高層建筑防火規(guī)范中的流動特性分析

1總結(jié)1.1《高規(guī)》的結(jié)果分析gb50045-95號樓高層建筑設(shè)計與安全標(biāo)準(zhǔn)（2005年版）（以下簡稱“高級”）第8章中的負(fù)荷率主要是根據(jù)觀煙塔樓梯之間的直接外散射門確定的，但這與第6條的安全配置規(guī)定中的直接外散射門有關(guān)。第8章加壓送風(fēng)量的計算方法和相應(yīng)的對策措施,既失去了法規(guī)上的依據(jù),也失去了理論上的支持。為此筆者對《高規(guī)》4種加壓送風(fēng)防煙方案根據(jù)氣流流動特性分為兩類,提出了“當(dāng)量流通面積流量分配法”與“流體網(wǎng)絡(luò)分析法”兩種新的方法?！陡咭?guī)》表8.3.2-1、表8.3.2-3、表8.3.2-4中的向前室加壓3種方案,流路比較簡單,氣流流路系統(tǒng)都屬串聯(lián)與并聯(lián)范疇,管路中的空氣流量分配適合于采用“當(dāng)量流通面積流量分配法”。而表8.3.2-2防煙樓梯間及其合用前室組合的加壓送風(fēng)防煙方案,以及表8.3.2-4中合用前室加壓方案,由于防煙樓梯間疏散外門的存在和消防電梯井直接對外排氣孔及各層電梯間等漏風(fēng)通路的存在,使氣流流動變得非常復(fù)雜,即使經(jīng)過簡化、等效置換后的氣流流動圖形,也既不是串聯(lián)流路,也不是并聯(lián)流路。因此,“當(dāng)量流通面積流量分配法”已不適用,筆者建議采用“流體網(wǎng)絡(luò)分析法”。筆者以《高規(guī)》表8.3.2-2分別加壓為范例,按5種工況對《高規(guī)》表8.3.2-2中的控制風(fēng)量數(shù)據(jù)進行了校驗性計算,揭示了其流動規(guī)律。范例條件假設(shè):1)建筑物防煙系統(tǒng)負(fù)擔(dān)層數(shù)N=19層;2)根據(jù)《高規(guī)》表8.3.2-2,向防煙樓梯間的加壓送風(fēng)量LL=20000m3/h=5.˙5m3/s,向合用前室的加壓送風(fēng)量LQ=16000m3/h=4.˙4m3/s;3)內(nèi)走道設(shè)自然排煙外窗,開啟時窗面積Azck=1.0m2,關(guān)閉時窗的縫隙面積Azcg=0.0006m2,與內(nèi)走道相連的房間為10個,房間門面積Afck=1.0m×2.0m,門縫面積Afcg=0.0180m2,房間外窗窗縫面積Acfg=0.00045m2;4)電梯兩部(其中一部為消防電梯),電梯頂部排氣孔面積f=0.32m2×2=0.64m2(對7部電梯實測后每部的平均值為0.32m2。過去有的資料對電梯井上部排氣孔按f=0.1m2計是不確切的)。1.2氣流流動及分配由于防煙樓梯間存在直接對外的疏散出口,從表觀推理上可以判定向防煙樓梯間送風(fēng)是不妥當(dāng)?shù)摹１疚牡娜蝿?wù)、目的是了解氣流在管網(wǎng)中是如何流動的,各管段的氣流流向及流量分配;著火層合用前室與內(nèi)走道之間的防火門M1開門時的流速是多少,能否抵御煙氣的入侵,加壓送風(fēng)量的有效利用率是多少,其大小與哪些因素有關(guān),分別加壓的優(yōu)勢,為優(yōu)化防煙方案提供依據(jù)。2網(wǎng)絡(luò)流量分析2.1押韻分割將《高規(guī)》表8.3.2-2分別加壓送風(fēng)分為5個工況,條件及參數(shù)見表1。2.2s1di1式阻力與當(dāng)量流通面積Adi按下式計算:Ri=1.42A2di(1)式中Ri為流體通過門洞或縫隙的阻力;Adi為流體通過門洞或縫隙的當(dāng)量流通面積。根據(jù)圖1d劃分為8個環(huán)共11個管段,名稱及參數(shù)計算結(jié)果見表2。2.3氣流場及氣流壓降之間的耦合等效置換圖是氣流流路當(dāng)量流通面積、流體阻力、氣流流向、流量、流體壓降之間實質(zhì)性的連接,是由加壓送風(fēng)防煙流路系統(tǒng)圖、氣流流程簡化圖、氣流流程網(wǎng)絡(luò)示意圖演變成的。2.3.1氣流流向、并聯(lián)通路1)正壓空間用拼音字母表示。防煙樓梯間為L、前室或合用前室為Q(著火層前室為Q2、著火層上一層前室為Q1、(N-n)層前室為Q0)、內(nèi)走道為Z、著火層內(nèi)走道為Z火、非著火層內(nèi)走道為Z非、室外無限空間為W、豎井為G。2)各空間氣流流向都由防火門門洞、窗洞或門縫、窗縫流入或流出:防火門、窗開啟時的面積用Am1k,Am2k,Azck,MW底,MW頂,Fcz表示;防火門、窗關(guān)閉時縫隙面積用Am1g,Am2g,Azcg,MW底g,MW頂g表示。3)各串聯(lián)通路用當(dāng)量流通面積Adi表示。4)各并聯(lián)通路總面積用Az或當(dāng)量流通面積之和∑Adi表示。流體網(wǎng)絡(luò)圖屬三維空間,為了簡化,本文用二維平面表示,因此,存在管段交叉情況。2.3.2等式圖見圖12.4循環(huán)網(wǎng)絡(luò)環(huán)網(wǎng)絡(luò)的計算根據(jù)流體連續(xù)性定律,流體在環(huán)狀管網(wǎng)中的流動遵守以下三條原則。12節(jié)點流量平衡原則任一節(jié)點流入和流出的流量相等:∑Li=0(2)2方成正比的確定任一管段的壓降Δpi與流量Li的平方成正比,即:Δp=RiL2i(3)式中Ri為該管段的阻力,Ri=1.42/f2i,fi為門洞或縫隙面積。3建立差差校正任一閉合環(huán)路中,以順時針方向流動的壓降為正,以逆時針方向流動的壓降為負(fù)時,各管段壓降的代數(shù)和(稱為閉合差)等于零,即∑Δpi=0(4)運用以上三條原則,對環(huán)狀管網(wǎng)的流量分配進行計算,由于計算程序比較復(fù)雜,這里用近似解法逐漸逼近。先對環(huán)路各管段流量進行假設(shè),計算出該環(huán)閉合差,然后進行校正。假設(shè)環(huán)網(wǎng)各管段流量為Lvi,校正流量為ΔLvi,即∑Ri(Lvi+ΔLvi)2=0(5)展開得:∑RiL2vi+2∑RiLviΔLvi+∑RiΔL2vi=0因ΔLvi相對于Lvi來說很小,故∑RiΔL2vi項可以忽略,得:∑RiL2vi+2∑RiLviΔLvi=0校正量ΔLvi=-∑RiL2vi2∑RiLvi(6)為了保證壓力降的方向正確,可將Lvi用絕對值|Lvi|表示,而L2vi的正、負(fù)則要根據(jù)氣流流動方向確定,RiLvi2應(yīng)寫成Ri|Lvi|Lvi。由于分母∑Ri|Lvi|總是正的,壓力降在負(fù)方向的修正要由Lvi的負(fù)號決定,假設(shè)各管段流量順時針方向為正,逆時針方向為負(fù)。因此計算時必須結(jié)合流體網(wǎng)絡(luò)等效置換圖1d來確定。式(6)可寫成ΔLvi=-∑Ri|Lvi|Lvi2∑Ri|Lvi|(7)計算過程反復(fù)進行,直到流量修正量小到合乎要求為止(此系Harody-Cross法,源于牛頓法)。2.5計算公式及結(jié)果表3,4,5分別為工況1第1次各環(huán)路各管段校正流量計算公式及結(jié)果、工況1第1次環(huán)狀管網(wǎng)計算流量及工況1節(jié)點流量平衡驗算的結(jié)果。由于篇幅所限,其余4個工況計算過程從略,僅將5個工況環(huán)網(wǎng)計算數(shù)據(jù)結(jié)果匯總于表6。3加壓最大pq表3,4是用流體網(wǎng)絡(luò)計算法對工況1第1次按設(shè)定條件進行流量修正(因采用的是反復(fù)進行、逐漸逼近的方法,實際是第2次),中間計算過程省略,僅保留了滿足表5相對誤差要求的最終一輪計算結(jié)果。每個工況有6個計算表格,5個工況共30個表,受篇幅所限,最后匯總成表6。大量的數(shù)值計算為回答第1章中提出的問題提供了依據(jù)。1)分別加壓送風(fēng),以送入防煙樓梯間的空氣LL=20000m3/h=5.5˙m3/s,送入合用前室的風(fēng)量LQ=16000m3/h=4.4˙m3/s,共計10m3/s作為范例。對5種不同工況計算的結(jié)果表明,最少有58%的風(fēng)量(5.8017m3/s),最多有88%的風(fēng)量(8.7999m3/s)從防煙樓梯間疏散外門直接流至室外,說明除了送入防煙樓梯間的空氣量5.5˙m3/s全部從此流失外,還有送入合用前室的風(fēng)量4.4˙m3/s的一部分(L8+L11)通過防煙樓梯間后從疏散外門流失。計算表明,分別加壓送風(fēng)空氣的流向并不像《高規(guī)》所述:“只從防煙樓梯間向合用前室與走廊的門排泄……?！?)《高規(guī)》規(guī)定的分別加壓的目的是使防煙樓梯間的壓力pL(背壓)大于合用前室的壓力pQ(背壓),但表6中數(shù)據(jù)表明,與《高規(guī)》的假設(shè)恰恰相反,開門時5種工況下合用前室內(nèi)的背壓pQ均大于防煙樓梯間的背壓pL。即使關(guān)門時,防煙樓梯間的壓力pL也不是大于pQ,原因是:①防煙樓梯間有《高規(guī)》第6.1.1條、第6.2.2.3條、第6.2.3條、第6.2.6條及第6.2.7條中規(guī)定的直接對外的疏散外門MW底,MW頂?shù)拇嬖?②且這些防火門是向疏散方向開啟的,當(dāng)防煙樓梯間內(nèi)壓力升高到一定值時,正壓值產(chǎn)生的推門力矩MP會克服防火門閉門器的開啟力矩Mf而將防火門推開自動泄壓,這是疏散外門自平衡能力所致。3)從表6看出,風(fēng)量L1就是從防煙樓梯間疏散外門流失的空氣量,防火門的規(guī)格尺寸(特別是MW底,MW頂)越大(阻力就越小)流失的空氣量越多(防火門的規(guī)格是由建筑專業(yè)確定的,這種現(xiàn)象值得建筑專業(yè)重視)。4)從表6中看出,加壓送風(fēng)量用于抵御煙氣入侵的有效加壓送風(fēng)量L9(即通過合用前室與內(nèi)走道間的防火門M1的風(fēng)量),當(dāng)防火門的面積越小(包括M1的面積越小)、有效加壓送風(fēng)量L9就越大,即加壓送風(fēng)的有效利用率e就增大,這5種工況中加壓送風(fēng)量有效利用率最大的為15.857%,最小的為0.144%。這意味著即便在最佳工況下,加壓送風(fēng)量仍有84.143%是無效的,最差有99.856%的加壓送風(fēng)量是無效的。分別加壓的經(jīng)濟性、優(yōu)越性可想而知。5)網(wǎng)絡(luò)分析的另一重要目的是校核通過開啟M1后的氣流流速vm1是否能滿足防煙技術(shù)條件的要求。從5類條件的計算結(jié)果看出,vm1依次為0.9910,0.7796,0.6650,0.3486,0.0090m/s。其中最大為0.9910m/s,最小為0.0090m/s。防煙技術(shù)條件規(guī)定,為抵御煙氣入侵,通過門洞斷面必須保證的風(fēng)速為0.7～1.2m/s。與之比較,5組數(shù)據(jù)中只有2組大于0.7m/s,其余3組數(shù)據(jù)都遠(yuǎn)低于0.7m/s,如果取平均值vmp=(0.7m/s+1.2m/s)/2=1.0m/s,5組都不能滿足要求。此外這里還有兩個因素必須考慮:一是合用前室的送風(fēng)量是按LQ=16000m3/h=4.4˙m3/s計算的,沒有計入關(guān)閉風(fēng)口的漏風(fēng)量,即使按標(biāo)準(zhǔn)制作合格的加壓送風(fēng)口,研究表明,這一漏風(fēng)量也是不能忽視的。二是對長度超過20m的內(nèi)走道,按《高規(guī)》第8.2.2.3條規(guī)定,自然排煙外窗面積是按走道面積的2%計算的,這樣,使送入著火層合用前室的加壓空氣通過防火門M1的氣流當(dāng)量流通面積有所增大,通路阻力減小,對降低合用前室的背壓起了一定作用,相應(yīng)增大了有效加壓送風(fēng)量L9。然而,自然排煙是按室外無風(fēng)時考慮的,如果火災(zāi)發(fā)生時,自然排煙外窗處于迎風(fēng)面就不那么幸運了,風(fēng)不僅排不出去,還有可能倒灌。實際上自然排煙外窗是“靠天吃飯”的。因此分別加壓對于抵御煙氣入侵的可靠性是無法保證的。6)應(yīng)該特別指出的是,工況5內(nèi)走道長度小于20m,是《高規(guī)》允許內(nèi)走道不設(shè)置自然排煙外窗的工況,這時著火層合用前室流向內(nèi)走道的氣流只能通過面積很小的房間門縫和串聯(lián)的面積更小的房間外窗窗縫才能到達(dá)室外,氣流通路在這里形成“瓶頸”,氣流受阻幾乎不可能通過,從表6中看出有效加壓送風(fēng)量L9=0.0144m3/s,防煙系統(tǒng)開門時流速根本滿足不了技術(shù)條件的規(guī)定,可判定為防煙系統(tǒng)失效。工況1,2,3,4雖然內(nèi)走道設(shè)置有自然排煙外窗,前面已經(jīng)談到,當(dāng)排煙外窗處于迎風(fēng)面時,后果與工況5沒有太大區(qū)別。4加壓區(qū)的設(shè)置和相關(guān)規(guī)定4.1《高規(guī)》表8.3.2-2分別加壓送風(fēng)防煙方案是《高規(guī)》章節(jié)之間沒有很好協(xié)調(diào)統(tǒng)一矛盾的產(chǎn)物,防煙樓梯間不設(shè)置直接對外的疏散出口,疏散通道就成為斷頭路,疏散人員的生命安全就失去了保障,因此《高規(guī)》第6章的相關(guān)規(guī)定涉及消防工程全局,必須遵守。4.2即使認(rèn)同建筑總體布局上的疏散外門,若仍沿用沒有考慮防煙樓梯間設(shè)置有直接對外的疏散外門的加壓送風(fēng)量計算數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)的對策措施,那么《高規(guī)》表8.3.2-2及與之有關(guān)的