步行街建筑自然排煙的研究

張 鑫

(華東建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 200041)

在建設(shè)工程設(shè)計中，步行街設(shè)計是城市建設(shè)的一部分?！督ㄖO(shè)計防火規(guī)范》(GB 50016—2014，2018年版)第5.3.6條，規(guī)定了步行街采用自然排煙的相關(guān)設(shè)計要求。當(dāng)步行街采用自然排煙時，室內(nèi)最大允許凈高需依據(jù)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 51251—2017，以下簡稱《防排煙標(biāo)準(zhǔn)》)給出的排煙系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)公式進(jìn)行計算。這些公式復(fù)雜、計算繁瑣、理論性強(qiáng)，在實際應(yīng)用中有一定難度。因此，筆者根據(jù)《防排煙標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于自然排煙對儲煙倉煙層與周圍空氣溫度差的規(guī)定，導(dǎo)出步行街采用自然排煙時室內(nèi)最大允許凈高的算式和計算表，供相關(guān)從業(yè)人員在建筑設(shè)計中參考。

1 步行街自然排煙原理

眾所周知，當(dāng)建筑室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，火災(zāi)產(chǎn)生的大量熱煙氣較周圍環(huán)境空氣溫度高。單位體積內(nèi)熱煙氣較環(huán)境空氣(常溫下空氣)密度低，同體積的熱煙氣較常溫下空氣輕，熱煙氣會產(chǎn)生向上的浮力。熱煙氣在上升過程中會逐漸冷卻，其密度逐漸與常溫空氣接近，向上浮力也逐漸減小。當(dāng)熱煙氣上升到一定高度后，原有的浮力將會消失，熱煙氣不再上升。如果建筑外墻上開口高度低于這個高度，熱煙氣會從開口自然排出，否則，熱煙氣將不能從外墻上開口自然排出?！斗琅艧煒?biāo)準(zhǔn)》第4.6.8條規(guī)定：自然排煙窗口高度處的煙層與周圍空氣的溫差不應(yīng)小于15 ℃。也就是說，為滿足自然排煙，應(yīng)該控制熱煙氣上升的高度，即當(dāng)熱煙氣上升到室內(nèi)最高處，煙層與周圍空氣的溫差不小于15 ℃時，煙氣才能從室內(nèi)空間上部開口(天窗或高側(cè)窗)自然排出。因此，步行街若要滿足自然排煙條件，則必須控制室內(nèi)凈高度，使室內(nèi)上部煙層與周圍空氣的溫度差滿足規(guī)范規(guī)定。

2 步行街形式及火災(zāi)煙羽流

2.1 步行街的形式

步行街的剖面形式多種多樣，為便于研究問題，將大量民用建筑工程中的步行街基本形式歸納為如下幾種：(1)步行街兩側(cè)有挑廊，如圖1(a)所示；(2)步行街兩側(cè)無挑廊，而是設(shè)有普通窗，如圖1(b)所示；(3)步行街一側(cè)有挑廊，另外一側(cè)設(shè)有普通窗，如圖1(c)所示。

2.2 室內(nèi)火災(zāi)煙羽流

火災(zāi)發(fā)生時室內(nèi)會有大量的熱煙氣卷吸其周圍空氣形成混合煙氣流上升、流動、擴(kuò)散，煙羽流大致可分為三種：(1)軸對稱型煙羽流，即燃燒火源位于某室內(nèi)中點，煙氣大約像倒圓錐型，呈軸對稱形式，如圖2(a)所示；(2)陽臺溢出型煙羽流，如圖2(b)所示；(3)窗口型煙羽流，如圖2(c)所示。

①商店；②步行街或中庭

圖2 煙羽流示意圖

在火災(zāi)情況下，若要保證步行街內(nèi)最高樓層不受煙氣影響，使步行街內(nèi)煙氣能從上部開口(天窗或側(cè)高窗)自然排出，應(yīng)滿足《防排煙標(biāo)準(zhǔn)》第4.6.8條的要求：儲煙倉的煙層與周圍空氣溫差不小于15 ℃。由《防排煙標(biāo)準(zhǔn)》第4.6.11條和第4.6.12條給出的計算公式，可計算不同煙羽流情形下煙層底部至室內(nèi)地坪的高度。步行街上部的排煙窗(側(cè)高窗)口洞頂標(biāo)高，低于各種煙羽流情形下煙層底部標(biāo)高，步行街屋蓋平頂?shù)字翢煂拥撞?近似水平面)之間的儲煙倉內(nèi)熱煙氣就能從兩側(cè)或頂部的排煙窗自然排出?；馂?zāi)時煙氣溫度與其向上升起的距離成反比，在步行街底層較二層以上樓層發(fā)生火災(zāi)時熱煙氣上升的距離要長得多。也就是說，當(dāng)?shù)讓踊馂?zāi)的煙氣上升到建筑內(nèi)某一高度(水平面)的熱煙氣與周圍空氣的溫差不小于15 ℃時，二層及以上樓層發(fā)生火災(zāi)時，上升到這一水平面的熱煙氣與周圍空氣的溫差定會大于15 ℃。因此，只要步行街上部開口能夠滿足底層火災(zāi)自然排煙，其他樓層火災(zāi)也能滿足。

3 最小清晰高度與煙層溫度

建筑室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，熱煙氣在室內(nèi)不斷上升，當(dāng)遇到建筑平頂樓板時，熱煙氣將不斷充滿室內(nèi)上部空間(儲煙倉)，室內(nèi)清晰度的高度不斷下降。如果此時上部煙氣不能(自然或機(jī)械)排出，清晰度高度將越來越低，室內(nèi)很快被煙氣充滿。此時不但影響室內(nèi)人員疏散，而且會導(dǎo)致人員因吸入大量的有毒氣體窒息死亡。確保火災(zāi)時室內(nèi)最小清晰度的高度，對消防安全疏散十分重要。為使步行街室內(nèi)煙氣能從上部開口(天窗或高側(cè)窗)自然排出，確保最小清晰高度不低于步行街上部側(cè)向排煙窗的洞底標(biāo)高，必須計算儲煙倉的底部煙層溫度。只有儲煙倉的底部煙層與周圍空氣的溫差不小于15 ℃時，才能滿足步行街的自然排煙。因此，設(shè)定儲煙倉的底部煙層與周圍空氣的溫差等于15 ℃，計算出各種煙羽流情形下底層(燃料面)到煙層底部的高度，求出步行街滿足自然排煙的最大允許凈高。

計算步行街室內(nèi)火災(zāi)煙層最小清晰高度涉及到熱釋放速率的取值，《防排煙標(biāo)準(zhǔn)》第4.6.7條給出了各類功能建筑室內(nèi)火災(zāi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時的熱釋放速率值。設(shè)步行街建筑類別為商店，兩側(cè)商店的層高一般為3.5～4.5 m，步行街室內(nèi)凈高一般均大于8 m。為研究步行街室內(nèi)火災(zāi)煙層最小清晰高度，按《防排煙標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，取熱釋放速率為10 MW。

4 步行街室內(nèi)凈高計算

根據(jù)《防排煙標(biāo)準(zhǔn)》第4.6.11、第4.6.12條規(guī)定，設(shè)△T=15 ℃，分別推導(dǎo)軸對稱型、陽臺溢出型、窗口型煙羽流的計算公式，并列出常規(guī)情況下步行街自然排煙時室內(nèi)最大允許凈高的計算表。

4.1 軸對稱型煙羽流室內(nèi)凈高計算

步行街軸對稱型煙羽流如圖3所示。儲煙倉高度h=H0-Z，在實際工程中h>0，為便于公式的推導(dǎo)，設(shè)h=0。室內(nèi)地坪至屋面平頂?shù)酌娴母叨菻0=Z，Z1為火焰極限高度。

軸對稱型煙羽流形式室內(nèi)凈高計算公式推導(dǎo)如下：

設(shè)Z>Z1，計算僅考慮火焰極限高度Z1小于燃料面到煙層底部的高度Z。

①商店；②步行街；③火源

式中，Qc為熱釋放速率的對流部分，一般取值為Qc=0.7Q，kW；Z為燃料面到煙層底部的高度，m；Mρ為煙羽流質(zhì)量流量，kg·s-1；△T為煙層平均溫度與環(huán)境溫度的差，按《防排煙標(biāo)準(zhǔn)》第4.6.8條規(guī)定，取△T=15 K；K為煙氣中對流放熱量因子，無量綱量，當(dāng)自然排煙時，取K=0.5；Cρ為空氣的定壓比熱，一般取1.01 kJ·kg-1·K-1。

將上述數(shù)值代入式(1)和式(2)，可得：

將Mρ代入式(4)化簡后得：

(5)

由式(5)可計算出熱釋放速率為10 MW時步行街凈高，見表1。

表1 軸對稱型煙羽流情形步行街凈高

4.2 陽臺溢出型煙羽流室內(nèi)凈高計算

步行街陽臺溢出型煙羽流如圖4所示。儲煙倉高度h=H0-Zb-H1，在實際工程中h>0，為便于公式的推導(dǎo)，設(shè)h=0。

陽臺溢出型煙羽流形式室內(nèi)凈高計算公式推導(dǎo)如下：

式中，H1為燃料面至陽臺的高度，m；Zb為陽臺下緣至煙層底部的高度，m；Wb為煙羽流擴(kuò)散寬度，m；w為火源區(qū)域的開口寬度，m；b為從開口至陽臺邊沿的距離，m；其他符號含義如前所述。

將式(6)和式(7)合并得：

(8)

將Qc=0.7Q代入式(2)得：

(9)

將煙層底部視為屋面平頂?shù)酌?，室?nèi)凈高度可表達(dá)為：

H0=Zb+H1

(10)

將式(8)與式(10)合并得：

(11)

將△T=15 K、K=0.5、Cρ=1.01 kJ·kg-1·K-1代入式(9)得：

(12)

(13)

將式(11)和式(13)合并得：

(14)

簡化后得：

(15)

設(shè)燃料面至陽臺的高度H1=4.20 m，挑廊寬度b=2.00 m；設(shè)開口寬度w=1.50 m、2.00 m、2.50 m、3.00 m、3.50 m、4.00 m；取火災(zāi)熱釋放速率10 MW代入式(15)，計算步行街凈高，見表2。

由表2可見,當(dāng)H1=4.20 m，b=2.00 m時，室內(nèi)凈高允許值H0隨著開口寬度值增大而減小，其最小值為12.17 m。

表2 陽臺溢出型煙羽流情形A步行街凈高

設(shè)燃料面至陽臺的高度H1=4.20 m，w=2.50 m；挑廊寬度b=1.50 m、1.80 m、2.10 m、2.40 m、2.70 m、3.00 m；取火災(zāi)熱釋放速率10 MW，計算步行街凈高，見表3。

表3 陽臺溢出型煙羽流情形B步行街凈高

由表3可見，當(dāng)H1=4.20 m，w=2.50 m時，室內(nèi)凈高允許值H0隨著挑廊寬度增大而減小，其最小值為12.71 m。

設(shè)燃料面至陽臺的高度H1=3.30 m、3.60 m、3.90 m、4.20 m、4.50 m、4.80 m，w=2.50 m，b=2.10 m；取火災(zāi)熱釋放速率10 MW，計算步行街凈高，見表4。

表4 陽臺溢出型煙羽流情形C步行街凈高

由表4可見，當(dāng)b=2.10 m，w=2.50 m時，室內(nèi)凈高允許值H0隨著挑廊凈高增大而增大，其最大值為14.37 m。

4.3 窗口型煙羽流室內(nèi)凈高計算

步行街窗口型煙羽流如圖5所示。儲煙倉高度h=H0-Zw-Hw-Ha，在實際工程中h>0，為便于公式的推導(dǎo)，設(shè)h=0。

①商店；②步行街；③火源

窗口型煙羽流形式室內(nèi)凈高計算公式推導(dǎo)如下：

式中，Aw為窗口開口的面積，Aw=HwBw，m2；Hw為窗口開口的高度，m；Bw為窗口開口的寬度，m；αw為窗口型煙羽流修正系數(shù)，m；Zw為窗口開口的頂部到煙層底部的高度，m；Ha為窗口開口下部窗臺的高度，m。

設(shè)儲煙倉高度為h=0，室內(nèi)凈高度可表達(dá)為：

H0=Zw+Hw+Ha

(18)

將Aw=HwBw代入式(17)得：

(19)

(20)

將式(18)與式(20)合并得：

設(shè)窗洞高度Hw=2.70 m，窗臺高度Ha=0.60 m，窗洞寬度Bw=1.50 m、2.00 m、2.50 m、3.00 m、3.50 m、4.00 m；取火災(zāi)熱釋放速率10 MW代入式(21)，計算步行街凈高，見表5。

表5 窗口型煙羽流情形A步行街凈高

由表5可見，當(dāng)Hw=2.70 m，Ha=0.60 m時，H0隨窗洞寬度增大而減小，其最小值為34.18 m。

設(shè)窗洞寬度Bw=2.50 m，窗臺高度Ha=0.60 m，窗洞高度Hw=2.10 m、2.40 m、2.70 m、3.00 m、3.30 m、3.60 m；取火災(zāi)熱釋放速率10 MW，分別計算出步行街凈高，見表6。

表6 窗口型煙羽流情形B步行街凈高

由表6可見，當(dāng)Bw=2.50 m，Ha=0.60 m時，H0隨著窗洞高度增大而增大，其最大值為43.88 m。

由式(21)可知，窗臺高度Ha與H0成正比，即當(dāng)窗臺高度Ha增加，室內(nèi)凈高允許值H0也隨之增加。

5 步行街室內(nèi)總凈高的確定

為滿足步行街自然排煙的要求，必須控制步行街的室內(nèi)凈高。從上述計算可知，步行街室內(nèi)最大允許凈高與火災(zāi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時的熱釋放速率、煙羽流情形、挑廊寬度、窗洞寬度等有關(guān)。據(jù)了解我國大部分地區(qū)的步行街剖面形式如圖1(a)所示，由上述三種煙羽流情形計算表中數(shù)值可見，陽臺溢出型煙羽流計算步行街室內(nèi)凈高最低。因此，對于設(shè)有挑廊的步行街，為滿足自然排煙，其上部兩側(cè)排煙窗的洞頂至室內(nèi)地坪的高度H0可查表2和表3、表4估測或經(jīng)過簡化公式(15)確定，室內(nèi)總凈高H可按式(22)計算：

H=H0+h

(22)

式中，h為儲煙倉的高度，m，可根據(jù)步行街的寬度及頂棚和屋架形式確定。

6 結(jié)論

綜上所述，步行街按《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB 50016—2014，2018年版)第5.3.6條規(guī)定可采用自然排煙。根據(jù)《防排煙標(biāo)準(zhǔn)》第4.6節(jié)中有關(guān)規(guī)定，可按公式(5)(15)(21)(22)計算(或參考上述表中數(shù)值求出)不同煙羽流情形下步行街室內(nèi)總凈高，為確定步行街的建筑高度提供參考。