超高层建筑火灾防排烟研究

1、建筑防火设计超高层建筑火灾防排烟研究朱杰1,2,霍然1,付永胜2(1.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,安徽合肥230026;2.西南交通大学环境科学与工程学院,四川成都610031摘要:针对现代超高层建筑火灾的危害特点,阐述了防排烟设计在超高层建筑防火设计中的重要性,分析了超高层建筑火灾烟气蔓延的影响因素,提出了超高层建筑火灾防排烟的措施。关键词:高层建筑;烟气流动;自然排烟;机械排烟中图分类号:T U972,X924文献标识码:A文章编号:1009-0029(200701-0054-03随着我国现代城市化进程的加快和城市建设的蓬勃发展,超高层建筑正在不断涌现,特别是在大型城市,很多超

2、高层建筑已经成为城市现代化程度的重要标志之一。据不完全统计,全国现有高层建筑46660多栋,百米以上的超高层建筑850多栋。超高层建筑由于其体型巨大、功能复杂,人员物资相对集中,稍有不慎即可酿成火灾,造成严重的人员伤亡和经济损失。而超高层建筑火灾中的烟气更是危害人员生命的重要因素。因此,研究超高层建筑火灾烟气流动规律及相应的防排烟措施,是高层建筑消防安全系统中十分重要的问题。1超高层建筑火灾特点1.1火灾迅速蔓延扩大超高层建筑一旦起火,建筑内的楼梯间、管道井、电缆井、风道等各种竖井,烟囱效应十分显著。据实测,火灾时的烟气水平流速为0.30.8m/s,垂直流速为24m/s。这表明在无阻挡的情况下

3、,对200m高的建筑,垂直方向不到1min,烟气可到达顶部。超高层建筑所承受的风力也是火灾蔓延的主要因素。建筑物越高,风速越大,火灾蔓延越迅速。据实测,在正常风压的状态下,建筑物高度10m处的风速为5m/s,90m高处的风速为15m/s,相应在300400m 处,风力将更加强大,风速可达30m/s以上。风力通常能使微弱的火源变得十分危险,可使蔓延可能性很小的火势急剧扩大成灾难。1.2火灾隐患因素较多超高层建筑功能复杂,设备繁多,装修量大,存在大量引火物和点火源。同时,其电气化和自动化程度高,用电设备多,用电量大,漏电、短路等故障几率增加,容易形成点火源。另外,由于人员密集,人为因素引发火灾几率

4、也会相应增加。1.3人员疏散困难,伤亡惨重超高层建筑层数多,垂直疏散距离长,疏散到地面上的时间较长。据德国在50层超高层建筑内进行的疏散演习介绍,通过楼梯将人员疏散完毕达2h以上。在加拿大进行的人员疏散实验表明,在每层240人的条件下,通过1.1m宽的楼梯向外疏散,一幢11层楼房的疏散时间需要6.5min,一幢50层楼房的疏散时间需要131min。因此,很多人员密集的超高层建筑,当火势涌起,短时间内疏散更是困难。如果楼梯设计不合理,烟火窜入后,人员根本无法疏散,往往会造成巨大的伤亡事故。1.4火灾扑救难度大(1进攻困难。一方面缺少地面消防行动展开的场地;另一方面,外部灭火进攻受到限制。通常配备

5、的消防云梯仅达53m,若超高层建筑上部楼层发生火灾,消防队员无法进行外攻。(2登高困难。50m以下楼层发生火灾,消防队员尚可利用消防云梯车登高,在50m以上部位发生火灾,则登高困难。(3供水困难。超高层建筑发生火灾,灭火用水量较大,有时需要100L/s以上。经灭火演练测试,三辆大功率消防车串联,通过水泵结合器供水,高度只能达到160m,而通过水带直接供水,高度只有150m。(4排烟困难。火灾发生时,因受登高设备和玻璃幕墙的限制以及风向风力的影响,难以破拆玻璃窗进行自然排烟。采用机械排烟系统,也会受到风力、气压等气候条件的影响,难以实现设计理想的排烟效果。2超高层建筑火灾烟气流动的影响因素2.1

6、高温引起的烟气膨胀高温引起的气体膨胀是影响烟气流动较为重要的因素。根据气体膨胀定律和有关实验表明,当火势达到基金项目:国家自然科学基金重大国际合作研究资助项目“热-力耦合作用下重大建筑火灾安全基础研究”(50320120156 旺盛时期时,着火区域相对大气压可高达1020Pa ,温度达到700时,烟气体积会膨胀3倍。压力急剧升高,迫使烟气从着火部位向建筑物的其它部位扩散、蔓延。2.2烟囱效应烟囱效应是超高层建筑发生火灾时,烟气向上蔓延的主要因素。超高层建筑室内空气温度通常比室外温度高,有与外界相通的开口时,由于内外界压差,空气通常体现为下进上出的流动模式,即室外空气从下部开口进入室内,而室内空

7、气从上部开口流出室外,这种现象被称为正热压作用。在低处外部压力大于内部压力,而高处则相反。在中间某一高度,内外压力相等,即存在一个中性压力面。烟囱效应随建筑物的内外压力差以及建筑物高度的增加而增加,火灾发生在较低层时,烟囱效应对竖井和较高层的烟污染的影响尤为显著,此时烟从低层上升到高层内的潜力更大。由烟囱效应造成的压力差和气流分布,以及中性压力面位置,取决于超高层建筑内分隔物的开口对气流的限制程度。2.3室外风力的影响室外风向、风速对超高层建筑烟气的流动有显著的影响。实验表明,迎风面的墙面要经受向内的压力,而背风面和两侧墙面则有向外的压力,而且迎风面的压力最大,见图1所示。由于风向的影响会使建

8、筑物的中性面位置发生变化,正的风压力促使中性面上升,负的风压力使中性面下降,如图2所示。风力越大,中性面位置受到的影响越大。如果火灾发生在中性面以下的房间时,烟气会通过竖井向上蔓延到中性面以上的整个楼层,此时的危险性很大;若火灾发生在迎风面中性面以上房间时,在火灾规模较小时,烟气几乎不会蔓延而直接排出室外,火灾较大时,将影响到迎风面着火点以上的楼层及背风面中性面以上相关楼层。当火灾发生在背风面中性面以上房间时,由于烟气被局限在很小的区域内,而被直接排出室外,因此不会造成很大的危害。2.4通风空调系统的影响 图1风影响下墙壁压力示意图图2风影响下空气流动示意图在现有的超高层建筑中都装有通风空调系

9、统,通风空调系统对建筑火灾发生及烟气流动的影响比较大。一方面,由于人们对空气品质要求的提高,通风空调系统的新风系统的新风量比较大。而火灾发生后,由于通风空调系统的新风系统不断向空调房间输送大量的新鲜空气,补充了燃烧所需要的氧气,促使火势增大,造成更大的危害。另一方面,在火灾发生时,烟气会沿着通风管道向其他房间或楼层蔓延,这在具有回风系统的空气系统中表现更为突出。因此,通风空调系统在发生火灾时,如不采取相应的烟控措施,则会起到助长火势的作用。3超高层建筑火灾烟气的防排烟措施如前所述,超高层建筑火灾中人员疏散所需时间大致与建筑物高度成正比,一般人员疏散的时间较长,而在楼梯间和楼内远离着火区的其他地

10、方形成难以忍受的烟雾状况所需时间则较短。因此,在发生火灾时全部撤出建筑物内的人员是很困难的。如果让人员留在建筑内,全面的消防系统必须包括对烟和火焰的控制,使某些特定区域内的烟浓度始终能维持在建筑内人员可以忍受的水平。这些特定的区域包括防烟前室、疏散楼梯间、避难层等。目前采取的烟雾控制措施主要包括以下内容:3.1控制烟雾的产生量最好的防烟办法在于消除发烟的源头。因此,在高层建筑中应设计火灾报警系统及自动灭火系统,以便尽早发现火灾,在大量浓烟产生前扑灭火灾或控制火灾发展。同时,在选用建筑材料及装饰材料、家具时,应尽可能采用发烟量小的材料。这样即使发生火灾,发烟量小,发烟速度慢,相对有较充裕的逃生时

11、间,减少火灾对生命的威胁。3.2充分利用建筑物的构造自然排烟自然排烟是在自然力的作用下,使室内外空气对流进行排烟,一般采用可开启的外窗和窗外阳台进行自然排烟。自然排烟方式不需要动力,结构简单,运行可靠,造价低、投资少,但也存在一定的问题。(1发生火灾时,火势有向上蔓延的危险。由外部开口进行排烟时,着火房间温度很高,如果烟气中含有大量未燃气体,则烟气排除后即会形成火焰,这将导致火势沿着建筑物外壁面向上层蔓延。(2自然排烟容易受室外风的影响。室外的风向、风速对自然排烟效果有显著的影响。当着火房间在上风侧时,排烟口受正压作用,烟气流出困难。此时,若下风侧的房间有开口时,烟气将流向下风侧,因而,建筑物

12、内会充满烟气。当着火房间在下风侧时,由于排烟口处于负压状态,烟气容易向外部排出,排烟效果显著。可见,随着外部风向和风力强度的不同,排烟口的排烟效果有很大的差异。(3自然排烟受烟囱效应的影响。高层建筑内的烟囱效应是十分显著的。如果在中性面以下的外墙上开口,冬季发生火灾时,火灾初期不仅不能从开口部向室外排烟,相反会由开口吸入室外空气。此时,若防烟分区没有合理设置,则会通过各种管井、电梯、楼梯等竖井助长烟气的传播。同样,在夏季空调开启时,建筑物内产生下降气流,将会导致烟气向下层传播。综上所述,自然排烟的排烟效果有许多不稳定因素,为使火灾时烟气及时通畅地排除,高层建筑居室的排烟最好采用机械排烟方式。3

13、.3利用竖井进行排烟即利用烟囱效应的原理,采用开放竖井进行排烟。但据日本有关资料介绍,竖井排烟的排烟井与送风井需要占用很大的有效空间,给设计带来了一定的困难,在一般情况下,很难被设计人员采用。3.4利用通风空调系统进行排烟利用通风空调系统加压送风可以利用原有的设备,节约投资。对于空调系统排烟可分为向非着火区送风排烟和对着火区排烟。向非着火区送风排烟,即利用风机、风道、送风口向非着火区送风,使非着火区形成正压,从而防止着火区烟气向非着火区蔓延。对着火区排烟,即将原送风口作为排烟口,还应增设排烟管道,防止烟气经过空调设备。利用空调系统进行排烟应在送风口或排烟口设置自动关闭装置,当烟气温度较高时应能

14、够自动关闭,风道的厚度要增加,且应采用非燃材料并加以绝热。在火灾初期,由于烟气较少,温度较低,还构不成对非着火区较大的威胁,通风空调系统宜作为排烟使用,以排除着火区烟气,有助于隔绝空气灭火。随着火势的发展,烟气较多,温度升高,可转向非着火区加压送风,保证疏散设施免受高温烟气侵扰。当火势凶猛时,即温度达到一定程度,着火区通风空调系统送风口或排烟口处阀门自行关闭,利用通风空调系统排烟立即停止。3.5设置机械加压送风防烟系统其目的是为了在高层建筑发生火灾时,提供不受烟气干扰的疏散路线和避难场所。设置这种系统的部位应视建筑物的具体情况而定,一般有不具备自然排烟条件的防烟楼梯间及其前室,可开窗自然排烟的

15、楼梯间但不具备自然排烟条件的前室,不具备自然排烟条件的消防电梯前室,受楼梯井和消防电梯井烟囱效应影响的合用前室、封闭室避难间等。对非火灾区域及疏散通道等应迅速采用机械加压送风的防烟措施,使该区域的空气压力高于火灾区域的空气压力,防止烟气的侵入,以控制火灾的蔓延。3.6利用排风机进行机械排烟所谓机械排烟,是凭借机械力强制性地将室内烟气排出,即依靠排烟风机产生一定的吸力,将烟气吸入排烟口,经过排烟风道排出室外。排烟效果的好坏,取决于排烟口设置的位置及排烟口的形式。这种排烟方式一般是利用排风机进行强制排烟。利用这种方式进行排烟在设计和使用上应划分防烟分区,合理有效地利用隔墙、挡烟垂壁等进行排烟。此外

16、,加强防烟知识宣传,根据火灾时人们在异常心理状态下的行动特点,制定相应的避难疏散计划,配备足够的避难器材也是十分重要的。4结束语按我国目前城市建筑发展趋势,超高层建筑将会越来越多。由于影响超高层建筑烟气流动的因素很多,超高层建筑的外形、内部结构又各不相同,使得控制超高层建筑中烟气流动极为困难。因此,对超高层建筑中烟气流动的机理、规律进行深入研究和探讨极为重要。参考文献:1林贤光.关于超高层建筑建设一些问题的探讨J.上海消防,2004,(9:58-59.2杨洪涛,周静,孟智.高层建筑设置排烟系统的重要性J.低温建筑技术,2004,2(98:28-29.3刘春玲,张哲,张振英.高层建筑火灾特点及防

17、火涉及要求J.铁道建筑,2004,(12:66-68.4霍然,胡源,李元洲.建筑火灾安全工程导论M.合肥:中国科技大学出版社,1999.5张冰梅,李涛.浅谈高层建筑的火灾危险性和安全管理J.消防科学与技术,2003,22(增刊:25-27.6范维澄,王清安,姜冯辉,等.火灾学简明教程M.合肥:中国科技大学出版社,1995.7祁才让.高层建筑火灾中的人员疏散和火灾扑救J.安防科技,2003,(10:13-15.8张靖岩,霍然,王浩波,等.烟囱效应形成机理的实验J.中国科技大学学报,2006,36(1:73-76.建筑防火设计大型综合医院火灾防御体系探讨薛岗,张晋,刘芳,孙晓涛(公安部天津消防研究

18、所,天津300381摘要:依据国家三甲综合医院科室设置及收治病种特点,结合某大型医院布局现状,对大型综合医院火灾防御体系进行探讨。关键词:大型综合医院;医院布局;火灾防御体系中图分类号:T U246,X913文献标识码:B文章编号:1009-0029(200701-0057-032005年12月15日16时45分,吉林省辽源市中心医院发生的特别重大火灾事故,暴露出大型医疗机构容纳众多老弱病残,发生火灾时逃逸困难的诸多隐患。三级大型综合医院多为高层建筑,建筑整体配有多部电梯、楼梯及逃生通道。医院科室布局设置时多考虑方便患者就医、防止院内交叉感染等诸多因素,分为门诊区和住院部。三层以下区域多为门诊

19、诊疗区,包括挂号处、诊室、放射区、检验区、药房;三层以上多为住院部,手术室多设在建筑中部,其它科室位置依据该院具体情况进行布局。以某三甲综合医院的布局,分析如下:该医院地上19层,地下2层,整体建筑呈“Y”型,1 3层为门诊区域,417层为住院部,18层为空置储物,19层为圆形封闭观景台,218层有对外观景环廊(该院特有。表1是该医院临床科室住院部布局(*为依据收治病种在火灾发生时存在逃生困难的科室。表1临床科室住院部布局楼层1区2区3区17国际诊疗科(接收外宾住院部16脑内科*脑外科*脑内科*15烧伤科*耳鼻喉科耳鼻喉科14胸外科*血管外科普外科*13骨科*内分泌科骨科*12手术室*11后勤

20、调度10妇科产科*婴儿室*9呼吸科*血液科*泌尿科8心脏中心*7移植学部*6网管中心移植科*移植科*5血透室ICU*ICU*4移植学部*3血库超声科病理科2中心药站检验科检验科1病案室放射科放射科1大型综合医院建筑结构特点(1为便于在各个检查区域方便运送患者,各医院大多在各楼间建设封闭通廊,一旦发生火灾,“风洞效应”致使火势迅速经通廊蔓延致其它病区。(2新建大型医院,多在门诊区域建设多层共享空9张靖岩,霍然,王浩波,等.竖井中烟气运动的非滞止状态产生的临界条件J.自然科学进展,2005,15(4:504-508.10徐志胜,常玉峰,白国强,等.高层建筑火灾防排烟研究J.西部探矿工程,2003,

21、12:179-181.11GB50045-95.高层民用建筑设计防火规范S.12GBJ16-87.建筑设计防火规范S.13潘毅杰.高层建筑排烟设计J.福建建筑,2003,18(1:31-33.14公安部消防局.建筑消防设施工程技术M.北京:新华出版社,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