回廊式中庭建筑烟气控制方法研究

李　松

(西双版纳消防支队，云南 西双版纳　666300)



回廊式中庭建筑烟气控制方法研究

李松

(西双版纳消防支队，云南 西双版纳666300)

结合我国现行的消防规范要求，根据回廊式中庭建筑的结构及火灾特点，探讨了中庭烟气控制的设计方法，提出了“中庭+相邻区域”的烟气控制模式，阐述了具体的防排烟措施，对中庭建筑的防排烟设计具有一定的参考意义。

回廊式中庭；烟气控制；防排烟措施

0　引言

中庭是指短边长度不小于6 m(半径不小于6 m)，横截面积不小于100 m2，且其共享层数不少于3层的带有顶盖的室内庭院。设有中庭的建筑称为中庭建筑。中庭以建筑物内部空间为核心，综合多种功能的空间而形成的体积很大的空间，它通常贯穿多个楼层，并与各楼层相通[1]。中庭式建筑具有采光、通风、节能、布置室内景观等多种功能以及宽敞的视觉空间、明亮的内部环境、浓厚的文化氛围等显著特点，因而受到国内外建筑师的推崇，并不断涌现在我国的各类标志性建筑物中,并在我国现代建筑中占有相当的比例[2]。

根据中庭与其室内建筑的关系及围封的形式，从建筑防火、防烟的角度，可将中庭建筑划分为4种形式：长廊式、回廊式、隔离式和互通式[3]。其中回廊式中庭是较为常见的形式，该中庭通过回廊与周围建筑物的使用区域发生空间上的联系(见图1)，回廊在中庭建筑中处于十分敏感的区域，是防烟防火的重点部位。由于回廊式中庭建筑内中庭与各层直接相连形成共享空间，一旦发生火灾，高温有毒烟气就有可能通过中庭及回廊进入到建筑物各个楼层，对中庭周围区域的消防安全会产生较大影响。

中庭建筑火灾危险性较大，并具有烟气扩散速度快、初期探测难度大、安全疏散困难等特点，对传统的建筑消防安全设计和烟气控制方法提出了很大的挑战。目前，中庭烟气控制主要是采用自然排烟和机械排烟两种方法，根据建筑实际情况也可采用火灾模拟方法计算排烟量。机械排烟又可分为两大类，即集中式和分散式。本文根据回廊式中庭的具体特点，提出了“中庭+相邻区域”的烟气控制方法，该方法对于保证人员安全疏散和灭火救援具有现实意义。

图1　回廊式中庭

1　回廊式中庭排烟体积计算方法

中庭排烟体积是计算中庭排烟量的重要依据。回廊式中庭由于其走廊与周围建筑物的使用区域在空间上的紧密相连，因此，根据中庭与周围区域的防火分隔情况，中庭排烟体积的计算方法可分为4种(见表1)。

表1　回廊式中庭的防烟面积与排烟体积

2　回廊式中庭排烟量的计算方法

2.1换气次数法[4]

我国现行的《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)中明确规定中庭应设置排烟设施。中庭排烟可根据建筑物具体情况，采用自然排烟和机械排烟两种方式，当中庭的净空高度超过12 m时，应采用机械排烟的方式，机械排烟量的计算方法应采用换气次数法。中庭体积是中庭排烟依据，规范对中庭机械排烟计算风量的规定如下：当中庭体积不大于17 000 m3时，其排烟量按其体积的6次·h-1换气计算；当中庭体积大于17 000 m3时，其排烟量按其体积的4次·h-1换气计算，但最小排烟量应不小于102 000 m3·h-1。计算公式如下：

(1)

式中，L——排烟量，m3；

V——中庭排烟体积，m3；

n——换气次数。

2.2面积法

当中庭的净空高度小于12 m时，可采用自然排烟方式排烟，其排烟计算方法采用面积法。按照我国现行规范要求，中庭开启天窗或高侧窗的净面积不应小于中庭地面面积的5%。

2.3火情计算法[5]

对于不能使用面积法和换气次数法计算排烟量的中庭建筑，可利用火情计算法设定中庭建筑的火灾模型来计算排烟量。计算出的中庭排烟量，在考虑建筑成本的同时更应考虑排烟效率以及减少火灾危险性等因素，在进行中庭排烟量的计算时应采用排烟量较大的数值。例如在中庭建筑起火后，建筑设计的排烟量如小于建筑实际产生的烟气量，在短时间内不能及时有效地排烟，那么火灾烟气将迅速蔓延至整个中庭空间，对建筑安全产生巨大危险。所以，计算出的排烟量必须满足大于或等于烟气体积生成率，才能达到安全要求。由于受到实际建筑工程中诸多不稳定因素的影响，所以计算排烟量时应根据建筑实际情况适当增大。计算公式如下：

(2)

(3)

(4)

式中，M——烟气质量流量，kg·s-1；

P——火灾周长，m；

Y——烟层底高，m；

θ——烟气与周围环境温差，℃；

V——烟气体积流量，m3·s-1；

Q——热释放量，MW(kW)；

T0——环境温度，K；

P0——环境空气密度，kg·m-3。

3　回廊式中庭的烟气控制方法

3.1回廊式中庭烟气控制的总体目标

根据大空间的研究情况，大空间烟气控制系统的目标主要有两个：(1)将烟气层控制在大空间上部的储烟仓内；(2)防止烟气从大空间向邻室区域蔓延，这样才能保证中庭内人员的安全疏散。回廊式中庭是大空间建筑的特殊形式，其特殊结构决定了在火灾情况下，竖向共享空间对于其周围区域的影响将大于其他类型的中庭。因此，回廊式中庭相比于其他几类中庭建筑其防火防烟的要求则更高。在回廊式中庭的消防安全设计中，应充分利用回廊这个重要的区域，在中庭与其相邻区域之间形成一道消防安全屏障，使回廊成为中庭建筑火焰蔓延和烟气扩散的“缓冲区”。但是，如果回廊的防火墙分隔不合理或用于防火分隔的防火卷帘耐火极限达不到防火要求，那么在火灾情况下，就可能造成烟气和火焰蔓延到整个建筑空间。同时回廊也将失去其作为重要疏散通道的作用，以至于影响消防官兵展开灭火战斗行动。

3.2回廊式中庭排烟措施

根据回廊式中庭的建筑特点和总体烟气控制目标，可把回廊式中庭的烟气控制分为中庭和相邻区域两部分。

3.2.1中庭排烟措施

3.2.1.1填充排烟法

当火灾发生在中庭地面上时(见图2)，烟气会直接向中庭上部空间扩散，那么对该种烟气的控制方法主要是利用中庭对烟气的容纳能力，在保证安全的条件允许烟气充满中庭上部空间，在烟气填充过程中建筑室内人员同时疏散。设置在中庭的排烟机或者自然排烟窗必须保证能排除空间内的烟气，并能控制烟气层累积厚度，保证烟层在中庭空间高度8 m之上。设置的排烟机或自然排烟窗要能以足够的速率排除空间内所聚集的烟气，延迟烟气填充的时间以保证人员疏散的安全。同时，回廊内的排烟系统应能及时开启，并有效排除回廊区域的烟气，以保证回廊、前室及楼梯间等疏散通道的安全。这种排烟方式适用于中庭空间的净空高度较高、体积空间较大、地面燃料荷载较小的情况，并且要求烟气充满中庭的时间远远大于人员疏散完毕所需要的时间，以满足建筑室内人员有足够的时间逃生。

图2　填充排烟方式

3.2.1.2直接排烟法

当火灾发生在中庭地面上时，也可采用直接排烟法，即置换排烟法。这种排烟方法的具体措施是在中庭顶部设置机械排烟系统，通过设计计算排烟量，使通过排烟系统所担负的排烟量大于或等于火灾生成的烟气流量，以达到有效排烟。火灾产生的烟气，会在中庭的顶棚形成烟气层，在烟气层的下方形成净空气层，由于要从中庭顶部排出烟气，所以中庭空间所聚集烟气层的底部高度必须满足安全疏散的要求。另外，置换排烟法所采取的排烟量应考虑延迟烟层的沉降。置换排烟法的显著特点是在疏散阶段将蔓延到中庭的烟气稀释到可接受的浓度，也可称其为置换稀释排烟法。这种排烟方式适用于中庭净空高度较低、建筑空间体积较小的情况。

3.2.1.3混合排烟法

当中庭上部空间较小，火灾发生在中庭地面上(见图3)，直接利用自然排烟方式或设置机械排烟不能满足消防安全要求时，可采用中庭+回廊混合排烟法，即分别在中庭和回廊设置排烟设施，中庭与回廊之间采用挡烟垂壁、防火卷帘等防烟构件分隔。这种排烟方法可以最大限度的排除中庭和蔓延到回廊的烟气，既可以保证中庭人员疏散的安全，也可以保证回廊及回廊周围房间的安全。

图3　混合排烟方式

3.2.2中庭相邻区域排烟措施

当火灾发生在与中庭相邻的区域时，其烟气控制的主要任务是：(1)排除任何进入中庭空间的烟气，限制烟气的累积或延迟烟气向中庭空间蔓延；(2)用反向气法阻止烟气进入中庭空间[3]。排烟措施可采用回廊排烟法和着火房间排烟法两种方式。

3.2.2.1回廊排烟法

相比于中庭空间，其周围的相邻区域即房间更易发生火灾，且火灾生成的高温有毒烟气很难在短时间控制在着火房间内。烟气一旦从着火房间涌出，则很快会通过中庭向四周扩散。由于回廊作为中庭与相邻房间的过渡区，在建筑防火中可起到重要缓冲作用，那么就要充分利用好回廊与中庭及相邻房间的防火分隔措施。在中庭各楼层的回廊边缘可设置固定式挡烟垂壁，也可设置与感烟探测器联动的活动挡烟垂壁或防火卷帘及水幕分隔。回廊与相邻防火区域之间应设有防火墙或防火卷帘。当发生火灾时，相邻区域室内排烟设施应与回廊内的排烟系统同时开启。回廊式中庭一般可设置集中排烟系统进行排烟，排烟机和排烟口由消防控制室集中控制，并与火灾联动系统联动。当着火房间或相连回廊的排烟系统不能阻止烟气向中庭扩散时，就需要开启中庭的排烟系统来排除进入中庭的烟气(见图4)。这样既可以保证作为疏散通道的回廊安全性，又可以有效防止烟气进入中庭空间。在日常情况下，也可利用机械排烟系统排烟风机对中庭空间及回廊进行通风换气，提高建筑室内环境的舒适性。

图4　回廊排烟方式

3.2.2.2着火房间排烟法

当中庭相邻的房间发生火灾时，可利用回廊与中庭之间的挡烟垂壁或者防火卷帘等防排烟设施在回廊内形成储烟仓，将火灾产生的绝大部分烟气通过着火房间内的排烟设施迅速排除(见图5)。蔓延到回廊的烟气通过回廊内排烟设施排除，阻止烟气进入中庭空间。

图5　着火房间排烟方式

3.3排烟系统的补风问题

通常对中庭建筑的烟气控制，除了进行防烟设计和排烟设计外，还必须考虑中庭的补风问题。当中庭建筑下部的对外开口较少时，排烟效果将大打折扣。中庭建筑的补风量应不小于总排烟量的50%，以替换被排至室外的烟气。补风的形式可以采用自然补风方式，如果建筑下部开口面积有限，也可以考虑设置机械补风。补风系统通过补风部位的风速须小于5 m·s-1，以避免对通过补风部位疏散人员造成伤害[4]。在设置中庭补风时应注意，一是补风口应设于建筑物下部，补充的进风口必须低于烟层高度；二是中庭排烟时应采用相邻防烟分区补风，若条件不允许，也可同一防烟分区补风，但补风口应远离排烟口，如二者为水平设置时，水平距离不应小于10 m，垂直设置时高差应不小于3 m。另外，排烟区域所需的补风系统应与排烟系统联动开启。

4　结论

大空间建筑的烟气控制问题一直是消防界研究的热点。中庭建筑作为大空间建筑的典型代表，对于中庭式建筑采用回廊与中庭共同机械排烟的方式能够较好地控制火灾烟气在建筑内的蔓延，并保证建筑物内人员的安全疏散及消防战斗行动的顺利展开。本文对回廊式中庭建筑烟气控制的原理进行了归纳总结，针对中庭的着火类型提出了“中庭+相邻区域”的烟气控制模式，并分析研究合理可行的防排烟措施，对中庭建筑防排烟设计提供设计思路。

[1] 刘勇，付祥钊，谢斌．对不同类型中庭建筑防排烟措施的探讨[J]．制冷与空调，2002，(2)：11-14．

[2] 吕胜良，吕磊．中庭建筑防排烟设计探讨[J]．安防科技，2006，(8)：25-28．

[3] 裴蓓，程远平，李晓丽，等．中庭建筑烟气控制分析及其防排烟措施探讨[J]．消防技术与产品信息，2006，(10)：26-29．

[4] 杨焱，路世昌，智会强，等．中庭烟气流动规律及防排烟系统的研究[J]．安全，2006，(5)：11-15．

[5] 杜红.防排烟技术[M].北京:中国人民公安人学出版社，2014.

(责任编辑、校对马龙)

A Study on the Smoke Control of a Cloister Style Courtyard Building

LI Song

(XishuangbannaMunicipalFireBrigade,YunnanProvince666300,China)

Combined with China's current fire code requirements, according to the characteristics of a cloister style courtyard building, the design method of atrium smoke control is studied，the smoke control mode of the atrium and the adjacent areas. The paper offers some concrete measures to prevent atrium smoke spread. The smoke extraction design of an atrium building in this paper provides certain reference.

the cloister style courtyard building; smoke control; smoke preventing measures

2015-11-20

李松(1985—)，男，云南景东人，工程师。

TU998.1

A

1008-2077(2016)02-0024-04