（安全技术及工程专业论文）中庭类建筑火灾烟气控制系统性能化研究.pdf

s u b j e c t ：s t u d i e so np e r f o r m a n c e - b a s e d d e s i g n o ff i r es m o k e m a n a g e m e n ts y s t e mi na t r i u mb u i l d i n g s s p e c i a l t y：s a f e t ye n g i n e e r i n g n a m e：l i w e n l i i n s t r u c t o r ： d e n g j u n a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) p e r f o r m a n c e - b a s e dd e s i g no ff i r es m o k em a n a g e m e n ts y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a r to ff i r e p r o t e 硝o na n a l y s i sa n dd e s i g no f b u i l d i n s s a t r i u mi m u d i n g , sa 糟u s e dw i d e l yi nt h en e wl a r g e c o m m e r c i a lb u i l d i n g b u tb e c a u s eo ft h e l a r g e - v o l m n e s t r u c t u r eo ft h ea t r i u m , t h e i r f i r e - p r o t e c t i o nd e s i g n s , i n c l u d i n gf i r ec o m p a r u n e n ta n ds m o k ee x h a u s ts y s t e m ，p u tf o r w a r da c h a l l e n g et ot h es m o k ec o n t r o lt e c h n o l o g ya d o p t e di nt r a d i t i o n a lb u i l c l i n g s f o ra l lt h e s e r e a s o n s a c c o r d i n g t ot h es i t u a t i o no fo u rc o u n t r y , i tw i l lb em e a n i n g f 试t ot h e p e r f o r m a n c e b a s e df i r ed e s i g no f f i r es m o k em a n a g e m e n ts y s t e mi n = x i u mb a l l d m g s f u l l s c a l ee x p e r i m e n t so f w o o d sa sf i r ei nt h el a r g es p a c eb u i l d i n gh a v eb e e nm a d e t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h es e t t l i n gr a t eo fs m o k ei sv e r yq u i c k t h et i m er e q u i r e dt of i l la na t r i u m w i t hs m o k ei sv e r ys h o r t , b u ts m o k et e m p e r a t m ei sn o th i g hs m o k ei st h em a j o r u o f h a z a r dd u r i n ga 血i n mf i r e ，n o ts m o k et e m p e r a t u r e t h ef i r el o a d sa n dt h em e c h a n i c a le x h a u s t a r et h ei m p o r t a n tf a c t o r sa f f e c t i n gt h es t a b i l i t yo ft h es m o k el a y e r t h em e t h o do fs m o k e a c t r a c t i t h r o u g ht h em e c h a n i c a le x h a u s ts y s t e mi sa ne f f e c t i v ea p p r o a c ht om a i n t a i nt h e s m o k el a y e ra ta s t e a d yc l e a rh e i g h t i ta p p l i e st h ep r o g r a mf d s t ot h en u m e r i c a le x p e r i m e n t s t h e nt h en u m e r i c a lr e s u l t sa 托c o m p a r e dw i t ht h a to ft h em o d e le x p e r i m e n t s , 删铷t h a t t h ep r o g r a mi sa p p f i c a b l e i tm a k e sv a l i d a t i o no f t l 圮s o f t w a r ew e l l f d sh a sb e e nu s e dt oc a l c u l a t et h es m o k em o v e m e n t , a n dt h ee f f e c to ff i r es i z e , f i r e l o c a t i o na n d = z i n ms h a p ea n dv o l u m eo nt h es m o k el a y e rd e v e l o p m e n th a v eb e e ns i m u l a t e d a n da n a l y s e db yt h ep r o g r a m r e s p e c t i v e l y p e r f o r m a n c e - b a s e dd e s i g no ff i r es m o k e m a n a g e m e n ts y s t e mi sa p p l i e dt ot h ec a s eo fas h o p p i n gm a l l a n di m p r o v e di d e a so f s e p a r a t i n gf r o mt h es t o r e y sc o n j o i n ta tl e a s tf r o mt h ef i r s tf l o o ra ss o o na sf i r eb r e a k so u t i ti s n e c e s s a r yt os e tr e l i a b l ef i r ep a 础o nb e t w e e nt h ea t r i u ma n dv i c i n i t y 鲫螂a n de n s 啪e h l g t h a tf i r e - p r o o f c u r t a i n sa n ds m o k ee x h a u s ts y s t e mo f t h ea t r i u ma r eg e a r e du n d e rf i r e ，a n dt h a t i tc a nb el a y e dd o w nt i m e l y , i ti si m p o r t a n tf i r e p r e c a l n i o nm e a s u r et oe n s u r e i n ga w i u m b u i l d i n g sf i r es a f e t y t h e r ei sas u g g e s t i o nt h a tf l o o r so fn o tc a t c h i n gf i r ea r o u n dt h ea t r i u m , e g r e s sa i s l e sa n ds m o k e - p r o o fs t a i r c a s e sk e e pp o s i t i v ep r e s s u r et ot h ea t r i u mi np r e v e n t i n g s m o k e a ne n g i n e e r i n ge x a m p l ei l l u s t r a t e st h ew h o l ep r o c e s so f p e r f o r m a n c e - b a s e dd e s i g no f f i r es m o k em a n a g e m e n ts y s t e m k e y w o r d s ：a t r i u mb u i l d i n g s s m o k em a n a g e m e n t t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y 西要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名巷痢吼研牛同 学位论文知识产权声明书 一鹕誊嘲师翟浮枷 1 绪论 l 绪论 1 1 课题研究的背景与意义 1 1 1 中庭的发展功能 建筑物的中庭这个概念由来已久，古希腊人早在建筑物中利用露天庭院( 天井) 这个 概念，后来罗马人又对此加以改进，在天井上盖屋顶，于是便形成了受到屋顶限制的大 空间中庭。今天的中庭还没有确切的定义，也有称“四季庭”或“共享空间”的。中庭 是建筑内部在竖直方向上连续贯通数层的封顶大型空间，它在建筑物中的高度不等，有 的与建筑物同高，如日本的新宿n s 大楼其中庭贯通3 0 层，有的则只是在其上面或下面 几层，美国亚特兰大市7 0 层高的桃树中心广场旅馆中庭仅布置在底部六层，周围环境 由天窗采光，底层大厅布置装饰物使之与中庭相应生辉i t 。中庭是以建筑物内部空间作 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。中庭空间被用来提供与自然相近相通的环境，在建筑空间组合关系中可以起 某种枢纽作用。建筑物中的中庭可供人们进行社交、娱乐、休闲、聚餐、购物等活动。 为人们提供的一种便利、舒适、自然美妙的共享空间。中庭这种共享空间具有的开放、 自由感，迎合了大众热爱自然的天性。而且大多数中庭的室内地面都装有植物、音乐喷 泉、雕塑等，令室内空间室外化，阳光透过中庭玻璃顶棚洒进中庭，使中庭空间具有令 人赏心悦目的视觉感。 1 1 2 中庭建筑的火灾概况 新型中庭建筑物大多采用了大量的聚合材料等可燃材料作为室内装修，其结构布局 大都设计为开敞平面形式，这样使更多可燃材料成为火灾隐患。而且，在这类建筑物内 部空间大、使用功能复杂、人口较集中，大大超过了在紧急时刻建筑物内的安全设旄所 能保护的人数。由于建筑物中的中庭一般设计为能从四周向相邻房间观赏的共享空间， 房间和中庭通常由玻璃隔开或完全相通，这种出于美观设计的结构，一旦发生火灾，高 温有毒烟气伴之与巨大的火舌卷流通过房间开口顷刻间会充满整个中庭，并蔓延到与中 庭相通的各个楼层，对人员的生命安全造成极大的危害，并给人员疏散与扑救工作带来 极大困难。中庭建筑比普通建筑具有更大的火灾危险性。 传统建筑主要通过采用防火分区和防火分隔来达到控制火灾，抑制火灾烟气在建筑 物内部和向邻近建筑物扩散的目的。然而中庭建筑属“大空间结构”，其防火分区被上下 贯通的大空间所破坏，因此中庭这种新型建筑形式的出现是对防火设计水平分区、垂直 西安科技大学硕士学住论文 分隔的挑战。中庭建筑的中庭与周围区域如果没有考虑防火分隔或防火分隔措施处理不 当，发生火灾时。中庭就像高耸的烟囱，中庭构成了火势迅速蔓延的主要途径。1 9 6 7 年布鲁塞尔伊诺巴施格百货大楼由于中庭未与其它楼层进行防火分隔，二层着火后蔓延 至中庭，结果中庭的玻璃顶倒塌，造成3 2 5 人死亡。试验证明，烟气竖向扩散速度为3 4 m s 1 ，l o o m 的高层建筑在2 5 3 3 s 左右烟气即顺垂直通道从底层扩散到顶层。 随着我国改革开放事业的不断发展，全国各地有不少高层建筑仿效国外中庭的设 计，而且在商场的建设中尤为明显。目前不少城市的大型商场都设有“回”字型内天井， 配上装饰物十分豪华气派，令顾客赏心悦目 在国内具有中庭建筑的火灾案例中，中庭在建筑物着火后助火迅速蔓延的例子很 多。例如1 9 9 5 年1 1 月2 7 日晚，安徽省怀远县的锦绣综合楼，由于一层商场的个体户违 章使用电热器具引起大火，大火烧至中庭后，很快将其顶部的玻璃钢瓦烧穿造成火势向 四周蔓延，给扑救工作带来了很大难度。1 9 9 6 年4 月发生在沈阳商业城的火灾。商业城 中庭长4 5 m ，宽2 6 m ，面积1 1 7 0 2 m 2 整个中庭贯穿6 层，顶部为半圆形玻璃罩。火灾起 源于商业城一层西北角，火烧至中庭后热气流很快到达六层并将玻璃烤裂，由于防火卷 帘等设备长期不联动无法及时动作，以及中庭的“烟囱效应”，使中庭很快变成一个巨大 火柱，从而为火势向各层迅速蔓延提供了途径b ，4 1 。 国内外大量的火灾实例统计结果表明，火灾中8 5 以上的死亡者是吸入高温烟尘和 有毒气体昏迷后而致死，9 5 的财产毁于高温烟气【5 l 。另外，研究者在对美国中庭建筑 火灾调查时发现，即使中庭没有明显的火焰传播，也会有高温有毒烟气迅速扩散、充满 整个空间，并且向整幢建筑物蔓延。 因此，设计一种合理的中庭烟气控制系统是必不可少的。 1 1 3 中庭建筑的分类 中庭作为整体建筑的一部分，它随建筑物形式的变化和使用功能的不同，可以具有 不同的形式。目前，世界上也出现了各式各样的中庭建筑。与此同时，对中庭的分类也 存在许多不同的标准，并将中庭分成了许多不同种类。大致可将其归纳为以下几种分类 方法： ( 1 ) 根据中庭与附属建筑结构关系划分陈7 l 根据中庭与附属建筑结构关系，一般可分为五种常见形式：核心式中庭、开敞式中 庭、长廊式中庭、多个中庭及部分中庭。如图i i 所示。当然这五类中庭建筑也不是独 立的，它们中问也有相互组合的情况。实际上大多数中庭建筑是这几种形式的组合，且 往往不能简单将其归入某一类型。 2 1 绪论 皤鸭 核心式中庭开敞式中庭 长廊式中庭 多个中庭部分中庭 图1 1 根据中庭与附属建筑结构关系的分类 核心式中庭的特点是中庭被附属建筑所包围。仅从屋顶采光。开敞式中庭的特点是 中庭贴邻于建筑物外侧，至少有一立面部分或全部装采光玻璃窗。这种中庭通常是建筑 物一个宏伟而别致的室内化门厅或花园。中庭靠建筑物外侧，长廊式中庭实际上是一种 加了盖的街道，可称之为室内商业街连拱廊。这种半室外化中庭的显著特点是在其内部 空间具有对流的自然风。现代建筑的迅速发展，中庭形式臼新月异。一幢建筑中含有多 个中庭，中庭空间也不是完全贯穿整幢建筑物，在建筑物下面几层设有中庭或者建筑物 上面几层设有中庭，这些形式的中庭也较为常见。另外还有一类中庭，位于建筑外侧 外围式中庭。 ( 2 ) 根据中庭空间的形状系数划分【墨9 1 o ，“】 为了综合考虑中庭横截面面积和高度对烟羽发展的影响。定义中庭形状系数为中庭 横截面积与高度平方之比，即乒 付2 。该系数反映了中庭火灾烟羽流的受限程度。如 该值大，在中庭高度相同的条件下，中庭横截面面积大烟羽受限程度小；反之形状系数 小，在中庭高度相同的条件下，中庭横截面面积小，烟羽受限程度大。因此，形状系数 反映了烟羽的受限程度。以形状系数作为划分中庭类型的标准，可将中庭划分成如下三 种类型；形状系数小于0 4 的中庭为瘦高型；形状系数在o 4 也之间的中庭为立体型： 形状系数大于2 的中庭为扁平型。不同类型中庭形状系数的取值范围，值得进一步探讨。 我国的立体型中庭和瘦高型中庭较为普遍，扁平型中庭则相对较少。 ( 3 ) 根据防火分隔设计划分【1 2 】 屏蔽型中庭部分屏蔽型中庭回廊型中庭开敞型中庭 图1 2 根据中庭与相邻空问关系的分类 3 西安科技大学硕士学住论文 从建筑防火、防排烟及中庭火灾危险性的角度，我们可将国内常见的中庭分成四大 类。如图1 2 所示。 屏蔽型中庭 屏蔽型中庭是指中庭与其周围建筑间使用内幕墙隔断，内幕墙通常采用硼硅酸盐玻 璃或膨胀防火玻璃。这类中庭的特点是中庭与周围的建筑物之间相对独立，即使中庭发 生火灾，火灾烟气也难进入周围的邻室区域。 屏蔽型中庭在划分防火分区时，常作为一个独立的防火空间。而且，这类中庭与其 周围的邻室区域设有相互独立的防捧烟系统。当火灾发生在中庭内部时，可以充分利用 流动的自然风，利用“烟囱效应 进行排烟；在自然排烟无法满足要求的情况下，可以采 用机械排烟方式。平时，捧烟风机可用于中庭的换气发生火灾时用于排烟。当火灾发生 于周围的邻室区域时，由于周围的邻室区域与中庭相对独立，没有空气流动，此时的火 灾防排烟措施就与普通建筑的火灾防排烟措旌一致。 回廊型中庭 回廊型中庭是指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。回廊是 这类中庭建筑非常重要和敏感的部位。在火灾情况下，如果回廊里的防火墙分隔不合理 或耐火极限达不到要求，就可能造成烟气和火焰蔓延到整个空间；同时，回廊就不可能 起到有效疏散人群的作用。在回廊型中庭的消防设计中，应充分利用这个重要的区域， 在中庭与其周围建筑物的使用区域之间形成一道屏障，使之成为烟气扩散和火焰蔓延的 “缓冲区”。 回廊型中庭一般可设置集中排烟系统采用自然或机械排烟方式进行捧烟，排烟机和 摔烟口由中央控制室集中控制，平时排烟风机可用于中庭的通风换气。对于回廊这一重 要的“缓冲区”，除了进行合理的防火分隔( 防火区域之间应有防火墙或防火卷帘及水幕分 隔) ，还应在各楼层的回廊边缘设由感烟探测器启动的活动挡烟垂壁或做成建筑内永久 构件的固定式垂壁。 当火灾发生在中庭时，可以通过中庭顶部的排烟口自然排烟或开启排烟风机进行强 制排烟；同时，开启回廊内的排烟系统排除回廊区域的烟气，保证回廊这一重要疏散通 道的安全。 火灾发生在中庭周围的邻室时，火灾生成的热烟气很难控制在起火问这个小范围 内，热烟气将向四周扩散，包括中庭。这种情况下，在开启起火问排烟系统的同时应开 启相连回廊内的排烟系统，这样既可以保证回廊的安全，又可以防止烟气进入中庭。当 起火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。 楼层开敞型中庭 楼层开敞型中庭是指中庭与其周围的楼层区域是互通的，整个建筑是一个统一的空 l 绪论 问，各楼层通过中庭这一竖向空间发生直接联系。这类中庭与其周围建筑之间设有水幕 系统和防火卷帘尽管如此，这类中庭建筑在发生火灾时，烟气的控制以及防止火焰的 蔓延都是很不容易实现的。 根据火灾烟气捧出的途径，可以将楼层开敞型中庭的防排烟方式分成以下两类： 幻通过中庭摊烟 这种排烟方式是指火灾烟气通过中庭的排烟口以自然排烟或机械排烟的方式排出 建筑。当火灾发生在中庭的地面时，为了防止中庭内上升的烟气窜入中庭周围的楼层区 域，应对中庭周围的楼层正压送风。当火灾发生在中庭周围楼层时，为了防止烟气进入 未着火层区域，应对中庭周围的未着火层正压送风。如图1 3 所示。 蓁 图1 3 火灾烟气通过中庭排烟示意图图1 4 火灾烟气通过中庭周围楼层排烟示意图 ”通过中庭周围楼层排烟 这种捧烟方式是指火灾烟气不通过中庭而直接排出建筑，通常对于火灾发生于中庭 周围邻室时适用。发生火灾时，着火层排烟系统投入运行，其它楼层空调机组转入正压 送风状态工作，从室外直接抽入空气对中庭加压，阻止烟气进入中庭空间( 若有少量烟 气进入中庭，可通过中庭捧烟系统排出) 。如图1 4 所示。 以上三种中庭形式并不是完全独立的，在实际的建筑中，它们相互组合形成各种不 同的空间形式，如屏蔽型与回廊型的组合、楼层开敞型与回廊型的组合等。由于中庭组 合形式的多样性，给中庭建筑的防火和烟气控制造成了很大的困难。这里，我们仅给出 了单一形式中庭的烟气控制措施；在实际的设计和应用中，应根据特定的中庭组合形式 采用相应的烟气控制措施。 1 1 4 问题的提出 高层民用建筑设计防火规范( g b 5 0 0 4 5 - 9 5 ) ( 以下简称高规) 对中庭排烟设 计有如下规定【1 3 】： ( 1 ) 适用性：一类高层建筑和建筑高度超过3 2 m 的二类高层建筑的中庭应设排烟设 施；( 2 ) 自然排烟：净空高度小于1 2 m 的中庭可采用自然捧烟，其可开启的天窗或高侧 5 西安科技大学硕士学位论文 窗的面积不应小于该中庭地面积的5 ；( 3 ) 机械排烟：净空高度大于1 2 m 的中庭应安装 机械排烟系统。排烟量以中庭体积为单位，按换气次数确定。中庭体积小于1 7 0 0 0 m 3 时， 其排烟量按其体积的6 次m 换气计算；中庭体积大于1 7 0 0 0 m 3 时，其排烟量按其体积的 4 次m 换气计算；但最小排烟量不应小于1 0 2 0 0 0 m 3 h 。 上述规定是当前排烟设计的主要方法，是消防设计人员进行摔烟设计的重要依据。 但是，在实际应用中发现，上述方法在某些情况下存在一定的局限性。主要有： ( 1 ) 该方法以中庭体积作为计算排烟量的依据，未考虑相同体积不同高度中庭之间的 区别，而这一区别显然会在一定程度上影响烟气的流动和捧烟量的大小。 ( 2 ) 未考虑不同性质中庭火灾荷载多少的区别。例如办公楼内的中庭和商场内的中庭 可燃物的多少可能相差很多。可燃物多，火灾规模会比较大，排烟量也应该较大，反之 则火灾规模较小，排烟量也应该较小。如果不加以考虑显然不合理。 ( 3 ) 针对当前出现的一些大体量的中庭，按照上述规定设计的排烟量非常大，实际工 程中实现困难。 ( 4 ) 在消防设计中，排烟系统不是一个完全独立的消防系统，它与其他消防系统密切 相关。例如自动灭火系统、火灾报警与控制系统等。对于一个配备了自动灭火系统的空 问和一个没有灭火系统的空间来说，火灾规模是不一样的，因此排烟量的设计也应该有 所不同。另外排烟系统采用不同火灾报警联动控制方式，捧烟的效果也会有很大的不同。 因此，有必要针对目前中庭排烟设计方法的局限性进行深入的研究和讨论，以解决 排烟设计中面临的许多问题。进一步深入细致开展中庭建筑烟气流动与烟气控制的研 究。围绕发展性能规范，开展中庭烟气控制性能化设计方法研究，开展中庭火灾烟气流 动数学模型及计算机模拟研究，具有极其重要的现实意义。 1 2 性能化建筑防火分析与设计的国内外发展状况 1 2 1 性能化建筑防火设计方法的提出与兴起 随着社会经济的飞速发展和建筑科技的长足进步，具有新的设计概念和结构形式的 公共建筑不断涌现，成为城市建设与发展的特色标志。然而这些新型建筑对现行的建筑 防火设计规范提出了巨大的挑战。以防火分隔为例，由于大型公共建筑使用功能的限制， 在正常使用情况下，其内部空间是不允许进行分隔的，而传统的防火设计规范限制防火 分区面积必须小于一定值的做法显然与此相悖。 实际上，建筑消防的各个环节是一个有机的整体，单纯孤立强调某一环节并不能保 证整个建筑物的安全，因此迫切地需要建立一种依据特定建筑物的火灾特性的更安全、 合理的新型建筑防火设计方法。自2 0 世纪7 0 年代起，世界上一些发达国家就开始对以 火灾特性为基础的建筑防火设计方法进行系统研究。从8 0 年代开始，随着火灾科学研 6 1 绪论 究和计算机火灾模拟技术的发展，国际消防科学界就提出了“以性能为基础的防火设计” 新概念，并开始对传统沿用的“处方式”的建筑防火设计法规体系进行改革，提出制定“以 性能为基础的防火规范”的新思路。性能化防火规范只对建筑物要达到的消防安全目标、 性能要求和设计时所需遵循的原则、方法等进行规定。澳大利亚、新西兰、加拿大、日 本、英国、美国、瑞典、芬兰、香港等国家和地区相继开展了性能化防火的理论研究及 实际应用，取得了不同程度的进展，一些相对成熟的方法已经投入实际使用1 1 “。尽管 不同国家进行性能化防火设计采取的方式和步骤不同，但各国都是以火灾安全工程学的 思想为指导，以建筑物的火灾危险性和经济评估为手段，以达到建筑物的总体防火安全 为目的，并充分利用现代科技的成果来改进建筑物的防火设计。 1 2 2 性能化防火设计方法与传统防火设计方法的比较 传统防火设计规范又称为“处方式”防火设计规范。规范以条文的形式规定出各类建 筑的防火分区、安全疏散、消防给水、防摔烟及报警系统等设计参数和技术指标。设计 人员根据所设计的建筑物形式，结合个人的实践经验“对方抓药”制定出设计方案。一般 情况下，设计者只要按照规范规定进行设计，就认为该建筑的防火安全符合要求。 事实上，每座建筑的用途、结构、内部可燃物的数量和分布，以及内部人员构成都 不一样，因此设计时强行采用原则上统一的参数指标，所获得的设计方案并不一定是最 科学、最合理、最有效的方案，同时也无法评估该设计方案的实际防火安全程度。此外， 传统的建筑设计方法将消防分散到各个独立的工种中进行，如由建筑、结构、电气、给 捧水、暖通等各专业人员对各自部分进行设计，最后的结果不是建筑造价大幅度的提高， 就是由于某一环节出问题而导致建筑整体消防性能的降低。而且设计人员只能根据规范 办事，毫无创造的空间，大大制约了建筑艺术和建筑形式多样化的发展，也不利于消防 新技术和新产品的推广使用。更重要的是我们无法确切地知道“安全”的具体指标到底是 多少，以及为满足这种安全的建设投入与所能达到的安全性能水平之间具有多高的投资 效益比。 性能化防火设计方法是建立在消防安全工程学基础上的一种新的建筑防火设计方 法。它不是根据确定的、一成不变的方法进行设计，而是运用消防安全工程学的原理和 方法，根据建筑物的结构、用途和内部可燃物等方面的具体情况，考虑火灾本身发生、 发展和蔓延的基本规律，结合实际火灾中积累的经验，通过对建筑物及其内部可燃物的 火灾危险性进行综合分析和计算，从而确定性能指标和设计指标；然后再预设各种可能 起火的条件和由此所造成的火、烟蔓延途径以及人员疏散情况，来选择相应的消防安全 工程措施，并加以评估，核定预定的消防安全目标是否已达到；最后再视具体情况对设 计方案作调整、优化，实现火灾防治的科学性、有效性和经济性的统一，为建筑物提供 最合理的防火保护。它的主要思想是在消防设计时仅提出建筑消防安全所需要的性能要 7 西安科技大学硕士学位论文 求或指标，而不直接要求设计人员为此而必须采用某些特定的解决方法。如何达到这一 指标要求，采取什么样的工程措施则由设计人员自己确定，但是设计人员最终要向审核 人员证明其所选择的工程解决方法是安全可靠的，所采用的设计计算方法是得到公认 的，审核人员也要利用相应的评估工具检验设计方案是否达到安全目标。因此性能化防 火设计具有三大特点：安全目标的确定性、设计方法的灵活性和评估验证的必要性。实 现性能设计的所必需的三个要素是：性能规范；技术指南；评估模型。 传统的“处方式”防火设计方法，其基于场所类型进行设计考虑，对于我国的建筑物 防火起到了积极的作用。而性能化防火设计方法，它立足于危害分析及火灾假想，对于 解决超规范或现行规范无法解决的复杂建筑的消防设计具有很大意义。性能化防火设计 方法目前主要运用在高价值场所，高价值体现在人员价值( 大型公共建筑) ，高财产价值 ( 高技术生产产业) ，高社会价值( 文物古迹场所) 及高商务连续性价值场所( 电讯通信场所) 1 1 6 1 7 ，1 5 ，埘 1 2 3 国内外中庭烟气控制研究状况 在国外，n i s t 、n f p a 等组织和一些学者早就开始对大空间机械排烟进行了大量的 研究1 2 0 1 。目前具有代表性的设计指南包括：美国国家消防协会( n f 队) 颁布的有关商业街、 中庭以及大空间烟气控制系统设计1 2 l 】( 如：n f p a9 2 b ) ；英国建筑研究所( b r e ) 消防研 究中心颁布的中庭建筑烟气控制设计方法。 n f p a9 2 b 中的烟气控制性能化设计方法是以区域模型和自由发展的轴对称锥形 烟羽流为理论基础，是由房间火灾模型发展而来。这种由小型火灾实验得到的烟羽流理 论运用于中庭这样的大空间，其适用的范围和可靠性还有待进一步研究。若着火点不 是位于中庭的中心，烟羽流受近壁的影响，羽流不具对称性；高而窄的中庭，烟羽流上 升过程中，发展受限，烟羽结构也会受影响。 n f p a9 2 b 有关烟层界面计算公式建立的四个前提条件： ( 1 ) “规则模型”，即中庭横截面积不随高度的变化而改变； ( 2 ) 烟羽流成圆锥形上升，且能上升到顶棚； ( 3 ) 烟气在顶棚形成烟气层； ( 4 ) 烟气的填充过程是可以预测的。 计算机模拟的研究方法可以分为三个阶段：第一阶段，经验模拟。人们通过搜集、 测量和分析建筑物火场和模拟实验的数据，用计算机对这些数据进行处理，总结出经验 公式，借助计算机的数据库功能、图形和图像功能，便可以方便而形象的认识建筑火灾 过程。第二阶段，半经验模拟。利用一些经验数据和经验公式，通过对控制火灾过程的 一组常微分方程进行数值求解获得一些火灾过程参数。该设计方法以区域模型为理论依 据，根据火灾强度确定排烟系统的排烟量，保持足够的烟层界面高度以确保人员安全疏 8 1 绪论 散。美国国家消防协会( n f p a ) 颁布的商业街、中庭及大空间烟气控制系统设计指南 n f p a 9 2 b 就是采用这种方法，该方法被美国国家建筑规范b o c a 和统一建筑规范i c b o 采用：第三阶段，借助于c f d 火灾场模型进行设计评估，该方法随着火灾模型和计算 机技术的发展而产生的，目前正处于发展中。 预测火灾中烟气的性状，首先要研究火灾的发展过程。近几十年来，火灾动力学的 研究取得了重大进展，人们对于室内火灾的各个主要阶段已经有了较清楚的了解，并得 到了一些关于烟气羽流、烟气顶棚射流等较成熟的计算公式。 在过去十几年里，火灾模化经过了区域模化、场模化到网络模化和场区网复合模化 的发展，从过去的以理论研究为主体向注重实际应用。国外在火灾模化理论成果的基础 上，已开发出一批具有实用价值的计算机火灾模型和消防安全评估软件，例如美国的 h a z a r d 、c f a s t 、f d s ，加拿大的f i r e c a m ，英国的j a s m i n e 、s m a r t f i r e ，澳大利亚 的c e s a r b - r i s k ，日本的b r i ，德国的k o b r a 与d 等等，场模型软件较为有名的 有c f x 、f l u e n t 、s t a r - c d 等。而专业用于消防的软件已经实用化，包括p h o e n i x 和f d s 2 2 2 3 ，2 4 , 2 5 1 。 我国在2 0 世纪7 0 年代，开展了中庭火灾实验。从查阅的文献来看，烟气控制理论 研究在2 0 世纪8 0 年代开始起步，近来发展较快。在“八五”、“九五”期间对高层建筑楼 梯间、地下商业街和大空间建筑的烟流特性与控制技术进行了研究，取得了一些重大成 果。中国科技大学与香港理工大学合作建成了大空间( 中庭) 火灾实验厅。中国科学技 术大学火灾科学国家重点实验室大空间项目组曾对中庭式大空间建筑火灾自然填充、自 然排烟和机械排烟做过一系列的实验研究，并进行了大量有关大空间建筑火灾特性的的 基础研究，开展了大空间建筑消防新技术方面的研究，取得阶段性研究成果【2 6 , 2 7 1 。重庆 建筑大学严治军、刘方运用图论来求解建筑火灾烟气流动性状，并对中庭的烟气进行了 分析闭。 我国目前还没有一套完善的法规管理中庭烟气控制系统设计，现行的高层民用建 筑设计防火规范中有一些关于中庭建筑的规定，但对中庭的定义不够明确，对形式多 样的中庭要求过于单一，特别是中庭排烟量的计算，仍然采用已被国外淘汰的换气次数 法。根据国内已经取得的研究成果，并借鉴国外的设计与研究方法，需要进一步深入地 开展中庭建筑的火灾烟气流动和烟气控制的研究： ( 1 ) 火灾燃烧的基础研究，如：中庭常见可燃物的危险参数研究、中庭火灾发展模型 研究，研究、归纳中庭火灾情况下的放热量等。 ( 2 ) 中庭各种防、捧烟方式和喷淋系统综合作用下的防、排烟效果研究。 ( 3 ) 研究、归纳中庭烟气控制性能化设计的性能化目标和性能化设计指标，制定性能 化设计规范，性能化设计指南等。 ( 4 ) 开发计算机模拟软件，一是做计算机模化的实验研究，二是为设计人员提供中庭 9 西安科技大学硕士学位论文 烟气控制性能化设计时辅助设计工具软件。 ( 5 ) 研究如何将实验成果工程化，归纳总结出性能化设计计算公式实地调研和统计需 要的基础数据，建立有关数据库等。 1 3 本课题的研究内容 研究主要内容包括如下几个方面： ( 1 ) 实地调查国内十多家大型商场的中庭，分析目前中庭类建筑的概况、中庭类建筑 的分类和存在的火灾危险性，并探讨中庭建筑的火灾特点； ( 2 ) 分析中庭火灾烟气的特点，并详细介绍中庭防排烟的基础理论研究； ( 3 ) 开展以木垛作为火源的大空间实体火灾实验研究，分析大空间火灾烟气特点，研 究在自然填充和机械排烟条件下大空间火灾烟气流动的规律，并验证f d s 程序在大空 间中的应用； ( 4 ) 研究分析影响中庭烟气层高度和烟气温度的基本影响因素，并对某大型购物中心 中庭进行烟气控制系统性能化分析。 l o 2 中庭火灾烟气的特点及中庭防排烟的基础理论 i i i _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ _ _ _ 置_ _ _ _ 暑_ | _ - 暑| _ _ i i _ | l i _ _ _ 一 2 中庭火灾烟气的特点及中庭防排烟的基础理论 2 1 火灾烟气的特点 图2 1 反映了火灾特性对人员疏散的主要影响。其中火灾中产生的热与烟是对安全 疏散影响最大的两个因素。 2 1 1 烟气 图2 i 火灾特性对安全疏散的影响 表2 1 1 9 7 9 - 1 9 9 0 年美国火灾死亡人数分类表 年份总数烟气致死火烧致死其它 1 9 7 95 9 9 8 3 5 1 5 ( 5 8 6 )2 2 6 2 ( 3 7 7 )2 2 1 ( 3 7 ) 1 9 8 05 8 2 2 3 5 1 5 ( 删) 2 0 7 9 ( 3 5 7 )2 2 8 ( 3 9 ) 1 9 8 15 6 9 7 3 5 0 1 ( 6 1 4 )2 0 4 8 ( 3 5 9 )1 4 8 ( 2 6 ) 1 9 8 25 2 1 0 3 3 9 6 ( 6 5 2 坳 1 6 8 3 ( 3 2 3 坳1 3 0 ( 2 5 呦 1 9 8 35 0 3 9 3 2 4 5 ( 6 4 4 0 句1 6 5 4 ( 3 2 8 )1 4 0 ( 2 8 ) 1 9 8 45 0 2 2 3 2 7 7 ( 6 5 2 )1 6 2 5 ( 3 2 朋叼1 2 1 ( 2 钙句 1 9 8 54 9 5 23 3 1l ( 6 6 9 1 4 9 8 ( 3 0 3 )1 4 3 ( 2 9 ) 1 9 8 64 3 8 5 3 3 2 8 ( 6 8 8 叼1 4 1 5 ( 2 9 3 9 句9 2 ( 1 9 ) 1 9 8 74 7 1 0 3 3 0 7 ( 7 0 2 )1 3 0 1 ( 2 7 6 坳1 0 2 ( 2 2 ) 1 9 8 8 4 9 6 5 3 4 8 0 ( 7 0 1 ) 1 3 7 8 ( 2 7 8 柳1 0 6 ( 2 1 ) 1 9 8 94 7 2 3 3 3 0 8 ( 7 0 o ) 1 3 11 ( 2 7 8 ) 1 0 3 ( 2 2 ) 1 9 9 04 1 8 1 2 9 8 6 ( 7 1 4 ) l1 3 8 ( 2 7 2 ) 5 7 ( 1 4 ) 据国内、外各相关统计资料表明，火灾时人员生命最大的危险来自火灾所产生的烟 气。7 5 8 5 死亡人员都是因为火灾时无法及时疏散到安全区域，被烟气中携带的可 1 l 西安科技大学硕士学位论文 1 i i i i i i i i 一 燃物颗粒及毒性气体窒息或中毒致死。 美国在1 9 7 9 1 9 9 0 火灾死亡人员有着较详细的分类统计( 见表2 1 ) 。从表中可以看 出，烟气致死人数占总死亡人数的7 0 。十二年间，烟气致死人数呈递增形势，每年约 增加l ，按这个比例数预计，1 9 9 3 年、1 9 9 4 年烟气致死人数应占总死亡人数的3 4 。 从表中还可以看出，由于各方面加强了防火措旅，总死亡人数下降了3 0 ；火烧致死人 数下降了5 0 ；其它意外伤亡下降了7 4 ；而烟气致死人数仅仅下降了1 5 ，说明对 烟气的防护措施仍是一个待解决的薄弱环节。 一般说来，火灾烟气的危害主要有缺氧、毒害性、减光性和恐怖性等。火灾烟气的 毒害性、减光性是生理上的危害、而恐怖性是心理上的危害。 ( 1 ) 火灾烟气的毒害性 裹2 2 若干有毒气体的毒性增大序列例 ( 注：e c 为有关组分的有效浓度，l c o 是第一次观察到死亡时的浓度。l f 人，m ；老鼠，f 野鼠， g p g = 几内亚猪) 烟气中含有大量没有完全燃烧的组分，而且含有很多有毒、有害组分，如c o 、h c n 、 2 中庭火灾烟气的特点及中庭防排烟的基础理论 s 0 2 是其中的主要毒性组分。 近年来，随着石油化学工业的发展，高分子材料品种日渐增多，应用也越来越广泛， 有的作为建筑材料，有的作为室内装饰材料，普遍使用于高层、地下建筑等处。这些材 料质轻、美观、施工方便。但从消防角度看，大部分是易燃可燃材料，它们在高温条件 下释放的有毒、有害组分要比天然材料高得多，因而对人员安全的威胁更为严重。了解 不同物质的燃烧产物，对于正确选用建筑材料和装修材料是十分必要的。表2 2 列出了 若干常见气体的毒性极限。 火灾中的热分解产物及其浓度因燃烧材料不同而有所区别。由于可燃物各组分的热 解产物种类和生成量比较复杂，其中的有毒、有害组分对人体的影响也有较大差异，在 消防安全分析预测中很难准确地定量描述。因此，工程应用中通常采用一种有效的简化 处理方法：如果烟气的减光度不大于0 1 m 1 ，则视为各种毒性燃烧产物的浓度在3 0 m i n 内将不会达到人体的耐受极限。 ( 2 ) 缺氧 缺氧可认为是气体毒性的一种特殊情况。燃烧是一种氧化反应，当建筑物发生较长 时间的火灾燃烧后，其中的氧含量大大降低。数据表明，若仅仅考虑缺氧而不考虑其它 气体影响，当含氧量降至1 0 时就可对人员构成威胁。但在实际火灾中，除了氧含量减 小所造成危害外，往往还伴随c 0 2 、c o 和其他组分的危害，它们的综合作用影响可能 更为严重。 ( 3 ) 火灾烟气的遮光性 火灾烟气中往往含有大量的固体颗粒，从而使烟气具有一定的遮光性，这将大大降 低建筑物内的能见度，以致严重影响人员疏散和灭火行动。此外烟气中的氨( 1 q i - 1 3 ) 、氟 化氢。二氧化硫( s 0 9 等的刺激性气体，使人的眼睁不开，增加了中毒或烧死的可能 性。 一般烟气浓度较高则可视度降低，逃生时确定逃生途径和做出决定所需时间都会延 长。表2 3 给出了适用于普通房间和大面积区域的最低减光度。为了确定逃生方向需要 看待更远，因此大面积区域内要求减光度更低。 表2 3 适用于普通房间和大面积区域的最低藏光度 ( 4 ) 火灾烟气的恐怖性 发生火灾，特别是发生爆燃时，浓烟滚滚，使人们的心理产生恐怖感，有的失去活 动能力，瘫倒在地，常常造成疏散混乱；有的甚至失去理智，盲目跳楼，造成不必要的 伤亡 1 3 西安科技大学硕士学位论文 ( 5 ) 热烟尘造成的毒害 火灾中的热烟尘是由燃烧析出的碳粒子、焦油状液滴以及房屋倒塌时扬起的灰尘所 组成。这些烟尘吸入呼吸系统后，堵塞刺激内粘膜，其毒害作用随烟尘的温度、直径大 小不同而不同，其中温度高、直径小、化学毒性大的烟尘对呼吸道的损害最严重，烟尘 直径在5 p m 左右，一般只停留在上呼吸道；3 1 t t m 左右的进入支气管；l l t t m 的烟尘会进 入肺泡组织。进入呼吸道的烟尘会由于气管壁上的纤毛运动被输送到咽头，而咳出或吞 入胃内。 2 1 2 高温 尽管大部分火灾伤亡源于吸入有毒烟气，但火灾最明显的危害仍在于其产生大量的 热量，其中一部分由烟气携带。 ( 1 ) 热辐射 火灾高温烟气会辐射出大量的热量。根据人体对热辐射耐受能力的测试研究数据， 人体对烟气层等火灾环境的热辐射的耐受极限为2 5 k w m 2 ，相关试验结果见表2 4 ，辐 射热强度为2 5 k w m 2 的烟气其温度大致在1 8 0 c 2 0 0 c 。 表2 4 人体对辐射热的耐受极限 ( 2 ) 对流热 人体皮肤温度约为4