某大劇院觀眾廳不同排煙方式控煙效果研究

宋玉華，李煥群

某大劇院觀眾廳不同排煙方式控煙效果研究

宋玉華1，李煥群2

(1．煙臺市消防支隊，山東 煙臺 264000； 2．武警學院 科研部，河北 廊坊 065000)

劇院類建筑的內部空間高大、火災荷載大、人員密度大，極大增加了火災救援及人員安全疏散的難度，因此，合理設計劇院類建筑防排煙方式，有效控制煙氣擴散和蔓延，具有重要的工程意義。基于某大劇院觀眾廳的實際情況，設置兩種不同火源位置及相應排煙風機的啟動方式，采用火災動力學模擬軟件(FDS)對觀眾廳的各火災場景進行模擬計算，得到各火災場景的控煙效果，通過對比分析確定較好的控煙方式，為工程防火提供指導性借鑒。

劇院觀眾廳；排煙方式；FDS模擬

劇院類建筑一般具有內部空間高大、火災荷載大、人員密度大等特點[1]，隨著國家經濟建設和人民生活水平的提高，其自身功能與結構也發生了跨越性的變化。大量新技術、新工藝、新材料、新設備的使用，給此類建筑的消防工作帶來新的挑戰，一旦發生火災，多種因素可能導致火災救援及人員安全疏散難度的增加，甚至導致大量人員傷亡，財產巨大損失[1-2]。根據火場調查，火場中火災煙氣對人的危害遠大于火焰的危害，火場中的人大多數死于火災煙氣的毒害性而不是火焰的熱輻射[2-4]。因此，對劇院類建筑進行煙氣控制研究，采取合理的排煙方式，有效控制煙氣擴散蔓延，具有重要意義。本文結合煙臺市一個典型劇院觀眾廳的實際情況來探討此類建筑空間發生火災后不同排煙方式所產生的排煙效果。

1 工程概況

煙臺市某文化中心，地上三層，局部四層，地下一層。工程總用地面積183 499.92 m2，總建筑面積55 489.74 m2，建筑屋頂最高點31.90 m，主要由A區(包括大劇院、電影廳)、B區(圖書館、書城、展廳)和C區(群眾藝術中心)三大部分組成，如圖1所示。該工程設有自動噴水滅火系統、火災自動報警系統、機械排煙系統等。

圖1 某文化中心功能分區圖

本文主要研究對象為A區大劇院觀眾廳。該劇院觀眾廳位于文化中心南側，兩層，高度19 m。一層建筑面積810 m2，池座共26排855座，呈階梯形布置，后排座椅地面標高6 m；二層建筑面積340 m2，池座共16排300座，呈階梯形布置，后排座椅地面標高13 m。觀眾廳吊頂高位(頂棚)均勻布置4個機械排煙口，有效排煙量不小于150 000 m3·h-1；二層看臺下方均勻布置2個機械排煙口，有效排煙量不小于50 000 m3·h-1。

2 研究方案

按照傳統設計，該劇院觀眾廳一旦發生火災，觀眾廳吊頂高位的4臺風機和二層看臺下方的2臺風機同時啟動進行排煙，這就存在兩個問題：一是瞬時供電負荷大，不利于系統用電安全；二是不利于煙氣流動，單個排煙口的排煙效率較低。因此，考慮煙氣流動的規律，現根據火源位置不同提出分步啟動風機的控煙方式，通過計算分析與同步啟動風機的方式對比控煙效果。具體研究內容包括：(1)觀眾廳頂棚及二層看臺下的機械排煙口同步開啟對控煙效果的影響；(2)觀眾廳頂棚及二層看臺下的機械排煙口根據火源位置不同異步開啟對控煙效果的影響；(3)觀眾廳頂棚及二層看臺下的機械排煙口根據火源位置不同采取單一位置啟動對控煙效果的影響。

2.1 模型建立

利用FDS軟件建立模型進行數值模擬，該軟件由美國國家標準與技術研究院(NIST)開發，應用于火災煙氣流動及控制分析。在綜合考慮經濟性與保證滿足工程計算精度的前提下，分析網格獨立性和延展區域影響之后，采用復合網格劃分方法，網格尺寸均為0.5 m×0.5 m×0.5 m。

2.2 火源位置及功率設定

觀眾廳內的可燃物包括觀眾座椅、人員隨身攜帶的物品、電氣設備以及裝修材料等，其中以觀眾座椅和裝修材料為主，考慮到內部的分層及各層坡度階梯形結構，在典型位置近舞臺區域設置火源A，二層看臺下方設置火源B[5-6]，如圖2所示。

圖2 觀眾廳火源位置圖

根據對劇院典型區域實際火災危險性的分析和文獻調研，依據《建筑設計防火規范》(GB 50016—2014)、《建筑防排煙技術規程》(上海市標準，DGJ 08—88—2006)、《Guide for Smoke Management Systems in Malls, Atria and Large Areas》(NFPA 92B)等現行相關規范及標準，無噴淋中庭熱釋放量4 MW，無噴淋公共場所熱釋放量8 MW。從最不利安全角度出發，考慮一定安全冗余：假設火災場景A、B火源為t2快速增長火，計算模型火源功率為16 MW。

2.3 火災場景設計

根據火源位置和風機啟動方式的不同，可設置以下6種火災場景，詳見表1。

表1 火災場景內容設計

2.4 判定標準

對比觀眾廳煙氣沉降和測量相對地面2 m、8 m、15 m高度處的溫度及能見度，如圖3所示。分析各個場景溫度和能見度隨時間的變化情況，并記錄達到危險狀態的時間；對比各火災場景下達到危險時間的早晚，比較不同排煙方式的控煙效果。

3 控煙效果對比分析

3.1 火源位于近舞臺區域

在模擬時間1 000 s時，各火災場景觀眾廳在相對地面高度2 m、8 m和15 m處，均出現了溫度高于60 ℃和能見度低于10 m的情況，如圖4、圖5所示。達到危險狀態的具體時間見表2，整體上表現為火災場景A2晚于A1晚于A3。

由模擬計算結果可知，當火災發生于觀眾廳近舞臺區域時，僅開啟頂棚4臺排煙風機的控煙方式(A1)較6臺風機同時開啟的控煙方式(A3)，觀眾廳各高度處的溫度場和能見度場出現危險的時間晚，控煙效果好，但較先開啟頂棚4臺排煙風機，再開啟二層看臺下方2臺排煙風機的控煙方式(A2)的控煙效果差。故先開啟頂棚4臺排煙風機，再開啟二層看臺下方2臺排煙風機的控煙方式(A2)，控煙效果最好，這種排煙方式下，觀眾廳各高度處的溫度和能見度出現危險的時間最晚，安全疏散允許時間長。

圖3 觀眾廳煙氣沉降和溫度對比圖

圖4 火災場景A觀眾廳溫度示意圖

圖5 火災場景A觀眾廳能見度示意圖

根據危險程度的判定標準，在設定三種火災場景下，相對地面高度2 m、8 m和15 m處的空間水平面上，能見度低于10 m的時間都比溫度超過60 ℃的時間短，因此，劇院內不同高度位置在不同排煙方式下的危險時間以能見度低于10 m的到達時間為最終依據，如表2所示。

表2 火災場景A觀眾廳達到危險狀態的時間

3.2 火源位于二層看臺下方

在模擬時間1 000 s時，各火災場景觀眾廳僅在相對地面高度8 m和15 m處均出現溫度高于60 ℃情況，而能見度在相對地面高度2 m、8 m和15 m處均出現低于10 m的情況，如圖6、圖7所示。達到危險狀態的具體時間見表3，整體呈現為B2晚于B3晚于B1。

圖6 火災場景B觀眾廳溫度示意圖

由模擬計算結果可知，當火災發生在二層看臺下方，同時開啟觀眾廳6臺排煙風機的控煙方式(B3)較僅開啟觀眾廳二層看臺下方2臺排煙風機的控煙方式(B1)，觀眾廳各高度處的溫度場和能見度場出現危險的時間晚，控煙效果好；但較先開啟二層看臺下方2臺排煙風機，再開啟觀眾廳頂棚4臺排煙風機的控煙方式(B2)的控煙效果差。故先開啟二層看臺下方2臺排煙風機，再開啟觀眾廳頂棚4臺排煙風機的控煙方式(B2)，控煙效果最好，可見，分步啟動風機的排煙方式，觀眾廳各高度處的溫度和能見度出現危險的時間較晚，安全疏散時間長。

由于，火源位置位于二層看臺下，離地面高度為8 m的二層看臺下達到危險狀態的時間最短。同樣，在設定的三種排煙方式下，能見度低于10 m的時間比溫度超過60 ℃的時間短，可根據能見度低于10 m的時間作為最終危險判定依據。

4 結論

由模擬計算結果綜合分析可知，該劇院火災發生在觀眾廳的近舞臺區域或二層看臺下方區域時，分步啟動位于觀眾廳頂棚高位的4臺排煙風機或二層看臺下方的2臺排煙風機，有利于煙氣層的控制發展，可避免因排煙風機之間抽吸作用的相互干擾出現煙氣與冷空氣的劇烈摻混現象，其控煙效果較優于火災發生時6臺風機同時啟動及不同位置風機單一啟動的控煙方式。兩個位置風機分步啟動的間隔時間不同，排煙的效果會有所區別，時間參數的優化還需要根據具體情況進行更多的分析研究。

[1] 霍然,胡源,李元洲.建筑火災安全工程導論[M].合肥:中國科學技術大學出版社,1999.

[2] 周星.大型劇院消防設計探討[J].武警學院學報,2011,27(2):56-58.

[3] 霍然,袁宏永.性能化建筑防火分析與設計[M].合肥:安徽科學技術出版社,2003.

[4] 范維澄,王清安,張人杰,等.火災科學導論[M].武漢:湖北科技出版社,1994.

[5] 王旭,石鶴.國家大劇院高大空間排煙系統的分析設計[J].暖通空調,2008,38(9):52-54.

[6] 何嘉鵬,宮寧生,龔延風,等.劇院舞臺的火災流場分析[J].南京建筑工程學院學報,1995(2):49-53.

(責任編輯 李 蕾)

Study the Effect of Smoke Control on a Large Theatre Auditorium with Different Smoke Exhaust Mode

SONG Yuhua1，LI Huanqun2

(1.YantaiMunicipalFireBrigade,ShandongProvince264000,China; 2.DepartmentofScientificResearch,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

Because of the big internal space, large fire load, high personnel density of theatre buildings, it is very difficult to carry out fire rescue and personnel evacuation. Therefore, a reasonable design of the smoke exhaust mode of theatre buildings, effective control of smoke diffusion and spreading plays a significant role in engineering. Based on the actual situation of the auditoriums of a big theatre building, a scenario of two different dangerous locations of fire source and corresponding exhaust fan starting modes has been set up in Fire dynamics simulation software (FDS) where the fire scene of each auditorium has been simulated. The effect of smoke control in each fire scene has been obtained and compared in order to find out a better way to control fire smoke, and provide guidance for fire prevention engineering.

theatre auditorium; smoke exhaust mode; FDS simulation

2016-12-28

宋玉華(1981— )，男，山東煙臺人； 李煥群(1974— )，男，湖南邵東人，副教授。

TU998.1

A

1008-2077(2017)04-0060-04