室內步行街排煙系統設計的探討

張 宇

(北京朝陽區消防支隊，北京 100032)

室內步行街排煙系統設計的探討

張 宇

(北京朝陽區消防支隊，北京 100032)

以某商業裙房工程項目為例，結合建筑結構造型特點，對其室內步行街的排煙設計進行了分析。結合性能化設計的理論與方法，提出了控煙分區的概念和步行街排煙系統分區控制的方案，并采用火災動力學分析軟件FDS模擬分析了不同火災場景下的步行街火災煙氣蔓延情況，驗證了各火災場景下，現有的排煙設計方案能夠滿足步行街區域各樓層人員安全疏散的環境要求。

室內步行街；防煙分區；控煙分區

1 工程背景

某商業裙房建筑地下二層、地上四層，其中，地下二層為車庫、設備機房、庫房；地下一層為超市、消防控制室、貨運通道；地上一層至四層為商業，商業中部設置商業步行街。步行街地面位于首層，二層至四層設有回廊及連橋。南北向步行街地面凈寬度不小于13 m，二至四層回廊人行道寬度不小于3 m，步行街空間高度約22 m。其主要消防設計如下：

1.1 防火分區劃分

該工程商業營業廳部分防火分區面積不大于4 000 m2；餐飲、影院部分防火分區面積不大于2 000 m2；地下車庫防火分區面積不大于4 000 m2；設備用房部分防火分區面積不大于1 000 m2。

1.2 人員疏散設計

樓梯、走道凈寬度每100人不小于1 m，各層樓梯疏散寬度滿足規范要求；商業營業廳室內疏散距離按大空間30 m設置，其他部分內任何一點至最近的安全出口的直線距離雙向不超過40 m,單向不超過20 m。

1.3 報警系統設計

該工程為一類防火建筑，火災自動報警系統的保護等級按一級設置。消防控制室設在地下一層，設有直接通往室外的出口。除衛生間、水箱間等場所，均設火災自動報警系統。

1.4 防排煙系統設計

按《高層民用建筑設計防火規范》的規定設計防排煙系統。不滿足自然防排煙條件的防煙樓梯間均設置機械加壓送風系統，地上樓梯間與地下樓梯間分別設置加壓送風系統。中庭設有機械排煙系統，排煙風機設置于屋頂，發生火災時，經消防控制中心確認后，排煙口及排煙風機即自動開啟，進行排煙。排煙系統按防煙分區設置排煙口，每個排煙分區內的排煙口平時常閉，當發生火警時，經消防控制中心確認后，自動或手動開啟報警區內的排煙閥及該系統的排煙風機和補風機，進行排煙和補風。

1.5 自動滅火系統設計

除小于5 m2的衛生間、設備間及其他不宜用水滅火的部位外均設置自動滅火設施。商業、地下超市按中危險II級布置自動噴水滅火系統,地下車庫按中危險II級布置預作用噴水滅火系統。室內凈高大于8 m、小于12 m的場所按非倉庫類高大凈空場所設計，室內凈高大于12 m的大空間(商業中庭部分)設置大空間智能型主動噴水滅火系統。

2 消防設計問題

該工程步行街貫通一層至四層，其防火分區面積超過現行規范的相關規定。另外，由于工程占地面積大，部分位于建筑中部的疏散樓梯，需經首層步行街疏散至室外。為了保證人員疏散的安全，需要對人員疏散的安全性進行評估，針對排煙系統設計的評估是其中的一個重要方面。

《建筑設計防火規范》(GB 50016-2006)規定需設置機械排煙設施且室內凈高小于等于6.0 m的場所應劃分防煙分區；每個防煙分區的建筑面積不宜超過500 m2，防煙分區不應跨越防火分區，防煙分區宜采用隔墻、頂棚下凸出不小于500 mm的結構梁以及頂棚或吊頂下凸出不小于500 mm的不燃燒體等進行分隔。針對機械排煙系統的排煙量計算，《建筑設計防火規范》(GB 50016-2006)第9.4.5條規定了機械排煙系統的最小排煙量。

由于該工程室內步行街擬作為疏散準安全區考慮，如何合理設置防煙分區，如何確定合理的排煙量，需要深入分析，不宜完全依照現行規范進行排煙設計。因此針對該工程室內步行街，采用基于性能的方法分析該大空間區域的排煙系統，并根據分析結果提出相應的設計要求。

3 排煙設計策略

考慮到安全疏散的需要，室內步行街需要具備疏散臨時安全區的功能，應充分利用室內步行街空間高大的特點，為人員疏散創造有利的條件。由于室內步行街僅作為人員交通通道使用，可燃物很少，如果步行街與周圍店鋪間的防火分隔措施能夠控制火災蔓延，則室內步行街內不會發生燃燒的大面積蔓延，但是必須有效地控制火災煙氣的蔓延。

參照上海市工程建設規范《建筑防排煙技術規程》及國內外相關消防性能化設計指南，防煙分區的長邊不應大于60 m，當室內高度超過6 m且具有對流條件時不應大于75 m，所以建議防煙分區最大長度不超過75 m。當防煙分區面積超過2 000 m2或長邊大于60 m時，應采用擋煙垂壁、隔墻或梁劃分防煙分區，且應滿足疏散所需的清晰高度。

針對該工程的排煙設計，提出了控煙分區的概念。控煙分區是指在建筑內部屋頂或頂板、吊頂下采用具有擋煙功能的構配件進行分隔所形成的控制煙氣水平蔓延的區域。防煙分區一定是控煙分區，但控煙分區不一定是防煙分區。控煙分區的最大建筑面積不宜大于2 000 m2，最大長度不宜大于60 m，且不要求一定具有蓄煙能力。

4 排煙設計方案

該工程室內步行街長度約113 m，寬15 m，高約22 m，由于考慮作為疏散準安全區，不宜完全依照現行規范進行排煙設計，擬采用基于性能的方法分析該大空間區域的排煙系統，并根據分析結果提出相應的設計要求。

4.1 控煙分區的劃分

步行街建筑內沒有條件設置物理分隔措施劃分防煙分區，但是可在不同分區內設置獨立的機械排煙系統，形成控煙分區。每個控煙區域均有獨立的排煙設施和統一的報警聯動地址，從而減小火災煙氣的蔓延范圍，有利于整個建筑的安全疏散。該工程室內步行街的控煙分區的劃分示意圖如圖1(以二層平面圖為例)所示。

圖1 步行街控煙分區劃分示意圖

具體劃分方法如下：(1)室內步行街區域總共劃分3個控煙分區，控煙分區之間設置擋煙垂壁，擋煙垂壁下降高度為1.0 m。(2)步行街內的圓形中庭區域獨立劃分為一個控煙分區，長41.9 m，為“控煙分區2”。(3)步行街北側與南側2個邊形中庭區域，按照區域長度進行劃分，若30 m≤長度≤60 m，則獨立進行煙控設計；若長度≤30 m，則可與相鄰的中庭控煙分區合并成一個區域進行控煙設計。該工程北、南側邊形中庭長度分別為33.7 m、37.4 m，因此作為獨立的控煙分區，將其命名為“控煙分區1”和“控煙分區3”。

4.2 控煙策略

該工程中庭大空間為集中排煙，但是為了有效控制火災煙氣蔓延的范圍，不宜同時排煙，因此建議分區域排煙。若某控煙分區內發生火災，則只啟動該控煙分區內排煙口；若煙氣蔓延至其他控煙分區，則相鄰控煙分區內感煙探測器探測到煙氣后，聯動啟動相應控煙分區內的排煙口排煙。

4.3 排煙量計算

針對機械排煙系統的排煙量計算，目前主要有手動計算和相關規范規定兩種方法。《建筑設計防火規范》(GB 50016-2006)第9.4.5條規定了機械排煙系統的最小排煙量；手動計算時，排煙系統的排煙量與火災的熱釋放速率和煙縷的質量流量有關。以產煙量等于排煙量為標準，計算機械排煙系統的臨界排煙量。NFPA 204、NFPA 92B以及上海市《建筑防排煙技術規程》等設計指南提出了適合工程應用的排煙量計算公式，煙氣生成量的計算方法如下：

式中，mp為羽流的質量流量，kg·s-1；Qc為火源熱釋放速率轉化成的對流熱量部分，kW；z為設計煙層高度，m；zl為限制火焰高度，取3.54m；Tp為高度z時的煙氣的絕對溫度，K；T0為環境絕對溫度，298K；Cp為空氣比熱，1.02kJ·kg-1·K-1；V為排煙量，m3·s-1；ρ0為空氣密度，1.2kg·m-3。

取設計煙層高度為18.7m(四層地面高度以上2.0m)，火源熱釋放速率為3MW，計算可得每個控煙分區所需最小排煙量為391 420m3·h-1，即步行街沿水平方向每75m區域的排煙量為391 420m3·h-1。該工程步行街長約113m，因此整個步行街的最小排煙量應為391 420×113/75=589 739m3·h-1。每個控煙分區的排煙量可按照長度進行均勻設置，即控煙分區1排煙量為175 878m3·h-1(長33.7m)、控煙分區2排煙量為218 673.3m3·h-1(長41.9m)、控煙分區3排煙量為195 188.1m3·h-1(長37.4m)。

5 模擬分析結論

為了進一步驗證基于控煙分區排煙設計理念進行中庭排煙系統設計的有效性，采用火災動力學分析軟件FDS進行數值模擬。排煙有效性判定指標為：火災煙氣層高度在模擬過程中始終穩定在清晰高度之上；各層距離地面2m處煙氣溫度在模擬時間內不超過60 ℃；各層距離地面2m處的能見度在模擬時間內不小于10m。

5.1 火災煙氣分析

該工程在首層中庭地面、首層商鋪及四層店鋪內設置了火災場景，具體見表1。

表1 步行街火災場景設置

各場景計算結果表明：(1)首層邊部商鋪發生火災，由于中庭區域各層樓板開洞率較小，商鋪與洞口有一定的距離，因此煙氣會先在本層內蔓延，到達開洞區域后，才會豎向蔓延。因靠近首層出口，有自然補風的影響，因此首層的煙氣相對較少，二層靠近邊部的區域煙氣較易聚集。(2)首層中庭發生火災，首先煙氣豎向蔓延，到達頂棚后開始水平蔓延，由于煙氣在上升過程中不斷卷吸冷空氣，使得煙氣的溫度有所下降，上升浮力有所減小，因此煙氣容易在頂棚下方聚集，四層平面危險來臨時間為800s。(3)四層商鋪發生火災，由于火災位置靠近頂棚，產生的熱煙氣浮力較大，能很快被機械排煙系統排出，在1 200s內并未出現煙氣大量聚集的現象。

5.2 人員疏散分析

該工程中疏散運動時間采用STEPS分析軟件進行預測分析。疏散模型中人員屬性包括：人員類型、人員組成分布、人員行走速度、出口及通道流量。人員分類及組成比例設定為：男士(40%)、女士(40%)、兒童(10%)、長者(10%)。各人員種類的行走速度參考了美國SFPEHandbook及英國Simulex模型的建議，并結合我國人員形體尺寸和行走速度統計數據進行一定的折減。有效寬度是出口或樓梯間的凈寬度減去邊界層寬度，邊界層的寬度參考SFPE手冊中的建議數值。

根據所設置的火災場景，考慮了四種火災情況下的人員疏散情況，具體疏散模型及模擬結果如下：

5.2.1 疏散場景S1，火源位于首層步行街安全出口附近的商鋪內，考慮封堵火源附近的安全出口，首層人員向遠離火源的其他安全出口疏散；四層人員在20s左右疏散到步行街鄰近的各疏散樓梯入口，出現排隊等待現象，在320s左右四層步行街人員全部進入樓梯間。步行街內人員全部離開步行街的時間總計465s。

5.2.2 疏散場景S2，火源位于首層步行街中庭內，各安全出口均可用，360s左右本層步行街內人員完全疏散；四層人員在30s左右疏散到步行街鄰近的各疏散樓梯入口，出現排隊等待現象，305s左右四層步行街內人員全部疏散至樓梯間內。步行街內人員全部離開步行街的時間總計455s。

5.2.3 疏散場景S3，火源位于四層步行街中庭附近的餐飲店鋪內，考慮封堵火源附近的疏散樓梯，本層步行街內人員在30s左右疏散到步行街鄰近的各疏散樓梯入口，出現排隊等待現象，290s左右四層步行街內人員全部疏散至樓梯間內。步行街內人員全部離開步行街的時間總計450s。

5.2.4 疏散場景S4，火源位于四層步行街中庭附近的餐飲店鋪內，考慮封堵火源附近的疏散走道，人員經其他疏散出口進行疏散，本層步行街內人員在30s左右疏散到步行街鄰近的各疏散樓梯入口，出現排隊等待現象，320s左右四層步行街內人員全部疏散至樓梯間內。步行街內人員全部離開步行街的時間總計485s。

6 結論

通過對某商業裙房工程室內步行街人員疏散安全性的分析，特別是排煙系統的分析，可以得出以下結論：(1)防煙分區的劃分與火災煙氣的蔓延特性、排煙系統的排煙量、建筑的空間結構形式等因素有關。(2)防煙分區劃分一般不宜跨越建筑樓層，但是控煙分區可以跨越樓層。防煙分區由頂棚和擋煙垂壁圍合而成，控煙分區主要由各層的擋煙垂壁圍合而成，僅對火災煙氣的水平蔓延范圍進行控制。(3)控煙分區可應用于凈空高度大于6m的場所的排煙系統設計。當應用于多層且各層均有人員活動的場所時，應該結合不同的火災形式，建立典型的火災場景，借助火災模型分析進行有效性驗證。

[1]GB50016-2006,建筑設計防火規范[S].

[2]DJG08-88-2006,建筑防排煙技術規程[S].

[3]NFPA204:StandardforSmokeandHeatVenting(2007Edition)[S].

[4]CIBSEGuideE:FireEngineering[M].CIBSEGuideESteeringCommittee,2003.

[5]PD7974-2:2002:BritishStandards,SpreadofSmokeandToxicGasesWithinandBeyondtheEnclosureofOrigin[S].

(責任編輯 李 蕾)

On the Smoke-ventilation-system Design with Indoor Business Streets

ZHANG Yu

(ChaoyangDistrictMunicipalFireBrigade,Beijing100032,China)

This paper explains the smoke-ventilation-system with indoor business street based on the structural features of certain business project. The paper puts forward a plan of smoke compartment and a smoke-ventilation compartment system with an indoor business street according to the performance-based design theory and ways, and the smoke spread and movement is simulated in the case of a fire to test whether this plan will meet the needs of human evacuation.

indoor business street; smoke compartment; smoke-control compartment

2015-04-15

張宇(1982— )，女，山西平陸人，工程師。

TU998.1

A

1008-2077(2015)06-0074-04