泄壓墻對建筑火災安全性能的影響與優化設計分析

楊華明 何振東 楊 志

隨著高層建筑的蓬勃發展，建筑火災的安全隱患日益凸顯[1]。泄壓墻作為建筑防火排煙系統的重要組成部分，其設計與優化對建筑火災安全性能有著重要影響。本文重點分析了泄壓墻對建筑火災安全性能的影響與優化設計，以期為提升建筑火災安全性能提供理論依據。

1 泄壓墻的概念和作用

泄壓墻是建筑物防火排煙系統中的重要組成部分，其主要作用是在火災發生時確保建筑內部煙氣能夠順利排出，降低室內煙氣壓力，防止煙氣擴散[2]。根據《高層民用建筑設計防火規范》（GB 50045—2019）的規定，高層建筑的防火分區應設置具有一定泄壓面積的泄壓設施。泄壓墻通常設置在建筑立面上，其槽型結構可以快速有效地排出燃燒產生的高溫煙氣。典型的泄壓墻由不銹鋼等金屬材料制成，厚度一般不超過25 mm，長度和高度則依據建筑物體量確定。泄壓墻的槽寬一般不超過100 mm，間距一般為600 mm。在設計過程中，需要充分考慮不同施工工藝對排煙性能的影響。混凝土預制板式泄壓墻可采用皂化石膏模型試驗法檢驗其排煙系數，鋼結構或玻璃幕墻泄壓墻則需要采用風洞試驗檢驗其排煙性能。此外，泄壓墻的設置位置也會影響其排煙效果，應該綜合考慮建筑周邊環境風壓影響等多種因素。通過科學規范的設計與施工，可以充分發揮泄壓墻的作用，確保建筑發生火災時室內高溫煙氣能夠快速泄壓排出，降低火災損失。

2 泄壓墻對建筑火災安全性能的影響分析

2.1 熱量和煙氣釋放

建筑火災中大量的熱量和煙氣不僅會損壞建筑結構，還嚴重威脅人員生命安全。泄壓墻的合理設置可有效地引導高溫煙氣向建筑外部排出，降低室內熱量與毒性煙氣的蓄積，減緩火災擴散[3]。當泄壓面積為0.2 m2時，建筑物的煙氣最大排放速率可達8 ～12 m3/s；當泄壓面積為0.05 m2時，煙氣排放速率僅為2 ～4 m3/s，煙氣蓄積和室內溫度迅速上升。采用正確的泄壓面積可使室內溫度維持在100 ～150 ℃，為人員疏散贏得寶貴時間。泄壓墻的設計必須嚴格按標準規定合理設置槽型結構與泄壓面積，選擇適當的壁體材料，確保建筑火災初期階段最大限度地引導煙氣與熱量釋放，提高建筑火災安全性能。

2.2 氣壓控制

在建筑火災過程中，燃燒產生的高溫煙氣會迅速提升室內氣壓，形成較大的正壓差。該壓力差會破壞防火分隔構件的密閉性，加速煙氣蔓延到相鄰防火分區。設置合理的泄壓面積可有效釋放煙氣內積壓力，控制火區氣壓在標準限值以下。根據《高層民用建筑設計防火規范》（GB 50045―2019）的要求，正常環境下建筑室內設計氣壓為-20 ～20 Pa。在典型設計火源條件下，當泄壓面積為0.2 m2時，火區最高氣壓為140 ～180 Pa，排煙過程結束后迅速恢復正常；當泄壓面積為0.05 m2時，最高氣壓可迅速增長至500 Pa 以上，使過高氣壓將可持續20 min 以上。因此，合理的泄壓面積選擇對控制火區氣壓峰值至關重要。此外，研究表明，采用多排泄壓墻或設置塔樓助排系統，可以有效減少主體建筑氣壓波動幅度，使氣壓控制在標準限值內，增強建筑防火安全性。因此，泄壓墻的數量、位置和結構布置的優化設計，是提升建筑氣壓控制與防火性能的關鍵環節。

2.3 防火分隔

防火分隔是建筑火災安全的重要保障，其目的是通過合理劃分防火分區，避免火災跨樓層或跨建筑快速蔓延[4]。泄壓墻的正確設置可增強防火分區之間的阻隔效果，提高建筑防護等級。高層民用建筑的承重墻、剪力墻等主體抗側力構件應采用不低于2 h的防火極限。金屬材質的泄壓墻則需選用防火涂料或石棉復合板提高耐火性能。泄壓墻與相鄰墻體、樓板的連接處應設置防火隔斷，采用耐火材料嚴密封堵，防止高溫煙氣經結構間隙進入相鄰分區。針對超高層建筑，宜采用多防火分區和多排泄壓系統，增設防火間割帶，并在垂直布置的功能分區接口兩側同步設置足夠數量的泄壓墻，盡可能阻隔火勢橫向蔓延。通過布置合理的泄壓系統，形成多層次防火分隔，提升建筑防火等級與安全性，為人員逃生爭取寶貴時間。

3 現有泄壓墻設計存在的問題

3.1 設計參數選擇不合理

目前，很多建筑物在泄壓墻的設計參數選擇上存在不合理的地方，主要表現在泄壓面積、泄壓開啟壓力、槽型結構參數等方面。過小的泄壓面積導致建筑發生火災時無法實現有效氣壓釋放[5]。且部分項目泄壓墻的開啟氣壓設置過高（大于300 Pa），嚴重影響泄壓系統的啟動響應速度。槽型結構參數選擇也比較隨意，很多項目泄壓槽寬度達到200 mm 以上，這不僅增加了系統風阻，也容易導致煙氣淤塞。參數選擇偏差的根本原因在于相關設計人員缺乏防火知識儲備，簡單依據經驗確定參數，沒有考慮建筑的具體使用功能、體量規模、結構布置等因素，導致部分建筑物存在嚴重的火災安全隱患。

3.2 泄壓墻布置不當

建筑項目在泄壓墻的布置上存在明顯問題，主要表現為數量和位置設置不合理，無法對建筑整體區域實現有效排煙。常見問題包括以下3 個：第1，泄壓墻僅設置于局部區域，導致大部分區域煙氣無法排出；第2，不同防火分區之間未正確設置阻隔帶，使煙氣橫向擴散蔓延加劇；第3，風壓較大一側設置過多泄壓墻，而相對側的煙氣排放不暢。產生此類問題的主要原因：設計人員未考慮建筑周邊地形地貌和環境風場對排煙的綜合影響，簡單認為增加泄壓墻數量即可實現安全排煙。不同高度的風壓變化復雜，必須通過風洞試驗和數值模擬定量分析，確定泄壓墻的布置方案。目前，該領域的技術手段還較為薄弱，這也是導致問題的重要原因。

3.3 泄壓墻的結構和材料選擇不合理

建筑物泄壓墻在結構形式和材料選擇上存在很多問題，影響建筑的安全性。如部分項目過于追求泄壓墻的外觀效果，采用全玻璃材質，但這類材料的耐火極限低，阻燃性差，易在火災中破裂。也有建筑采用混凝土預制板式泄壓墻，但板材連接處未設置防火隔斷，高溫煙氣可經過結構間隙迅速蔓延。此類問題在于設計人員未能綜合考慮材料耐火性能和構件機械性能的匹配性，也未關注不同材料與連接手段的防火漏洞，導致泄壓系統在火災中容易發生脆性崩塌，嚴重影響了建筑火災安全儲備時間。

3.4 泄壓墻與煙控系統的匹配設計不合理

近年來，我國30%以上的高層建筑火災事故與泄壓系統失效有關，主要原因在于泄壓墻與建筑煙控系統之間沒有形成有效的協同配合，導致煙氣疏散通道堵塞，阻礙人員逃生，具體原因為：第1，部分項目設置泄壓墻的位置與建筑煙控疏散走廊不匹配，高溫煙氣直接排入人員逃生通道，嚴重威脅生命安全。第2，建筑內各樓層設置的橫向疏散走廊與垂直泄壓槽位置交叉錯位嚴重，橫排煙道與泄壓墻之間的最小凈距小于2 m，高溫煙氣橫向射流影響疏散通暢。第3，部分特殊功能區，如地下室停車場等采用機械排煙，但各層泄壓墻接口未設置防火阻隔，機械疏煙系統抽排的大量煙氣經泄壓通道反流進入上部區域。

4 優化設計方法

4.1 設計參數的優化選擇

為科學合理地選擇泄壓墻的關鍵設計參數，必須充分考慮建筑體量、使用功能、結構布置、環境風況等因素的影響，在滿足建筑火災安全需求的前提下，采用優化的計算分析方法確定最佳參數解。通常，泄壓面積的選取應充分考慮人員疏散時長和火災階段，按不低于0.2 m2設置，特殊功能建筑可增加泄壓面積，確保煙氣排放速率。

槽型結構參數優化選擇則需建立數學模型，考慮不同槽寬和間距下的氣流阻力特性、煙氣排放性能等，采用多目標Genetic 算法得到最佳匹配解。此外，不同建筑高度區域的局部風壓變化也會影響參數選取，必須通過風洞試驗獲得各層風壓系數，再逐層微調泄壓面積，實現整體協調優化。該優化設計思路可解決現有參數選取依據不足的問題，實現泄壓墻高效安全排煙。

4.2 泄壓墻布置的最佳方案

泄壓墻的數量和位置布置是關鍵，優化設計的技術策略，應充分考慮建筑體型、結構布置和局部風環境影響，采用數值仿真與多目標決策理論，獲得最優泄壓墻布置方案。需建立建筑數字化三維模型，包含周邊地形、風場環境等詳細信息。模擬計算不同泄壓墻布置下各樓層區域的溫度場、煙氣運動軌跡（X、Y、Z方向的速度分量）等參數分布，同時評估氣壓控制指標、防火分隔效果等。加入約束條件并采用遺傳算法反復求解，得到滿足氣密性、穩定性、耐火性等約束的最優泄壓墻布置數量和分布方案，實現火災防護與排煙的協調一致。

4.3 結構和材料的優化選擇

泄壓墻的結構形式和材料選擇關系到其在復雜火災環境下的機械性能和隔熱效果，優化設計必須加強材料配比和組合應用研究。針對泄壓墻供選方案，即混凝土預制板式、有色鋼板式和玻璃鋼組合式，可建立考慮溫度耦合效應的非線性有限元模型，模擬研究不同材料在標準火場下的應力應變和失效性能演化規律，提取各材料的應力-溫度曲線、斷裂閾值、防火極限等關鍵參數。

以保證結構完整性與隔熱性為目標，運用多層次灰色關聯決策法構建屬性矩陣并確定權重，在滿足使用壽命、耐久性等限制條件下，評估各方案的適應性并排序選擇最優結構材料配比設計。如采用C60 混凝土預制板（配筋率1.2%）+小型顏色鋼板（防火涂料）復合式泄壓墻，可使構件在超過2 h 標準火場后仍保持耐力，溫度上升幅度也可控制在要求范圍內。該優化方法考慮了材料屬性與耦合效應對結構性能的影響，使泄壓墻可在長時間火災環境下保持機械完整性與隔熱性。

4.4 泄壓系統與煙控系統的協同設計

為有效提高泄壓墻與建筑煙控系統在火災中的協同響應性能，必須采用系統集成的全生命周期設計與模擬優化方法，技術策略：第1，在建筑設計初期階段，應在各防火分區及疏散層設置專門的氣流網絡與煙控系統仿真計算模塊，模擬分析不同排煙方案的末端煙氣流量、速度和方向分布數據，以最小化煙氣堵塞風險、減少疏散通道淤煙時間為目標，采用多目標遺傳算法求解每個防火區域最佳的泄壓口數量、尺寸以及朝向等參數。第2，帶入泄壓系統的優化結果，建立幾何結構與氣流耦合模型，模擬研究不同開口組合對應的各層橫向和縱向煙氣運動規律。提取各開口煙氣流量時域曲線，以最大穩定性排煙為目標，重復有限元素計算與優化過程，精確調整橫向排煙道與縱向泄壓口的位置和角度。第3，建立完整的建筑物與環境風場的耦合模型，考慮不同泄壓口開啟對室外局部風流場的影響。以最小化反流風險為目標，微調各泄壓口的垂直高度，完善建筑整體煙控系統的協同設計方案。

5 數值模擬與實驗驗證

5.1 模型建立和參數設定

為驗證不同泄壓墻設計方案的防火效果，需建立精細化數值計算模型。計算模型選用OpenFOAM 開源軟件構建，導入BIM 模型，細化網格尺寸控制在50 mm 內，橫向劃分36 個網格層用于描述豎向煙流運動。標準火源置于地面中心位置，峰值熱釋放率按3000±500 kW 設定，對應體積煙氣產生速率為22±3 m3/s。泄壓墻疏水系數按0.65 確定，開啟壓差選用80 ～150 Pa。模擬求解控制方程采用壓力耦合方程組的半隱式方法（Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations，SIMPLE），迭代誤差限制為0.1%。參數設置完畢，模擬不同設置方案的溫度場、氣流場及煙氣擴散運動規律，提取多重評價指標為方案優選提供依據。除數值計算，還可選取實際工程案例，搭建可調節尺寸的火災實驗臺，使用木質、液體燃料進行對比驗證。

5.2 數值模擬方法

基于已建立的三維計算模型，設置不同的泄壓條件進行數值模擬。綜合考慮風壓影響，東西向兩側風速分別設定為22 m/s、15 m/s 高低差異。斷面監測點設置在1/4 樓層位置，提取溫度、氣壓時序曲線，計算煙氣運動速度。迭代計算采用SIMPLE 算法，殘值控制在0.001 以下。重復對比分析不同參數設置下的計算結果，評估煙氣排放量和控制效果優劣。獲得最優數值解后，采用多項評分方法與標準火源實驗結果進行定量誤差檢驗，以校準數值模型的精度。

5.3 實驗設計和測試結果

為驗證數值計算的準確性，設計了可調節參數的火災試驗。實驗樣件為20 m 高的框架結構建筑，內部可置入不同材質的可燃物作為火源。建筑四面中部位置分別設置2 m 寬的泄壓試驗墻，采用電動控制系統調節開啟度。墻體表面均勻布置了20 余個溫度測點，并在各樓層關鍵部位安裝氣壓探測器，可分4 輪測試，每輪變化泄壓墻開度并記錄各測點數據，詳見表1。測試結果表明，隨著開度增高，峰值氣壓逐步降低，溫升速率減緩，排氣量增加，數值模擬結果吻合良好，驗證了模型的有效性。

表1 泄壓條件與性能測試數據對比

6 結語

在建筑火災安全領域，泄壓墻作為重要的防火排煙系統組成部分，其設計與優化至關重要。優化泄壓墻設計與實踐應用，對于提高建筑火災安全性能、保障人員生命財產安全具有重要意義，需要更多跨學科、綜合性的研究與實踐推廣。