某坡屋蓋文化綜合體步行街連廊特殊防火設(shè)計(jì)探討

劉志超，楊千一，付小千，劉浩天

（中國(guó)人民警察大學(xué)研究生院，河北 廊坊 065000）

0 引言

隨著近年來(lái)數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展, 頗具文化特色的建筑層出不窮。文化建筑不再僅僅是市民進(jìn)行單一文化活動(dòng)的場(chǎng)所,也承擔(dān)了文化傳播、重新定義地區(qū)文化，體現(xiàn)地區(qū)特色的使命。同時(shí)市民文化生活的內(nèi)容和形式也不僅僅是被動(dòng)接受, 更多的是主動(dòng)的、強(qiáng)調(diào)群眾參與的群眾文化活動(dòng)。并且公共文化建筑的功能也更加的綜合化[1]。然而從消防安全的角度出發(fā)，這種復(fù)雜多功能建筑是不利的，尤其是火災(zāi)發(fā)生時(shí)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煙氣蔓延較快對(duì)于人員逃生較為困難。因此在火災(zāi)發(fā)生時(shí)能夠快速排煙，有完善的防排煙方案措施，對(duì)于增加人員可用疏散時(shí)間，減少人員傷亡顯得尤為重要。

本文針對(duì)這種各館之間相互連接的建筑，采用多館合一，通過(guò)坡屋面蓋有上蓋，中間部分位置鏤空的藝術(shù)文化綜合體內(nèi)部的步行街連廊，運(yùn)用FDS數(shù)值模擬軟件模擬其火災(zāi)發(fā)生時(shí)人員正常安全疏散時(shí)間內(nèi)，其火災(zāi)煙氣能見(jiàn)度、溫度、煙氣毒性，看能否滿(mǎn)足其作為室外安全區(qū)的要求，以便進(jìn)行性能化防火設(shè)計(jì)。

1 文化中心綜合體工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目的建筑造型采用整體上升的大屋面呼應(yīng)中國(guó)傳統(tǒng)建筑的形態(tài)，各功能體融合在大屋面以下，同時(shí)，各場(chǎng)館之間形成街道、庭院等空間，作為室外活動(dòng)的場(chǎng)地。建筑采用整體化的大屋面，自東南向西北逐漸上升，大屋面下部則汲取傳統(tǒng)城市空間中的街巷、合院、廣場(chǎng)的特征，在各館之間形成可步行穿越的街道，街道交匯的位置則形成廣場(chǎng)，局部2 層也通過(guò)架空屋面及連橋?qū)⒖臻g立體化，為市民提供豐富的室外休閑空間。

工程建設(shè)用地面積40 056 m2，總建筑面積46 000 m2，其中地上30 344 m2，地下15 656 m2。建筑地下部分連為一個(gè)整體，地上各館相對(duì)獨(dú)立，通過(guò)連橋及屋面進(jìn)行連接，建筑主體4 層，4 層屋頂平屋面建筑完成面高度23.7 m，坡屋面最高點(diǎn)41.9 m，最低點(diǎn)11.6 m，24 m 以上為裝飾屋架及屋頂設(shè)備機(jī)房，其中設(shè)備機(jī)房面積占所在平屋面面積＜25%，建筑整體按照多層建筑考慮，建筑之間的室外街道部分被屋面覆蓋。主要包含多功能劇場(chǎng)、電影院、青少年宮、圖書(shū)館、文博館、商業(yè)服務(wù)等功能，設(shè)計(jì)將各種不同功能歸類(lèi)合理布局。文化類(lèi)（圖書(shū)館、青少年宮）：面向老城及城市公園，主要空間直接面向景觀；博覽類(lèi)（文博館）：置于西南側(cè)，面向雄安新區(qū)，展示地區(qū)文化；觀演類(lèi)（多功能劇場(chǎng)、電影院）：高度較高、置于北側(cè)，面向次要道路、便于人流集散，各個(gè)功能區(qū)平面布局基本獨(dú)立，相互間有機(jī)連接，形成連續(xù)的建筑群體。

項(xiàng)目地處廊坊，夏季月平均溫度最高26.2 ℃，冬季月平均溫度最低-4 ℃～-7 ℃，冬季多偏北風(fēng)，夏季多偏南風(fēng)，年平均風(fēng)速多在1.5 m/s～2.5 m/s。當(dāng)步行街兩側(cè)建筑發(fā)生火災(zāi)后，在室外風(fēng)影響下，煙氣在熱浮升力和室外風(fēng)的影響下，將呈現(xiàn)出同時(shí)向上和橫向的蔓延擴(kuò)散方式。由于本項(xiàng)目連通大屋頂為不規(guī)則坡屋頂，煙氣的蓄積和蔓延對(duì)步行街疏散條件有影響，因此對(duì)步行街連廊的火災(zāi)煙氣蔓延進(jìn)行模擬尤為重要。

《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB 50016—2014（2018版）5.3.6 規(guī)定[2]，餐飲、商店等商業(yè)設(shè)施通過(guò)有頂棚的步行街連接，且步行街兩側(cè)的建筑需利用步行街進(jìn)行安全疏散時(shí)，應(yīng)符合下列規(guī)定：①步行街兩側(cè)建筑的耐火等級(jí)不應(yīng)低于二級(jí)，本文化綜合體建筑耐火等級(jí)設(shè)置為一級(jí)。②步行街兩側(cè)建筑相對(duì)面的最近距離均不應(yīng)小于本規(guī)范對(duì)相應(yīng)高度建筑的防火間距要求且不應(yīng)小于9 m。步行街的端部在各層均不宜封閉，確需封閉時(shí)，應(yīng)在外墻上設(shè)置可開(kāi)啟的門(mén)窗，且可開(kāi)啟門(mén)窗的面積不應(yīng)小于該部位外墻面積的一半。步行街的長(zhǎng)度不宜大于300 m。③步行街兩側(cè)建筑的商鋪之間應(yīng)設(shè)置耐火極限不低于2.00 h 的防火隔墻，每間商鋪的建筑面積不宜大于300 m2。

1.2 主要存在問(wèn)題

綜合體建筑各個(gè)場(chǎng)館之間通過(guò)坡屋蓋連接，中間有部分露天部分（見(jiàn)圖1～圖2），由于有坡屋蓋的存在使得各個(gè)建筑之間的步行街走道變成建筑內(nèi)部空間，因此主要想通過(guò)FDS 模擬結(jié)果綜合考慮步行街連廊部分是否可以視為室外安全區(qū)[3]，為性能優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖1 步行街連廊及頂部露天部分

圖2 剖面示意圖

2 連通步行街火災(zāi)場(chǎng)景分析

2.1 火災(zāi)危險(xiǎn)因素

火災(zāi)原因一般分為客觀原因和人為原因兩大部分，其中客觀原因主要包括電氣引起火災(zāi)，本工程商鋪、餐飲及辦公、公寓內(nèi)的電氣設(shè)備主要為燈光、空調(diào)、電腦等，因此存在發(fā)生電氣火災(zāi)的可能性。人為原因主要包括用火不慎、不安全吸煙、人為縱火等。

在材料的使用上，步行街的頂棚材料應(yīng)采用不燃或難燃材料，其承重結(jié)構(gòu)的耐火極限不應(yīng)低于1.00 h。屋面連接部分均為室外空間，根據(jù)建筑規(guī)范屋面連接部分本身為A 級(jí)不燃材料，承重結(jié)構(gòu)的耐火極限不低于1.00 h。

2.2 火災(zāi)規(guī)模的確定

1）自動(dòng)噴淋控制火災(zāi)

考慮噴淋系統(tǒng)啟動(dòng)后將火災(zāi)最大熱釋放速率控制在某一恒定值，不增長(zhǎng)也不衰減，再增加一定的不確定性余量來(lái)確認(rèn)火災(zāi)規(guī)模，是國(guó)際上普遍接受的火災(zāi)設(shè)計(jì)方法。

2）根據(jù)權(quán)威統(tǒng)計(jì)資料確定火災(zāi)規(guī)模

根據(jù)權(quán)威部門(mén)的統(tǒng)計(jì)資料，或者相關(guān)研究部門(mén)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定火災(zāi)的規(guī)模。如NFPA 手冊(cè)中提出了可堆疊椅子的放熱率。一般來(lái)說(shuō)椅子會(huì)有金屬腿和金屬框架及在結(jié)構(gòu)材料上的少量可燃填料。盡管這些椅子單個(gè)放起來(lái)不會(huì)造成多大風(fēng)險(xiǎn)，但是堆疊起來(lái)可能會(huì)引起較大危險(xiǎn)。12 把堆疊椅子的熱釋放速率峰值可達(dá)2 250 kW，相當(dāng)于燃燒大約17 min的中型火災(zāi)[4-6]。

《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB 51251—2017 給出了常見(jiàn)的各類(lèi)場(chǎng)所火災(zāi)熱釋放速率的建議值[7]，見(jiàn)表1。

表1 《建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》推薦的熱釋放速率值MW

該綜合體建筑主要包含多功能劇場(chǎng)、電影院、青少年宮、圖書(shū)館、文博館、商業(yè)服務(wù)等功能。根據(jù)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB 51251—2017 中的相關(guān)規(guī)定，設(shè)有噴淋的商店、展覽廳火災(zāi)規(guī)模為3 MW，無(wú)噴淋的商店、展覽廳火災(zāi)規(guī)模為10 MW[7]。

由于連通步行街的容積較大，當(dāng)建筑內(nèi)發(fā)生較小的火災(zāi)規(guī)模時(shí)，可提供足夠的蓄煙、釋煙空間，對(duì)人員疏散的威脅相對(duì)不大。但當(dāng)發(fā)生大規(guī)模火災(zāi)時(shí)，在風(fēng)力影響下，煙氣在連通空間聚集和蔓延，有可能會(huì)對(duì)人員疏散和消防救援造成不利影響。為評(píng)估這類(lèi)影響，本次在進(jìn)行火災(zāi)模擬時(shí)將火災(zāi)規(guī)模保守確定為10 MW。

表2 火災(zāi)場(chǎng)景統(tǒng)計(jì)表

2.3 火災(zāi)場(chǎng)景的設(shè)計(jì)

火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)置時(shí)考慮室外環(huán)境的冬、夏季參數(shù)，自動(dòng)滅火設(shè)施失效的狀況。結(jié)合連通步行街的空間特征，設(shè)計(jì)火災(zāi)情況總結(jié)見(jiàn)表2。

3 連通步行街煙氣蔓延數(shù)值模擬

3.1 基本參數(shù)設(shè)置

1）初始條件

假設(shè)流場(chǎng)的初始狀態(tài)為靜止，模擬區(qū)域內(nèi)溫度與室外環(huán)境溫度冬季為-4 ℃，夏季為26 ℃，壓力為1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，依據(jù)NFPA 消防工程師手冊(cè)[4-6]，目前以火災(zāi)發(fā)生30 min（1 800 s）內(nèi)人員基本從響應(yīng)開(kāi)始至到達(dá)安全區(qū)的時(shí)間，因此本次模擬1 800 s內(nèi)能見(jiàn)度和溫度等指標(biāo)是否威脅到人員安全為標(biāo)準(zhǔn)。

2）邊界條件

為絕熱邊界條件，即認(rèn)為混凝土結(jié)構(gòu)的圍墻所區(qū)分的兩區(qū)域在墻壁處沒(méi)有熱交換。

3.2 物理模型

模型的建立主要依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行處理，其所建立的FDS 物理模型見(jiàn)圖3。

圖3 煙氣模擬物理模型

3.3 模擬場(chǎng)景參數(shù)設(shè)置

在進(jìn)行FDS 模擬時(shí)基本參數(shù)的設(shè)置見(jiàn)表3。

表3 火災(zāi)C1-1 場(chǎng)景參數(shù)設(shè)置

4 模擬結(jié)果分析

由表4 可以看出，1 800 s 內(nèi)，距離2 層地面2.5 m 高度處可逃生空間溫度未達(dá)到60 ℃，對(duì)人員疏散無(wú)影響。

由表4 可以看出，1 800 s 內(nèi)，距離2 層地面2.5 m 高度處可逃生空間的能見(jiàn)度＞10 m，對(duì)人員疏散無(wú)影響。

由表4 可以看出，353 s 時(shí)，1 層4 m 高街道部分，距離1 層地面2.5 m 高度處可逃生空間的能見(jiàn)度＜10 m，對(duì)人員疏散不利。

根據(jù)模擬結(jié)果得出各火災(zāi)場(chǎng)景危險(xiǎn)來(lái)臨時(shí)間，見(jiàn)表4。

表4 各火災(zāi)場(chǎng)景火災(zāi)危險(xiǎn)來(lái)臨時(shí)間表

通過(guò)FDS 模擬結(jié)果得出另外的火災(zāi)場(chǎng)景為C1-3，C1-4，C2-1，C2-2，C2-3，C2-4，C3-1，C3-2，C3-3，C3-4 時(shí)，在火災(zāi)發(fā)生后1 800 s 內(nèi)，距離1 層/2 層2.5 m 高度處可逃生空間溫度未達(dá)到60 ℃，對(duì)人員疏散無(wú)影響。

在火災(zāi)發(fā)生后1 800 s 內(nèi)，距離1 層/2 層2.5 m高度處可逃生空間的能見(jiàn)度＞10 m，對(duì)人員疏散無(wú)影響。

在火災(zāi)發(fā)生后1 800 s 內(nèi)，距1 層/2 層地面2.5 m 高度處平面上的CO 濃度除火源上空外其他未高于250 ppm，對(duì)人員疏散無(wú)影響。

5 結(jié)論

根據(jù)文化中心綜合體建筑連通步行街火災(zāi)煙氣模擬結(jié)果可以得出。

1）除C1-1，C1-2 工況外，其他工況在模擬1 800 s 內(nèi)，連通步行街均滿(mǎn)足人員疏散安全要求。對(duì)于C1-1，C1-2 設(shè)置的是冬季工況，因?yàn)闅鉁剌^低，空氣浮力較小，大量煙氣在層高為4 m 縱向街道內(nèi)蓄積沉降，因該部分街道層高較低，頂蓋和側(cè)部相對(duì)封閉，不利于煙氣的擴(kuò)散稀釋?zhuān)呃葍?nèi)煙氣溫度較高、能見(jiàn)度較低，不利于疏散，因此應(yīng)保持適當(dāng)溫度以滿(mǎn)足需要。另外連通步行街的其余各部分在模擬1 800 s 內(nèi)，均滿(mǎn)足人員疏散安全要求。夏季室溫較高，空氣熱浮力較大，與冬季工況相比，更有利于煙氣通過(guò)屋頂開(kāi)敞部分排出室外。

2）與無(wú)風(fēng)工況相比，有風(fēng)工況下，在風(fēng)力和熱浮升力共同作用下，更有利于煙氣通過(guò)屋頂開(kāi)敞部分排出室外。且模擬所有工況中，坡屋頂均未被引燃。理論計(jì)算表明，火災(zāi)對(duì)屋面影響不大，火災(zāi)煙氣溫度未達(dá)到屋面可燃材料的燃點(diǎn)溫度。

因此得出結(jié)論，該坡屋蓋文化綜合體建筑在模擬1 800 s 范圍內(nèi)，可認(rèn)為步行街連廊為室外安全區(qū)。