底层设有商业服务网点的高层居民住宅楼消防安全问题研究

张 军，周德闯，汪 箭＊

（1.合肥市消防支队，合肥，230000；2.中国科技大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026）

0 引言

随着经济社会的飞速发展，城市土地资源日趋紧张，高层建筑已经逐渐成为城市建筑中最主要的建筑形式，而底层设有商业服务网点的高层居民住宅楼由于兼具商业和居住的功能，越来越受到开发商和用户的青睐。《高层民用建筑设计防火规范》（GB50045－95）对底层设有商业服务网点的高层居民住宅楼、高层商住楼和综合楼分别进行了说明和规定［1］。

（1）底层设有商业服务网点的高层居民住宅楼：住宅底部（地上）设置的百货店、副食店、粮店、邮政所、理发店等小型商业服务用房，该用房层数不超过二层。建筑面积不超过300m2，采用耐火极限大于1.5h的楼板和耐火极限大于2.0h且不开门窗洞口的隔墙与住宅和其它用房完全分隔，该用房和住宅的疏散楼梯和安全出口应分别独立设置；

（2）高层商住楼：底部商业营业厅与住宅组成的高层建筑、商住楼的形式，一般是下面若干层为商业营业厅，上面为塔式普通或高级住宅；

（3）高层综合楼：由二种及二种以上用途的楼层组成的公共建筑，综合楼组合形式多种多样，常见的形式为：若干层作商场，若干层作写字楼层（办公用），若干层作为高级公寓；若干层作银行经营金融业务，若干层作旅馆，若干层作办公室等等。

由于对商业服务网点的使用需求不尽相同，很多业主在购买、承租商业服务网点后，根据自身的使用需求改建、扩建了原有的建筑平面布局，由此带来了较为突出的消防安全问题，给城市的消防安全管理增加了不确定因素。

1 底层设有商业服务网点的高层居民住宅楼的特点及存在的问题

随着社会经济的需求变化，一些已经建成的“底层设有商业服务网点的高层居民住宅楼”因经营者的需求，从内容到形式上发生了许多变化，主要有以下几种形式：

（1）规模上，“底层设有商业服务网点的高层居民住宅楼”建成后，因业主经营需要而加大规模，将几个原有的300m2以下的商业服务网点打通，增大了经营面积，往往超过300m2的经营面积限制；

（2）空间上，“底层设有商业服务网点的高层居民住宅楼”原设计的商业服务网点层高设计为5至7米，业主在使用经营过程中，将一层改建成两层，两层改建成三或四层，不仅导致经营面积超过了300m2的限制，而且经营层数也超过了二层的经营限制；

（3）用途上，“底层设有商业服务网点的高层居民住宅楼”的商业服务网点经营者将原有功能改变，出现了歌舞娱乐、老年公寓、幼儿园、餐饮、旅馆、办公等公共活动场所；

上述“底层设有商业服务网点的高层居民住宅楼”的建筑虽然因各种原因发生了许多变化，但其仍具备以下特点：有住宅、有商业；住宅和原有“商业服务网点”的安全出口、疏散楼梯仍然完全独立。由于“商业服务网点”发生了许多变化，往往改变了建筑物的整体性质，如经营面积、经营空间、使用功能的变化，导致整栋建筑不再是“底层设有商业服务网点的高层居民住宅楼”，而是变成了高层商住楼、高层综合楼。

从规模上说，“底层设有商业服务网点”的高层居民住宅楼中对商业服务网点的面积限定是不超过300m2，一旦超过了，就不再是“底层设有商业服务网点的高层居民住宅楼”了。按照《高层民用建筑设计防火规范》（GB50045－95）（2005年版）中的规定，该建筑已变性成商住楼、属于公共建筑，其消防设计标准以及对消防设施的要求按照规范也发生了相应的变化。例如，对一栋每层建筑面积为1600m2“底层设有商业服务网点的”十八层住宅（层高3米）来说，当底层商业服务网点因面积扩大超过了300m2时，整栋楼的性质已由二类高层住宅变成了一类高层公共建筑。随之，建筑物的耐火等级、疏散楼梯的形式、安全出口设置方式、安全疏散距离、自动消防设施、消防供配电等系统均应按照一类高层公共建筑的要求予以调整。

从空间上说，“底层设有商业服务网点的高层居民住宅楼”的商业服务网点，业主在使用经营过程中，将一层改成二层或三、四层，导致经营面积超过了300m2或者层数超过二层的规定，导致“底层设有商业服务网点的高层居民住宅楼”变性成商住楼，也带来了同样的消防设计问题。

从用途上看，“底层设有商业服务网点的高层居民住宅楼”中的商业服务网点的用途大致分为三类：一是按规范中对“商业服务网点”的功能要求进行使用。例如：开理发店、粮店、小经营场所等；二是设置成小型的公众聚集场所。例如：开小饭店、小宾馆等；三是设置成歌舞厅、网吧、老年公寓、托儿所、幼儿园等场所。对于第一种使用的功能来说，符合消防技术规范的要求，没有带来安全隐患。对于第二种、第三种使用功能来说，功能用途的改变不同于扩大“商业服务网点”的经营面积和增加层数，如果说后者是形式上的变化，那么功能用途的变化就是内容上的变化，导致“底层设有商业服务网点的高层居民住宅楼”变性成商住楼或者综合楼。由于商住楼或者综合楼属于公共建筑，其消防设计标准也随之发生变化，同样也会带来建筑物的耐火等级、安全疏散系统的设计、自动消防设施的设计等发生相应调整的问题。

2 底层设有商业服务网点的高层居民住宅楼火灾危险性分析

通过上述分析可以看出，“底层设有商业服务网点的高层居民住宅楼”中的商业服务网点在使用经营过程中，由于经营面积、经营层数、使用功能的变化，导致变性成商住楼或者综合楼，其消防设计标准也随之发生了变化，主要分类情况如下：一是由二类高层居住建筑变性为一类高层公共建筑；二是由一类高层居住建筑变性为一类高层公共建筑；三是由二类高层居住建筑变性为二类高层公共建筑。针对第一种情况，我们应当予以坚决制止，不予同意和审批，应要求建设方恢复原状；对于第二、三种情况，由于建筑本身耐火等级未变，安全疏散系统的消防设计仍然保持居住部分和商业部分完全独立，仅考虑消防设施的消防设计要求如何调整即可。因此，应当具体情况具体分析。

对于一类高层居住建筑变性为一类高层公共建筑来说，按照规范要求，其商业服务网点在前期已设置自动消防设施，不会因为性质的改变而增设消防设施，因此，本文不予讨论。而对于二类高层居住建筑变性为二类高层公共建筑来说，按照《高层建筑设计防火规范》（GB50045－95）（2005年版）第7.6.3的规定：二类高层公共建筑的下列部位应设有自动喷水灭火系统：公共活动用房、走道、办公室和旅馆的客房，自动扶梯底部、可燃物品库房；第7.6.4规定：高层建筑中的歌舞娱乐放映游艺场所、空调机房、公共餐厅、公共厨房以及经常有人停留或可燃物较多的地下室、半地下室房间等，应设自动喷水灭火系统；第9.4.3条规定：二类高层建筑中面积大于50m2可燃物品库房、面积大于500m2的营业厅等应设火灾自动报警系统。因此，“底层设有商业服务网点的高层居民住宅楼”中的商业服务网点由于面积扩大、层数增加使用功能改变等原因变性为二类高层公共建筑时，其公共活动用房、走道、办公室、旅馆的客房、可燃物品库房、面积大于500m2的营业厅均应增设自动消防设施（公共活动用房的定义）。但是，在工程实际中，“底层设有商业服务网点的高层居民住宅楼”中的商业服务网点并不是每间网点都增加了经营面积，增加了层数，改变了使用功能，仅仅是几个经营户的经营区域发生了变化，如果只针对变化了的经营区域增设自动消防设施，而对其他的商业服务网点不进行增设，该建筑是否为安全的，本文将重点对此进行讨论。

2.1 火灾模拟场景设置

本文采用FDS场模拟软件对“底层设有商业服务网点的高层居民住宅楼”的底层进行火灾模拟。为了探讨增设自动消防设施对火灾发展过程的影响，本文设计了以下三种工况：

（1）底层商业服务网点改建部位和相邻网点不设置喷淋的情况；

（2）底层商业服务网点改建部位设置喷淋、相邻网点不设置喷淋的情况；

（3）底层商业服务网点改建部位和相邻网点均设置喷淋的情况（工况2水喷淋无法阻止火势蔓延时）。

结合实际底层商业服务网点的房屋构造特征，本文设计了3间相邻的服务网点作为研究对象，每个网点房间长12m、宽8m、高7m，均隔成两层，并设有楼梯。其中两个相邻的网点改建时隔墙被拆除而连通，房间内堆放了摆放可燃商品的两层货架，货架高度为1.2m，货架之间的最小距离为1.5m，且货架的位置不靠近楼梯口。水喷淋系统参照GB50084－2001自动喷水灭火系统设计规范（2005版）［2］中的中危险等级Ⅱ级要求布置，本文根据房间尺寸布置喷头与端墙的最大距离为1.6m，喷头间为3.2m×3.0m的矩形布置，喷水强度按8L／min·m2设计，喷头的动作温度为74℃。构建的场景模型背面剖面图如图1所示。

图1 FDS火灾场景背面视图Fig.1 Rear view of FDS fire scenario

图2 FDS火灾场景正面视图Fig.2 Front view of FDS fire scenario

图2所示为场景的正面视图，每个网点有宽2m、高2m的门，门的左右两侧上方分别设有宽2.5m、高1m的2个窗户，第二层设有宽2.5m×高1.5m的2个窗户。门和窗户全部处于开启状态，室外环境风速设为5m／s，方向为朝着门窗吹进室内的方向。引燃是火灾系统中一个很重要的现象，为分析火灾对相邻网点及第三层住户可能产生的引燃，在着火网点的二层左侧窗户的左侧2m、上方1m处分别设置了热辐射和温度记录点（如图2所示），用于分析记录点的辐射热通量和温度随时间的变化。关于引燃的判据，NFPA［3］建议的易燃物被点燃的临界辐射通量不得超过10kW／m2，程远平［4］等实验测量的木材临界辐射热流约为11kW／m2，以往文献［5，6］提供的实验测量木材点燃的临界温度分布在200℃～540℃范围内。本文基于保守考虑，引燃判据取辐射热通量达到10kW／m2或温度大于270℃。

对构建的火灾场景划分网格，网格元胞的长度取为0.1m，网格总数为315.36万。在火源设置方面，根据 NFPA［3］和《防排烟技术规程》［7］提供的参数，无喷淋的公共场所最大热释放速率可达8MW，无喷淋的超市和仓库最大热释放速率可达20MW。而Bennetts［8］等人开展的实体火灾实验数据显示，在无水喷淋的商业中心存放鞋子的房间最大热释放速率可达40MW，一些专卖店的最大热释放速率可达45MW。为了反映底层商业服务网点可能出现的不同火灾规模的危害程度，本文设计了两种可燃物材料来模拟两种不同火灾荷载情况：第一种为易燃的沙发、泡沫复合内饰材料，采用功率为500kW／m2热源点燃；第二种为密度稍大的云杉、松木类可燃木料，为使木料快速进入燃烧状态，采用了功率为1000kW／m2热源进行点燃。热源位于中间一个货架底层，面积为1m2，引燃持续时间为240s。经过初步模拟结果发现，火灾开始700s后火场从轰燃转向稳定或衰减阶段，因此本文的模拟时间取到900s。

2.2 不同工况模拟结果与分析

2.2.1 工况一：无自动喷水灭火系统

在无自动喷水灭火系统的工况下，两种可燃物材料的火蔓延过程中热释放速率随时间的变化如图3所示。

图3 无水喷淋系统的热释放速率Fig.3 Heat release rate without sprinkler system

当可燃物为沙发等内饰材料时，火灾发生后起火点处货架和相隔1.5m的相邻货架先后被引燃，330s后进入稳定燃烧阶段，此时热释放速率达15MW；700s时由于相隔2.0m的左侧货架被引燃，热释放速率上升达到30MW，此后随着较早引燃的货架开始燃烧殆尽，火势开始逐步减小。火灾发展过程中100s、300s、750s、900s时刻火灾蔓延状态如图4所示。

图4 内饰材料可燃物的火灾发展过程Fig.4 Fire development of combustible interior materials

当可燃物为松木类软木材料时，火灾发生后起火点处货架和相隔1.5m的相邻货架较快被引燃，200s后进入稳定燃烧阶段，热释放速率在25MW上下波动；600s后由于相隔2.0m的左侧货架被引燃，热释放速率接近40MW；700s时二楼货架被引燃，热释放速率快速上升至80MW；由于一楼和二楼可燃物燃烧积聚大量可燃气体，800s后发生轰燃，最大热释放速率达80MW以上；此后，随着货架可燃物的相继燃尽，火灾规模将缓慢步入下降趋势。火灾发展过程中200s、650s、700s、800s时刻的火灾蔓延状态如图5所示。

图5 木材可燃物的火灾发展过程Fig.5 Fire development of wood

图6 室外辐射及温度测量点数据Fig.6 Data of outdoor radiation and temperature measuring point

图6为室外辐射及温度测量点的数据曲线，由于火灾的蔓延发展以辐射引燃占主导，因此辐射测量点的变化曲线及时反映了火灾热释放速率的变化，而室外温度测量点由于受环境风的影响较大，测量点显示的温度较低且变化曲线并不与热释放速率完全对应。由图6（a）可见，当可燃物为沙发等内饰材料时，两个测量点的辐射热通量均低于1.8kW／m2，温度也在140℃以下，远低于临界辐射热通量和温度判据，不足以引燃相邻网点和第三层住户。图6（b）显示，当可燃物为松木类材料时，上部测量点的辐射热通量可达到50kW／m2，轰燃阶段的瞬时温度可达300℃以上，可以引燃第三层住户；左侧测量点的温度较低，但辐射热通量达到10kW／m2并可以维持在该水平，根据临界辐射热流为10kW／m2的引燃判据，认为相邻网点可以被引燃。

2.2.2 工况二：改建网点内设置自动喷水灭火系统

在改建网点设置有自动喷水灭火系统的工况下，两种可燃物材料的火灾过程热释放速率随时间的变化如图7所示。

当可燃物为沙发等内饰材料时，60s时起火货架上方的两个水喷淋头被启动，由于水喷淋系统的抑制作用，火灾热释放速率仅能维持3MW并逐步减小，室内烟气层温度进一步降低；240s时由于货架下方的热源被撤离，可燃物不能维持燃烧而熄灭，热释放速率曲线快速将至零点。此过程中60s、240s时刻火灾发展、水喷淋动作及烟气层温度状况如图8所示。

图7 有水喷淋系统的热释放速率Fig.7 Heat release rate with sprinkler system

图8 内饰可燃物火灾场景水喷淋灭火过程Fig.8 Fire scene of interior combustible materials with sprinkler system

当可燃物为松木类软木材料时，起火点处货架在底部大功率热源作用下快速引燃，40s时货架上方的两个水喷淋头即被启动。在水喷淋系统作用下热释放速率仅能维持5MW，室内烟气层温度逐步降低；240s时除了一层的水喷淋动作外，二层位于楼梯口上方的一处喷淋头也被激活，随着货架下方热源的撤离，可燃物不能维持燃烧而熄灭，热释放速率曲线快速将至零点。此过程中40s、240s时刻火灾发展、水喷淋动作及烟气层温度状况如图9所示。

从以上对工况一的分析可以发现，在不设置自动喷水灭火系统的情况下，当可燃物为内饰材料时，火灾热释放速率最高达30MW后便逐步下降，没有引燃二层货架、相邻网点及第三层住户；当可燃物为木材时，火灾可引燃二层货架，当一层和二层共同燃烧时最大热释放速率可达80MW以上，并引燃相邻网点及第三层住户，火灾危险性较大。对工况二的分析发现，当改建网点安装有自动喷水灭火系统时，无论是火灾规模达30MW的一般火灾场景，还是火灾规模可达80MW以上的极端火灾场景，水喷淋系统均可在火灾发展初期有效抑制并扑灭火灾。因此，工况二在改建网点内安装自动喷水灭火系统已经可以达到及时控制并扑灭火灾的安全要求，无需再进行工况三（即在相邻网点再增设自动喷水灭火系统）的模拟。

图9 木材可燃物火灾场景水喷淋灭火过程Fig.9 Fire scene of wood with sprinkler system

3 结论

本文针对底层设有商业服务网点的高层居民住宅楼的营业网点改、扩建带来的问题，采用数值模拟的方法构建了底层商业服务网点的不同火灾场景。模拟结果显示，当改扩建后的底层商业服务网点存放沙发、泡沫等复合内饰材料时，火灾仅在该网点内蔓延，难以引燃相邻网点及第三层住户；当改扩建后的底层商业服务网点存放松木等可燃材料时，火灾会由网点内的一层蔓延至二层，并可引燃相邻网点及第三层住户，火灾危险性较大；若在改扩建网点按照中危险等级Ⅱ级要求增设自动喷水灭火系统时，不论可燃物是低密度的内饰材料还是火灾荷载较大的木材，自动喷水灭火系统均可在火灾早期有效阻止火势蔓延并扑灭火灾。因此，建议对于底层商业服务网点进行了改扩建的高层居民住宅楼，采取在底层改扩建的商业网点增设自动喷水灭火系统、相邻网点不设置自动喷水灭火系统的消防设计方法，可以满足控火和灭火的消防安全要求。本文的模拟结果可为实际工作中消防决策的尺度把握提供重要的理论支持和数据参考。

此外，随着经济社会的快速发展，各种新、奇、特的建设工程和改扩建工程也必将不断地涌现出来，从消防服务工作方面来说，我们需要从下面两个方面深化认识：

1.从认识上讲，变化代表着发展，而消防是服务，服务的内容和方式要随着发展而改变，针对一些具体问题、具体情况，我们要具体分析，不能一刀切，这是不符合事物发展的客观规律的。

2.从客观上说，建筑工程项目审批、日常监督检查等各个环节要有有机地联系起来，形成一个整体，及时沟通，互通有无，对这类新情况、新问题要及时跟踪掌握，第一时间介入，并进行指导服务，避免火灾隐患的产生，创造和谐安定的消防安全环境。

［1］《高层民用建筑设计防火规范》（GB50045－95）（2005年版）［S］.

［2］《自动喷水灭火系统设计规范》（GB50084－2001）（2005年版）［S］.

［3］Standard for Smoke Management Systems in Malls，Atria，and Large Spaces，NFPA 92B，2005［S］.

［4］张孟君，程远平，张小宏.着火房间相邻可燃物引燃过程及其实例研究［J］.消防科学与技术，2004，23（2）：107－111.

［5］季经纬，程远平，杨立中，等.变热流条件下木材点燃的实验研究［J］.燃烧科学与技术，2005，11（5）：448－453.

［6］季经纬，郝耀华，王玉娥，等.木材在线性增长热流下着火的复合判据研究［J］.安全与环境学报，2009，9（6）：116－120.

［7］《建筑防排烟技术规程》，DGJ08－88－2006［S］.

［8］Bennetts ID，Poh KW，Poon SL，etc.Fire Safety in Shopping Centres［R］.Fire Code Reform Centre Limited，Australia，1998，265.