高層建筑群地下綜合體工程防火分區與消防設計

摘 要：高層建筑地下空間較為復雜，一旦發生火災易造成事故，為研究高層建筑地下空間的合理防火分區和疏散路徑，確保人員安全和車輛疏散效率，對現有的高層建筑地下空間群的特點和地下交通布置進行論述和總結.通過方案理論分析及Pathfinder軟件模擬，提出了一種地下空間跨越多層，與地下管廊及地鐵融合的多層地下空間防火分區、人員疏散和車輛疏散的解決方案.結果表明，高層建筑群地下停車場防火分隔設計能滿足人員與車輛疏散系統的設計與現有規范之間有較好銜接，可以有效控制火災蔓延的風險；消防設計符合鄭州金融島工程實際疏散交通情況，并與地鐵出口做到有效銜接，有效確定火災下地下空間群的最佳疏散路線，提升了高層建筑群地下空間群的消防安全水平.

關鍵詞：地下綜合體工程；消防設計；防火分區；人員疏散

中圖分類號：TU998.1

文獻標志碼：A

0 引 言

根據JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結構技術規程》，10層及10層以上或房屋高度大于28 m的住宅建筑和房屋高度大于24 m的其他高層民用建筑為高層建筑.高層單體建筑10棟及以上組成的建筑群項目為高層建筑群，包括金融辦公建筑、高端酒店和服務型公寓等.高層建筑群下的地下空間形成一個綜合體，包括外環道路、車庫、停車場、地下管廊和地鐵出入口等設施.

高層建筑群堅持整體與個體相結合的原則、地上建筑與地下空間統一設計建設實施相結合原則、總體與各單體地塊相結合原則及剛性與彈性相結合原則.地下空間舒適性要考慮人防及消防要求［1］，軌道交通建設和地下空間開發利用相互結合屬于大型綜合交通樞紐工程［2］.石堅韌等［3］以合肥華潤中心38#地塊工程為研究對象，在對其消防系統進行分析的基礎上，通過對給排水設計包括消防用水量、室內消火栓系統、自動噴水滅火系統和暖通消防設計進行實證分析，從實際工程案例入手，解析了商業綜合體的消防設計要求和安全疏散理念，并針對商業綜合體步行街和疏散樓梯出口分別提出亞安全區設計，以及擴大封閉樓梯間的方案.張可等［4］以2種大斷面及4種特大斷面公路隧道為研究對象，分析了特大斷面公路隧道火災特性，為保護隧道結構安全及車輛安全提供了理論支撐.崔鍔等［5］對超高層建筑內以防煙樓梯為主的安全疏散系統進行了安全可靠性技術分析，為超高層建筑安全疏散提供了數據參考.地下空間作為商業建筑時，要模擬人員疏散所需的時間及相關參數，以保證人員安全.祿利剛等［6］以某地下商業廣場為研究對象，通過3種方法提高了疏散效率，采用軟件BuildingEXODUS模擬人員疏散情況，得到了疏散所需的時間為242 s.郭聰［7］以城市地下商業空間為例，依據疏散動力學和人員逃生行為理論，采用Anylogic平臺設置相應的社會力進行模擬，提升了地下商業空間疏散效率.賈伯巖等［8］采用理論和FDS數值模擬相結合的方法，對地下步行通道進行深入研究，提出半橫向排煙模式可以提升人員逃生效率和消防人員應急救援.陸秋琴等［9］通過對地下商業空間災害應急救援內涵分析，構建了相應的應急救援仿真系統，提升了地下商業空間救援效率.姜學鵬等［10］以地鐵車站為研究對象，運用FDS和Pathfinder軟件，對某地鐵站進行火災模擬，得到人員可用安全疏散時間和必需安全疏散時間.由此可見，地下空間工程開發利用中消防設計尤其關鍵.雖然上述研究對地下空間的防火分區及消防安全進行設計，并分析了人員疏散路徑，但僅局限于單一建筑物的地下空間，對大型或高層建筑群組合的地下空間群的消防安全設計涉及較少.

鄭州金融島外環高層建筑群共有22棟，每棟樓建筑面積約1×105 m2，其中地上約6×104 m2，地下約4×104 m2，地下層數4層（負一層6 m，負二層4 m，負三層4.8 m，負四層4 m）.本研究基于地下空間群，研究高層建筑群地下空間中停車場、人行道、綜合管廊、車行道、軌道交通及地鐵交叉口的綜合空間的防火分區及消防安全設計.

1 工程概況

1.1 工程概況

鄭州金融島項目外環高層建筑群有14棟金融辦公建筑、4棟高端酒店、4棟服務型公寓和濱湖商業裙房組成的高層建筑群，如圖1所示.外環道路長度約4.1 km，建筑面積約2.1×105 m2，主要建設金融島外環地下1～4層，包括地下道路（含土建工程和設備安裝過程）、地下車庫和橋梁工程等.B1層主要是服務外環沿線地塊小汽車進出，與北部兩隧道、南部兩橋通過匝道銜接，發揮對外交通聯系功能，主線采用3車道；B2層主要為設備層及管線層，其余為車庫；B3層主要是環形通道按照地下車庫標準進行設計；B4主要為車庫，設計時速為20 km/h，通行凈空為3.2 m，車道寬度為3.0 m.地下道路與地下附屬建筑、地面風井出入口耐火等級為一級，其他地面建筑二級.

高層建筑群及地下空間的安全和消防處理除類似于一般的高層建筑安全保護外，高層建筑群及地下空間的安全和消防工作還要確保所有的作業面能及時到位，形成聯動管理，因此，基于鄭州金融島工程典型案例，對高層建筑群地下空間綜合體工程的消防問題及其建筑防火分區進行研究，對整個項目起著關鍵性作用.

1.2 高層建筑群地下綜合體交通布置形式

外環線位于鄭州龍湖片區核心區金融島地塊外圍，共分為B1、B2、B3和B4層4個層次，每層全長約4 040 m.其中，B1層主要服務外環沿線地塊小汽車進出，與北部兩隧道、南部兩橋通過匝道銜接，發揮對外交通聯系功能；主線采用3車道，局部在南、北側跨河段結合橋梁布置形式采用4車道規模，車道寬度均為3.0 m.B2層主要為設備層及管線層，其余為車庫功能供地塊使用.B3層為車庫內部道路，與北部兩隧道、南部一隧道通過匝道銜接，發揮對外交通聯系功能；采用3車道，局部在南、北側跨河段結合橋梁布置形式采用4車道規模，車道寬度均為3.0 m.B4層主要為車庫功能，為地塊使用.具體布置示意圖如圖2所示.

2 地下停車場工程消防設計

2.1 工程概況

主要分析某區國際商務金融中心外環3個綠地（TC3-03、TC3-15和TC3-25 地塊）下的地下空間建設.3個綠地地塊地上部分主要為公共綠地部分和地下車庫的地面出入口，TC3-03和TC3-15 地塊地下部分為4層停車庫（兼做人防），TC3-25地塊地下部分為2層停車庫（兼做人防），地下臨外環路側設置供外環路使用的疏散樓梯間與采光井.

項目紅線范圍內用地總面積 17 989.21 m2.其中，TC3-03 地塊" 6 663.31 m2，TC3-15 地塊 6 663.72 m2，TC3-25 地塊 4 662.18 m2.項目總建筑面積合計為 59 886.1 m2，地下總建筑面積為59 236.1 m2（其中，被征用面積 4 659.6 m2，扣除被征用面積后地下建筑面積為54 576.5 m2），地上總建筑面積為 650 m2，可提供機動車停車位合計為1 089 個.其中，TC3-03 地塊地上面積250 m2，地下建筑面積25 761.3 m2.TC3-15 地塊地上建筑面積 200 m2，地下建筑面積25 819.2 m2；TC3-25 地塊地上建筑面積200 m2，地下建筑面積 7 655.6 m2.TC3-03、TC3-15和TC3-25地塊可提供平面停車位分別為505、430和154個.

3個綠地地塊下地下空間按人防標準建設的建筑面積合計為38 762 m2.其中 ，TC3-03 地塊17 917 m2，TC3-15 地塊14 500 m2，TC3-25 地塊6 345 m2.平面布置如圖3所示.

經分析，B1層隧道類別為二類隧道，消防最不利點為B1環路與龍源十街隧道、龍翼二街隧道連接匝道處.B1層作為城市交通隧道凈高應滿足GB 50016—2014《建筑設計防火規范》要求.本項目隧道凈高按照3.2 m建筑限界，采用特制消防車.

B2、B3和B4層防火分區的劃分、消防疏散、防煙樓梯和設備用房等的設置及位置詳見消防設計專篇及設計圖紙；由于各地塊單體建筑距離外環地面環路距離很近，消防電梯的設置會影響到地面景觀，將來在消防報審階段專項研究是否必須增設消防電梯，應結合金融島中環與外環地面道路高程，結合景觀綠化行道樹要求，結合龍湖隧道空間位置，優化空間布局，優化空間變化節點處的防火要求.

2.2 B1地下環路消防設計

B1層地下道路暗埋段長約1.7 km，不通行危險品車輛，B1層隧道在通過匝道與龍源十街、龍翼二街連接，但龍源十街、龍翼二街為雙四二類隧道（長度小于3 000 m），根據GB 50016—2014《建筑設計防火規范》的規定，其消防疏散通過隧道之間的人行、車行橫通道解決人車的疏散問題，同時在與B1層匝道連接處設置防火卷簾，實現防火單元的有效分隔，且最不利點的隧道長度加上隧道主線的長度不大于2 km，所以B1層定義為二類隧道.B1隧道地下附屬設備用房、地面風亭和出入口防火等級為一級.B2、B3和B4為地下停車庫及設備用房，其防火等級為一級.

B1層地下聯絡道（見圖4）車道為隧道，消防設計按照相關標準，東西兩段分別為1 個防火分區，連接周邊地塊為相鄰防火分區.集中設備用房及風機房形成獨立防火分區.地下聯絡道車道孔及其設備用房按同時只發生1次火災考慮.地下聯絡道與周邊地下空間及龍源十街、龍翼二街隧道采用防火卷簾，進行防火分隔.

1）人員疏散.為保證人員安全疏散，人行疏散口結合地塊共計設置12處出面樓梯間作為安全出口，人員直接疏散口的間隔不大于250 m，疏散口寬度為1.2 m.

2）車輛疏散.B1層地下聯絡道通向車行疏散通道的間隔約1 000 m，該層共設有6條車行疏散通道.15#和16#地塊間、03#和04#地塊間連通中環的通道，2條南部11#和23#地塊出地面匝道，另外，還有2個過橋地面連接口.

2.3 B2、B3和B4消防設計

B2和B4層為車庫，主要位于合建段；B3層為車庫通道，長約4 km；消防設計均按照車庫標準設計.

1）防火分區.根據GB 50067—2014《汽車庫、修車庫、停車場設計防火規范》第5.1.1條規定的要求：地下汽車庫其防火分區最大允許建筑面積為2 000 m2（設置自動滅火系統的汽車庫，每個防火分區的最大允許建筑面積可按5.1.1條的規定增加1.0倍.在本設計中，每個防火分區面積不大于4 000 m2.B2防火分區為7個，B3防火分區為19個，B4防火分區為10個，以B2為例，具體防火分區見表1.

2）人員與車輛安全疏散.根據GB 50067—2014《汽車庫、修車庫、停車場設計防火規范》第6.0.6條規定：當設置自動滅火系統時，汽車庫室內任意一點至最近安全出口的疏散距離不應超過60 m.通過與地塊的接口，汽車疏散與地塊車庫統一考慮.防火分區如圖5所示.

2.4 防煙分區與設備用房

地下車庫防煙分區不大于2 000 m2，其他區域防煙分區的面積均不大于500 m2，且不跨越防火分區，并設有擋煙垂壁.B1層隧道集中設備用房為1個獨立防火分區，每個防火分區的面積不超過1 500 m2，設1處直接出地面逃生口，1處逃向隧道的逃生口.B2、B3和B4車庫集中設備用房在地塊內設置，為獨立防火分區，每個防火分區的建筑面積不大于1 000 m2，各車庫防火分區內的新風機房，排煙機房劃入車庫防火分區內.附建式獨立泵房不單獨設逃生口.

救援車輛可由B1層地下聯絡道匝道出入口進入，建筑限界3.2 m，普通消防車輛無法通行，建議采用與地下道路高度相符的專用消防車輛，滿足地下救援需要.也可以通過地面道路到達火災區域，通過豎向交通實施救援，如圖6所示.

3 地下車庫暖通消防設計

3.1 設計原則

B1層車庫聯絡道正常交通工況下，通風系統主要作用是稀釋地下道路內汽車排出廢氣中以一氧化碳（CO）氣體為代表的有害物質、煙塵和異味，為司乘人員和維修人員提供滿足一定標準的通風衛生環境，為安全行車提供良好的舒適性.B1層車庫聯絡道火災事故工況下，通風系統應具有排煙功能，合理組織氣流，控制煙霧和熱量的擴散，根據火災發生的區域，按照預定的模式排除煙氣，并為滯留的司乘人員和消防人員提供一定的新風，以利于安全疏散和滅火撲救.通風排煙模式的切換應確保安全可靠，并符合排煙系統要求.通風系統按最不利點進行設計，在保證功能的前提下，設備應具有良好的調節性能，以到達經濟運行.通風設備選用應注重性能優良、技術先進、效率高與噪聲低等方面的要求.

3.2 設計參數

地下車庫設計參數主要為：B2層地下車庫共劃分為7個防火分區，每個防火分區面積約3 000 m2；B3層地下車庫共劃分為19個防火分區，每個防火分區面積約3 200 m2.車庫聯絡道相關參數見表2.

3.3 車庫聯絡道設計標準

CO和煙塵設計濃度按表3取值.本項目地下聯絡道通風換氣次數按不低于5次/h計算.本項目地下車庫聯絡道通行車種以小客車為主，火災規模按火災釋熱量15 MW.本工程所在區域按GB 3095—2012《環境空氣質量標準》中的二級標準執行，即CO 24 h平均濃度限值4 mg/m3，1 h平均濃度限值10 mg/m3；二氧化氮（NO2）24 h平均濃度限值80 μg/m3，1 h平均濃度限值200 μg/m3.

3.4 車庫聯絡道排煙數值模擬

地下車庫聯絡道是伴隨城市大片地塊地下空間綜合開發利用，從而發展起來的新型地下車行聯絡通道形式，其通風方式的選擇涉及到聯絡道長度、交通量大小、行車方向、火災安全要求、地下車庫聯絡道周圍環境評價及施工方法等等.采用不同的通風方式，氣流流動狀況不同，其污染物濃度和空氣壓力分布各具特點，同時影響到整個工程的經濟性和運行后的通風效果與運營成本.

地下車庫聯絡道通風方式可分為自然通風和機械通風2大類.機械通風方式又可分為縱向、半橫向、全橫向與組合通風方式等.B1層地下車庫聯絡道分為東側和西側2條道路，每側道路長度較短（均約1.6 km）且出入口段均為敞開式，B1層在沿途設有采光井兼自然通風井.本工程聯絡道通風排煙系統采用自然通風排煙方式（方案1）或射流風機縱向式機械通風排煙方式（方案2）.

基于Pathfinder疏散模擬軟件，對于方案1，采用排煙數值模擬，分析自然排煙能否滿足排煙要求.選取B1層地下車庫聯絡道600 m長區段建立模擬模型進行火災工況下煙氣數值模擬.數值模擬及火災煙氣模擬結果如圖7所示.

經過數值模擬，可以得出，火災煙氣在環路內蔓延長度大于400 m，分析環路內2 m人行高度的溫度和可見度指標，溫度大于60 ℃和能見度小于10 m的范圍均超過300 m，根據《公路隧道通風設計細則》和《中國消防手冊》的人員疏散要求，此種條件下環路內不滿足人員安全疏散要求，自然排煙無法滿足排煙要求.

經過環路內數值排煙模擬論證，自然通風無法滿足排煙要求.為保證火災工況下的排煙效果，B1層車庫聯絡道采用自然通風和射流風機縱向式機械通風方式，通風系統兼有排煙功能.平時工況下，當自然通風無法滿足需求時，啟動射流風機進行機械排風，廢氣由洞口和通風井排出.縱向式機械通風系統兼用排煙系統，火災工況下，車庫聯絡道通風系統迅速切換至排煙模式，開啟全部射流風機，控制隧道內煙氣流速大于火災臨界風速要求，防止煙氣逆流，保證煙氣及時從聯絡道出口排出，確保聯絡道內安全.火災工況時，關閉B1層環路所有采光口和自然通風口，控制環路內火災煙氣向火源下游由洞口排出，如圖8所示.

地下機動車庫劃分防煙分區，每個防煙分區的

面積不超過2 000 m2，且防煙分區不跨越防火分區.防煙分區采用隔墻或頂棚下不小于500 mm的梁或吊頂下不小于500 mm的不燃燒體進行分隔.B1層采用縱向射流風機通風方式，通風系統兼用排煙，故以通風模式需風量和排煙模式需風量的較大值作為設計通風量，并以此配置通風設備.縱向排煙下火災臨界風速按下式計算，結算結果見表4，地下車庫的通風量滿足規范要求.

Q″=Qcρ0T0CPg1/2H5/2（1）

V″=VcgH （2）

式中，Vc為臨界風速，m/s；Qc為對流熱釋放率，kW；g為重力加速度，m/s2；H為隧道高度，m；T0為大氣環境溫度，℃； ρ0為大氣環境密度，kg/m3；H為隧道水力高度，m.

4 結 論

本研究對高層建筑群地下空間中外環路、停車場及地鐵在防止火災蔓延和人員車輛疏散等方面提出了消防設計解決的方案.該方案能較好地解決高層建筑地下空間群的安全性和規范性，主要得出以下結論：

1）高層建筑地下空間群包括輕軌、地鐵、綜合管廊、公共交通環及豎向公共交通等區域，消防設計要符合規范要求，設計12處出面樓梯間作為安全出口，保證人員直接疏散口的間隔和車輛疏散的時間，通過劃分防火分區控制地下空間整體火災風險，提升該建筑地下空間消防安全水平.

2）B1、B2、B3和B4，共設計36個防火分區，結合地下空間實際情況，汽車疏散與地塊車庫統一考慮，提出了高層建筑地下空間群下設置地鐵出口，能較好保證各層人員車輛安全和疏散寬度的要求.根據該工程特點和防火分區，提出了適合該工程的消防救援架構圖.

3）根據該建筑地下空間群的防火分區，對車庫暖通消防進行設計，基于Pathfinder疏散模擬軟件，對高層建筑地下空間群中B1層地下車庫聯絡道進行火災煙氣模擬，提出了自然通風和射流風機縱向式機械通風方式，通過數值模擬和理論計算結果表明，滿足建筑防火規范要求.

參考文獻：

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（實習編輯：羅 媛）

Fire Division and Fire Protection Design of Underground Complex of High-Rise Buildings

YU Pei1，WANG Heng2，CHENG Yunlong3，GAO Suqin1，TANG Gaojie2

（ 1.School of Civil Engineering，Xinyang University，Xinyang 464000，China；

2.China Construction Fifth Engineering Bureau Co.，Ltd.，Changsha 410000，China；

3.Zhengzhou Financial Island Construction Development Group Co.，Ltd.，Zhengzhou 450000，China）

Abstract：

The underground space of high-rise building is very complex，and it is easy to cause accidents in case of fire.In order to study the reasonable fire divisiont and evacuation routes in the underground space of high-rise buildings，and to ensure the safety of personnel and the efficiency of vehicle evacuation，this paper discusses and summarizes the characteristics of the existing underground space group of high-rise buildings and the underground traffic arrangement.Through the scheme theory analysis and Pathfinder software simulation，this paper presents a solution to the fire division，personnel evacuation and vehicle evacuation of multi-storey underground space which spans multi-storeys and merges with underground tunnel and subway.The results show that the design of fire-proof partition for underground parking lot of high-rise buildings can meet the requirements of the existing codes and can effectively control the risk of fire spread.The fire protection design conforms to the actual evacuation traffic condition of Zhengzhou Financial Island Project，can get conncted with the subway exit effectively，and can effectively determine the best evacuation route of the underground space complex under the fire.Thus，the fire safety level of the underground space group of the high-rise buildings is raised.

Key words：

underground complex engineering;fire protection design;fire division;personnel evacuation

收稿日期：2023-05-22

基金項目：國家自然科學基金（51978235）;河南省本科高校2023年度產教融合重點項目（20241356）

作者簡介：余 沛（1982—），男，碩士，副教授，從事巖土工程研究.E-mail：y_upei@163.com