浅谈钢结构厂房自然排烟

浅谈钢结构厂房自然排烟 随着我国经济建设的迅猛发展，企业生产仓储 用房日趋大型化，而钢结构骨架建造的厂房，以强 度高、自重轻、跨度大、吊装施工方便和建设时间 短等优点正越来越被广大厂家所采用。钢结构厂房 具有耐火性能低的弱点，在未进行防火处理的情况 下，其本身虽然不会起火燃烧，但火灾时，强度会 迅速下降，一般结构温度达到 350、500、 600时，强度分别下降 1/3、1/2、2/3。理论计 算显示，在全负荷情况下，钢结构失去静态平衡稳 定性的临界温度为 500左右，而一般火场温度达 到 8001000，在这样的火场温度下，裸露的钢 结构一般在 15min 左右，就会出现塑性变形，产生 局部损坏，造成钢结构整体倒塌失效。如：1992 年 5 月无锡兴业有限公司全钢结构占地 1000 平方 米厂房发生特大火灾，将整个厂房烧得支离破碎； 1992 年 6 月上海联合毛纺厂两层全钢结构厂房 5400 平方米，由于设备油箱形成爆燃气体发生火 灾，整个厂房烧毁；1993 年 11 月 XX 佳通轮胎有 限公司的单层全钢结构厂房，建筑面积 58752 平方 米，由于人为纵火，导致这个厂房钢结构全部被破 坏；XX 年 2 月 5 日 XX 绵阳三角生活用纸制造有限 公司成品 2 号仓库因放火发生火灾，钢屋架建筑全 部烧毁。这类建筑还存在空间大，火势蔓延快，设 备、人员密集，疏散困难等特点，一旦发生火灾， 常用的自动消防设施很难发挥预期作用。人员疏散 和灭火救援难度较大，有造成群死群伤的潜在危险。 在现行消防法规尚无明文规定的背景下，如何采用 合理的防排烟措施以避免和减少大空间建筑火灾时 的人员伤亡、保证人员安全疏散，就显得尤为重要。 为此，笔者就钢结构厂房排烟谈点个人观点，仅供 参考。 一、建筑火灾烟气的特点 火灾的发生和发展具有随机性和确定性的双重 特点。随机性是指火灾发生的起火原因及时间、地 点等因素是不定的，受到各种因素的影响，遵循一 定的统计规律；确定性是指在某一特定场合下发生 的火灾会按基本确定的规律发展蔓延，燃烧过程与 烟气流动过程皆遵循燃烧学、流体力学等物理和化 学规律。火灾的确定性规律可采用工程科学的方法 研究，一般室内火灾的自然发展过程大体分成三个 主要阶段，即：初期增长阶段、充分发展阶段及衰 减阶段。 在火灾发展的初期增长阶段，随着放出热量迅 速增多，在可燃物上方形成温度较高、不断上升的 火羽流。当羽流受到房间顶棚的阻挡后，便在顶棚 下方向四面扩散开来，形成了沿顶棚表面平行流动 的较薄的热烟气层，达到了一定厚度时又会慢慢向 室内中部扩展，不久就会在顶棚下方形成逐渐增厚 的热烟气层。当火灾达到充分发展阶段，热烟气层 的温度与中心温度相差无几。 如果室内有通向外部的开口（如门和窗） ，则 当烟气层的厚度低于开口的上沿高度时，烟气便可 由此流到室外。开口便起着向外排烟的作用。在建 筑火灾的发展过程中，烟气的排放相当重要，烟气 排放速率的大小决定着烟气层高度的变化情况。当 排放速率大于烟气的产生速率时，烟气层的高度会 逐渐升高，最终保持在对人没有威胁的高度。 二、钢结构火灾时的理化性能 建筑用钢（q235、q345 钢等）在全负荷的情 况下失去静态平衡稳定性的临界温度为 540左右。 钢材的机械性能随温度的不同而有变化，当温度升 高时，钢材的屈服强度，抗拉强度和弹性模量的总 趋势是降低的，但在 150以下时变化不大。当温 度在 250左右时，钢材的抗拉强度反而有较大提 高，但这时的相应伸长率较低、冲击韧性变差，钢 材在此温度范围内破坏时常呈脆性破坏特征，称为 “蓝脆” 。如在“蓝脆”温度范围内进行钢材的机 械加工，则易产生裂纹，故应力求避免。当温度超 过 300时，钢材的抗拉强度、屈服强度和弹性模 量开始显著下降，而伸长率开始显著增大，钢材产 生徐变；当温度超过 400时，强度和弹性模量都 急剧降低；到 500左右，其强度下降到 4050，钢材的力学性能，诸如屈服点、抗压 强度、弹性模量以及荷载能力等都迅速下降，低于 建筑结构所要求的屈服强度。我国 20 世纪 90 年代 初对裸露钢梁的耐火极限进行了验证，确认了 i36b、i40b 标准工字钢梁的耐火极限分别为 15min、16min（钢梁内部达到临界温度：平均温度 538，最高温度 649） 。因此，若用没有防火保 护的普通建筑用钢作为建筑物承载的主体，一旦发 生火灾，则建筑物会迅速坍塌，对人民的生命和财 产安全造成严重的损失。 三、现行各类排烟方式比较 在建筑防排烟工程中，常用的三种方式是：自 然排烟、机械加压送风防烟和机械排烟。自然排烟 和机械排烟是控制烟气下降的常用方法，与机械排 烟相比自然排烟有其自身的优点。一是无大的动力 设备，运行维修费用也少，且平时可兼作换气用； 二是在顶棚开设排烟口，自然排烟效果好。对于自 然排烟的应用，在国外也有许多采用自然排烟的例 子，在德国，大空间的公共建筑多使用自然排烟尤 其是单层的展览建筑。我国现阶段对建筑防排烟方 式选择的倾向性意见是：凡是能利用外窗等实现自 然排烟的部位应尽可能地采用自然排烟方式。特别 是大空间建筑宜首先考虑设置自然排烟，理由如下： 1）大空间建筑中的高大空间具有较强的蓄烟 功能； 2）大空间建筑通常顶棚或侧墙设置大面积采 光或通风带，可与自然排烟结合使用； 3）机械排烟量非常大，给设计和施工带来很 大难度； 4）由于内部空间的高大、宽敞，机械排烟可 能引起烟气与空气的掺混，过于集中的机械通风排 烟把大量刚刚补入的新鲜空气直接排放出去，形成 所谓的“流通短路。 四、自然排烟的设计要求 目前，防排烟设计方法基本有三种：（1）体 积换气次数法；（2）基于数理模型计算公式设计 方法；（3）借助计算机模拟软件分析评估设计方 法即性能化设计方法。但无论采用哪种方法，都要 满足以下要求：一是烟气层高度。火灾中的烟气层 伴有一定热量、胶质、毒性分解物等，是影响人员 疏散行动与救援行动的主要障碍。在设计时限内， 烟气层最好能保持在人群头部上方一定高度处，使 得人在疏散时不必从烟气中穿过，也不会受到热烟 气流的辐射热威胁。普遍认为烟气层在人员疏散过 程中保持在距地面 2m 以上的位置时，人员疏散是 安全的。二是热辐射。根据人体对辐射热耐受能力 的研究，人体对烟气层等火灾环境的辐射热的耐受 极限是/m2，上部温度约为 185 度，处于这个程度 的辐射热几秒钟之内就会引起皮肤强烈疼痛。三是 结构安全。建筑用钢在全负荷的情况下失去静态平 衡稳定性的临界温度为 540左右。钢材的机械性 能随温度的不同而有变化，当温度升高时，钢材的 屈服强度、抗拉强度和弹性模量的总趋势是降低的， 但在 150以下时变化不大。 五、结论 1、钢结构厂房、库房以及民用建筑耐火性能 差，火灾时容易倒塌，造成大量人员伤亡和财产损 失，设置排烟系统能有效排出建筑内的高温烟气， 有利于人员疏散、火灾扑救和建筑结构安全。 2、大型钢结构厂房、库房以及民用建筑多为 单层，在顶部结合采光、通风设置自然排烟窗施工 简单可行。 3、目前国内生产的易熔自然排烟窗形式多样， 完全可以满足钢结构建筑施工要求。 4、自然排烟投入不大，不需专业维护保养， 排烟效果良好，值得普及推广。 随着我国经济建设的迅猛发展，企业生产仓储 用房日趋大型化，而钢结构骨架建造的厂房，以强 度高、自重轻、跨度大、吊装施工方便和建设时间 短等优点正越来越被广大厂家所采用。钢结构厂房 具有耐火性能低的弱点，在未进行防火处理的情况 下，其本身虽然不会起火燃烧，但火灾时，强度会 迅速下降，一般结构温度达到 350、500、 600时，强度分别下降 1/3、1/2、2/3。理论计 算显示，在全负荷情况下，钢结构失去静态平衡稳 定性的临界温度为 500左右，而一般火场温度达 到 8001000，在这样的火场温度下，裸露的钢 结构一般在 15min 左右，就会出现塑性变形，产生 局部损坏，造成钢结构整体倒塌失效。如：1992 年 5 月无锡兴业有限公司全钢结构占地 1000 平方 米厂房发生特大火灾，将整个厂房烧得支离破碎； 1992 年 6 月上海联合毛纺厂两层全钢结构厂房 5400 平方米，由于设备油箱形成爆燃气体发生火 灾，整个厂房烧毁；1993 年 11 月 XX 佳通轮胎有 限公司的单层全钢结构厂房，建筑面积 58752 平方 米，由于人为纵火，导致这个厂房钢结构全部被破 坏；XX 年 2 月 5 日 XX 绵阳三角生活用纸制造有限 公司成品 2 号仓库因放火发生火灾，钢屋架建筑全 部烧毁。这类建筑还存在空间大，火势蔓延快，设 备、人员密集，疏散困难等特点，一旦发生火灾， 常用的自动消防设施很难发挥预期作用。人员疏散 和灭火救援难度较大，有造成群死群伤的潜在危险。 在现行消防法规尚无明文规定的背景下，如何采用 合理的防排烟措施以避免和减少大空间建筑火灾时 的人员伤亡、保证人员安全疏散，就显得尤为重要。 为此，笔者就钢结构厂房排烟谈点个人观点，仅供 参考。 一、建筑火灾烟气的特点 火灾的发生和发展具有随机性和确定性的双重 特点。随机性是指火灾发生的起火原因及时间、地 点等因素是不定的，受到各种因素的影响，遵循一 定的统计规律；确定性是指在某一特定场合下发生 的火灾会按基本确定的规律发展蔓延，燃烧过程与 烟气流动过程皆遵循燃烧学、流体力学等物理和化 学规律。火灾的确定性规律可采用工程科学的方法 研究，一般室内火灾的自然发展过程大体分成三个 主要阶段，即：初期增长阶段、充分发展阶段及衰 减阶段。 在火灾发展的初期增长阶段，随着放出热量迅 速增多，在可燃物上方形成温度较高、不断上升的 火羽流。当羽流受到房间顶棚的阻挡后，便在顶棚 下方向四面扩散开来，形成了沿顶棚表面平行流动 的较薄的热烟气层，达到了一定厚度时又会慢慢向 室内中部扩展，不久就会在顶棚下方形成逐渐增厚 的热烟气层。当火灾达到充分发展阶段，热烟气层 的温度与中心温度相差无几。 如果室内有通向外部的开口（如门和窗） ，则 当烟气层的厚度低于开口的上沿高度时，烟气便可 由此流到室外。开口便起着向外排烟的作用。在建 筑火灾的发展过程中，烟气的排放相当重要，烟气 排放速率的大小决定着烟气层高度的变化情况。当 排放速率大于烟气的产生速率时，烟气层的高度会 逐渐升高，最终保持在对人没有威胁的高度。 二、钢结构火灾时的理化性能 建筑用钢（q235、q345 钢等）在全负荷的情 况下失去静态平衡稳定性的临界温度为 540左右。 钢材的机械性能随温度的不同而有变化，当温度升 高时，钢材的屈服强度，抗拉强度和弹性模量的总 趋势是降低的，但在 150以下时变化不大。当温 度在 250左右时，钢材的抗拉强度反而有较大提 高，但这时的相应伸长率较低、冲击韧性变差，钢 材在此温度范围内破坏时常呈脆性破坏特征，称为 “蓝脆” 。如在“蓝脆”温度范围内进行钢材的机 械加工，则易产生裂纹，故应力求避免。当温度超 过 300时，钢材的抗拉强度、屈服强度和弹性模 量开始显著下降，而伸长率开始显著增大，钢材产 生徐变；当温度超过 400时，强度和弹性模量都 急剧降低；到 500左右，其强度下降到 4050，钢材的力学性能，诸如屈服点、抗压 强度、弹性模量以及荷载能力等都迅速下降，低于 建筑结构所要求的屈服强度。我国 20 世纪 90 年代 初对裸露钢梁的耐火极限进行了验证，确认了 i36b、i40b 标准工字钢梁的耐火极限分别为 15min、16min（钢梁内部达到临界温度：平均温度 538，最高温度 649） 。因此，若用没有防火保 护的普通建筑用钢作为建筑物承载的主体，一旦发 生火灾，则建筑物会迅速坍塌，对人民的生命和财 产安全造成严重的损失。 三、现行各类排烟方式比较 在建筑防排烟工程中，常用的三种方式是：自 然排烟、机械加压送风防烟和机械排烟。自然排烟 和机械排烟是控制烟气下降的常用方法，与机械排 烟相比自然排烟有其自身的优点。一是无大的动力 设备，运行维修费用也少，且平时可兼作换气用； 二是在顶棚开设排烟口，自然排烟效果好。对于自 然排烟的应用，在国外也有许多采用自然排烟的例 子，在德国，大空间的公共建筑多使用自然排烟尤 其是单层的展览建筑。我国现阶段对建筑防排烟方 式选择的倾向性意见是：凡是能利用外窗等实现自 然排烟的部位应尽可能地采用自然排烟方式。特别 是大空间建筑宜首先考虑设置自然排烟，理由如下： 1）大空间建筑中的高大空间具有较强的蓄烟 功能； 2）大空间建筑通常顶棚或侧墙设置大面积采 光或通风带，可与自然排烟结合使用； 3）机械排烟量非常大，给设计和施工带来很 大难度； 4）由于内部空间的高大、宽敞，机械排烟可 能引起烟气与空气的掺混，过于集中的机械通风排 烟把大量刚刚补入的新鲜空气直接排放出去，形成 所谓的“流通短路。 四、自然排烟的设计要求 目前，防排烟设计方法基本有三种：（1）体 积换气次数法；（2）基于数理模型计算公式设计 方法；（3）借助计算机模拟软件分析评估设计方 法即性能化设计方法。但无论采用哪种方法，都要 满足以下要求：一是烟气层高度。火灾中的烟气层 伴有一定热量、胶质、毒性分解物等，是影响人员 疏散行动与救援行动的主要障碍。在设计时限内， 烟气层最好能保持在人群头部上方一定高度处，使 得人在疏散时不必从烟气中穿过，也不会受到热烟 气流的辐射热威胁。普遍认为烟气层在人员疏散过 程中保持在距地面 2m 以上的位置时，人员疏散是 安全的。二是热辐射。根据人体对辐射热耐受能力 的研究，人体对烟气层等火灾环境的辐射热的耐受 极限是/m2，上部温度约为 185 度，处于这个程度 的辐射热几秒钟之内就会引起皮肤强烈疼痛。三是 结构安全。建筑用钢在全负荷的情况下失去静态平 衡稳定性的临界温度为 540左右。钢材的机械性 能随温度的不同而有变化，当温度升高时，钢材的 屈服强度、抗拉强度和弹性模量的总趋势是降低的， 但在 150以下时变化不大。 五、结论 1、钢结构厂房、库房以及民用建筑耐火性能 差，火灾时容易倒塌，造成大量人员伤亡和财产损 失，设置排烟系统能有效排出建筑内的高温烟气， 有利于人员疏散、火灾扑救和建筑结构安全。 2、大型钢结构厂房、库房以及民用建筑多为 单层，在顶部结合采光、通风设置自然排烟窗施工 简单可行。 3、目前国内生产的易熔自然排烟窗形式多样， 完全可以满足钢结构建筑施工要求。 4、自然排烟投入不大，不需专业维护保养， 排烟效果良好，值得普及推广。 随着我国经济建设的迅猛发展，企业生产仓储 用房日趋大型化，而钢结构骨架建造的厂房，以强 度高、自重轻、跨度大、吊装施工方便和建设时间 短等优点正越来越被广大厂家所采用。钢结构厂房 具有耐火性能低的弱点，在未进行防火处理的情况 下，其本身虽然不会起火燃烧，但火灾时，强度会 迅速下降，一般结构温度达到 350、500、 600时，强度分别下降 1/3、1/2、2/3。理论计 算显示，在全负荷情况下，钢结构失去静态平衡稳 定性的临界温度为 500左右，而一般火场温度达 到 8001000，在这样的火场温度下，裸露的钢 结构一般在 15min 左右，就会出现塑性变形，产生 局部损坏，造成钢结构整体倒塌失效。如：1992 年 5 月无锡兴业有限公司全钢结构占地 1000 平方 米厂房发生特大火灾，将整个厂房烧得支离破碎； 1992 年 6 月上海联合毛纺厂两层全钢结构厂房 5400 平方米，由于设备油箱形成爆燃气体发生火 灾，整个厂房烧毁；1993 年 11 月 XX 佳通轮胎有 限公司的单层全钢结构厂房，建筑面积 58752 平方 米，由于人为纵火，导致这个厂房钢结构全部被破 坏；XX 年 2 月 5 日 XX 绵阳三角生活用纸制造有限 公司成品 2 号仓库因放火发生火灾，钢屋架建筑全 部烧毁。这类建筑还存在空间大，火势蔓延快，设 备、人员密集，疏散困难等特点，一旦发生火灾， 常用的自动消防设施很难发挥预期作用。人员疏散 和灭火救援难度较大，有造成群死群伤的潜在危险。 在现行消防法规尚无明文规定的背景下，如何采用 合理的防排烟措施以避免和减少大空间建筑火灾时 的人员伤亡、保证人员安全疏散，就显得尤为重要。 为此，笔者就钢结构厂房排烟谈点个人观点，仅供 参考。 一、建筑火灾烟气的特点 火灾的发生和发展具有随机性和确定性的双重 特点。随机性是指火灾发生的起火原因及时间、地 点等因素是不定的，受到各种因素的影响，遵循一 定的统计规律；确定性是指在某一特定场合下发生 的火灾会按基本确定的规律发展蔓延，燃烧过程与 烟气流动过程皆遵循燃烧学、流体力学等物理和化 学规律。火灾的确定性规律可采用工程科学的方法 研究，一般室内火灾的自然发展过程大体分成三个 主要阶段，即：初期增长阶段、充分发展阶段及衰 减阶段。 在火灾发展的初期增长阶段，随着放出热量迅 速增多，在可燃物上方形成温度较高、不断上升的 火羽流。当羽流受到房间顶棚的阻挡后，便在顶棚 下方向四面扩散开来，形成了沿顶棚表面平行流动 的较薄的热烟气层，达到了一定厚度时又会慢慢向 室内中部扩展，不久就会在顶棚下方形成逐渐增厚 的热烟气层。当火灾达到充分发展阶段，热烟气层 的温度与中心温度相差无几。 如果室内有通向外部的开口（如门和窗） ，则 当烟气层的厚度低于开口的上沿高度时，烟气便可 由此流到室外。开口便起着向外排烟的作用。在建 筑火灾的发展过程中，烟气的排放相当重要，烟气 排放速率的大小决定着烟气层高度的变化情况。当 排放速率大于烟气的产生速率时，烟气层的高度会 逐渐升高，最终保持在对人没有威胁的高度。 二、钢结构火灾时的理化性能 建筑用钢（q235、q345 钢等）在全负荷的情 况下失去静态平衡稳定性的临界温度为 540左右。 钢材的机械性能随温度的不同而有变化，当温度升 高时，钢材的屈服强度，抗拉强度和弹性模量的总 趋势是降低的，但在 150以下时变化不大。当温 度在 250左右时，钢材的抗拉强度反而有较大提 高，但这时的相应伸长率较低、冲击韧性变差，钢 材在此温度范围内破坏时常呈脆性破坏特征，称为 “蓝脆” 。如在“蓝脆”温度范围内进行钢材的机 械加工，则易产生裂纹，故应力求避免。当温度超 过 300时，钢材的抗拉强度、屈服强度和弹性模 量开始显著下降，而伸长率开始显著增大，钢材产 生徐变；当温度超过 400时，强度和弹性模量都 急剧降低；到 500左右，其强度下降到 4050，钢材的力学性能，诸如屈服点、抗压 强度、弹性模量以及荷载能力等都迅速下降，低于 建筑结构所要求的屈服强度。我国 20 世纪 90 年代 初对裸露钢梁的耐火极限进行了验证，确认了 i36b、i40b 标准工字钢梁的耐火极限分别为 15min、16min（钢梁内部达到临界温度：平均温度 538，最高温度 649） 。因此，若用没有防火保 护的普通建筑用钢作为建筑物承载的主体，一旦发 生火灾，则建筑物会迅速坍塌，对人民的生命和财 产安全造成严重的损失。 三、现行各类排烟方式比较 在建筑防排烟工程中，常用的三种方式是：自 然排烟、机械加压送风防烟和机械排烟。自然排烟 和机械排烟是控制烟气下降的常用方法，与机械排 烟相比自然排烟有其自身的优点。一是无大的动力 设备，运行维修费用也少，且平时可兼作换气用； 二是在顶棚开设排烟口，自然排烟效果好。对于自 然排烟的应用，在国外也有许多采用自然排烟的例 子，在德国，大空间的公共建筑多使用自然排烟尤 其是单层的展览建筑。我国现阶段对建筑防排烟方 式选择的倾向性意见是：凡是能利用外窗等实现