斜板型地下車庫排煙設計探討

楊 卓 郭宗敏

（云南云大設計研究院 昆明 650031）

0 引言

大型坡地建筑群，地下車庫經常用分臺和斜板兩種方式來處理高差。嚴格意義上，任何平板型地下車庫，為了找坡排水，地面都不是完全水平的，這種方式俗稱“建筑找坡”。若車庫找坡方向與長方向重合，其最遠端積累的高差，對車庫使用凈高的影響不可小覷。常規設計中，通過短邊找坡，或多段找坡等手段，可以有效化解上述負面影響。本文討論的，是以“結構找坡”方式設置的斜板型地下機動車庫，給暖通防排煙設計帶來的新問題。

1 平板型車庫防排煙設計措施

以一個狹長的地下機動車庫模型為例，不考慮找坡排水，視其底板和頂板均為水平，車庫面積不大于4000m2，層高3.70m，主梁高0.80m（含頂板厚度160mm），停車84 輛，劃分為1 個防火分區，設置自動噴水滅火系統。暖通排煙系統設計步驟簡述如下：

（1）將車庫劃分為2 個防煙分區，單個防煙分區面積2000m2，如圖1 所示。按凈高3.54m 計算，最小清晰高度為Hqmin=1.6+0.1×3.54=1.954m，因《車庫建筑設計規范》（JGJ100-2015）規定，保證微型車、小型車出入的最小凈高為2.20m，因此設計清晰高度取2.50m。防煙分區交界的擋煙垂壁即由0.8m 高的結構主梁及0.4m 高的擋煙垂板組合構成，擋煙垂壁下方凈高Hq=3.70-（0.80+0.40）=2.50m，儲煙倉厚度Hc=0.80+0.40-0.16=1.04m。

圖1 防煙分區示意圖Fig.1 Schematic diagram of smoke prevention zoning

（2）每個防煙分區獨立設置一套機械排煙系統。根據車庫凈高尺寸，查《汽車庫、修車庫、停車場設計防火規范》GB50067-2014 表8.2.5，取單套系統排煙量30810CMH，另據CO 濃度法計算得單個分區排風量21000CMH（過程略），選擇高速擋風量為31500CMH、低速擋風量為22000CMH的雙速風機，設于專用機房內，以排煙風速（風機高速擋）計算干管—支管截面，并用排風風速（風機低速擋）進行校核。系統平面布置如圖2 所示。

圖2 單個防煙分區機械排煙系統平面圖Fig.2 Plan of mechanical smoke elimination system in single smoke prevention zoning

（3）依據氣流均衡原則，共設置10 個排煙口，單個排煙口1000×200，采用常開式百葉風口。按《建筑防煙排煙系統技術標準》GB 51251-2017（以下簡稱《煙標》）第4.4 章要求進行計算，排煙口安裝高度為距地3.090m（即距頂板下方0.45m）時，排煙口最低點與擋煙垂壁最低點之間的高差（即排煙系統吸入口最低點之下的煙氣層厚度）為db=1.04-0.45=0.59m，此時計算得單個排煙口最大允許排煙量為3306.70CMH，單個防煙分區所有排煙口最大允許排煙量為33076.0CMH，煙層平均溫度與環境溫度的差為200.02K，排煙措施合理有效[1]，具體如圖3、圖4 所示。

圖3 平板型車庫機械排煙系統剖面示意圖Fig.3 Section diagram of mechanical smoke elimination system of flat garage

圖4 排煙口設置校核計算表Fig.4 Check and calculation table of smoke vent setting

2 斜板型車庫出現的新問題

仍以上述地下車庫模型為例，平面參數不變，但采取結構找坡方式，坡度為3%，則在Z 軸方向上，最高點比最低點升高4.550m。同樣劃分為2個防煙分區，為既保證汽車通過凈高，又維持儲煙倉最大厚度，擋煙垂壁最低點取距該處地面2.20m。但與平板型空間不同的是，斜板型空間的儲煙倉，不再是一個高度相等的均勻立方體空間。

按《煙標》中儲煙倉的定義，“位于建筑空間頂部，由擋煙垂壁、梁或隔墻等形成的用于蓄積火災煙氣的空間”，這一空間僅是五面圍合的，其開敞的底邊，其實是一個“虛擬”的平面。位于儲煙倉內的煙氣層，頂邊、周邊都受限，只有底面開敞，而這個底面，理論上保持水平，這是煙氣的物理特性所決定的。因此，斜板型車庫的儲煙倉，必然是一個以傾斜樓板為頂，擋煙垂壁為邊，水平面為底的水平三棱柱型空間。擋煙垂壁最低點處的儲煙倉達到最大高度，而沿頂板坡向，儲煙倉高度線性降低，直至為零，如圖5 所示。

圖5 斜板下的儲煙倉示意圖Fig.5 Schematic diagram of smoke reservoir under inclined slab

遵循常規做法，機械排煙系統的風管緊貼梁底吊裝，排煙口以距該處頂板或底板進行豎向定位，出現的新問題，就是部分排煙口完全位于儲煙倉下方，不能處在設計煙層厚度范圍之內，如圖6 所示。

圖6 斜板下的排煙口示意圖Fig.6 Schematic diagram of smoke vent under inclined slab

高度受限的扁平空間內發生火災時，高溫煙氣運動規律為：①熱壓作用下急速升騰→②空間受阻上部聚集→③下沉席卷，蔓延擴散。排煙系統的作用是要在③到來之前有效將煙氣排出室外，為人員逃生贏得先機。因此，排煙設計的根本目標，不是把所有煙氣全部排走，而是建立穩定的煙層，稀釋煙氣[2]，即維持產煙—排煙的動態平衡，使之盡可能受限于單個防煙分區內，保持煙氣層下方的最小清晰高度，保證人員安全疏散。

斜板型地下車庫，因為出現部分排煙口不能處于儲煙倉內的問題，依據《煙標》第4.6.14 條計算公式可知，當排煙系統吸入口最低點之下的煙氣層厚度db小于等于0 時，單個排煙口的最大允許排煙量亦為0，即該處排煙口完全不承擔排煙功能。源源不斷產生的高溫煙氣，只能由處于儲煙倉內的局部排煙口超額吸入，當排煙速率跟不上產煙速率時，煙氣必將下沉、越過擋煙垂壁，侵入人員疏散空間，并向位于地勢高處的相鄰防煙分區蔓延。

3 解決方案

設想一個下游堰塞嚴重、只能靠底部管網排水的湖泊，局部地區暴雨傾盆，雨水自然從低處囤積。為守住“水位不得漫過防護堤”這一安全底線，必須保證所有排水口都不能空吸，最可行的辦法是增設二級水壩。把這個“筑壩儲水”的例子反向投映為“設壁擋煙”，斜板型車庫的排煙問題也迎刃而解。

圖7 水壩儲水-排水示意圖Fig.7 Schematic diagram of water storage and drainage of dam

3.1 具體做法

（1）防煙分區劃分原則不變，單個防煙分區面積盡量接近2000m2，設計清晰高度取過車最小凈高2.20m。防煙分區邊界的一級擋煙垂壁仍由結構主梁與擋煙垂板組合構成，一級擋煙垂壁下方凈高Hq=2.20m；

（2）在同一防煙分區內，沿坡度方向設置多道二級擋煙垂壁，形成多個階梯狀儲煙倉。二級擋煙垂壁設置原則為：

①任一擋煙垂壁下方凈高≥2.20m；

②使位于該儲煙倉內的排煙口，其最低點與該儲煙倉高位側擋煙垂壁最低點之間的垂直高差，滿足《煙標》第4.6.14 條公式逆向計算出的db值（如本例，單個防煙分區排煙量30810CMH，設置10個排煙口，單個排煙口計算排煙量約3100CMH。當db=0.59m 時，單個排煙口最大允許排煙量計算得3307.60CMH，此時排煙口豎向定位為距該處頂板350mm，設置合理）。

上述做法如圖8 所示。

圖8 增加多級儲煙倉的斜板型地下車庫排煙示意圖Fig.8 Smoke exhaust diagram of inclined slab underground garage with multi-stage smoke reservoir

3.2 優化措施

鑒于車庫防煙分區面積較大，層高較矮，且煙氣在豎向上的升騰速度遠大于水平向的擴散速度，則在單個防煙分區內，即使僅考慮單點火災，充分燃燒階段的煙氣分布也是極不均勻的。斜板型車庫特殊的空間形態會使這一影響更為加劇。設置二級擋煙垂壁的初衷，是“默認”整個防煙分區內的煙氣均勻向上升騰，水平向亦受控，最終“困于”各個二級儲煙倉中，最終達到產煙—排煙的動態平衡。但如圖8 例所示，若著火點位于⑨-○11 軸之間的較高地面，即使在該分區排煙系統正常工作的情況下，煙氣也難于進入⑦-⑨軸間的二級儲煙倉，而會優先侵入位于高位的相鄰防煙分區。在○11 軸下方，煙氣將向下“翻越”一級擋煙垂壁，嚴重影響疏散高度。因此，需將煙氣引入相鄰的多個二次儲煙倉，促使其在同一防煙分區內盡量均勻擴散，以保證機械排煙系統最高效工作，所采取的優化措施，就是在二級擋煙垂壁上增設過煙孔，如圖9 所示。

圖9 設置過煙孔的多級儲煙倉示意圖Fig.9 Schematic diagram of multi-stage smoke reservoir with smoke passage hole

過煙孔的設置原則如下：

同一個防煙分區內，系統排煙量為L，若細分為n個二級儲煙倉，則每個二級儲煙倉的計算排煙量為L/n，通過過煙孔擴散至其余二級儲煙倉的計算排煙量為（n-1）L/n，過煙孔的通過風速，介于自然排煙與機械排煙風速之間，建議取3～5m/s，則可用簡單的風速公式計算出每道二級擋煙垂壁上的過煙孔開設尺寸。

開設過煙孔的另外一個好處，是可將車庫內大尺寸的排煙風管，眾多水管、橋架等從中穿越（過煙孔截面計算時應考慮上述遮擋影響），大大簡化管線穿越常規擋煙垂板后的封閉處理工作，使二級擋煙垂壁的實施安裝更為簡易可靠。

4 煙氣流動分析軟件（PyroSim）計算模擬成果

4.1 斜板型車庫-單級儲煙倉排煙情況模擬

假設著火點位于防煙分區中部，負擔著火點防煙分區的機械排煙系統啟動，相鄰防煙分區機械排煙系統不工作，對斜板型車庫模型進行火災排煙模擬，并測量模擬區間內煙氣濃度。如圖10 所示建立1-1 剖面，在剖面中顯示煙氣濃度。如圖11 可見，整個儲煙倉形成以傾斜樓板為頂，擋煙垂壁為邊，近似水平面為底的水平三棱柱型空間，此時車庫低位側（即A 點左側）的4 個排煙口處于儲煙倉以外而完全不承擔排煙功能，只有6 個排煙口在超額工作（A、B 點間的排煙口雖不在儲煙倉內，但因位于煙氣上升通道范圍內，同樣在工作）。

圖10 斜板型車庫火災排煙模擬示意圖Fig.10 Schematic diagram of fire smoke exhaust simulation of inclined slab garage

圖11 斜板型車庫（單級儲煙倉）煙氣剖面濃度示意圖Fig.11 Schematic diagram of flue gas section concentration of inclined slab garage(single-stage smoke reservoir)

分別對圖11 中A、B、C、D 四點煙氣底端距地高度進行測量，結果見圖12。可見：

圖12 不同位置斜板型車庫煙氣高度圖Fig.12 Smoke height diagram of inclined slab garage at different positions

（1）A 點位于著火防煙分區的地勢較低側，該點處煙氣濃度較低，煙氣層距地高度較高，約為2.4m；

（2）B 點由于靠近起火點，這一位置煙氣多，濃度大，隨著時間發展，煙氣基本維持在2.2m 之上，保持在儲煙倉內；

（3）C 點位于著火防煙分區的地勢較高側，該點處煙氣層距地高度最低，甚至不足1.5m，已嚴重影響到人員疏散；

（4）D 點位于著火點相鄰的防煙分區（B1-01-B），由于分區之間的擋煙垂壁不能有效阻擋煙氣，煙氣已越過擋煙垂壁進入該防煙分區。此時如果該防煙分區的排煙系統不工作，入侵煙氣已在分區內彌漫擴散，D 點處煙氣底部距地高度僅有1m。

4.2 斜板型車庫—多級儲煙倉排煙情況模擬

按照第3 章所述方法建立模型，每兩跨增設一個二級擋煙垂壁，將防煙分區B1-01-A 分為5 個二級儲煙倉，測量點位置不變，重復上述模擬過程。

圖13 斜板型車庫多級儲煙倉火災排煙模擬示意圖Fig.13 Schematic diagram of fire smoke exhaust simulation of inclined slab garage(multi-stage smoke reservoir)

分別對圖14 中A、B、C、D 四點煙氣底端距地高度進行測量，結果見圖14。可見：

圖14 斜板型車庫多級儲煙倉煙氣剖面濃度示意圖Fig.14 Schematic diagram of flue gas section concentration of inclined slab garage(multi-stage smoke reservoir)

（1）和4.1 節類似，A 點位于著火防煙分區的地勢較低側，該點處煙氣層距地高度較高，約為2.4m。與4.1 節相比，設置帶過煙孔的二級擋煙垂壁后，地勢較低處的二級儲煙倉內的煙氣濃度明顯增加；

（2）和4.1 節類似，B 點由于靠近起火點，這一位置煙氣多，濃度大，隨著時間發展，煙氣基本維持在2.2m 之上，保持在儲煙倉內；

（3）C 點位于著火防煙分區的地勢較高側，由于帶過煙孔的二級擋煙垂壁的“攔截+疏導”作用，煙氣“有序”蔓延至C 點所在二級儲煙倉上方，縱向上底面形成較為明顯的“階梯狀”分布。由圖15（b）可見，C 點所在區間煙氣底部也能基本維持在2.4m 以上；

圖15 不同位置斜板型車庫煙氣高度圖Fig.15 Smoke height diagram of inclined slab garage at different positions

（4）D 點位于著火點相鄰的防煙分區（B1-01-B），由于著火防煙分區的排煙系統工作有效，故煙氣始終沒有“越過”一級擋煙垂壁進入相鄰防煙分區，D 點無煙氣。

5 結論

（1）斜板型地下車庫因空間特殊，機械排煙系統的排煙口不能都處于儲煙倉內，火災發生時系統排煙效果差，煙氣容易侵入相鄰防煙分區，并下沉至清晰高度內，嚴重影響疏散；

（2）增設二級擋煙垂壁，將一個防煙分區內細分為多個二級儲煙倉，能使所有排煙口均設置于儲煙倉內，保證排煙系統正常工作。二級擋煙垂壁上設置過煙孔，能促進同一防煙分區內煙氣的分布均勻，進一步提升系統排煙效率；

（3）車庫以外的其他排煙場所，建議按不同凈高空間劃分防煙分區，且單個分區面積不宜過大，即可保證將所有排煙口都設于儲煙倉內，滿足規范設置要求；

（4）常規排煙系統設計的默認條件是煙氣在整個防煙分區內均勻擴散。其實單點火災的模擬過程說明情況并非如此，特別是在車庫這種防煙分區與著火點面積比較大的工況，靠近火源點處煙氣濃度極大，遠離火源點處煙氣濃度較低，相應點位附近的排煙口，事實上的排煙效率是不一致的，因此在設計排煙口數量、尺寸時，應有一定的裕量考慮。