樓梯間自然防煙與首層房間窗口面積研究

李鈺，張亞龍

(1.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028；2.大連交通大學 土木工程學院，遼寧 大連 116028)*

火災初期是人員逃生的最佳時期，因此，采取合理的煙氣控制措施，保證火災初期高層建筑中的樓梯間豎向疏散通道不遭受煙氣的侵害，使人員逃生更安全.根據我國《建筑防煙排煙系統技術標準》(GB51251-2017)[1]規定：建筑高度小于或等于50 m的公共建筑、工業建筑，其防煙樓梯間、獨立前室應采用自然通風系統.建筑空間凈高小于或等于6m的場所，設置有效面積不小于該房間建筑面積2%的自然排煙窗(口).目前國內外學者在高層建筑煙氣排放方面已經做出了大量的研究[2-6]，得出了火災過程中樓梯井內煙氣流動特性以及溫度、壓力等參數的分布規律；樓梯間內開窗方式及自然排煙總量對排煙效率的影響，并開展實體火災試驗.以上幾位學者都是研究煙氣進入樓梯間后的防煙分析.本文主要是對在自然防煙形式下的樓梯間與首層火源房間自然排煙窗面積的研究，以期得到最佳開窗面積，使得煙氣不進入樓梯間，樓梯間防煙效果更優，為標準優化與修訂提供參考.

1 數值模擬模型的建立

1.1 模型建立的基礎

本模型為12層，層高4 m，高度為48 m的辦公樓.該建筑模型主要由辦公室、會議室、疏散走道、電梯、樓梯間前室以及樓梯間幾部分組成，其平面示意圖與三維模型，如圖1和圖2所示.火源房間開啟0.66 m2外窗，各組成部分建筑具體尺寸，如表1所示.

圖1 模型平面示意圖

圖2 三維模型示意圖

表1 模型建筑尺寸表 m

1.2 火源設置及網格劃分

在建筑首層辦公室室內發生火災的情景中，考慮火災最不利影響因素將火源設于首層樓梯間旁邊辦公室中央，尺寸為1 m×1 m.參照文獻[1]的規定：設有噴淋的辦公室內火災模擬場景內，火源的最大熱釋放速率為1.5 MW.然而實際工況與數值模擬存在著差異，根據《性能化消防設計與評估導則》選定安全系數為1.5，即火源最大熱釋放速率為2.25 MW以使模擬結果與實際貼合.根據文獻[1]綜合考量辦公室內部陳設材料燃燒性能，將火災類型設定為t2極快速增長火，增長因子為0.178 kW/s2，模擬時間600 s.

FDS數值模擬需要進行網格劃分，網格劃分越精密，計算越準確；但同時網格越細，計算時間也會越長，占用內存越大.因此劃分單元網格時要兼顧準確性與計算時間兩個因素.為防止網格規模過大導致計算過程繁復，在保證模擬結果可靠性的前提下，選定網格尺寸為0.20 m×0.20 m×0.20 m.

2 火災模擬結果與分析

火源設置在首層時，有以下默認條件：室外疏散門設置為開啟狀態；樓梯間疏散門僅火源層且靠近火源房間的樓梯間設置為開啟狀態，其他樓層設置為關閉狀態；樓梯間前室疏散門僅靠近火源房間一側設置為開啟狀態；僅火源房間窗戶和疏散門設置為開啟狀態；首層火源房間窗口面積試驗以下四種分別為：0.66 m2(窗地比2.0%，下文“窗地比”省略不寫)、0.8 m2(2.42%)、0.85 m2(2.6%)和0.825 m2(2.5%).

根據文獻[1]可知，火源房間面積為33 m2，首層火源房間應開啟0.66 m2窗口，首層火源房間窗口面積為0.66、0.8、0.85、0.825m2的煙氣狀態見表2，不同窗口面積時煙氣蔓延情況，如圖3～圖6所示.

圖4 首層火源房間窗口面積為0.8 m2(2.42%)時煙氣蔓延情況

圖5 首層火源房間窗口面積為0.85 m2(2.6%)時煙氣蔓延情況

圖6 首層火源房間窗口面積為0.825 m2(2.5%)時煙氣蔓延情況

表2 首層房間窗口四種面積下的煙氣狀態對比

3 驗證

火源設置在首層，改變圖1中③軸線到⑤軸線的距離為6m，使得火源房間面積為39.6 m2，火源房間窗口面積為0.99 m2(2.5%).火災模擬結果得到圖7(為觀察更為直觀，放大首層).從圖7中可以得到煙氣狀態和表2中0.825 m2(2.5%)狀態一樣.

圖7 首層火源房間窗口面積為0.99 m2(2.5%)時煙氣蔓延情況

由此可知在火源在首層時，火源房間面積39.6 m2窗口面積按照建筑面積的2.5%設置時，煙氣沒有煙氣進入樓梯間，排煙效果很好達到了樓梯間防煙的要求.

4 結論

本文通過數值模擬的方法研究了火源設置在首層房間內時，可以得出以下結論：

火源在首層時火源房間窗口面積按照建筑面積的2%設置，有煙氣進入樓梯間，在建筑凈高小于或等于6 m時，設置有效面積不小于該房間建筑面積2.5%的自然排煙窗(口)，可得到煙氣不進入樓梯間的更優的防煙效果.考慮到工程應用，建議修訂為建筑空間凈高小于或等于6 m的首層場所，在自然排煙形式下應設置有效面積不小于該房間建筑面積3%的自然排煙窗(口).