建筑首層小型擴大前室煙氣控制效果模擬研究

摘要：鑒于擴大前室在火災發生時作為主要的逃生通道，對防排煙設計提出了更高的要求。通過數值模擬的方法，研究“線形”和“Z形”小型擴大前室結構，通過數值模擬技術，系統分析在不同煙氣控制方式下，火災發展和煙氣蔓延的情況，揭示了不同前室幾何構型對煙氣層的影響機制，為提升人員安全疏散效能提供參考。

關鍵詞：小型擴大前室；數值模擬；煙氣控制

中圖分類號：TU998.1" " " 文獻標識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2025）08-0108-03

0 引言

當代公共建筑布局中，為追求空間效率與美學效果，普遍采用核心筒布局，將疏散樓梯、電梯井等垂直體系整合于建筑中心區域。這種設計雖然實現了建筑立面的完整性，但造成首層疏散路徑無法直接連通室外的技術難題。本文基于數值模擬技術，針對“線形”與“Z形”兩種典型幾何構型的小型擴大前室，系統對比自然通風、不同機械加壓送風模式下的煙氣控制效果，為優化核心筒布局建筑的防排煙設計提供參考。

1 擴大前室的概念及特點

根據GB50016—2014（2018年版）《建筑設計防火規范》[1]（以下簡稱《建規》）第5.5.17條，樓梯間應在首層直通室外，確實有困難時，可在首層采用擴大的防煙樓梯間前室。提出了擴大前室的概念。

擴大前室作為建筑樓梯間前室的獨特形式，其空間布局、功能特性及安全性能顯著區別于傳統意義上的樓梯間前室[2]。從空間位置上來看，擴大前室特設于建筑物的首層，與分布于其他樓層的樓梯間前室形成鮮明對比。在功能特點上，擴大前室不僅承載著疏散通道的基本作用，還往往融合了門廳、接待區等輔助功能。

2 擴大前室的防排煙設計

根據GB51251—2017《建筑防煙排煙系統技術標準》（以下簡稱《煙標》）實施后，針對擴大前室的防排煙設計沒有明確規定，導致各地消防指南或標準存在一定差異，通過梳理地方標準發現：首層由門廳和走道等形成的擴大前室，優先考慮自然通風防煙方式，但對于擴大前室可開啟外窗或開口的面積要求均有不同。對于不滿足自然通風條件的擴大前室，應設置機械加壓送風系統，其中山東[3]、南寧[4]、海南[5]明確指出加壓風量參照避難走道防煙，加壓送風量按30m3/（h·m2）計算。河南[6]、湖北[7]等地面積小于100m2的擴大前室設置防煙設施，面積大于100m2的擴大前室需增設機械排煙系統。

3 小型擴大前室煙氣控制模擬與結果分析

3.1" 建筑模型

選取某辦公樓為研究對象，該建筑共23層，建筑高度99.0m，首層凈高4m，“線形”擴大前室面積為49.85m2，“Z形”擴大前室面積為69.59m2。擴大前室的縱深分別為20m、28m，首層平面見圖1。

3.2" 數值模擬參數

運用火災模擬軟件Pyrosim，建立擴大前室三維仿真模型，研究煙氣運動的規律。

3.2.1" 火源設置

根據《煙標》第4.6.7條規定，兩種類型擴大前室火源均設置為2MW，火源尺寸為1.0m×1.0m，單位面積熱釋放速率為2000kW/m2。

3.2.2" 煙氣測點設置

為確保人員疏散過程中的安全性，在人員緊急疏散路徑的人眼特征高度（1.60m）處，環境參數應滿足以下安全標準：煙氣溫度不低于65℃，CO體積分數不低于0.05%，能見度不低于5m[8]。因此在擴大前室內設置了2個測點：位置1和位置2，分別測煙氣溫度、CO濃度、能見度，均距地面1.6m。擴大前室的煙氣測點布置見圖1。

3.3" 結果與分析

3.3.1" “線形”擴大前室

對“線形”擴大前室，分別采用自然通風和避難走道的防煙做法進行對比研究。自然通風開窗面積為3m2，按30m3/（h·m2）的避難走道加壓風量送風，模擬得到擴大前室兩個不同位置處的煙氣溫度、能見度和CO體積分數，見圖2。

從圖2可以看出，前200s內，各煙氣參數均接近于線性變化。200s后，在采用自然通風時，擴大前室的溫度基本穩定在80℃左右、能見度處于1～2m、CO體積分數在0.09%。煙氣的聚集導致CO濃度急劇上升，能見度驟降，數值均偏離人員安全的范圍。而按避難走道加壓的方式下：溫度維持在50℃、能見度在7～8m，CO體積分數在0.04%，數值處于安全水平。

3.3.2" “Z形”擴大前室

鑒于“線形”擴大前室采用自然通風未能達到防煙效果，“Z形”擴大前室由于自身的結構特征，依靠煙氣的熱動力更加難以將煙氣排出室外，故采用避難走道和樓梯間前室的機械加壓送風方法，分析煙氣參數對比兩者的防煙效果。

從圖3可以看出，在不同加壓風量下，煙氣參數值有明顯的差距。當各參數達到穩定狀態后，按避難走道加壓送風：溫度在70℃、能見度在4m、CO體積分數在0.07%左右。按樓梯間前室加壓送風：溫度在40℃、能見度達到了12～14m、CO體積分數在0.02%左右。

4 結論與建議

綜上所述，不同類型的擴大前室，應充分考慮其構造特點及功能特性等因素，選擇合適的煙氣控制方式，做到經濟合理、安全適用，使擴大前室在發生火災時能夠為人員疏散提供安全場所。

1）對于狹長的小型“線形”擴大前室，采用自然通風的防煙方式，煙氣控制效果并不理想，煙氣很難依靠自身的熱動力運動至擴大前室的一端排出，對擴大前室的局部核心區域進行加壓，對比自然通風有顯著改善。

2）對于含轉角的小型“Z形”擴大前室，由于擴大前室的構造變化導致流體的運動阻力增大，按避難走道的加壓風量的防煙效果難以保證。按樓梯間前室計算得出的加壓送風量能夠滿足擴大前室的防煙性能要求。

參考文獻

[1]中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑設計防火規范：

GB50016—2014（2018年版）[S].北京：中國計劃出版社，2018.

[2]莫耐議，吳少光.建筑首層擴大前室防排煙設計探討[J].建筑熱能通風空調，2020，39（8）：103-105.

[3]山東省住房和城鄉建設廳.山東省建設工程消防設計審查驗收技術指南（暖通空調）[EB/OL].http：//zjt.shandong.gov.cn/art/2022/10/21/art_103756_10315558.html

[4]南寧市住房和城鄉建設局.南寧市建筑工程消防技術難點問

題解答[EB/OL].https：//zjj.nanning.gov.cn/xxgk/fdzdgknr/

zcwjcx/t5405871.html

[5]海南省住房和城鄉建設廳.海南省建設工程消防設計審查驗

收疑難問題解答[EB/OL].http：//zjt.hainan.gov.cn/szjt/

0503/202307/c7572dfc415a437aa92b5b2aaaed74ac.shtml

[6]河南省住房和城鄉建設廳.河南省建設工程消防設計審查驗收疑難問題技術指南（第一冊）[EB/OL].https：//hnjs.henan.gov.cn/2022/08-19/2564374.html

[7]湖北省住房和城鄉建設廳.湖北省建設工程消防設計審查驗收疑難問題技術指南[EB/OL].https：//zjt.hubei.gov.cn/zfxxgk/zc/qtzdgkwj/202408/t20240821_5311048.shtml

[8]朱前坤，李繼武，杜永峰.老舊教學樓火災場景人員疏散仿真研究[J].系統仿真學報，2024，36（9）：2043-2053.