工業(yè)建筑之自然排煙設計探討

孫雁飛

上海凱匯建筑設計有限公司

建筑物發(fā)生火災時，會產(chǎn)生大量有毒煙氣，人員在逃生時一旦吸入，輕則引起呼吸道燒傷，重則中毒暈倒，甚至不少死亡都是因為暈倒后被燒，因此，及時排除煙氣至關重要。每一次火災都是一次警鐘，國家對消防工作的要求越發(fā)嚴格，對建筑物的消防設計要求日益提高，作為一名暖通工作者，深感前期建筑設計階段做好防火、防煙、排煙設計非常有必要。本文以工業(yè)建筑為研究對象，重點對其自然排煙及自然補風設計進行闡述。

1 工業(yè)建筑中需設排煙設施的場所或部位

《建筑設計防火規(guī)范》中對工業(yè)廠房或倉庫中需要設置排煙設施的場所或部位，做了明確的規(guī)定：①人員或可燃物較多的丙類生產(chǎn)場所，丙類廠房內(nèi)建筑面積大于300 m2且經(jīng)常有人停留或可燃物較多的地上房間。②建筑面積大于5000 m2的丁類生產(chǎn)車間。③占地面積大于1000 m2的丙類倉庫。④高度大于32 m的高層廠房（倉庫）內(nèi)長度大于20 m 的走道，其它廠房（倉庫）內(nèi)長度大于40 m 的疏散走道[1]。

之所以未提及甲、乙類廠房或倉庫，是因為這兩類廠房或倉庫有爆炸危險，一旦著火，可能直接構成爆炸，往往不考慮排煙設施，重點考慮加強其防火設計及正常通風、事故通風等預防爆炸的技術措施。之所以未提及戊類廠房或倉庫，是因為這類廠房或倉庫生產(chǎn)，儲存物質(zhì)為不燃燒物品，火災危險性小，不考慮排煙的設施。

丁類廠房或倉庫火災危險性也較小，但在建筑面積較大的丁類車間中，仍然可能存在火災危險性較大或者可燃物較多的局部區(qū)域，比如空調(diào)生產(chǎn)與組裝車間，有的制冷劑是可燃的，萬一泄漏，遇到火源即有可能發(fā)生持續(xù)燃燒，再者，雖然丁類廠房內(nèi)生產(chǎn)、儲存物品為難燃物，但是物品的包裝物很有可能是可燃的紙箱、泡沫等，而較大的生產(chǎn)車間，僅依靠外墻開口難以及時將煙氣排除，因此，設置排煙設施可以有效預防火災，減少人員傷亡及財產(chǎn)損失。

2 工業(yè)建筑的自然排煙問題

排煙設施，包括自然排煙和機械排煙兩種方式。對于工業(yè)建筑來說，自然排煙無疑是最佳方案，經(jīng)濟安全。

2.1 防煙分區(qū)內(nèi)任一點與最近的自然排煙窗（口）之間的水平距離要求

《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術標準》（以下簡稱煙規(guī)）要求：防煙分區(qū)內(nèi)任一點與最近的自然排煙窗（口）之間的水平距離不應大于30 m。當工業(yè)建筑采用自然排煙方式時，其水平距離尚不應大于建筑內(nèi)空間凈高的2.8 倍[2]。如果按規(guī)范的字面理解，對于凈高只有3 m的車間，凈高的2.8 倍才8.4 m，而當自然排煙窗（口）設置在外墻時，應沿建筑物的兩條對邊均勻設置，這就要求建筑物的寬邊不能大于16.8 m，實際工程中，這樣的工業(yè)建筑比較少。因此，按此條規(guī)范，對于絕大多數(shù)工業(yè)建筑而言，只能采用機械排煙，這是極其不經(jīng)濟不合理的。幸而規(guī)范編委組專家后來對這一條給出了明確解釋：①防煙分區(qū)內(nèi)任一點到自然排煙窗（口）之間的水平距離不大于30 m 的要求對于任何排煙場合都適用。②當工業(yè)建筑采用自然排煙方式時，凈高大于10.7 m 時，其水平距離尚不應大于建筑室內(nèi)凈高的2.8 倍。10.7 m 的由來是這樣的：30 m÷2.8≈10.7 m，也就是說，當采用自然排煙的工業(yè)建筑空間凈高大于10.7 m 時，其水平距離要求是適當放寬的，只要滿足不大于空間凈高的2.8 倍即可。這就比較符合規(guī)范編制者的初衷，因此，設計師應讀透規(guī)范，弄懂規(guī)范條文的編制目的。

按照專家的解釋，很多工業(yè)建筑便可設計自然排煙。圖1 給出一個實例：某丙類廠房長邊106.4 m，寬邊36.2 m，層高5 m。按煙規(guī)劃分防煙分區(qū)，各防煙分區(qū)面積應≯1000 m2，長邊應≯36 m，故而劃分為4 個防煙分區(qū)，再分別計算每個防煙分區(qū)的自然排煙窗有效開啟面積，并考慮自然補風即可。得益于專家對規(guī)范的解讀，此廠房才能自然排煙，否則按照規(guī)范的字面意思，該廠房不滿足兩側(cè)自然排煙窗（口）到防煙分區(qū)內(nèi)任一點的水平距離不應大于14 m（5 m×2.8），就要設計機械排煙系統(tǒng)。

圖1 某丙類廠房三層平面圖

2.2 自然排煙窗（口）如何沿建筑物的兩條對邊均勻的設置

廠房、倉庫的自然排煙窗（口）設置除了滿足最基本的要求外，還有一條規(guī)定值得討論：當設置在外墻上時，自然排煙窗（口）應沿建筑物的兩條對邊均勻設置[2]。《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術標準》圖示（以下簡稱圖集）中對這條規(guī)定給出了示意圖及注釋（圖2[3]），明確示出如何沿對邊均勻設置：對稱布置，要么a 組，要么b 組，均勻布置在高位，且自然排煙窗開啟方向應順煙氣流動方向。顯然，圖集中示意出的是理想狀態(tài)，實際工程中，廠房必然有樓梯間、設備管井，往往還有電梯、衛(wèi)生間、設備用房等，勢必會占用一些室內(nèi)位置，那么就會出現(xiàn)對邊的自然排煙窗不能完全一一對應。這樣的情況筆者多次遇到，也與多家審圖公司溝通過，總結(jié)得出以下幾點設計注意點：首先，對邊設置的自然排煙窗實際可開啟總面積需滿足規(guī)范要求。其次，自然排煙窗只能沿a 組或者b 組設置，假如a 組自然排煙窗有效總面積達不到規(guī)范要求時，不可借用b 組位置上的窗，這就需要建筑設計師盡量將電梯、衛(wèi)生間、設備用房等移位，盡量避免占用a 組自然排煙窗位置。再者，當某一組自然排煙窗對邊面積出現(xiàn)懸殊時，要保證少的一邊自然排煙窗有效面積不少于多的一邊的1/2，有條件時，盡量使其達到大于多的一邊的2/3，如此可保證煙氣形成比較好的對流。最后，對于有屋頂?shù)膹S房、倉庫，可以將自然排煙窗均勻設置在屋頂，對于向上流動的煙氣來說，排出會更加有利。

圖2 自然排煙窗（口）沿建筑物外墻的兩條對邊均勻布置

關于“均勻設置”，在設計初期，要注意與建筑提前溝通，每組自然排煙窗的長度不宜大于3 m，相鄰防火分區(qū)處兩邊的自然排煙窗間距應大于等于2 m，以減少火災對相鄰防火分區(qū)的影響，參見圖3[3]。

圖3 自然排煙窗（口）分散均勻布置示意圖

關于“對邊設置”，條文如此描述：在側(cè)墻上設置的，應盡量在建筑的兩側(cè)長邊的高位對稱布置，形成對流。這里，“建筑的兩側(cè)長邊”，有人理解為字面意思“建筑物的兩側(cè)長邊”，也有人理解為“防煙分區(qū)的兩側(cè)長邊”。如果按照“建筑物的兩側(cè)長邊”執(zhí)行，圖1 所示廠房是能滿足要求的，但是如果按“防煙分區(qū)的兩側(cè)長邊”來執(zhí)行，圖1 所示廠房自然排煙窗雖然均勻設置在建筑物兩條長邊側(cè)，但對于每個防煙分區(qū)來說，均設置在防煙分區(qū)的短邊側(cè)，便無法滿足要求。筆者在實際項目中遇到過類似情況，有審圖老師認同第二種理解，后來便增設了機械排煙系統(tǒng)。再看圖1 示例的廠房，顯然，該廠房設置機械排煙系統(tǒng)時，防煙分區(qū)的計算排煙量較大，系統(tǒng)排煙量較大，并且需增設排煙管井、排煙專用機房、固定窗等，后期尚需定期進行維護管理。如果該廠房設計年限內(nèi)一直未發(fā)生火災，機械排煙設備常年不使用的話，年久會失效，遠沒有自然排煙可靠，設計機械排煙系統(tǒng)便會造成無畏的資源浪費。筆者認為，“建筑的兩側(cè)長邊”出現(xiàn)在條文解釋中，前面也加了修飾詞“應盡量”，結(jié)合前面的圖2，也就是說也可以沿建筑的兩條短邊均勻設置，那么，沿防煙分區(qū)的兩條短邊均勻設置亦可，只要能形成有效的對流即可，不應過分教條。當然，如果方案階段建筑設計師將廠房設計得扁長一些，盡量使建筑物兩側(cè)的自然排煙窗（口）位于防煙分區(qū)的長邊，采用自然排煙，會更加經(jīng)濟合理。

3 工業(yè)建筑的自然補風問題

眾所周知，空氣有進才能有出，因此，補風系統(tǒng)是排煙系統(tǒng)不可缺少的要素。煙規(guī)在補風章節(jié)中規(guī)定：除地上建筑的走道或建筑面積小于500 m2的房間外，設置排煙系統(tǒng)的場所應設置補風系統(tǒng)[2]。在此簡要探討兩個問題。

一是，設置自然排煙系統(tǒng)的場所是否要設置補風系統(tǒng)？筆者認為，排煙系統(tǒng)應包括自然排煙系統(tǒng)和機械排煙系統(tǒng)，補風系統(tǒng)應包括自然補風和機械補風系統(tǒng)，根據(jù)字面意思可初步判定，設置自然排煙系統(tǒng)的場所應設置補風系統(tǒng)。再根據(jù)條文解釋，不設補風系統(tǒng)的特例是設置機械排煙系統(tǒng)的地上走道和地上小于500 m2的房間，不是說這些場所不需要設置補風系統(tǒng)，而是因為這些場所的排煙量較小，可以通過建筑的門窗等縫隙滲透補風。如果專門設置補風系統(tǒng)，工程初投資和后期運行管理都要增加投入，不夠經(jīng)濟，由此可見，任何設有排煙系統(tǒng)的場所，包括設置自然排煙系統(tǒng)的場所，均需要設置補風系統(tǒng)。另外，圖集中也給出了自然補風的平面示意圖，由圖4[3]和圖5[3]也可以看出隱含表達，不管是利用自然排煙窗自然排煙，還是通過機械排煙口機械排煙，均需要設置補風系統(tǒng)，而且補風要達到一定的量，且補風口設在儲煙倉以下時，才能更好地有效地排出煙氣。因此，不能理解為只有機械排煙系統(tǒng)需要設置補風系統(tǒng)，從而造成設計失誤。

圖4 自然補風的平面示意圖

圖5 補風口與排煙口設置在同一空間內(nèi)的平面示意圖

二是，設置自然排煙系統(tǒng)的場所設置自然補風系統(tǒng)還是機械補風系統(tǒng)？自然補風口風速要求是多少？其實，自然排煙系統(tǒng)的動力來源于火災煙氣的熱浮力和建筑物外部風壓，室內(nèi)外空氣溫度差和排煙補風窗之間的高度差是必要條件，因此設置自然排煙系統(tǒng)的場所設置自然補風系統(tǒng)即可。如若設置機械補風，如同給著火場所設置鼓風機，助長火勢。煙規(guī)指出：自然補風口的風速不宜大于3 m/s[2]，筆者認為，這個自然補風口風速限值適用于機械排煙、自然補風的情形，對于自然排煙、自然補風的情形，應根據(jù)煙規(guī)4.6.15 條公式進行迭代計算，確定自然補風口的面積。從該公式不難發(fā)現(xiàn)，自然排煙進排風口面積與煙層平均溫度和環(huán)境溫度差△T 和排煙窗下煙氣層厚度db有關。舉個實例來簡要闡述如何設計自然排煙、自然補風系統(tǒng)。

圖6 所示廠房長56.9 m，寬22.5 m，三層層高4.2 m，面積1103 m2，采用自然排煙、自然補風系統(tǒng)。首先，將該生產(chǎn)車間劃分為兩個防煙分區(qū)，分別計算每個防煙分區(qū)所需自然排煙窗面積，并計算最小清晰高度為2.007 m，設定清晰高度Hq取為2.20 m，提資于建筑。然后，將建筑計算出的自然排煙窗有效面積及其他相關參數(shù)輸入后，進行多次試算，筆者根據(jù)公式編輯了計算表格，當公式左右兩側(cè)無限接近的時候，就能得到所需的自然補風面積。這里，需要注意的是，排煙窗下煙氣層厚度db越小，所需自然補風窗面積就越大，該值一般最小取0.2 m，再小，自然補風窗面積就會很大甚至無解，因此，在建筑初步計算自然排煙窗面積時，需提醒建筑將自然排煙窗設置在清晰高度以上至少0.2 m。最后，在平面圖上標注實際可開啟自然補風窗面積及位置，要注意與自然排煙窗距離不應＜5 m。實際工程中，計算后有時會發(fā)現(xiàn)可以設置自然補風窗的位置不多、面積不夠等問題，這就需要跟建筑商議調(diào)整排煙窗下煙氣層厚度db后，再重新計算，反復幾次，得出最優(yōu)設計。

圖6 某丙類廠房三層自然排煙系統(tǒng)平面布置圖

4 結(jié)論

1）工業(yè)建筑的自然排煙問題。指出防煙分區(qū)內(nèi)任一點到自然排煙窗（口）之間的水平距離不大于30 m的要求對于任何排煙場合都適用。當工業(yè)建筑采用自然排煙方式時，凈高大于10.7 m 時，才需控制其水平距離尚不應大于建筑室內(nèi)凈高的2.8 倍。當自然排煙窗（口）設置在外墻上時，如何更好地沿建筑物的兩條對邊均勻設置，筆者認為，重點應是煙氣能形成有效的對流。

2）工業(yè)建筑的自然補風問題。分析得出設置自然排煙系統(tǒng)的場所應設置自然補風系統(tǒng)，并指出對于自然排煙、自然補風的情形，自然補風窗（口）面積應根據(jù)煙規(guī)4.6.15 條公式進行多次試算得出。

此外，設計人員需注意，煙規(guī)是建筑和暖通兩個專業(yè)的規(guī)范，這就要求建筑和暖通設計師仔細研讀規(guī)范，項目各個階段多溝通配合，在滿足規(guī)范的條件下，設計出更優(yōu)的作品。