高层综合楼防排烟设计评析

杨昌永

(恩施州消防支队,湖北 恩施 445000)



高层综合楼防排烟设计评析

杨昌永

(恩施州消防支队,湖北 恩施 445000)

以高层综合楼为研究对象,通过查阅国内外高层综合楼火灾相关资料,认为发生火灾时烟气具有毒害性、减光性、恐怖性、蔓延迅速等特点,是造成群死群伤的主要原因.因此,对建筑防排烟设计进行安全评析至关重要.选取一幢高层综合楼为工程实例,依照《建筑设计防火规范》(以下简称《建规》)、《高层民用建筑设计防火规范》(以下简称《高规》)、《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》(简称《车规》)等消防技术标准,对该工程项目的防排烟设施进行审核评析.通过计算,复核了机械防烟系统的送风机选型、机械排烟系统的排烟风机选型等设计参数,对审核发现的问题提出整改建议.

高层综合楼；火灾；防排烟设施；机械防烟系统

1 绪论

1.1 工程概况

本文研究对象为高层综合楼,选取湖北省恩施市原轴承厂宿舍片区改造项目作为工程实例,该建筑占地面积2 605.37 m2,总建筑面积为47 214.51 m2,总建筑高度87.2 m,地上28层,地下2层,属于一类高层公共建筑,结构类型为钢筋混凝土框架剪力墙结构,地上1～4层为商铺,5～28层为住宅.该综合楼建筑工程规模较大,且整体消防设施配备齐全,设有室内消火栓系统、自动喷水灭火系统、机械防排烟系统、火灾自动报警系统等.

1.2 火灾中烟气危险性

1.2.1 烟气的恐怖性和毒害性 烟气中的烟粒子对可见光有完全的遮蔽作用,火灾中产生的有毒烟气在建筑中扩散时,会极大的影响建筑内的能见度,降低建筑内人员的疏散逃生能力.受困在建筑内的人员受到建筑内高温和有毒烟气的影响,看不清所处环境,极易产生恐怖心里,建筑中有毒浓烟是导致建筑内被困人员跳楼和踩踏事故的重要因素之一.

烟和有毒气体的产生主要是由于火灾中各种装修材料的燃烧和分解.如合成高分子装饰材料燃烧、热分解会产生氯化氢、氰化氢、一氧化碳、二氧化碳等多种有毒气体.常规的燃烧需要要消耗周围环境的大量的氧气,空气中的氧含量会大幅度降低,人在缺氧状态下,会出现呼吸困难、痉挛、思维混乱、窒息等现象,火灾初期的阴燃阶段,会产生大量的一氧化碳,当火灾处于猛烈燃烧阶段,会产生大量的二氧化碳,一氧化碳和二氧化碳都是火灾中致人死亡的主要有毒气体,人在火灾中吸入有毒气体约3 min,会出现呼吸困难、昏迷,甚至出现麻痹神经中枢系统,人会失去知觉,从而致人死亡.据消防部门统计,在火灾中死亡的人员,80%都是因吸入火灾产生的有毒烟气导致的,可见火灾中的有毒烟气是火灾中致人死亡的最主要因素.因此,防止火灾状况下建筑内产生并排除有毒烟气是建筑中应采取一项重要技术措施[1].

1.2.2 烟气的流动性 ①烟囱效应.在建筑物有电梯井、管道井、楼梯、中庭等大量的竖向管道或建筑结构,烟气在这些竖向建筑结构内,会加速烟气在建筑内的流动速度，“烟囱效应”就是由于自然循环对流增强,烟气流动上升加快的现象.在发生火灾时,建筑内热空气的密度比室外冷空气的密度低,热烟气向上流动,室外的冷空气从建筑低部开口部位大量涌入,加速上部的热空气从建筑上部开口部位大量涌出,形成正热压效应.当建筑高度越高,建筑的烟囱效应和正热压效应就更加明显,烟气在建筑内的流动速度最快可以达到5 m/s,若在本建筑内发生火灾事故,烟气在竖向管井中在不到20 s的时间内就可以从底层蔓延到顶层,烟囱效应是高层建筑内火灾蔓延扩大和烟气扩散流动的重要机理.②室外风力、风向和风速会显著影响高层建筑内的烟雾流动,此种影响和建筑的结构有密切关系.建筑的迎风面墙壁承受向内压力,两侧和背风面承受向外的压力,顶层有向上的压力.这两种压力,会促使建筑内的烟气加速流动.正的水平风压力促使中性面上升,负的水平风压力促使中性面下降[2].

1.3 防排烟设计评析思路

目前高层综合楼的防排烟设计评价主要有两种方法:性能化评估和处方式审核.对案例中的高层综合楼的防排烟设计评析主要采取的评价方式是处方式审核,即以国家有关消防技术规范为依据,逐项审查建筑消防设计是否符合国家有关消防技术标准的审核方法.公安消防部门对建筑的消防设计审核和日常对建筑的消防安全检查也主要采用这种方法.

2 防排烟设计处方式审核

建筑内发生火灾时,烟气的危害十分严重.为了确保建筑内人员安全,防止火灾时烟气进入建筑疏散楼梯和逃生前室等关键部位,迅速排除建筑内有害烟气,及时扑救火灾,对建筑进行防排烟设计和安装十分重要.

2.1 系统选型

防排烟系统设计可采用自然排烟、机械排烟和机械防烟.自然排烟是利用建筑内外气体的温差的热压作用和建筑外风力的风压作用使建筑内烟气和建筑外空气形成对流,烟气通过建筑物的对外开口或排烟竖井排至室外[3].

采用自然排烟对建筑物有一定要求,《高规》第8.2.1条规定:除建筑高度超过50 m的一类公共建筑和建筑高度超过100 m的居住建筑外,靠外墙的防烟楼梯间及其前室、消防电梯间前室和合用前室,宜采用自然排烟方式[4].本综合楼建筑高度87.2 m,故防烟楼梯间及其前室、消防电梯前室应采用机械防烟.

地上面积大于100 m2的房间设置了可开启的外窗,也可采用自然排烟.其余需设置排烟设施的部位均采用机械排烟.

2.2 自然排烟

地面面积大于100 m2的房间设计为自然排烟,主要对其开窗面积进行审核.综合楼所有商铺面积均小于100 m2,四楼社区用房面积140 m2,可开启外窗面积为7.85 m2,占地面面积的5.6%.自然排烟符合《高规》第8.2.2.4条房间排烟可开启外窗面积不应小于该房间面积的2%[4]的规定.

2.3 机械防烟

机械防烟是在楼梯间、前室等人员逃生通道需要防烟的部位补充需要的新鲜空气,保证这些地方的压力大于其他地方的压力,防治有毒烟气进入人员逃生通道.

2.3.1 防烟部位 机械防烟方式主要是保障建筑物内的防烟楼梯间及其前室、消防电梯间前室.本综合楼为建筑高度超过50 m的一类高层建筑,防烟楼梯间及其前室、消防电梯间前室均不具备自然排烟条件,因此根据《高规》8.3.1条规定：“需要对防烟楼梯间、消防电梯间前室分别设置机械加压送风防烟设施[4].”该综合楼设置符合要求.

2.3.2 加压送风量 对防烟楼梯间,消防电梯前室和合用前室的加压送风量的计算方法较多.影响送风量计算因素也较复杂,各种计算公式对研究加压送风量计算侧重点也不一致,即使是同一条件的工程,因选择不同公式,其计算结果差别也很大.现在计算送风量较为普遍的有查表法、压差法和风速法.由于压差法的有效漏风面积计算存在较大误差,因此本文拟采用查表法和风速法对加压送风量进行核算.

1)1#、2#、3#、4#防烟楼梯间

查表法:通过查阅《高规》表8.3.2-1,1#、3#防烟楼梯间的加压送风量应为35 000～40 000 m3·h-1,2#、4#防烟楼梯间的加压送风量应为20 000～25 000 m3·h-1.

风速法:根据式(1)[3]计算,

(1)

其中：n是同时开启门的计算数量,20层及以上取3；F是门的开启面积,一般为1.0×2.1=2.1m2；v是门在开启时的风速,一般大于0.7m·s-1,取0.7m·s-1；α是背压系数,走道采用机械排烟时取0.8；b是送风管道漏风附加率,钢板风道取0.15.

同理,2#、3#、4#楼梯间LY=22 822m3·h-1.

根据《高规》：“8.3.2 高层建筑防烟楼梯间及其前室、合用前室和消防电梯间前室的机械加压送风量应由计算确定,或按表8.3.2-1至表8.3.2-4的规定确定.当计算值和本表不一致时,应按两者中较大值确定[4].”所以该综合楼1#、3#楼梯间的风机送风量至少为35 000 m3·h-1,2#、4#楼梯间的风机送风量至少为22 822 m3·h-1,实际采用的SWF(A)-I-7.5型混流风机的风量均为25 518 m3·h-1,1#、3#楼梯间的风机送风量小于计算所得最小值,不能满足送风量的要求,改进措施为选择送风量符合计算值的风机.

2)合用前室

查表法：查《高规》表8.3.2-2,合用前室的加压送风量应为18 000～22 000 m3·h-1[4]

风速法：根据公式(1)计算；

F取1.2×2.1=2.52 m2；v取0.7 m·s-1；α取0.8；b取0.15；n取3；

比较两种方法,合用前室加压送风量至少为27 386 m3·h-1,而实际采用的SWF(A)-I-7.5型混流风机的风量为25 518 m3·h-1,小于计算最小值,不满足送风量要求,应选择送风量达到计算值的风机.

2.3.3 管道 防排烟工程中钢板管道烟风气流速度的最大值为20 m·s-1,根据式(2)[5]算出管道最小截面尺寸:

(2)

其中：L是机械加压送风量,单位：m3·h-1；v是管道内风速,取20 m·s-1.

1#、2#、3#、4#防烟楼梯间的管道最小截面尺寸分别为S1、S2、S3、S4,合用前室的为S5,具体计算如下:

该综合楼防烟楼梯间管道尺寸为1.0×0.4=0.4m2,合用前室为0.5×0.8=0.4m2,1#、3#防烟楼梯间管道尺寸不能达到管道应设的最小截面尺寸,改进措施为扩大风道尺寸以至满足最小截面尺寸要求.

2.3.4 送风口 本工程防烟楼梯间每三层设置一个送风口,共设置送风口7个,合用前室每层设一个送风口,共设置30个送风口,符合《高规》：“第8.3.8条楼梯间宜每隔二至三层设置一个加压送风口；前室的加压送风口应每层设置[6].”每个送风口的有效面积fi按式(3)[4]计算:

(3)

式中Qf是机械防烟系统总送风量,单位:m3·h-1；m是送风口数量,防烟楼梯间取7,合用前室取3；Wf是送风口处风速,计算时取7 m·s-1时相应得到的是最小有效面积.

该综合楼防烟楼梯间送风口实际尺寸为0.4×0.5=0.2m2,合用前室送风口实际尺寸为0.6×1.0=0.6m2,均达到送风口应设的最小截面尺寸.

2.4 机械排烟

2.4.1 防烟分区 防烟分区是指采用挡烟垂壁、非燃隔墙或从顶棚下突出不小于0.5 的挡烟梁等措施划分的防烟空间[4].

综合楼共设置8套排烟系统,具体防烟分区面积划分情况见表2.1.综合楼所有防烟分区均未跨越防火分区.P(Y)-B1-1H1、P(Y)-B1-1H2、P(Y)-B1-2H1、P(Y)-B1-2H2、P(Y)-B2-1H、P(Y)-B2-2H系统设置在地下停车库,根据《车规》“8.2.2防烟分区的建筑面积不宜大于2 000,且防烟分区不应跨越防火分区[7]”,这两个防烟分区面积均小于2 000m2,因此满足规范要求，其余防烟分区面积均小于500m2,符合《高规》：“5.1.6每个防烟分区的建筑面积不宜超过500m2,且防烟分区不应跨越防火分区[4].”

2.4.2 设置位置 根据《高规》8.4.1条[4]和《车规》8.2.6[7]的有关规定,综合楼地下一层的走道、停车库及有人员停留的房间、五层至二十八层长度为32的疏散内走道设置了机械排烟设施,其他部位可自然排烟,不需要设置机械排烟设施.

2.4.3 机械排烟量 该综合楼地下车库不同部位设置的排烟系统,其风机排烟量可直接依据《车规》:“8.2.5汽车库、修车库内每个防火分区排烟风机的排烟量不应小于表1的规定[7].”

表1 汽车库、修车库内每个防烟分区排烟风机的排烟量

注:建筑空间净高位于表中两个高度之间的,按线性插值法取值.

1)查表赋值法.综合楼地下1层、地下2层层高为5.2 m,按线性插值法取值5.0 m,查表可得排烟量为33 000 m3·h-1.

2)面积计算法.根据《高规》：“8.4.2.2担负两个或两个以上防烟分区排烟时,应按最大防烟分区面积每平方米不小于120 计算[3].”因此除地下停车库外其余设置机械排烟部位的排烟量,应按式(4)[4]计算:

机械排烟量的计算公式:

QPy=vFi

(4)

其中：QPy是机械排烟量,单位:m3·h-1；v是单位时间单位面积排烟量,取120 m3·m-2·h-1；Fi是防烟分区的地板面积,单位:m2.

例如PY-1,最大防烟分区面积为46 m2,因此,排烟量QPy=120×46=5 520(m3·h-1).排烟风机排烟量计算理论值和实际设置情况见表2.

表2 排烟系统排烟量、防烟分区情况

2.4.4 排烟口 根据《高规》：“8.4.5防烟分区内排烟口距离最远点的水平距离不得超过30 m.排烟支管上应设当烟气温度超过280 ℃时可自行关闭的排烟防火阀[4].”该综合楼排烟系统排烟口距其计算防烟分区内最远点水平距离均小于30 m,且在排烟支管上设有280 ℃的排烟防火阀,符合规范要求.

2.5 通风和空气调节

该综合楼的管道穿越防火分区处,穿越通风、空气调节机房及重要的或火灾危险性大的房间隔墙和楼板处,垂直风管与每层水平风管交接处的水平管段上均设置了防火阀,符合《高规》8.5.3条[4]规定.防火阀平时常开,70时自动关闭,符合《高规》8.5.4条[4]的规定.

3 结论

该综合楼建筑工程规模较大,防排烟消防设施齐全,其消防设计大部分符合国家现行规范.本文通过对其防排烟设计进行评析,认为该工程的防排烟设计还存有以下主要问题:

1)机械加压送风风机选型不正确.

2)1#、3#防烟楼梯间风道尺寸过小.

高层综合楼消防设计复杂,引发火灾的因素较多.尤其是防排烟的设计,是此类建筑消防设计的重中之重.高层建筑愈来愈多,其防排烟设计面临更多问题,需要广大工程设计技术人员和消防专业研究人员深入研究,提高高层建筑防排烟的设计施工水平,确保高层建筑消防安全.

[1] DAVID Diamantes.Fire prevention[M].The Third Edition.Clifton Park:Thomson Delmar Learning,2007.

[2] 戴睿.高层建筑火灾中烟气的危害性分析及预防措施[OB/OL].(2007-05-08)[2017-03-16]http://www.docin.com/touch-hew/previc.

[3] 王学谦.建筑防火设计手册[M].2版.北京:中国建筑工业出版社,2008.

[4] 中华人民共和国公安部.GB 50045-95(2005年版)高层民用建筑设计防火规范[S].北京:中国计划出版社,2005.

[5] 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].2版.北京:中国建筑工业出版社,2008.

[6] Society of Fire Protection Engineers Boston.Massachusetts SFPE Handbook of Fire Protection[M].Engineering Second Edition,National Fire Protection Association Quincy,2001.

[7] 中华人民共和国公安部.GB 50067-2014 汽车库、修车库、停车场设计防火规范[S].北京:中国计划出版社,2014.

责任编辑：时 凌

Analysis on the Design of Smoke Control for a High-rise Building

YANG Changyong

(Enshi Fire Brigade, Enshi 445000, China)

This paper takes the high-rise complex as the research object,and through the relevant information of the high-rise building at home and abroad,the author thinks that the flue gas is poisonous, dimmer,terror and rapid spread in the event of fire.Of the main reasons,therefore,the building smoke control design safety assessment is essential.In this paper,a high-rise building is selected as an engineering example.According to the Code for Fire Protection of Building Design,High-riseCivilBuildingDesignFireProtectionCode,Garage,Parkingdesignfireandotherfiretechnicalstandards,the project of the smoke and smoke facilities for review and evaluation.Through the calculation,review the selection of the blower of the mechanical smoke prevention system,the design parameters of the exhaust fan selection of the mechanical exhaust system,and put forward the rectification suggestions for the problems found in the audit.

high-rise building;fire;smoke control facilities;mechanical smoke system

2017-04-21.

国家自然科学基金项目(51177060).

杨昌永(1973-)，男，工程师，主要从事建筑消防安全的研究.

1008-8423(2017)02-0224-05

10.13501/j.cnki.42-1569/n.2017.06.026

TM930．12

A