1、建筑防火設計超高層建筑火災防排煙研究朱杰1,2,霍然1,付永勝2(1.中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室,安徽合肥230026;2.西南交通大學環(huán)境科學與工程學院,四川成都610031摘要:針對現(xiàn)代超高層建筑火災的危害特點,闡述了防排煙設計在超高層建筑防火設計中的重要性,分析了超高層建筑火災煙氣蔓延的影響因素,提出了超高層建筑火災防排煙的措施。關鍵詞:高層建筑;煙氣流動;自然排煙;機械排煙中圖分類號:T U972,X924文獻標識碼:A文章編號:1009-0029(200701-0054-03隨著我國現(xiàn)代城市化進程的加快和城市建設的蓬勃發(fā)展,超高層建筑正在不斷涌現(xiàn),特別是在大型城市,很多超

2、高層建筑已經(jīng)成為城市現(xiàn)代化程度的重要標志之一。據(jù)不完全統(tǒng)計,全國現(xiàn)有高層建筑46660多棟,百米以上的超高層建筑850多棟。超高層建筑由于其體型巨大、功能復雜,人員物資相對集中,稍有不慎即可釀成火災,造成嚴重的人員傷亡和經(jīng)濟損失。而超高層建筑火災中的煙氣更是危害人員生命的重要因素。因此,研究超高層建筑火災煙氣流動規(guī)律及相應的防排煙措施,是高層建筑消防安全系統(tǒng)中十分重要的問題。1超高層建筑火災特點1.1火災迅速蔓延擴大超高層建筑一旦起火,建筑內(nèi)的樓梯間、管道井、電纜井、風道等各種豎井,煙囪效應十分顯著。據(jù)實測,火災時的煙氣水平流速為0.30.8m/s,垂直流速為24m/s。這表明在無阻擋的情況下

3、,對200m高的建筑,垂直方向不到1min,煙氣可到達頂部。超高層建筑所承受的風力也是火災蔓延的主要因素。建筑物越高,風速越大,火災蔓延越迅速。據(jù)實測,在正常風壓的狀態(tài)下,建筑物高度10m處的風速為5m/s,90m高處的風速為15m/s,相應在300400m 處,風力將更加強大,風速可達30m/s以上。風力通常能使微弱的火源變得十分危險,可使蔓延可能性很小的火勢急劇擴大成災難。1.2火災隱患因素較多超高層建筑功能復雜,設備繁多,裝修量大,存在大量引火物和點火源。同時,其電氣化和自動化程度高,用電設備多,用電量大,漏電、短路等故障幾率增加,容易形成點火源。另外,由于人員密集,人為因素引發(fā)火災幾率

4、也會相應增加。1.3人員疏散困難,傷亡慘重超高層建筑層數(shù)多,垂直疏散距離長,疏散到地面上的時間較長。據(jù)德國在50層超高層建筑內(nèi)進行的疏散演習介紹,通過樓梯將人員疏散完畢達2h以上。在加拿大進行的人員疏散實驗表明,在每層240人的條件下,通過1.1m寬的樓梯向外疏散,一幢11層樓房的疏散時間需要6.5min,一幢50層樓房的疏散時間需要131min。因此,很多人員密集的超高層建筑,當火勢涌起,短時間內(nèi)疏散更是困難。如果樓梯設計不合理,煙火竄入后,人員根本無法疏散,往往會造成巨大的傷亡事故。1.4火災撲救難度大(1進攻困難。一方面缺少地面消防行動展開的場地;另一方面,外部滅火進攻受到限制。通常配備

5、的消防云梯僅達53m,若超高層建筑上部樓層發(fā)生火災,消防隊員無法進行外攻。(2登高困難。50m以下樓層發(fā)生火災,消防隊員尚可利用消防云梯車登高,在50m以上部位發(fā)生火災,則登高困難。(3供水困難。超高層建筑發(fā)生火災,滅火用水量較大,有時需要100L/s以上。經(jīng)滅火演練測試,三輛大功率消防車串聯(lián),通過水泵結合器供水,高度只能達到160m,而通過水帶直接供水,高度只有150m。(4排煙困難。火災發(fā)生時,因受登高設備和玻璃幕墻的限制以及風向風力的影響,難以破拆玻璃窗進行自然排煙。采用機械排煙系統(tǒng),也會受到風力、氣壓等氣候條件的影響,難以實現(xiàn)設計理想的排煙效果。2超高層建筑火災煙氣流動的影響因素2.1

6、高溫引起的煙氣膨脹高溫引起的氣體膨脹是影響煙氣流動較為重要的因素。根據(jù)氣體膨脹定律和有關實驗表明,當火勢達到基金項目:國家自然科學基金重大國際合作研究資助項目“熱-力耦合作用下重大建筑火災安全基礎研究”(50320120156 旺盛時期時,著火區(qū)域相對大氣壓可高達1020Pa ,溫度達到700時,煙氣體積會膨脹3倍。壓力急劇升高,迫使煙氣從著火部位向建筑物的其它部位擴散、蔓延。2.2煙囪效應煙囪效應是超高層建筑發(fā)生火災時,煙氣向上蔓延的主要因素。超高層建筑室內(nèi)空氣溫度通常比室外溫度高,有與外界相通的開口時,由于內(nèi)外界壓差,空氣通常體現(xiàn)為下進上出的流動模式,即室外空氣從下部開口進入室內(nèi),而室內(nèi)空

7、氣從上部開口流出室外,這種現(xiàn)象被稱為正熱壓作用。在低處外部壓力大于內(nèi)部壓力,而高處則相反。在中間某一高度,內(nèi)外壓力相等,即存在一個中性壓力面。煙囪效應隨建筑物的內(nèi)外壓力差以及建筑物高度的增加而增加,火災發(fā)生在較低層時,煙囪效應對豎井和較高層的煙污染的影響尤為顯著,此時煙從低層上升到高層內(nèi)的潛力更大。由煙囪效應造成的壓力差和氣流分布,以及中性壓力面位置,取決于超高層建筑內(nèi)分隔物的開口對氣流的限制程度。2.3室外風力的影響室外風向、風速對超高層建筑煙氣的流動有顯著的影響。實驗表明,迎風面的墻面要經(jīng)受向內(nèi)的壓力,而背風面和兩側(cè)墻面則有向外的壓力,而且迎風面的壓力最大,見圖1所示。由于風向的影響會使建

8、筑物的中性面位置發(fā)生變化,正的風壓力促使中性面上升,負的風壓力使中性面下降,如圖2所示。風力越大,中性面位置受到的影響越大。如果火災發(fā)生在中性面以下的房間時,煙氣會通過豎井向上蔓延到中性面以上的整個樓層,此時的危險性很大;若火災發(fā)生在迎風面中性面以上房間時,在火災規(guī)模較小時,煙氣幾乎不會蔓延而直接排出室外,火災較大時,將影響到迎風面著火點以上的樓層及背風面中性面以上相關樓層。當火災發(fā)生在背風面中性面以上房間時,由于煙氣被局限在很小的區(qū)域內(nèi),而被直接排出室外,因此不會造成很大的危害。2.4通風空調(diào)系統(tǒng)的影響 圖1風影響下墻壁壓力示意圖圖2風影響下空氣流動示意圖在現(xiàn)有的超高層建筑中都裝有通風空調(diào)系

9、統(tǒng),通風空調(diào)系統(tǒng)對建筑火災發(fā)生及煙氣流動的影響比較大。一方面,由于人們對空氣品質(zhì)要求的提高,通風空調(diào)系統(tǒng)的新風系統(tǒng)的新風量比較大。而火災發(fā)生后,由于通風空調(diào)系統(tǒng)的新風系統(tǒng)不斷向空調(diào)房間輸送大量的新鮮空氣,補充了燃燒所需要的氧氣,促使火勢增大,造成更大的危害。另一方面,在火災發(fā)生時,煙氣會沿著通風管道向其他房間或樓層蔓延,這在具有回風系統(tǒng)的空氣系統(tǒng)中表現(xiàn)更為突出。因此,通風空調(diào)系統(tǒng)在發(fā)生火災時,如不采取相應的煙控措施,則會起到助長火勢的作用。3超高層建筑火災煙氣的防排煙措施如前所述,超高層建筑火災中人員疏散所需時間大致與建筑物高度成正比,一般人員疏散的時間較長,而在樓梯間和樓內(nèi)遠離著火區(qū)的其他地

10、方形成難以忍受的煙霧狀況所需時間則較短。因此,在發(fā)生火災時全部撤出建筑物內(nèi)的人員是很困難的。如果讓人員留在建筑內(nèi),全面的消防系統(tǒng)必須包括對煙和火焰的控制,使某些特定區(qū)域內(nèi)的煙濃度始終能維持在建筑內(nèi)人員可以忍受的水平。這些特定的區(qū)域包括防煙前室、疏散樓梯間、避難層等。目前采取的煙霧控制措施主要包括以下內(nèi)容:3.1控制煙霧的產(chǎn)生量最好的防煙辦法在于消除發(fā)煙的源頭。因此,在高層建筑中應設計火災報警系統(tǒng)及自動滅火系統(tǒng),以便盡早發(fā)現(xiàn)火災,在大量濃煙產(chǎn)生前撲滅火災或控制火災發(fā)展。同時,在選用建筑材料及裝飾材料、家具時,應盡可能采用發(fā)煙量小的材料。這樣即使發(fā)生火災,發(fā)煙量小,發(fā)煙速度慢,相對有較充裕的逃生時

11、間,減少火災對生命的威脅。3.2充分利用建筑物的構造自然排煙自然排煙是在自然力的作用下,使室內(nèi)外空氣對流進行排煙,一般采用可開啟的外窗和窗外陽臺進行自然排煙。自然排煙方式不需要動力,結構簡單,運行可靠,造價低、投資少,但也存在一定的問題。(1發(fā)生火災時,火勢有向上蔓延的危險。由外部開口進行排煙時,著火房間溫度很高,如果煙氣中含有大量未燃氣體,則煙氣排除后即會形成火焰,這將導致火勢沿著建筑物外壁面向上層蔓延。(2自然排煙容易受室外風的影響。室外的風向、風速對自然排煙效果有顯著的影響。當著火房間在上風側(cè)時,排煙口受正壓作用,煙氣流出困難。此時,若下風側(cè)的房間有開口時,煙氣將流向下風側(cè),因而,建筑物

12、內(nèi)會充滿煙氣。當著火房間在下風側(cè)時,由于排煙口處于負壓狀態(tài),煙氣容易向外部排出,排煙效果顯著?？梢?隨著外部風向和風力強度的不同,排煙口的排煙效果有很大的差異。(3自然排煙受煙囪效應的影響。高層建筑內(nèi)的煙囪效應是十分顯著的。如果在中性面以下的外墻上開口,冬季發(fā)生火災時,火災初期不僅不能從開口部向室外排煙,相反會由開口吸入室外空氣。此時,若防煙分區(qū)沒有合理設置,則會通過各種管井、電梯、樓梯等豎井助長煙氣的傳播。同樣,在夏季空調(diào)開啟時,建筑物內(nèi)產(chǎn)生下降氣流,將會導致煙氣向下層傳播。綜上所述,自然排煙的排煙效果有許多不穩(wěn)定因素,為使火災時煙氣及時通暢地排除,高層建筑居室的排煙最好采用機械排煙方式。3

13、.3利用豎井進行排煙即利用煙囪效應的原理,采用開放豎井進行排煙。但據(jù)日本有關資料介紹,豎井排煙的排煙井與送風井需要占用很大的有效空間,給設計帶來了一定的困難,在一般情況下,很難被設計人員采用。3.4利用通風空調(diào)系統(tǒng)進行排煙利用通風空調(diào)系統(tǒng)加壓送風可以利用原有的設備,節(jié)約投資。對于空調(diào)系統(tǒng)排煙可分為向非著火區(qū)送風排煙和對著火區(qū)排煙。向非著火區(qū)送風排煙,即利用風機、風道、送風口向非著火區(qū)送風,使非著火區(qū)形成正壓,從而防止著火區(qū)煙氣向非著火區(qū)蔓延。對著火區(qū)排煙,即將原送風口作為排煙口,還應增設排煙管道,防止煙氣經(jīng)過空調(diào)設備。利用空調(diào)系統(tǒng)進行排煙應在送風口或排煙口設置自動關閉裝置,當煙氣溫度較高時應能

14、夠自動關閉,風道的厚度要增加,且應采用非燃材料并加以絕熱。在火災初期,由于煙氣較少,溫度較低,還構不成對非著火區(qū)較大的威脅,通風空調(diào)系統(tǒng)宜作為排煙使用,以排除著火區(qū)煙氣,有助于隔絕空氣滅火。隨著火勢的發(fā)展,煙氣較多,溫度升高,可轉(zhuǎn)向非著火區(qū)加壓送風,保證疏散設施免受高溫煙氣侵擾。當火勢兇猛時,即溫度達到一定程度,著火區(qū)通風空調(diào)系統(tǒng)送風口或排煙口處閥門自行關閉,利用通風空調(diào)系統(tǒng)排煙立即停止。3.5設置機械加壓送風防煙系統(tǒng)其目的是為了在高層建筑發(fā)生火災時,提供不受煙氣干擾的疏散路線和避難場所。設置這種系統(tǒng)的部位應視建筑物的具體情況而定,一般有不具備自然排煙條件的防煙樓梯間及其前室,可開窗自然排煙的

15、樓梯間但不具備自然排煙條件的前室,不具備自然排煙條件的消防電梯前室,受樓梯井和消防電梯井煙囪效應影響的合用前室、封閉室避難間等。對非火災區(qū)域及疏散通道等應迅速采用機械加壓送風的防煙措施,使該區(qū)域的空氣壓力高于火災區(qū)域的空氣壓力,防止煙氣的侵入,以控制火災的蔓延。3.6利用排風機進行機械排煙所謂機械排煙,是憑借機械力強制性地將室內(nèi)煙氣排出,即依靠排煙風機產(chǎn)生一定的吸力,將煙氣吸入排煙口,經(jīng)過排煙風道排出室外。排煙效果的好壞,取決于排煙口設置的位置及排煙口的形式。這種排煙方式一般是利用排風機進行強制排煙。利用這種方式進行排煙在設計和使用上應劃分防煙分區(qū),合理有效地利用隔墻、擋煙垂壁等進行排煙。此外

16、,加強防煙知識宣傳,根據(jù)火災時人們在異常心理狀態(tài)下的行動特點,制定相應的避難疏散計劃,配備足夠的避難器材也是十分重要的。4結束語按我國目前城市建筑發(fā)展趨勢,超高層建筑將會越來越多。由于影響超高層建筑煙氣流動的因素很多,超高層建筑的外形、內(nèi)部結構又各不相同,使得控制超高層建筑中煙氣流動極為困難。因此,對超高層建筑中煙氣流動的機理、規(guī)律進行深入研究和探討極為重要。參考文獻:1林賢光.關于超高層建筑建設一些問題的探討J.上海消防,2004,(9:58-59.2楊洪濤,周靜,孟智.高層建筑設置排煙系統(tǒng)的重要性J.低溫建筑技術,2004,2(98:28-29.3劉春玲,張哲,張振英.高層建筑火災特點及防

17、火涉及要求J.鐵道建筑,2004,(12:66-68.4霍然,胡源,李元洲.建筑火災安全工程導論M.合肥:中國科技大學出版社,1999.5張冰梅,李濤.淺談高層建筑的火災危險性和安全管理J.消防科學與技術,2003,22(增刊:25-27.6范維澄,王清安,姜馮輝,等.火災學簡明教程M.合肥:中國科技大學出版社,1995.7祁才讓.高層建筑火災中的人員疏散和火災撲救J.安防科技,2003,(10:13-15.8張靖巖,霍然,王浩波,等.煙囪效應形成機理的實驗J.中國科技大學學報,2006,36(1:73-76.建筑防火設計大型綜合醫(yī)院火災防御體系探討薛崗,張晉,劉芳,孫曉濤(公安部天津消防研究

18、所,天津300381摘要:依據(jù)國家三甲綜合醫(yī)院科室設置及收治病種特點,結合某大型醫(yī)院布局現(xiàn)狀,對大型綜合醫(yī)院火災防御體系進行探討。關鍵詞:大型綜合醫(yī)院;醫(yī)院布局;火災防御體系中圖分類號:T U246,X913文獻標識碼:B文章編號:1009-0029(200701-0057-032005年12月15日16時45分,吉林省遼源市中心醫(yī)院發(fā)生的特別重大火災事故,暴露出大型醫(yī)療機構容納眾多老弱病殘,發(fā)生火災時逃逸困難的諸多隱患。三級大型綜合醫(yī)院多為高層建筑,建筑整體配有多部電梯、樓梯及逃生通道。醫(yī)院科室布局設置時多考慮方便患者就醫(yī)、防止院內(nèi)交叉感染等諸多因素,分為門診區(qū)和住院部。三層以下區(qū)域多為門診

19、診療區(qū),包括掛號處、診室、放射區(qū)、檢驗區(qū)、藥房;三層以上多為住院部,手術室多設在建筑中部,其它科室位置依據(jù)該院具體情況進行布局。以某三甲綜合醫(yī)院的布局,分析如下:該醫(yī)院地上19層,地下2層,整體建筑呈“Y”型,1 3層為門診區(qū)域,417層為住院部,18層為空置儲物,19層為圓形封閉觀景臺,218層有對外觀景環(huán)廊(該院特有。表1是該醫(yī)院臨床科室住院部布局(*為依據(jù)收治病種在火災發(fā)生時存在逃生困難的科室。表1臨床科室住院部布局樓層1區(qū)2區(qū)3區(qū)17國際診療科(接收外賓住院部16腦內(nèi)科*腦外科*腦內(nèi)科*15燒傷科*耳鼻喉科耳鼻喉科14胸外科*血管外科普外科*13骨科*內(nèi)分泌科骨科*12手術室*11后勤

20、調(diào)度10婦科產(chǎn)科*嬰兒室*9呼吸科*血液科*泌尿科8心臟中心*7移植學部*6網(wǎng)管中心移植科*移植科*5血透室ICU*ICU*4移植學部*3血庫超聲科病理科2中心藥站檢驗科檢驗科1病案室放射科放射科1大型綜合醫(yī)院建筑結構特點(1為便于在各個檢查區(qū)域方便運送患者,各醫(yī)院大多在各樓間建設封閉通廊,一旦發(fā)生火災,“風洞效應”致使火勢迅速經(jīng)通廊蔓延致其它病區(qū)。(2新建大型醫(yī)院,多在門診區(qū)域建設多層共享空9張靖巖,霍然,王浩波,等.豎井中煙氣運動的非滯止狀態(tài)產(chǎn)生的臨界條件J.自然科學進展,2005,15(4:504-508.10徐志勝,常玉峰,白國強,等.高層建筑火災防排煙研究J.西部探礦工程,2003,

21、12:179-181.11GB50045-95.高層民用建筑設計防火規(guī)范S.12GBJ16-87.建筑設計防火規(guī)范S.13潘毅杰.高層建筑排煙設計J.福建建筑,2003,18(1:31-33.14公安部消防局.建筑消防設施工程技術M.北京:新華出版社,1998.Smoke control in supertall buildingsZHU Jie1,2,HUO Ran1,FU Yong-sheng2(1.St ate Key Labo rat or y of F ir e Science,U niver sity o f Science and T echno lo gy o f China,Hefei230026,Chin