关于中庭高层建筑防排烟设计优化分析

姜林　刘昕莹

摘 要：现代社会的进步，建筑行业也带来的新的发展需求，如今高层建筑最注重的就是安全问题。要做好当下的防排烟设计验证工作，确保下序工作结构的协调，做好相关评估验证工作，数值模拟计算、模型试验和现场的热烟测试是常采用的评估和验证方法。

关键词：中庭高层建筑；排烟设计

火灾发生后，从可燃物起火初期至火灾发展全盛期，在可燃物上方形成稳定火焰区、间断火焰区和烟气羽流区，上部的热烟气层与下部的冷空气层通过烟羽流进行传热传质。在一定的建筑结构和火灾规模条件下，烟气的生成量主要取决于羽流的质量流量。

1 工程概况

所选建筑高度为56.15m，属一类高层建筑，耐火等级为一级。地下两层，面积为9068m2，地上14层，面积为48665m2；地下一、二层为车库及设备用房，地上部分为功能检查科室、手术室、病房等。1层～3层布置一个中庭，中庭面积为152m2，高度为16m，中庭顶盖采用钢结构，四周均匀开有百叶排烟窗；3层-4层布置一个设备夹层；4层～14层布置有一个高度为41.7m的天井，天井四周分布医疗室、住院病房等房间；建筑内设有完善的自动喷水灭火系统。

2 火灾场景设置

2.1 火灾增长速率分析

大量的试验研究及真实的火灾案例表明，许多物品从起火到旺盛阶段，热释放速率大体按时间的指数规律增长。例如木材等纤维素材料，塑料等合成材料，这种火灾类型可表述为火灾按t2增长。根据NFPA手册，火灾可分为极快、快速、中等和缓慢4种类型。

本建筑使用功能相对固定，可燃物的种类和分布相对稳定。一层大厅、病房等位置可能引起火灾的可燃物为柜台、座椅、棉被、衣物等。

2.2 火灾规模设定

根据最不利原则，假设自动喷水灭火系统失效，参照某市工程建筑规范5建筑防排烟技术规程6（DGJ 08-88）2006）中无喷淋的中庭火灾的最大热释放速率为4mW，设定典礼大厅中火源功率为4mW。

2.3 火源位置

经过对内科医技楼可燃物的分布和火灾荷载密度等情况的分析，依据最不利和最具代表性原则，在一层大厅扶梯处设置起火点。

2.4 火灾场景设计

所选择的火灾场景是根据最不利的原则确定的，同时兼顾起火部位的代表性。综合考虑建筑内的消防设施、内科医技楼所处的地理位置以及建筑内可燃物性质与分布后设计。

3 数值模拟与结果分析

3.1 模拟软件及方案判断指标

模拟采用比较流行的FDS软件，FDS（Fire Dy-namics Simulator）是由NIST（National Institute of Stan-dards and Technology，美国商务部标准和技术研究院）开发的计算机场景模拟软件。结合本建筑的结构和功能特点，对排烟效果好坏的判断，将采用以下性能标准：①一层大厅距地面高度2m以下烟气层/空气层温度不超过60℃；②各层距地面高度2m以下烟气层/空气层能见度不小于10m；③中庭内发生火灾，烟气能否顺利排出。

3.2 FDS模型与计算条件

根据某市建筑设计研究院提供的图纸，建立了该内科医技楼的计算模型，如图1所示。

3.3 计算初始条件

（1）建筑室内外温度设为25℃。（2）建筑内通向室外或相邻防火分区门窗为开启的状态。（3）火灾初期规模按照t2快速火增长。（4）火灾模拟时间为1800s。

图1 FDS计算模型

3.4 方案一、方案二、方案三模拟分析模拟结果的部分截图如图4～图5所示

（1）方案一和方案三在225s时烟气沉降的位置达到三层，排烟效果基本相同；方案二烟气沉降到二层中间位置，烟气层厚度较方案一、方案三大，这是由于火灾初期，烟气产生量少，热浮力小，烟气不能有效经排烟天窗排到室外。烟羽流上升至顶盖后，开始沿顶盖向两侧水平蔓延，并开始沉降，烟气层厚度逐渐加大，在1800s时，方案一的烟气层已经降至一层距地2m以下，不利于人员的安全疏散；方案二和方案三，烟气蔓延至中庭顶，通过自然排烟窗排至天井，再排至室外，火灾排烟效果基本相同，烟气层保持在二楼中间位置，较方案一优，这是因为火灾中后期，产烟量大，热浮力大，烟气能有效经排烟窗排到室外。

图5 一层大厅距地面2m处900s时烟气温度分布图对比分析

图6 一层大厅距地面2m处1800s时 烟气温度分布图对比分析

4 结语

火灾初期，热释放速率较小，产烟量小，热浮力小，烟气不能有效地经中庭顶盖天窗排出，须借助机械排烟；中后期热释放速率较大，产烟量大，采用自然排烟效果较好；基于火源热释放速率的变化规律对排烟系统进行优化的设计效果与理论分析的结果相吻合；通过方案一和方案三对比分析，方案三的排烟效果最好，考虑到火灾初期自然排烟效果不好，中庭类高层建筑的排烟方案可以优化为火灾初期只采用机械排烟，火灾中后期关闭机械排烟同时打开自然排烟窗。

摘 要：现代社会的进步，建筑行业也带来的新的发展需求，如今高层建筑最注重的就是安全问题。要做好当下的防排烟设计验证工作，确保下序工作结构的协调，做好相关评估验证工作，数值模拟计算、模型试验和现场的热烟测试是常采用的评估和验证方法。

关键词：中庭高层建筑；排烟设计

火灾发生后，从可燃物起火初期至火灾发展全盛期，在可燃物上方形成稳定火焰区、间断火焰区和烟气羽流区，上部的热烟气层与下部的冷空气层通过烟羽流进行传热传质。在一定的建筑结构和火灾规模条件下，烟气的生成量主要取决于羽流的质量流量。

1 工程概况

所选建筑高度为56.15m，属一类高层建筑，耐火等级为一级。地下两层，面积为9068m2，地上14层，面积为48665m2；地下一、二层为车库及设备用房，地上部分为功能检查科室、手术室、病房等。1层～3层布置一个中庭，中庭面积为152m2，高度为16m，中庭顶盖采用钢结构，四周均匀开有百叶排烟窗；3层-4层布置一个设备夹层；4层～14层布置有一个高度为41.7m的天井，天井四周分布医疗室、住院病房等房间；建筑内设有完善的自动喷水灭火系统。

2 火灾场景设置

2.1 火灾增长速率分析

大量的试验研究及真实的火灾案例表明，许多物品从起火到旺盛阶段，热释放速率大体按时间的指数规律增长。例如木材等纤维素材料，塑料等合成材料，这种火灾类型可表述为火灾按t2增长。根据NFPA手册，火灾可分为极快、快速、中等和缓慢4种类型。

本建筑使用功能相对固定，可燃物的种类和分布相对稳定。一层大厅、病房等位置可能引起火灾的可燃物为柜台、座椅、棉被、衣物等。

2.2 火灾规模设定

根据最不利原则，假设自动喷水灭火系统失效，参照某市工程建筑规范5建筑防排烟技术规程6（DGJ 08-88）2006）中无喷淋的中庭火灾的最大热释放速率为4mW，设定典礼大厅中火源功率为4mW。

2.3 火源位置

经过对内科医技楼可燃物的分布和火灾荷载密度等情况的分析，依据最不利和最具代表性原则，在一层大厅扶梯处设置起火点。

2.4 火灾场景设计

所选择的火灾场景是根据最不利的原则确定的，同时兼顾起火部位的代表性。综合考虑建筑内的消防设施、内科医技楼所处的地理位置以及建筑内可燃物性质与分布后设计。

3 数值模拟与结果分析

3.1 模拟软件及方案判断指标

模拟采用比较流行的FDS软件，FDS（Fire Dy-namics Simulator）是由NIST（National Institute of Stan-dards and Technology，美国商务部标准和技术研究院）开发的计算机场景模拟软件。结合本建筑的结构和功能特点，对排烟效果好坏的判断，将采用以下性能标准：①一层大厅距地面高度2m以下烟气层/空气层温度不超过60℃；②各层距地面高度2m以下烟气层/空气层能见度不小于10m；③中庭内发生火灾，烟气能否顺利排出。

3.2 FDS模型与计算条件

根据某市建筑设计研究院提供的图纸，建立了该内科医技楼的计算模型，如图1所示。

3.3 计算初始条件

（1）建筑室内外温度设为25℃。（2）建筑内通向室外或相邻防火分区门窗为开启的状态。（3）火灾初期规模按照t2快速火增长。（4）火灾模拟时间为1800s。

图1 FDS计算模型

3.4 方案一、方案二、方案三模拟分析模拟结果的部分截图如图4～图5所示

（1）方案一和方案三在225s时烟气沉降的位置达到三层，排烟效果基本相同；方案二烟气沉降到二层中间位置，烟气层厚度较方案一、方案三大，这是由于火灾初期，烟气产生量少，热浮力小，烟气不能有效经排烟天窗排到室外。烟羽流上升至顶盖后，开始沿顶盖向两侧水平蔓延，并开始沉降，烟气层厚度逐渐加大，在1800s时，方案一的烟气层已经降至一层距地2m以下，不利于人员的安全疏散；方案二和方案三，烟气蔓延至中庭顶，通过自然排烟窗排至天井，再排至室外，火灾排烟效果基本相同，烟气层保持在二楼中间位置，较方案一优，这是因为火灾中后期，产烟量大，热浮力大，烟气能有效经排烟窗排到室外。

图5 一层大厅距地面2m处900s时烟气温度分布图对比分析

图6 一层大厅距地面2m处1800s时 烟气温度分布图对比分析

4 结语

火灾初期，热释放速率较小，产烟量小，热浮力小，烟气不能有效地经中庭顶盖天窗排出，须借助机械排烟；中后期热释放速率较大，产烟量大，采用自然排烟效果较好；基于火源热释放速率的变化规律对排烟系统进行优化的设计效果与理论分析的结果相吻合；通过方案一和方案三对比分析，方案三的排烟效果最好，考虑到火灾初期自然排烟效果不好，中庭类高层建筑的排烟方案可以优化为火灾初期只采用机械排烟，火灾中后期关闭机械排烟同时打开自然排烟窗。

摘 要：现代社会的进步，建筑行业也带来的新的发展需求，如今高层建筑最注重的就是安全问题。要做好当下的防排烟设计验证工作，确保下序工作结构的协调，做好相关评估验证工作，数值模拟计算、模型试验和现场的热烟测试是常采用的评估和验证方法。

关键词：中庭高层建筑；排烟设计

火灾发生后，从可燃物起火初期至火灾发展全盛期，在可燃物上方形成稳定火焰区、间断火焰区和烟气羽流区，上部的热烟气层与下部的冷空气层通过烟羽流进行传热传质。在一定的建筑结构和火灾规模条件下，烟气的生成量主要取决于羽流的质量流量。

1 工程概况

所选建筑高度为56.15m，属一类高层建筑，耐火等级为一级。地下两层，面积为9068m2，地上14层，面积为48665m2；地下一、二层为车库及设备用房，地上部分为功能检查科室、手术室、病房等。1层～3层布置一个中庭，中庭面积为152m2，高度为16m，中庭顶盖采用钢结构，四周均匀开有百叶排烟窗；3层-4层布置一个设备夹层；4层～14层布置有一个高度为41.7m的天井，天井四周分布医疗室、住院病房等房间；建筑内设有完善的自动喷水灭火系统。

2 火灾场景设置

2.1 火灾增长速率分析

大量的试验研究及真实的火灾案例表明，许多物品从起火到旺盛阶段，热释放速率大体按时间的指数规律增长。例如木材等纤维素材料，塑料等合成材料，这种火灾类型可表述为火灾按t2增长。根据NFPA手册，火灾可分为极快、快速、中等和缓慢4种类型。

本建筑使用功能相对固定，可燃物的种类和分布相对稳定。一层大厅、病房等位置可能引起火灾的可燃物为柜台、座椅、棉被、衣物等。

2.2 火灾规模设定

根据最不利原则，假设自动喷水灭火系统失效，参照某市工程建筑规范5建筑防排烟技术规程6（DGJ 08-88）2006）中无喷淋的中庭火灾的最大热释放速率为4mW，设定典礼大厅中火源功率为4mW。

2.3 火源位置

经过对内科医技楼可燃物的分布和火灾荷载密度等情况的分析，依据最不利和最具代表性原则，在一层大厅扶梯处设置起火点。

2.4 火灾场景设计

所选择的火灾场景是根据最不利的原则确定的，同时兼顾起火部位的代表性。综合考虑建筑内的消防设施、内科医技楼所处的地理位置以及建筑内可燃物性质与分布后设计。

3 数值模拟与结果分析

3.1 模拟软件及方案判断指标

模拟采用比较流行的FDS软件，FDS（Fire Dy-namics Simulator）是由NIST（National Institute of Stan-dards and Technology，美国商务部标准和技术研究院）开发的计算机场景模拟软件。结合本建筑的结构和功能特点，对排烟效果好坏的判断，将采用以下性能标准：①一层大厅距地面高度2m以下烟气层/空气层温度不超过60℃；②各层距地面高度2m以下烟气层/空气层能见度不小于10m；③中庭内发生火灾，烟气能否顺利排出。

3.2 FDS模型与计算条件

根据某市建筑设计研究院提供的图纸，建立了该内科医技楼的计算模型，如图1所示。

3.3 计算初始条件

（1）建筑室内外温度设为25℃。（2）建筑内通向室外或相邻防火分区门窗为开启的状态。（3）火灾初期规模按照t2快速火增长。（4）火灾模拟时间为1800s。

图1 FDS计算模型

3.4 方案一、方案二、方案三模拟分析模拟结果的部分截图如图4～图5所示

（1）方案一和方案三在225s时烟气沉降的位置达到三层，排烟效果基本相同；方案二烟气沉降到二层中间位置，烟气层厚度较方案一、方案三大，这是由于火灾初期，烟气产生量少，热浮力小，烟气不能有效经排烟天窗排到室外。烟羽流上升至顶盖后，开始沿顶盖向两侧水平蔓延，并开始沉降，烟气层厚度逐渐加大，在1800s时，方案一的烟气层已经降至一层距地2m以下，不利于人员的安全疏散；方案二和方案三，烟气蔓延至中庭顶，通过自然排烟窗排至天井，再排至室外，火灾排烟效果基本相同，烟气层保持在二楼中间位置，较方案一优，这是因为火灾中后期，产烟量大，热浮力大，烟气能有效经排烟窗排到室外。

图5 一层大厅距地面2m处900s时烟气温度分布图对比分析

图6 一层大厅距地面2m处1800s时 烟气温度分布图对比分析

4 结语

火灾初期，热释放速率较小，产烟量小，热浮力小，烟气不能有效地经中庭顶盖天窗排出，须借助机械排烟；中后期热释放速率较大，产烟量大，采用自然排烟效果较好；基于火源热释放速率的变化规律对排烟系统进行优化的设计效果与理论分析的结果相吻合；通过方案一和方案三对比分析，方案三的排烟效果最好，考虑到火灾初期自然排烟效果不好，中庭类高层建筑的排烟方案可以优化为火灾初期只采用机械排烟，火灾中后期关闭机械排烟同时打开自然排烟窗。