建筑空间、烟气蔓延与安全疏散距离设定

1、建筑空间、烟气蔓延与安全疏散距离设定曾 杰上海市消防总队摘要：本文通过建筑火灾中烟气在空间里堆积现象规律和人员疏散涉及的因素及特征的揭示，提出了基于在建筑空间和人群基本特性，区分火灾报警、自动灭火、排烟设施的配置情况，根据充烟时间的研判，分类设定不同建筑空间的安全疏散距离的设计指标。主题词：建筑空间 烟气蔓延 安全疏散距离 人民生活的改善必然带来社会公共交流与活动的需求，商场、影院、饭店等大空间公共场所，展览馆、体育馆、图书馆、科技馆等公共建筑和机场、码头、火车站的候机（船、车）楼等大空间建筑的迅猛建设正是当下经济和社会发展的一个显著时代特征，在这些建筑的设计中，常常遇到如何设计合理的安全疏散

2、体系，最大限度地创造人员快捷便利疏散条件的困惑，即有时简单地按照规范处理会抓颈见肘，难以全面符合消防技术标准的规定；有时翻遍规范仍是黔驴技穷，难以用规范指标去约束明显不合理的疏散设计方案。因此，掌握烟气蔓延的规律并正确地引导和控制烟气，研究建筑空间与安全疏散的关系，对消防设计和监督都显得极为重要和必需。1烟气在空间里的堆积现象和规律建筑火灾所伴随着的大量烟气，其堆积规律是火灾科学研究的一项重要内容。建筑火灾的过程可以简单描述如下：先是可燃固体开始燃烧，发生阴燃，当达到一定高的温度并遇到适合的通风条件时，阴燃便转变为明火燃烧，随后，可燃物的燃烧速率迅速增加，在火源上方形成向上流动的烟羽流，当烟羽

3、流受到房间顶棚的阻挡后，便在顶棚下方向四面扩散开来，受到墙壁阻挡后，又开始转向下降沉。通过大量的实验分析，人们逐步认识了烟气在建筑空间里的规律，当室内建筑面积较大的建筑发生火灾后，其烟气和温度场具有以下主要特性：1.1烟气体量特性通常情况下，对于空间高度较高的建筑场所，火灾呈稳定燃烧态势，烟气量产生的大小主要取决于燃烧材料的性质和燃烧状态，除非火灾已造成建筑的轰燃既全室燃烧，烟气量与楼层面积或防火单元体积大小无直接关系。因此，对大空间建筑的排烟量不能简单设定成排烟口面积与楼层面积为一定百分比或以一定每小时换气次数的倍数为总量的简单计算公式。1.2烟气温度特性火灾发生时，高度较低的普通建筑物由于

4、火焰高度与空间高度接近，火和烟几乎融为一体，室内将是几百度的高温热烟环境，而大空间建筑内的烟气区与燃烧区一般都有明显竖向分层，顶部烟气层的温度与燃烧部位的高温大相径庭。即使功率为几个兆瓦（MW），火灾烟气的温度也仅升高2030。因此，在大空间建筑内发生火灾时，烟气的危害主要来自于它的毒性和遮光性。1.3烟气分布特点烟气在向上部升腾堆积的过程中，不断卷吸周围的空气，总的质量流逐渐增加，体积也不断增加，但平均温度和浓度则逐渐降低。在过高的大空间建筑物内，产生的火灾烟缕在空中升降过程中，烟温逐渐变冷，出现降到一定温度时（不超过环境温度的15），而失去它的浮力，停留在半空中的现象，烟气具有层化分布特点

5、。1.4烟气蔓延特点实验过程中，烟气沿大空间建筑顶棚移动水平速度约12m/s。在具有中庭的大空间建筑内一旦发生火灾，由于中庭内没有分隔物，烟气在十几到几十秒内就升到20多米高的顶部，并进一步形成烟气层。在建筑高度不高的建筑里，烟气层的下降速度很快，在中型功率（几百千瓦）火强度条件下约10min就到了对人构成危害的高度。2人员疏散涉及的因素及特征人员在建筑空间内的疏散受到许多因素影响，包括：警觉度、行动能力、所处位置、环境熟悉度、群居的社会性、防灾意识和知识等。这些影响因素造成了复杂的结果，提出了多元的疏散要求。2.1 自身能力人员的疏散能力主要与人的身体状况有着密切关系，如是否有身残腿伤，是否

6、有耳聋眼盲，是否心理脆弱或精神智障都会产生不同的疏散现象；疏散能力还与人的警觉度有关，受报警方式的不同，人员处于清醒还是睡眠状态的不同，对疏散设施熟悉程度的不同等各种情况的影响（人的反应速度与响应时间等警觉能力见表1）；疏散能力还与人的行动能力有关，不同年龄、不同性别的人群的疏散速度其差异性还是很大的，成年人的平面行走速度一般在1.15-1.35m/s，小孩或老人则为0.8-0.9m/s。表1：不同用途的建筑采取各种报警系统的人员确认时间建筑类型及内部人员特征识别时间（min）报警系统类型W1W2W3办公楼、工业厂房、学校（人员处于清醒状态，对建筑物、报警系统和疏散措施熟悉）134商店、展览馆

7、、博物馆、休闲中心及其他公共建筑（人员处于清醒状态，对建筑物、报警系统和疏散措施不熟悉）236住宅、公寓、寄宿学校（人员可能处于睡眠状态，但对建筑物、报警系统和疏散措施熟悉）245宾馆、旅店（人员可能处于睡眠状态，对建筑物、报警系统和疏散措施不熟悉）246医院、疗养院及其它社会公共机构（有相当数量的人员需要帮助）358W1来自闭路电视系统控制室的现场广播，或是配合身着制服训练有素的工作人员所发出的实时指令，所有在场的人员都可以看见或听见这些工作人员和指令。W2非指令性的语言信息，如事先录制好的声音广播系统，或可视警报提示牌与经过培训的工作人员。W3采用警铃、警笛或其他类似报警装置的报警系统。2

8、.2 环境影响火灾环境对建筑内人员的生命安全至关重要，是决定人员疏散成败的非常重要的影响因素，烟的遮光性、CO浓度，火场的温度和辐射强度都是火场的隐性杀手，对人的疏散直接形成威胁，一旦火场环境中这些因素的控制值超过人可耐受条件，将导致人员的中毒或恐慌甚至死亡，引发群死群伤的惨痛事件，建筑的空间特性也相应影响着人员疏散所需的极限指标（见表2）。单双向疏散环境也是一个重要的影响因子，当只有一个方向可供逃生时，势必会引发人员呼吸紧张和急于达到安全区域的紧迫心理，以至于造成可耐受的疏散距离较短的惊恐状况。表2：人员疏散所需的极限指标建筑场所能见度温度CO浓度烟层温度辐射强度候车（船）厅、航站楼 、展览

9、厅、体育馆、影剧院、会堂等公众聚集的高大空间15m40200ppm1802.2kw/m2中庭、大堂、等候厅等高大的厅堂场所；商场、餐厅、大空间办公等使用较大面积的场所10m40300ppm2002.2kw/m2物流中心、工业厂房等高大空间的工业建筑 10m60500ppm2002.5kw/m22.3 疏散条件 图1：移动速度和人员相隔间距的关系人员在疏散过程中，人员的疏散能力和疏散时的心理状态还受到疏散条件的影响和制约。首先，人的移动速度与人员相隔间距是有一定的关系（见图1），在楼梯间内，人平均行走速度一般只能在0.5m/s左右，当环境人员密度过高时，会降低疏散出口的通行流量（见表3），形成拥

10、挤状态，甚至由于人员堆积而出现踩踏等恶性后果。其次，疏散环境中，清晰度也对人员能否快速逃离火场和烟区起着关键作用，烟气的减光和刺激程度会造成环境的不断恶劣，给人员疏散带来困难（见图2），当减光系数大于0.4 （1/m）人员的步行速度将急剧减慢，如果在有刺激性烟气的场所人员的步行速度将减慢并接近于在黑暗处的步行速度。表3：各种拥挤情况下出口的流量设备拥挤情况密度（人/m2）速度（m/min）每米宽度每分钟通过的人数楼梯最小0.5445.6024.25楼梯一般1.0936.4839.50楼梯适中2.0728.8859.19楼梯拥挤3.2612.1639.50走廊最小0.5476.0039.50走廊

11、一般1.0960.8065.79走廊适中2.1736.4878.99走廊拥挤3.2618.2459.19门口通道一般1.0951.6855.95门口通道适中2.3936.4885.48门口通道拥挤3.2615.2049.34图2：烟浓度和步行速度的关系3不同建筑空间的安全疏散距离的设定建筑空间的安全疏散设计必须结合建筑的自身条件和功能布置，充分考虑环境因素和人群特征以及拥挤度影响，分类别、分空间地实现疏散设计的总目标，即确保人员在可耐受环境和可行动的条件下，逃离火场和烟区。为此，必须根据烟气在空间里的堆积现象和规律、人员疏散涉及的因素及特征这些基础依据，保证有效的疏散宽度和设定可允许的最大疏散

12、距离，疏散宽度指标主要是为了防止疏散时相互阻碍，不要产生过分拥挤现象，在疏散宽度已经保证的前提下，最大允许疏散距离就是安全疏散设计中的最主要的控制指标。由于建筑功能的需求不同，不同类型的建筑在设计中，其内部的空间特征一般会有所不同，由此，对其具体安全疏散设计要求的控制指标也应该是不同的。3.1 建筑空间高度低于4m的建筑宾馆、饭店、公寓、学校、医院等建筑，其室内空间高度通常都较低，烟气极易充满全室，加上人员可能处于睡眠状态，要清醒地正常疏散是有困难的，必然会增加人员疏散的危险，因此，只能根据人在应急状态生命可承受的本能来设定允许的疏散指标。一般在烟气环境中，对懂得基本消防逃生知识的人员来说，基

13、于人可以屏住呼吸一口气跑15m的生理条件，一般规定人在房间里从室内任何一点到最近的疏散出口最大允许距离就只能是15m左右，对老弱特殊人员的场所以及环境中人员反应能力较差的娱乐场所或没有设置火灾报警系统的住宅应适当调整为到12m。设有报警系统的或设有喷淋系统的可以适当增加疏散距离。建议采用表4的相关数值控制建筑的最大允许疏散距离。表4 室内空间高度低于4m的建筑最大允许的疏散距离（m）住宅、学校类建筑宾馆、饭店类建筑娱乐、医疗类建筑有报警或有喷淋系统181512无报警且无喷淋系统15129注：1、住宅的室内任一点至户门最大允许的总疏散距离可按上表增加5m； 2、娱乐类系指鼓舞娱乐放映游艺场所；医

14、疗类系指医院、养老院、幼儿园等福利机构。同样道理，对只有一个疏散方向的袋形走道的布局，也应控制袋形走道上的房间门至安全出口最大允许疏散距离控制在表6的相应指标内，对具有不同方向的走道，在烟气可及时处理的情况下，即设有可开启外窗或机械排烟时，由于人员可相对正常地朝烟气流动的反方向疏散，其走道上的房间门至最近的安全出口的最大允许疏散距离就可放宽为40m左右。3.2 建筑空间高度在46m的建筑当建筑空间的高度在46m时，由于建筑空间的储烟条件有限，这类建筑这种空间的疏散距离设计是需要稳妥把握的，尽管疏散时间可能有保证，但考虑人的警觉能力所造成的延时时间，其实际的安全系数就不大，有的还要在排烟系统充分

15、发挥作用的条件下，方可安全疏散，因此就必须合理界定这类场所的最大允许疏散距离。根据2.5MW的火灾规模，在2000m2的储烟仓内，对建筑高度在4m的空间，保持2.5m的清晰高度，其充烟时间一般在34min，因此可提供人员的疏散时间一般也就是1min左右，人在这些时间里也就可以疏散3045m。因此，对设有两个以上不同方向安全出口的商场或大空间办公场所，其室内任何一点到最近的安全出口的最大允许疏散距离也就应该控制在直线距离30m，步行距离45m。对于场所内局部区域至两个安全出口的直线夹角小于30°的，其最大允许疏散距离控制在直线距离12m，步行距离18m。当然，这些指标是基于建筑设有自动

16、喷水灭火系统和火灾自动报警系统等消防设施的前提下的。对于没有这些自动消防设施且建筑高度难以保证大于3min充烟时间的建筑，应严格限制最大允许疏散距离，一般可按照上述的数据减半为宜，即控制在15-22m以内，同时，除面积小于120m2的单元外，尽量不出现只有一个或类似一个安全出口的平面布局。3.3 建筑空间高度高于6m的建筑不少公共建筑由于标志性和功能性的需要，设计为空间较高的场所，这类建筑的高度和空间可以使人员疏散全过程中处于有效清晰环境的情况下，疏散的安全性基本是可以保证，人员可以相对平静正常地离开建筑室内，即人员疏散至安全区域所需的时间（以下简称疏散时间）小于烟气在空间中的保持清晰高度的堆

17、积时间（以下简称充烟时间）。这个目标也是当前消防性能化工作中科学判定安全疏散设计正确与否的标准。一般对于建筑空间高度8m左右的展览厅等大空间场所，按照3MW的火灾规模功率，在3000m2的储烟仓内，保证4m的清晰高度，其充烟时间一般在10min，扣除人的警觉能力所需的8-9min（报警时间加上识别时间），其较为安全的疏散时间也就在1-2min，根据人在人员密集场所的适中疏散移动速度，最大的疏散距离也就在3080m之间。火灾时，滚滚浓烟迅速充满空间是常见的形态，要实现充烟时间可有较高数值，为人员疏散提供安全环境，就必须有一定的燃烧制约条件。首先，建筑中的燃料通常要可受控的，一般要么空间自身就有足够大，且平面布置形成燃料岛或防火舱等可分离的布局，要么是整个建筑平面在自动喷水灭火系统的保护下。其次还需要采取加强的防范技术措施来提高警报反应和维持清晰环境，有的采用火灾自动报警设备，有的采取机械或可开启窗等排烟措施。但这些技术不可能始终生效，也存在不同的安全度，其可靠性的差异会影响实际效果。为了切实保障安全疏散，应该设定报警响应方式影响系数、设备联动影响系数等参数值（见表5）来更合理地修正和更有效地控制需设定的最大允许疏散距离（表6）。表5 室内空间高度大于6m的建筑安全疏散距离设定影响系数表充烟时间（t,min）t1210