高层建筑火灾排烟研究

孙敏捷

摘要：新时期，城市化进程持续加快，城市建筑工程规模持续扩大，高层建筑数量和高度都与日俱增。与普通多层建筑不同，高层建筑通常人员聚集，竖向高度较高、内部空间较大、布局复杂，当火灾发生时，疏散十分困难，且建筑内可燃物很多，任何火灾的发生都存在较大的救援难度，会带来难以估量的经济和财产损失，对此，必须加强高层建筑排烟研究，找出科学的排烟措施。本文以高层建筑火灾扑救排烟为研究对象，讨论高层建筑火灾排烟方式对高层建筑火灾扑救的影响，以供参考。

关键词：高层建筑；火灾扑救；排烟方式

DOI：10.12433/zgkjtz.20232851

据世界高层建筑与都市人居学会2021年发布的一份关于世界高层建筑的报告显示，目前我国拥有150m以上的高层建筑2581座，200m以上建筑861座，而300m以上的超高层建筑则有99座，这三项指标均排在世界前列。

高层建筑起火时，高温烟气很容易在建筑的竖向通道中纵深扩散，加快火灾蔓延，不利于火灾扑救及人员逃生。据统计，烟气致死人数在高层建筑火灾死亡人数中的占比高达82%。高层建筑起火时，如果能有效排烟，可以提高火场能见度，降低高温毒气对人体的伤害，从而控制火势蔓延，提高救人与灭火的效率。本文在总结高层建筑烟气流动规律和排烟的方式、特点、缺陷的基础上，针对性地提出了改进措施，以期促进高层建筑发生火灾时科学排烟。

一、高层建筑火灾排烟的研究背景

（一）高层建筑的火灾特点

第一，火灾蔓延迅速、途径多样、易形成立体的火灾。如果防火分隔或者防火处理不当，高层建筑内的楼梯井、电梯井、管道井、风管、电缆井以及排气管等犹如烟囱，都会成为火灾快速传播的渠道。高端酒店、办公楼、图书馆、档案馆和科研楼等建筑，一般情况下，室内可燃材料较多，有些高层建筑还设有可燃材料仓库，一旦发生火灾，会导致高层建筑的火势迅速蔓延。另外，受气压、风速等因素影响，高层建筑火灾极易形成全楼三维火场，“风助火势、火借风威”在高层建筑中表现得尤为明显。风在火灾中的作用强弱是风速主导的，在近地面，高度越高，风速越大，所以高层建筑火灾往往比中低层建筑更加猛烈。建筑物着火后，烟雾、火焰沿一定方向扩散，先朝上接触天花板，再转为横向扩散，最后沿墙体上下运动。

第二，人员疏散难度大。在高层建筑内，将人员快速撤离至地面或建筑物内不受火灾威胁的安全场所较为困难。首先，建筑高大、楼层众多，垂直疏散距离较远，疏散时间较长。其次，人员集中，疏散设施少。高层民用建筑可容纳的人员大多超过千人，很难在短期内把人都疏散到安全区。再次，发生火灾后普通电梯无法作为安全疏散的场所，楼梯作为高层建筑中的疏散设施，如果楼梯间不能有效阻止烟火的入侵，烟气将被迅速充满楼梯间，不但无法确保人员的安全撤离，还会成为火势蔓延渠道。因此，高层建筑中因来不及撤离造成的烟熏或火烧致死较常见。

第三，扑救困难。与中低层建筑火灾相比，高层建筑的火灾扑救工作更加困难。首先，高层建筑高度会导致消防供水困难。控制火势蔓延、消除着火点和冷却降温需要大量的水，普通消防车水压不能满足高层建筑上部的供水需求，且水带耐压的强度有限，也会限制高层建筑的外部消防供水。当建筑物本身供水能力不足时，需要消防员借助特种登高、排烟消防车辆和抢险救生装备进行高楼接力供水。其次，由于经济、空间等因素限制，高层建筑内消防电梯设置的数目有限，在开展救援作业时，消防电梯需要运送的设备和人员多，运输距离远，消耗时间长，往往抓不住控制初期火灾的有利时机。

第四，火灾隐患众多。有的建筑设有商业营业厅、可燃物仓库、人员密集的礼堂、餐厅等，安全管理不统一，潜在火灾隐患多，一旦起火，容易发生大面积火灾，且火势蔓延很快，扑救疏散困难，从而造成极大的人员伤亡。

（二）高层建筑火灾烟气的危害

第一，缺氧。火灾发生时，建筑室内会出现大面积燃烧现象，燃烧需要氧气，因此会导致室内缺氧，如果救援不及时，可能造成严重的窒息，危害人体健康，甚至引发生命事故。

第二，中毒。众所周知，建筑室内火灾发生后，可燃物燃烧将产生大量的烟雾与其他毒害气体，包括一氧化碳（CO）、氯化氢（HCl）、氰化氢（HCN）等多种有毒气体，对人体的危害极为严重。

第三，高温灼伤。火灾中的烟气温度可达到800～1000℃，特别是燃烧中心区域火焰的温度更高，对人的损伤更大。一般来说，火灾由着火至扩散只需6～7min，大部分火场的实测温度在6min内可达300～400℃。公众聚集场所如果有大量的可燃物，会加快火灾蔓延速度，使火场温度更高，增加人员伤亡的可能性。

第四，减光危害。火灾发生时，只有当疏散的能见距离大于一定的数值时，逃生人员才能看清疏散通道中的疏散标志和疏散门的位置，因此保障疏散通道上的能见度对逃生具有重要作用。一般火场中的能见距离低于3m时，会降低高层建筑火灾中逃生的概率。火灾中烟气蔓延时，烟气中烟尘遮蔽可见光，会缩短能见距离。因此，逃生人员会难以辨认目标和方向，导致原有的事故照明设施和疏散标志难以发挥应有的作用。

（三）高层建筑火灾排烟的意义

第一，有助于救援工作顺利进行。在火场中，可燃物的燃烧会产生大量的有毒烟气，导致人窒息、中毒、灼伤，降低逃生能见度，引起心理恐慌，影响消防员的施救。因此，先排烟，再搜救，才能提高救援效率，才能更好地保障被困人员的人身安全。

第二，扑救火灾。火灾中烟气温度可达近千度，排除高层建筑内的高温烟气是给建筑降温的有效手段。同时，通过排烟控制烟气的流动方向还可以控制火势的蔓延。另外，有效排烟可延长建筑内部的能见距离，更有利于灭火工作的开展。

第三，保障消防员的生命安全。火场内的烟气不仅妨碍群众逃生，也会在很大程度上降低消防员的可视距离，造成消防员在陌生环境中迷失方向，或使消防员因跌落隐藏的竖井、被空中坠物砸伤等。因此，排除建筑内的高温烟气更有利于保障消防员在火场中的安全。

二、高层建筑火灾烟气流动的规律及影响因素

（一）高层建筑火灾烟气蔓延途径

建筑火灾发生后，烟气主要沿水平和竖直两个方向蔓延。水平的蔓延是着火楼层内的蔓延，速度较慢。而竖直的蔓延速度很快，烟气进入楼梯间、电梯井和管道井等建筑竖井后会迅速向上蔓延扩散，速度高达十几米每秒，在几十秒甚至几秒的时间内可到达高层建筑顶部。

（二）高层建筑火灾烟气流动的影响因素

第一，烟囱效应。高层建筑的结构特征为：竖直方向会设置从上到下的通道，以满足高层的运输需求，主要的上下竖直通道包括电梯、管道井或者楼梯等。然而，高层建筑室内与室外的温度不同，二者会有一定的温度差，从而使上下通道中产生上下流动的气流，出现工业烟囱效应。

第二，气体受热膨胀。建筑房间被火灾侵蚀后，不仅会出现高温烟气带来的浮力，气体受热后也将发生膨胀，由此带来压差，影响烟气流动。如果房间仅设置一个通风口，并与外部空间相连，会加剧气体膨胀的系数。

第三，通风空调系统影响。要想建筑内气压不受影响，建筑内的通风、空调系统等换气设施的排风量应与送风量相当。如果建筑内某空间内送风量低于排风量，其他空间的空气就会流向此处。相反，如果此处的空气流向其他空间，可以使换气系统的送风量大于排风量。因此，合理控制换气系统可以控制烟气在建筑内的流向。

第四，室外风力、风速的影响。风对各个建筑面的作用不同，迎风面的墙壁所受压力向内，两侧墙壁及背风面则相反，而平顶层所受压力向上。这种承压方向上的差异导致空气从建筑的迎风面流入，从建筑的背风面流出，并在顶层尚未封闭的竖直通风管道中产生吸力。

三、高层建筑火灾不同排烟方式的特点

第一，自然排烟的特点。利用自然力使烟气不能入侵消防电梯及楼梯间内的排烟方式称为自然排烟。这种方式的效果主要受所处楼层、室外温度、风力特征等因素影响，利用好这些因素，自然排烟也能起到良好的排烟效果。

第二，机械排烟的特点。机械排烟系统主要利用排烟风机将着火区域内的高温有害烟气从排烟口排出，主要由挡烟垂壁、排烟口、排烟机以及电气控制等部分组成。排烟时，要注意及时排出人员疏散时带入前室的烟。

第三，机械加压排烟的特点。机械加压排烟是通过使防烟楼梯间及其前室保持足够的压力避免烟气进入楼梯间及前室。机械加压送风系统是一种强制性的防排烟系统，主要由电气控制设备控制的防烟部件、送风口、送风管道和送风机组成，需要电梯前室、楼梯间保持一定的正压，防止烟气侵入。在高层建筑起火时，通过机械加压送风将一定量的空气送到楼梯间和前室内，可以确保烟气无法入侵。

四、高层建筑火灾排烟的常见问题

（一）自然排烟的常见问题

第一，排烟的效果不稳定。自然排烟效果容易受室外风力特征、季节变化及高层建筑热压作用的影响。

第二，在设计时考虑自然排烟。自然排烟需要借助外窗或者专用的排烟口，外窗或排烟口要满足排烟需求。

第三，存在火灾通过排烟口蔓延到紧邻上层的危险性。由排烟口或外窗向外排烟时，由于排除的烟气中可燃气体未燃尽，且温度很高，具备燃烧条件，会继续燃烧。燃烧的烟气火焰周围的空气补充条件有差异，火焰内侧靠近外墙的部分空气不足形成负压区，导致火焰有扑向墙壁面的贴壁燃烧现象，进而引起上一层可燃物燃烧，增大建筑物的燃烧面积。

（二）机械排烟的常见问题

第一，排烟口的位置设置不当。机械排烟设施不达标，主要的影响因素是排烟口的设置不合理。排烟口位置设置不当，会导致排烟设施难排烟。不合理主要表现为：排烟口设置高度不够，部分高层建筑的排烟口设置在墙下部，一旦发生火灾产生烟气，很难实现机械排烟；布局不合理，部分建筑将排烟口设置在安全出口上方，不仅不能起到排烟的作用，还会增加安全出口的烟气，增加安全疏散的难度。

第二，挡烟垂壁设置不规范。目前，部分高层建筑为了追求建筑内部的美观效果，未按照相关要求设置挡烟垂壁，影响了排烟效果。

第三，防排烟风机供配电与规范不符。虽然相关规定对防排烟风机的负荷级别和敷设安装有明确要求，但在实际施工中仍存在防排烟风机供配电与规范不符的问题。

第四，维护保养不到位。防烟排烟系统能否正常使用与系统各组件、配件的现场状态密切相关，很多单位对防排烟设施的日常管理维护很差，有的单位甚至只在消防部门检查时才打开防排烟设施，导致存在严重的排烟隐患。

（三）机械加压排烟的常见问题

第一，不合理的风机选配。实际设计机械加压送风装备时，必须参照现实机械加压送风量配置风机，当风机选配不合理时，会影响排烟，如果加压风机尺寸超出标准，防烟区的正压值会上升，导致疏散门无法正常打开，如果加压风机的规格较小，防烟区内的正压值也会较低，无法有效抵挡烟气扩散。

第二，风口与风阀的选配不科学。在机械加压送风系统内，如果未能正确选配风口与风阀，会影响风口面积，加大系统阻力，导致风量不足。在建设高层建筑时，如果不积极抹光进风管道内壁或尚未及时修理脚手架，可能影响风阀调节，不能正常防烟。

第三，未安压差调节设备。参照文件条款，在个别情况下，把防烟楼梯间、前室送风系统统一共用，或将压差调节装置配设于前室风管支管，如果出现火灾，可以打开机械加压装置，楼梯间与前室之间构成压差，便于排除烟雾。在现实中，一些高层建筑没有配设压差调节装置，使得合用室的前压力高于楼梯间，会影响防烟效果。

第四，维护保养不到位。与机械排烟相似，机械加压排烟系统也存在使用单位对日常维护保养不到位，甚至在非消防检查时不开启的问题。

五、高层建筑火灾排烟常见问题的解决对策

（一）自然排烟的解决对策

根据风力对高层建筑自然排烟的影响，在高层建筑防火设计上，将进风口设在上风方向，排烟口设在下风方向。在发生火灾时，室外的风顺着上风方向进入建筑物进风口，将室内大量的烟气通过下风方向的排烟口排出室外，具有良好的自然排烟效果。

排烟窗设置在墙的上部自然排烟效果更佳，最好安排在顶棚或顶板下800mm的距离内、中和面的上方。

对于高层建筑自然排烟而言，能通过自然排烟将建筑内烟气排出室外。实际上，整个排烟过程是一个空气循环过程，要加大建筑物室内的补风量，使烟气快速从建筑物窗口排出室外，从而有利于人员的逃生和疏散。

（二）机械排烟的解决对策

防排烟系统关系到整个建筑的消防安全，一般用于紧急状态下的安全防护，关系到整个建筑物内的人员安全。因此，此系统应与配电设备、空调、散热设备等分离安装，确保防烟系统单独运转不受到其他设备的干扰。

排烟口的具体设计与布局关系到整个建筑物的排烟效果。必须科学设计排烟口的尺寸，做好定位，如果室内面积很大，可以增加排烟口的数量，注意均匀、分开布局。如果室内高度达不到3m，要将排烟口安装在和室内净高度一半以上的部位，确保排烟口远离疏散口，并让排烟方向和疏散方向反向布设。如果排烟口配设于棚顶，与四周可燃物保持1m以上的距离，同时注意排烟口的形状应为细长条缝形。

（三）机械加压排烟的解决对策

风机是机械加压送风系统的关键部分，直接影响着防排烟的质量以及效果，因此，需要合理选择风机。风机风量需要满足排烟需求，排气口要设置在墙壁靠近顶棚的位置或直接设置在顶棚上，以增强排烟效果。

六、结语

在高层建筑火灾中，及时、正确的排烟可以有效排除建筑内的烟气，为消防员的灭火救（下转第157页）（上接第154页）援行动提供便利，也能使被困人员的疏散更加安全，从而提高被困人员的存活率。在高层建筑物中，主要利用自然排烟系统、机械排烟系统以及机械加压排烟系统排烟，这三种排烟系统各有优劣。在实际的高层建筑火场中，排烟情况复杂，消防救援人员要综合考虑可燃物情况、起火部位和被困人员等因素，科学选择合理的排烟方法，以获得最佳的排烟效果。

参考文献：

[1]陈荣芳，李欣，郭志国，等.隧道受限火灾合理纵向通风风速范围研究[J].中国安全生产科学技术，2022（08）：148-153.

[2]傅渊增.超高层建筑消防安全管理及对策[J]城市住宅，2021，28（07）：243-244+246.

[3]陆迪民.特大城市高层居民楼消防安全风险治理研究[J].湖州职业技术学院学报，2018，16（4）：31-34+42.

[4]吴斌.超高层建筑火场供水研究[J].今日消防，2022，07

（09）：28-30.

[5]张笑天.高层建筑火灾灭火救援技术探析[J].消防界（电子版），2022，08（20）：127-129.