高層建筑火災排煙研究

孫敏捷

摘要：新時期，城市化進程持續加快，城市建筑工程規模持續擴大，高層建筑數量和高度都與日俱增。與普通多層建筑不同，高層建筑通常人員聚集，豎向高度較高、內部空間較大、布局復雜，當火災發生時，疏散十分困難，且建筑內可燃物很多，任何火災的發生都存在較大的救援難度，會帶來難以估量的經濟和財產損失，對此，必須加強高層建筑排煙研究，找出科學的排煙措施。本文以高層建筑火災撲救排煙為研究對象，討論高層建筑火災排煙方式對高層建筑火災撲救的影響，以供參考。

關鍵詞：高層建筑；火災撲救；排煙方式

DOI：10.12433/zgkjtz.20232851

據世界高層建筑與都市人居學會2021年發布的一份關于世界高層建筑的報告顯示，目前我國擁有150m以上的高層建筑2581座，200m以上建筑861座，而300m以上的超高層建筑則有99座，這三項指標均排在世界前列。

高層建筑起火時，高溫煙氣很容易在建筑的豎向通道中縱深擴散，加快火災蔓延，不利于火災撲救及人員逃生。據統計，煙氣致死人數在高層建筑火災死亡人數中的占比高達82%。高層建筑起火時，如果能有效排煙，可以提高火場能見度，降低高溫毒氣對人體的傷害，從而控制火勢蔓延，提高救人與滅火的效率。本文在總結高層建筑煙氣流動規律和排煙的方式、特點、缺陷的基礎上，針對性地提出了改進措施，以期促進高層建筑發生火災時科學排煙。

一、高層建筑火災排煙的研究背景

（一）高層建筑的火災特點

第一，火災蔓延迅速、途徑多樣、易形成立體的火災。如果防火分隔或者防火處理不當，高層建筑內的樓梯井、電梯井、管道井、風管、電纜井以及排氣管等猶如煙囪，都會成為火災快速傳播的渠道。高端酒店、辦公樓、圖書館、檔案館和科研樓等建筑，一般情況下，室內可燃材料較多，有些高層建筑還設有可燃材料倉庫，一旦發生火災，會導致高層建筑的火勢迅速蔓延。另外，受氣壓、風速等因素影響，高層建筑火災極易形成全樓三維火場，“風助火勢、火借風威”在高層建筑中表現得尤為明顯。風在火災中的作用強弱是風速主導的，在近地面，高度越高，風速越大，所以高層建筑火災往往比中低層建筑更加猛烈。建筑物著火后，煙霧、火焰沿一定方向擴散，先朝上接觸天花板，再轉為橫向擴散，最后沿墻體上下運動。

第二，人員疏散難度大。在高層建筑內，將人員快速撤離至地面或建筑物內不受火災威脅的安全場所較為困難。首先，建筑高大、樓層眾多，垂直疏散距離較遠，疏散時間較長。其次，人員集中，疏散設施少。高層民用建筑可容納的人員大多超過千人，很難在短期內把人都疏散到安全區。再次，發生火災后普通電梯無法作為安全疏散的場所，樓梯作為高層建筑中的疏散設施，如果樓梯間不能有效阻止煙火的入侵，煙氣將被迅速充滿樓梯間，不但無法確保人員的安全撤離，還會成為火勢蔓延渠道。因此，高層建筑中因來不及撤離造成的煙熏或火燒致死較常見。

第三，撲救困難。與中低層建筑火災相比，高層建筑的火災撲救工作更加困難。首先，高層建筑高度會導致消防供水困難。控制火勢蔓延、消除著火點和冷卻降溫需要大量的水，普通消防車水壓不能滿足高層建筑上部的供水需求，且水帶耐壓的強度有限，也會限制高層建筑的外部消防供水。當建筑物本身供水能力不足時，需要消防員借助特種登高、排煙消防車輛和搶險救生裝備進行高樓接力供水。其次，由于經濟、空間等因素限制，高層建筑內消防電梯設置的數目有限，在開展救援作業時，消防電梯需要運送的設備和人員多，運輸距離遠，消耗時間長，往往抓不住控制初期火災的有利時機。

第四，火災隱患眾多。有的建筑設有商業營業廳、可燃物倉庫、人員密集的禮堂、餐廳等，安全管理不統一，潛在火災隱患多，一旦起火，容易發生大面積火災，且火勢蔓延很快，撲救疏散困難，從而造成極大的人員傷亡。

（二）高層建筑火災煙氣的危害

第一，缺氧。火災發生時，建筑室內會出現大面積燃燒現象，燃燒需要氧氣，因此會導致室內缺氧，如果救援不及時，可能造成嚴重的窒息，危害人體健康，甚至引發生命事故。

第二，中毒。眾所周知，建筑室內火災發生后，可燃物燃燒將產生大量的煙霧與其他毒害氣體，包括一氧化碳（CO）、氯化氫（HCl）、氰化氫（HCN）等多種有毒氣體，對人體的危害極為嚴重。

第三，高溫灼傷。火災中的煙氣溫度可達到800～1000℃，特別是燃燒中心區域火焰的溫度更高，對人的損傷更大。一般來說，火災由著火至擴散只需6～7min，大部分火場的實測溫度在6min內可達300～400℃。公眾聚集場所如果有大量的可燃物，會加快火災蔓延速度，使火場溫度更高，增加人員傷亡的可能性。

第四，減光危害。火災發生時，只有當疏散的能見距離大于一定的數值時，逃生人員才能看清疏散通道中的疏散標志和疏散門的位置，因此保障疏散通道上的能見度對逃生具有重要作用。一般火場中的能見距離低于3m時，會降低高層建筑火災中逃生的概率。火災中煙氣蔓延時，煙氣中煙塵遮蔽可見光，會縮短能見距離。因此，逃生人員會難以辨認目標和方向，導致原有的事故照明設施和疏散標志難以發揮應有的作用。

（三）高層建筑火災排煙的意義

第一，有助于救援工作順利進行。在火場中，可燃物的燃燒會產生大量的有毒煙氣，導致人窒息、中毒、灼傷，降低逃生能見度，引起心理恐慌，影響消防員的施救。因此，先排煙，再搜救，才能提高救援效率，才能更好地保障被困人員的人身安全。

第二，撲救火災。火災中煙氣溫度可達近千度，排除高層建筑內的高溫煙氣是給建筑降溫的有效手段。同時，通過排煙控制煙氣的流動方向還可以控制火勢的蔓延。另外，有效排煙可延長建筑內部的能見距離，更有利于滅火工作的開展。

第三，保障消防員的生命安全。火場內的煙氣不僅妨礙群眾逃生，也會在很大程度上降低消防員的可視距離，造成消防員在陌生環境中迷失方向，或使消防員因跌落隱藏的豎井、被空中墜物砸傷等。因此，排除建筑內的高溫煙氣更有利于保障消防員在火場中的安全。

二、高層建筑火災煙氣流動的規律及影響因素

（一）高層建筑火災煙氣蔓延途徑

建筑火災發生后，煙氣主要沿水平和豎直兩個方向蔓延。水平的蔓延是著火樓層內的蔓延，速度較慢。而豎直的蔓延速度很快，煙氣進入樓梯間、電梯井和管道井等建筑豎井后會迅速向上蔓延擴散，速度高達十幾米每秒，在幾十秒甚至幾秒的時間內可到達高層建筑頂部。

（二）高層建筑火災煙氣流動的影響因素

第一，煙囪效應。高層建筑的結構特征為：豎直方向會設置從上到下的通道，以滿足高層的運輸需求，主要的上下豎直通道包括電梯、管道井或者樓梯等。然而，高層建筑室內與室外的溫度不同，二者會有一定的溫度差，從而使上下通道中產生上下流動的氣流，出現工業煙囪效應。

第二，氣體受熱膨脹。建筑房間被火災侵蝕后，不僅會出現高溫煙氣帶來的浮力，氣體受熱后也將發生膨脹，由此帶來壓差，影響煙氣流動。如果房間僅設置一個通風口，并與外部空間相連，會加劇氣體膨脹的系數。

第三，通風空調系統影響。要想建筑內氣壓不受影響，建筑內的通風、空調系統等換氣設施的排風量應與送風量相當。如果建筑內某空間內送風量低于排風量，其他空間的空氣就會流向此處。相反，如果此處的空氣流向其他空間，可以使換氣系統的送風量大于排風量。因此，合理控制換氣系統可以控制煙氣在建筑內的流向。

第四，室外風力、風速的影響。風對各個建筑面的作用不同，迎風面的墻壁所受壓力向內，兩側墻壁及背風面則相反，而平頂層所受壓力向上。這種承壓方向上的差異導致空氣從建筑的迎風面流入，從建筑的背風面流出，并在頂層尚未封閉的豎直通風管道中產生吸力。

三、高層建筑火災不同排煙方式的特點

第一，自然排煙的特點。利用自然力使煙氣不能入侵消防電梯及樓梯間內的排煙方式稱為自然排煙。這種方式的效果主要受所處樓層、室外溫度、風力特征等因素影響，利用好這些因素，自然排煙也能起到良好的排煙效果。

第二，機械排煙的特點。機械排煙系統主要利用排煙風機將著火區域內的高溫有害煙氣從排煙口排出，主要由擋煙垂壁、排煙口、排煙機以及電氣控制等部分組成。排煙時，要注意及時排出人員疏散時帶入前室的煙。

第三，機械加壓排煙的特點。機械加壓排煙是通過使防煙樓梯間及其前室保持足夠的壓力避免煙氣進入樓梯間及前室。機械加壓送風系統是一種強制性的防排煙系統，主要由電氣控制設備控制的防煙部件、送風口、送風管道和送風機組成，需要電梯前室、樓梯間保持一定的正壓，防止煙氣侵入。在高層建筑起火時，通過機械加壓送風將一定量的空氣送到樓梯間和前室內，可以確保煙氣無法入侵。

四、高層建筑火災排煙的常見問題

（一）自然排煙的常見問題

第一，排煙的效果不穩定。自然排煙效果容易受室外風力特征、季節變化及高層建筑熱壓作用的影響。

第二，在設計時考慮自然排煙。自然排煙需要借助外窗或者專用的排煙口，外窗或排煙口要滿足排煙需求。

第三，存在火災通過排煙口蔓延到緊鄰上層的危險性。由排煙口或外窗向外排煙時，由于排除的煙氣中可燃氣體未燃盡，且溫度很高，具備燃燒條件，會繼續燃燒。燃燒的煙氣火焰周圍的空氣補充條件有差異，火焰內側靠近外墻的部分空氣不足形成負壓區，導致火焰有撲向墻壁面的貼壁燃燒現象，進而引起上一層可燃物燃燒，增大建筑物的燃燒面積。

（二）機械排煙的常見問題

第一，排煙口的位置設置不當。機械排煙設施不達標，主要的影響因素是排煙口的設置不合理。排煙口位置設置不當，會導致排煙設施難排煙。不合理主要表現為：排煙口設置高度不夠，部分高層建筑的排煙口設置在墻下部，一旦發生火災產生煙氣，很難實現機械排煙；布局不合理，部分建筑將排煙口設置在安全出口上方，不僅不能起到排煙的作用，還會增加安全出口的煙氣，增加安全疏散的難度。

第二，擋煙垂壁設置不規范。目前，部分高層建筑為了追求建筑內部的美觀效果，未按照相關要求設置擋煙垂壁，影響了排煙效果。

第三，防排煙風機供配電與規范不符。雖然相關規定對防排煙風機的負荷級別和敷設安裝有明確要求，但在實際施工中仍存在防排煙風機供配電與規范不符的問題。

第四，維護保養不到位。防煙排煙系統能否正常使用與系統各組件、配件的現場狀態密切相關，很多單位對防排煙設施的日常管理維護很差，有的單位甚至只在消防部門檢查時才打開防排煙設施，導致存在嚴重的排煙隱患。

（三）機械加壓排煙的常見問題

第一，不合理的風機選配。實際設計機械加壓送風裝備時，必須參照現實機械加壓送風量配置風機，當風機選配不合理時，會影響排煙，如果加壓風機尺寸超出標準，防煙區的正壓值會上升，導致疏散門無法正常打開，如果加壓風機的規格較小，防煙區內的正壓值也會較低，無法有效抵擋煙氣擴散。

第二，風口與風閥的選配不科學。在機械加壓送風系統內，如果未能正確選配風口與風閥，會影響風口面積，加大系統阻力，導致風量不足。在建設高層建筑時，如果不積極抹光進風管道內壁或尚未及時修理腳手架，可能影響風閥調節，不能正常防煙。

第三，未安壓差調節設備。參照文件條款，在個別情況下，把防煙樓梯間、前室送風系統統一共用，或將壓差調節裝置配設于前室風管支管，如果出現火災，可以打開機械加壓裝置，樓梯間與前室之間構成壓差，便于排除煙霧。在現實中，一些高層建筑沒有配設壓差調節裝置，使得合用室的前壓力高于樓梯間，會影響防煙效果。

第四，維護保養不到位。與機械排煙相似，機械加壓排煙系統也存在使用單位對日常維護保養不到位，甚至在非消防檢查時不開啟的問題。

五、高層建筑火災排煙常見問題的解決對策

（一）自然排煙的解決對策

根據風力對高層建筑自然排煙的影響，在高層建筑防火設計上，將進風口設在上風方向，排煙口設在下風方向。在發生火災時，室外的風順著上風方向進入建筑物進風口，將室內大量的煙氣通過下風方向的排煙口排出室外，具有良好的自然排煙效果。

排煙窗設置在墻的上部自然排煙效果更佳，最好安排在頂棚或頂板下800mm的距離內、中和面的上方。

對于高層建筑自然排煙而言，能通過自然排煙將建筑內煙氣排出室外。實際上，整個排煙過程是一個空氣循環過程，要加大建筑物室內的補風量，使煙氣快速從建筑物窗口排出室外，從而有利于人員的逃生和疏散。

（二）機械排煙的解決對策

防排煙系統關系到整個建筑的消防安全，一般用于緊急狀態下的安全防護，關系到整個建筑物內的人員安全。因此，此系統應與配電設備、空調、散熱設備等分離安裝，確保防煙系統單獨運轉不受到其他設備的干擾。

排煙口的具體設計與布局關系到整個建筑物的排煙效果。必須科學設計排煙口的尺寸，做好定位，如果室內面積很大，可以增加排煙口的數量，注意均勻、分開布局。如果室內高度達不到3m，要將排煙口安裝在和室內凈高度一半以上的部位，確保排煙口遠離疏散口，并讓排煙方向和疏散方向反向布設。如果排煙口配設于棚頂，與四周可燃物保持1m以上的距離，同時注意排煙口的形狀應為細長條縫形。

（三）機械加壓排煙的解決對策

風機是機械加壓送風系統的關鍵部分，直接影響著防排煙的質量以及效果，因此，需要合理選擇風機。風機風量需要滿足排煙需求，排氣口要設置在墻壁靠近頂棚的位置或直接設置在頂棚上，以增強排煙效果。

六、結語

在高層建筑火災中，及時、正確的排煙可以有效排除建筑內的煙氣，為消防員的滅火救（下轉第157頁）（上接第154頁）援行動提供便利，也能使被困人員的疏散更加安全，從而提高被困人員的存活率。在高層建筑物中，主要利用自然排煙系統、機械排煙系統以及機械加壓排煙系統排煙，這三種排煙系統各有優劣。在實際的高層建筑火場中，排煙情況復雜，消防救援人員要綜合考慮可燃物情況、起火部位和被困人員等因素，科學選擇合理的排煙方法，以獲得最佳的排煙效果。

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