大空間建筑火災煙氣控制技術研究

引言

近年來，隨著城市建設的快速發展，大空間建筑的應用日益廣泛，如體育場館、展覽館、大型商場、機場航站樓等。然而，由于大空間建筑的特殊結構，火災發生后煙氣擴散速度快、溫度高，給人員疏散和滅火救援帶來了極大挑戰。煙氣作為火災中造成人員傷亡的主要因素之一，對其的有效控制對保障人員安全具有重要意義。因此，研究大空間建筑火災煙氣流動規律并探討科學、合理的煙氣控制技術，已經成為當前消防安全領域的重要課題之一。

一、大空間建筑火災特點

（一）大空間建筑的特性與分類

大空間建筑在建筑防火領域具有明確的界定。依據《建筑設計防火規范》（GB50016-2014，2018年版），大空間建筑指內部凈空高度超過 8m ，整體空間開闊，實體分隔較少甚至完全開放，體量龐大的建筑。這種特殊的空間結構突破了傳統建筑的封閉式布局，使其在功能與美學上具有獨特優勢的同時，也深刻影響火災動力學特性，使火災風險明顯區別于普通建筑。從功能維度來看，大空間建筑可細分為多個類型，每種類型的火災特性各異，如體育場館作為典型的大空間建筑，內部可容納數萬名觀眾，座椅多采用聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）等高分子可燃材料，內飾常見布藝織物與木質裝飾。研究數據顯示，該類建筑的火災荷載密度可達 50kg/m²-80kg/m² 遠高于普通民用建筑，使火勢極易迅速蔓延。展覽館的內部布局較為靈活， 30%-40% 的展品為木制品、塑料制品等易燃材料，一旦發生火災，這些材料將成為火勢蔓延的主要燃料來源。大型商場內商品高度密集，平均每100m² 的電氣設備功率可達 15kW-20kW ，同時伴隨大量人流聚集，使得電氣故障成為火災的主要誘因之一。機場航站樓結構復雜，高峰時段每小時旅客吞吐量可達數千人，大量設備同時運行，導致火災疏散難度呈指數級上升。此外，大型倉庫的火災風險主要源于其存儲的可燃物資，通常堆積高度可達 5m-10m ，一旦起火，火勢蔓延速度可達 0.5m/s-1.0m/s ，其巨大的內部空間也使滅火救援工作面臨嚴峻挑戰[1]。

（二）火災煙氣擴散的關鍵因素

在大空間建筑火災發展過程中，煙氣擴散對人員安全和火災撲救產生深遠的影響。其中，火災荷載是一個關鍵因素，大空間建筑內可燃物的種類和數量直接影響火勢的蔓延和煙氣的生成。研究顯示，火災荷載密度每增加 10kg/m² ，火勢蔓延速度將提升 10% 至 15% ，煙氣生成量增加 15% 至 20% 。大量的可燃物在燃燒過程中釋放出大量熱量，促使火災迅速擴散，并產生濃密、有毒的煙氣。

通風條件對煙氣擴散的影響尤為顯著。在火災發生時，無論是自然通風還是機械通風，都會為燃燒提供充足的氧氣，導致燃燒速率提升 20% 至 30% ，同時將煙氣迅速傳播至建筑的各個區域。在一些通風條件良好的大空間建筑中，煙氣可能在 10min-15min 內擴散至整個建筑。熱浮力和煙肉效應進一步加劇了煙氣的擴散運動。火災產生的高溫使得煙氣具有熱浮力，在封閉的大空間頂部積聚，形成濃煙層，嚴重干擾人員的疏散視線和行動路徑。在煙囪效應的作用下，煙氣在垂直通道中以3m/s-5m/s 的速度上升，加速了火災的豎向蔓延。從建筑結構的角度來看，大空間建筑的開闊空間使得煙氣缺乏有效的約束。如果防火分隔設計不符合規范，如防火分區面積超出規定或者防火門、防火墻的設置存在缺陷，加速火災蔓延，導致原本較小的火情迅速演變成大規模火災。由此可見，火災荷載、通風條件、熱力與煙肉效應以及建筑結構特性與人員活動共同構成了大空間建筑火災煙氣擴散的關鍵主因。

二、大空間建筑火災煙氣流動規律

（一）煙氣的生成與熱力學特性

火災煙氣是由可燃物燃燒過程中產生的熱解氣體、懸浮顆粒及有毒氣體混合形成的氣溶膠，其熱力學特性直接影響火災蔓延速度及建筑環境安全。第一，火災煙氣的溫度通常在 800^°C 至 1000^°C 之間，極端情況下可超過 1200^°C ，其高溫特性不僅加速火勢擴展，還可能導致建筑結構受熱變形甚至失效。第二，煙氣的化學成分復雜，其中一氧化碳（CO）氰化氫（HCN）等有毒氣體濃度往往在短時間內迅速升高，使人員室息風險顯著增加。據研究，火災初期CO濃度可達 3000ppm 以上，僅需幾分鐘便可達到致命劑量。第三，煙氣的流動性極強，在熱浮力驅動下迅速向高處擴散，并在建筑內部形成復雜的流動模式，其流速可達 ，若風壓或機械通風系統介入，煙氣流動軌跡更趨復雜，進一步影響人員疏散及滅火策略[2]。

（二）影響煙氣流動的關鍵因素

圖1煙氣擴散示意圖

大空間建筑內的煙氣流動受多重因素的影響，主要包括熱浮力、風壓作用、建筑形態及通風系統設計。熱浮力是煙氣上升的主要驅動力，火災發生時高溫煙氣上浮至天花板處形成頂棚射流，其射流擴散范圍與煙氣初始溫度、排煙系統布置及空間高度密切相關。如圖1所示，火災煙氣受熱浮力驅動，沿著垂直通道迅速擴散，使得上層房間面臨更大的火災風險。研究顯示，在高度超過 10m 的建筑物中，頂棚射流的擴展速度可達到 1m/s-2m/s ，并能在30s到60s內擴散至整個空間。風壓影響煙氣的水平流動，尤其在多出口建筑中，外部風向變化可能導致煙氣回流甚至形成煙氣渦流，使部分區域煙霧濃度增加。此外，建筑結構對煙氣流動起著至關重要的作用。以中庭建筑為例，由于頂部封閉或部分開口設計，煙氣容易在特定高度形成穩定的煙層，這可能影響人員的安全疏散。在高層建筑中，樓梯間和電梯井可能由于煙肉效應而加劇煙氣的垂直擴散，導致煙氣上升速度達到 2m/s-3m/s ，從而增加了高層建筑火災的防控難度。機械排煙系統的運行狀態直接影響煙氣的流動模式，合理的排煙策略可有效地降低煙氣濃度，提高可見度，從而提高疏散效率和消防救援效果。

三、大空間建筑火災煙氣控制技術

大空間建筑由于其結構高大、內部空間開闊、通風條件復雜，在火災發生時煙氣流動規律較為特殊。高溫煙氣在熱浮力作用下迅速上升，遇到天花板后沿頂棚擴散，形成頂棚射流，進而向周圍區域蔓延。因此，在大空間建筑中，科學合理的煙氣控制技術不僅有助于提高人員疏散效率，還能降低建筑結構受損風險，減少火災造成的經濟損失[3]。

（一）排煙技術及其應用

排煙技術是火災煙氣控制的核心，主要目的是提高煙氣排放效率，減少煙氣層下降速度，改善火場可見度，降低人員吸入有毒煙氣的風險。大空間建筑常用的排煙方式包括自然排煙和機械排煙，不同建筑結構和火災場景適用于不同的排煙方式。其中，自然排煙利用熱力和風壓排出煙氣，適用于高度較高、通風條件較好的建筑，而機械排煙依靠風機強制排煙，可在短時間內降低煙氣濃度，適用于密閉或人員密集的建筑。自然排煙是通過在建筑頂部或墻面設置排煙開口，利用煙氣的浮力和建筑內外的風壓差，將煙氣排出。研究表明，當室內外溫差達到20% 時，熱浮力可提供約 2.5Pa/m 的壓力差，在建筑凈空高度超過 12m 的大空間建筑中，煙氣通常能在30s一60s內到達建筑頂部，形成頂棚射流，并沿排煙開口排出。然而，自然排煙系統的排煙效率受風速、風向、氣壓變化等外部環境因素的影響較大，在無風環境或逆溫層條件下，煙氣可能無法順利排出，甚至出現煙氣滯留或回流現象，影響人員疏散和滅火救援。此外，自然排煙的排煙速率難以精準控制，若排煙口布置不合理，可能導致煙氣在建筑內部循環滯留，增加火災危害。因此，在體育館、展覽館和中庭建筑等通風良好的大空間建筑中，自然排煙往往與可調節天窗、高位側窗等設施結合使用，以提高排煙效率。

機械排煙通過排煙風機、排煙管道和排煙口等設備，以強制動力方式迅速排出火場煙氣。相較于自然排煙，機械排煙系統不受氣象條件影響，排煙速度快，能在 5min 內將火場內煙氣濃度降低 50% 以上，為人員疏散和滅火救援爭取寶貴時間。大空間建筑通常采用軸流風機或誘導通風系統進行機械排煙，以確保煙氣能在短時間內排出。然而，機械排煙系統高度依賴電力供應，若火災導致建筑供電系統故障，排煙系統可能無法正常運行，因此通常需配備備用電源或消防聯動系統，以提高系統的可靠性。排煙風機的啟動風速、風量及排煙口的布置需經過科學計算，以避免煙氣回流或負壓效應，影響火場氣流組織。對于地下商業綜合體、機場航站樓等復雜空間的建筑，機械排煙系統的合理設計對于控制煙氣流動、提高排煙效率具有重要作用[4]。

（二）防煙技術及其應用

防煙技術是火災煙氣控制的重要組成部分，其核心目標是限制煙氣擴散，保障人員疏散通道的安全性。防煙技術主要包括防煙分區、擋煙設施和正壓送風系統，通過合理的空間分隔和氣壓控制手段，減少火災煙氣對建筑內部環境的影響，確保人員能夠在火災發生后迅速撤離。防煙分區與擋煙設施的作用在于限制煙氣的橫向擴散，確保煙氣在可控范圍內累積，以便通過排煙系統及時排出。根據《建筑防火設計規范》（GB50016－2014），防煙分區的面積應根據建筑高度和排煙方式進行合理控制。當空間凈高小于 3m 時，防煙分區的最大允許面積為500m² ，而當空間凈高大于 6m 時，防煙分區的最大允許面積可擴大至 2000m² 。在實際工程中，體育館、展覽館等大空間建筑常采用擋煙垂壁強化防煙效果。擋煙垂壁通常采用鋼板、玻璃或防火卷簾制成，可在火災發生時自動下降，阻擋煙氣擴散。研究表明，在某體育館火災實驗中，擋煙垂壁的應用可使煙氣擴散范圍減少 40% ，有效提高觀眾席區域的安全性。此外，為確保擋煙設施的有效性，需定期檢查其密封性和耐火性能，避免因老化、變形或損壞影響防煙效果。

正壓送風系統是一種通過向疏散樓梯間、前室、避難層等區域持續輸入新鮮空氣，在這些區域形成高于火災區域的氣壓，防止煙氣侵入，從而保障人員疏散的技術手段。該系統通常由送風機、送風管道、送風口組成。送風口的風速一般控制在 6ms-8m/s ，以確保足夠的正壓梯度。某高層建筑火災試驗顯示，在正壓送風系統啟動后，樓梯間煙氣濃度在120s內降至安全水平，疏散時間縮短30% 以上。然而，需要精準控制正壓送風系統的風量，風量過大，可能導致疏散門難以開啟，影響人員逃生；風量過小，無法有效地阻擋煙氣，降低系統的防護能力。因此，在設計系統時，需結合建筑規模、火災荷載及人員流動等特點，確保送風系統穩定運行[5]。此外，正壓送風系統的風機功率、送風口位置及風道設計需與建筑防排煙系統協調，避免因局部氣壓不均導致煙氣倒灌或紊流現象。在大空間建筑火災煙氣控制方面，需結合排煙與防煙技術，形成系統化的防控體系。

結語

對大空間建筑火災煙氣控制技術的研究，對于提高建筑消防安全至關重要。鑒于大空間建筑結構的復雜性以及火災煙氣擴散模式的多樣性，單一的控制技術難以全面滿足消防安全需求。因此，在未來的研究中，應通過整合計算流體動力學（CFD）模擬等先進技術，優化煙氣控制策略，增強火災應急響應能力，旨在提升大空間建筑的整體消防安全水平。

參考文獻

[1]賈云鵬，張澤超，林鑫.大空間建筑火災數值模擬與特點研究[J].居業，2022（01）：207-210.

[2]王方舜.大空間建筑火災煙氣的蔓延及控制研究進展[J].武漢工程大學學報，2017，39（04）：337-347.

[3］張南燕，唐婕.火源位置對大空間建筑火災煙氣蔓延影響研究[J].武警學院學報，2016，32（06）：16-19.

[4］張國.大空間建筑火災撲救戰法研究[J].武警學院學報，2016，32（06）：27-30.

[5]顏艷，高平.大空間建筑自然排煙有效性實體實驗［J.消防科學與技術，2015，34（12）：1583-1587.