m的公共建筑，应设置避难层(间)．通向避难层(间)的疏散楼梯应在避难层分隔、同层错位或上下层断开．这样，超高层建筑内区的楼梯间被避难层分隔成上、下梯段，在顶部设置固定窗显然不符合避难层的相关要求．

为了解决这种情况，文献[14]第47条要求，在各避难层的下梯段部分的顶部或进入该梯段的前室(或合用前室)设置直通室外的排热通道(其耐火极限不低于 1.5h)，该排热通道在外墙上设置的固定窗，可作为下梯段楼梯间顶部的固定窗使用．此规定表面上看来是设置了一个延长的固定窗，但是进入楼梯间的火灾烟气温度经过长距离冷却，一般温度较低，且水平方向的排热通道没有高差，综合起来，浮力效应较小，很难把烟气排出去．

所以，当高层或超高层建筑内核中楼梯间不直通楼顶时，设置长距离水平排热通道的方法并不能有效排出烟气，建议通过消防管理等其他加强措施保证楼梯间不进入烟气．

5 结 论

本文利用理论分析和文献调研的方法，对现行《防排烟标准》4个条文规定进行了分析．主要包括净高小于或等于6m的着火房间排烟量、防烟分区临界蓄烟面积、疏散走道的排烟和固定窗的设置等．对一些可能会造成不良效果的设计参数进行了分段考虑，对不完善的一些条文进行了附加规定，对工程上不易实现的规定也提出了一些看法和观点．建议在后续修编该规范时，对这几个问题进行进一步的论证和分析，完善相应的条文规定，使其在理论上更加逻辑自洽，实践中能更好地达到防烟排烟的要求，从而提高建筑的消防安全水平．

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Discussion on Several Provisions of：GB 51251—2017

Chen Ying，Li Sicheng

(School of Fire Protection Engineering，China People’s Police University，Langfang 065000，China)

Based on the practical and reliable design principles，：GB51251—2017 has been highly concerned by building fire protection designers and fire scholars. By studying several provisions of the standard carefully and using the methods of theoretical analysis and literature analysis，the authors perform a careful analysis and formula derivation on the flow rate of smoke exhaust in fire rooms with a net height of less than or equal to 6m，the critical smoke reservoir area，the smoke exhaust setting of the corridor，and the fixed window for fire forcible entry setting at the top of the stairwell，and give specific parameter values of typical parts. The research in this paper can provide some guidance for the revision and improvement of.

flow rate of smoke exhaust；smoke reservoir；critical smoke reservoir area；smoke exhaust in corridor；fixed window for fire forcible entry

TU998.1

A

1006-8740(2022)04-0417-06

10.11715/rskxjs.R202206005

2021-03-02．

中国人民警察大学科研重点专项资助项目(2019sycxpd002).

陈 颖（1976—  ），女，硕士，副教授，3238217529@qq.com．

李思成，男，博士，教授，lisicheng@cppu.edu.cn．

(责任编辑：武立有)