高层住宅楼小天井与外廊结构的消防安全问题研究

李德成，周天念，陈钦佩，周德闯*

(1.安徽理工大学，淮南，232001； 2.中国科技大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026)



高层住宅楼小天井与外廊结构的消防安全问题研究

李德成1，周天念2，陈钦佩2，周德闯2*

(1.安徽理工大学，淮南，232001； 2.中国科技大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026)

摘要：高层住宅楼已经成为城市建筑中最主要的建筑形式，高层住宅楼的小天井由于具有采光、通风功能又可以节省占地面积而受到开发商和用户的青睐。高层住宅楼采用小天井和外廊结构可能带来的消防安全问题，给城市的消防安全管理增加了不确定因素。采用数值模拟的方法构建了采用小天井与外廊结构的高层住宅楼火灾场景，并开展现场热烟试验，研究了小天井与外廊结构的火灾危险性，对采用防火玻璃分隔方法的可行性进行了论证。研究结果显示，采取使用防火玻璃将小天井和外廊进行分隔的消防措施，不利于外廊烟气的排放和人员疏散。

关键词：高层住宅；小天井；外廊；火灾；排烟

0引言

随着我国建筑业的飞速发展，城市土地资源日趋紧张，高层住宅楼已经成为城市住宅最主要的建筑形式。小天井作为既具有采光、通风功能又可以节省占地面积的建筑形式，得到了不少开发商和用户的青睐。高层建筑中的小天井结构主要有两种形式：一种是在高层建筑内含一个内天井或双内天井[1,2]，另一种则表现为凹口的形式，即内天井一侧不封闭，与室外连通从而呈现出“凹”字形的结构，且凹口一侧通常还设计有外廊[3]。

建筑中采用小天井的目的主要是起自然通风和采光的作用，但这种小天井在火灾情况下的利弊却存在争议,即虽然小天井具有排烟、排热作用，但起火室上方和天井对面的窗口却存在被引燃的危险，因此，小天井的设计尺寸往往成为建筑设计单位与消防建审部门之间争论的焦点[1]。而且对于凹口外侧有走廊连通的建筑，在利用凹口进行自然排烟的过程中，烟气会对外廊产生不同程度的影响[3]，这又给高层建筑的消防安全管理增加了不确定因素。因此，本文将通过数值模拟和现场热烟试验相结合的方法对小天井搭配外廊的结构可能存在的消防安全问题进行分析和探讨，为高层住宅楼中小天井和外廊结构的设计和消防管理提供科学依据。

1项目概况

某高99 m的33层高层住宅楼由于其设计的独特性，使用了小天井的建筑结构，并在小天井与室外连通的一侧设置了外廊,该外廊与两侧楼梯间前室有门连通，且两侧前室均设置有排烟窗可向外廊自然排烟。小天井深4.5 m、宽2.0 m，两侧住户房间均朝向小天井开窗，小天井及外廊的平面结构如图1所示。

图1　小天井及外廊平面图Fig.1　Plan of small patio and verandah

依据《建筑设计防火规范》GB50016-2014[4]第5.5.27和第6.4.3条规定，高层住宅应采用防烟楼梯间，疏散走道和通向前室的户门应采用乙级防火门。该高层建筑虽然可以按照规范要求使用防火门，但其外廊和小天井的设计格局有其独特性，两个防烟楼梯间前室是通过有顶的外廊连接，楼梯间前室均设计有门、窗可开向外廊，人员可利用外廊通道往返于两侧楼梯间前室，排烟窗可向外廊自然排烟。火灾发生时，此种设计可能存在的危险性如下：①若小天井一侧住户厨房发生火灾，热辐射是否会引燃楼上住户或小天井对面住户，其排入小天井的烟气是否会对高层住户造成严重影响；②在一侧前室有烟气的情况下，烟气将通过排烟窗(或打开的门)向外廊排放，此时，烟气是否会通过外廊进入另一侧前室；③如果使用防火玻璃将小天井和外廊进行分隔，会如何影响烟气的蔓延，对烟气的排放是利还是弊。针对以上问题,下面采用数值模拟的方法进行火灾烟气蔓延的定量分析，并配合现场热烟试验进行讨论。

2火灾数值模拟

2.1　火灾模拟场景和危险判据

采用FDS场模拟软件进行火灾模拟，该高层住宅建筑实体和建立的FDS三维模型如图2所示。

图2　高层住宅建筑实体(左)和FDS三维模型图(右)Fig.2　High-rise residential building entities (left) and three-dimensional FDS model (right)

为了研究火灾烟气在小天井和外廊中的运动情况，本文选定较低的二层为着火楼层，着火位置如图3所示。位置1主要考察紧靠小天井的厨房起火，火灾烟气将通过厨房窗口直接排入小天井，需要分析火灾是否会引燃天井对面或楼上住户、小天井中烟气的上升对高层住户的影响程度。位置2主要考察侧面住户室内起火时，烟气通过进户门进入楼梯前室，并向外廊和另一侧前室蔓延的火灾危险性。此外，为了探讨小天井和外廊之间连通和分隔对火灾烟气运动过程的影响，对于以上两个位置的火灾场景需要分别模拟没有防火玻璃分隔和有防火玻璃分隔的情况。因此，本文火灾模拟场景设计为以下四个：

(1)203住户厨房火灾，小天井与外廊间连通；

(2)203住户厨房火灾，小天井与外廊间采用防火玻璃分隔；

(3)204住户的客厅火灾，小天井与外廊间连通；

(4)204住户的客厅火灾，小天井与外廊间采用防火玻璃分隔。

图3　起火位置1(厨房)和位置2(客厅)Fig.3　Fire position 1 (kitchen) and position 2 (living room)

对构建的火灾场景划分网格，网格元胞的长度取为0.2 m，网格总数为950万，模拟时间设置为1200 s。考虑烟气在较不利条件下的蔓延情况，因此住户的门、窗均设置为开启状态。在火源功率设置方面，当火灾发生于厨房时，主要的可燃物为烹调油锅冒火及个别橱柜等木制品,设定热释放速率峰值为3 MW的中速(t2)火为本场景的火灾规模[5]，由于燃烧模拟采用混合分数模型，模拟将可根据通风状况自动确定燃烧所能达到的热释放速率峰值。当火灾发生在住宅客厅时，参照上海市地方标准DGJ08-88-2000《民用建筑防排烟技术规程》的规定，热释放速率选取4 MW的中速(t2)火为该场景的火灾规模[6]。

本文采用的人员耐受极限的性能判据如表1所列，这些判据在其它公共建筑的消防安全分析中也

得到了采用[7]。其中关于安全疏散的能见度判据，由于本文研究的住宅建筑是住户较熟悉的场所，且用于疏散的楼梯前室及外廊通道均属于较小空间，参考火场中能见度对于较大空间应不小于10 m，在较小空间能见度应不小于5 m的指标[8]，本文选取5 m为能见度临界值。

表1　人员耐受极限标准Table 1　Standard of human tolerance

注：安全高度h=1.6 m+0.1H，H为建筑空间高度，单位为m。

引燃是火灾系统中一个很重要的现象，为分析火灾对小天井对面住户及上层住户可能产生的引燃，本文在开向天井的窗口位置高度方向上每间隔0.5 m分别设置有温度和热辐射记录点，用于记录温度和辐射热通量随时间的变化。关于引燃的判据，NFPA[9]建议的易燃物被点燃的临界辐射通量不得超过10 kW/m2，程等[10]实验测量的木材临界辐射热流约为11 kW/m2，以往文献[11,12]提供的实验测量木材点燃的临界温度分布在200℃～540℃范围内。住宅使用的窗户通常有木窗、断桥铝、木包铝、塑钢窗、铝合金窗等，本文基于保守考虑，引燃判据取辐射热通量达到10 kW/m2或温度大于250℃。

2.2　火灾模拟结果与分析

2.2.1厨房火灾模拟

厨房火灾的模拟场景设定的火源位于2层203住户，如图3所示。厨房窗户开向小天井，火灾场景1小天井与外廊之间连通(无防火玻璃分隔)，火灾场景2小天井与外廊之间不连通(采用防火玻璃分隔)，两个场景的部分模拟结果对比如图4～图7所示。

图4　火灾场景1(左)场景2(右)1200 s时温度对比Fig.4　The temperatures of fire scenario 1 (left) and fire scenario 2 (right) at 1200 s

图5　火灾场景1(左)场景2(右)1200 s时速度对比Fig.5　The velocity of fire scenario 1 (left) and fire scenario 2 (right) at 1200 s

图6　火灾场景1(左)场景2(右)1200 s时二层安全高度上温度对比Fig.6　The temperatures of 1.9 m height on second floor of fire scenario 1 (left) and fire scenario 2 (right) at 1200 s

图7　火灾场景1(左)场景2(右)1200 s时二层安全高度上能见度对比Fig.7　The visibility of 1.9 m height on second floor of fire scenario 1 (left) and fire scenario 2 (right) at 1200 s

模拟结果发现，场景1和场景2存在以下规律：203户厨房着火，烟气在向小天井排放过程中，部分热烟气会通过开向小天井的窗户窜入楼上住户，以进入对面三层的302住户为最典型；在模拟时间1200 s内，除起火侧附近区域外，二层的楼梯前室和外廊通道的烟气温度均小于60℃、CO浓度小于1400 ppm，起火的203户室内和二层左侧楼梯前室能见度均小于5 m；设置在天井壁面的热电偶和辐射测量点监测数据发现，最高温度和最大热辐射分别出现在303户和202户的窗口位置，温度和热辐射强度数据如图8、图9所示，303窗户处测量点最高温度小于250℃，202窗户处测量点最大热辐射小于10 kW/m2，均达不到引燃的临界值。

图8　火灾场景1(左)场景2(右) 303户窗口的温度测量点数据Fig.8　Data of the temperatures measuring points at window 303 of fire scenario 1 (left) and fire scenario 2 (right)

场景1和场景2的模拟结果的差异主要体现在：由图4、图5可见，场景1中没有防火玻璃分隔时，外界新鲜空气可以通过外廊不断卷吸进小天井与热烟气混合，因此烟气在上升过程中变得较稀薄、温度也较低；场景2中由于防火玻璃的封闭作用，小天井中的烟气温度较高，上升速度也较快，小天井的烟囱效应更明显；由图6、图7可见，场景1中由于外廊上下两侧均有排烟的作用，通过203入户门进入左侧前室及外廊的烟气更容易排出，烟气难以到达右侧前室；而场景2采用防火玻璃将外廊和小天井分隔，烟气通过203入户门进入左侧前室后，在外廊不能排向小天井从而更容易向右侧前室蔓延，进而影响右侧的人员疏散。在模拟时间1200 s内，场景1的右侧楼梯前室能见度始终大于5 m，而场景2的右侧楼梯前室能见度大约在1130 s时局部开始小于5 m，以两侧的疏散通道(即前室)均影响人员疏散为危险判据，场景1二层可用安全疏散时间>1200 s，场景2二层可用安全疏散时间约为1130 s。

2.2.2客厅火灾模拟

客厅火灾模拟场景设定的火源位于2层204住户，如图3所示。可以考察一侧住户发生火灾后，烟气通过入户门进入楼梯前室，通过外廊排烟时的烟气运动情况。火灾场景3小天井与外廊之间连通(无防火玻璃分隔)，火灾场景4小天井与外廊之间不连通(采用防火玻璃封闭)，两个场景的部分计算结果对比如图10～图14所示。

模拟结果发现场景3和场景4存在以下规律：204户客厅着火后，烟气通过204入户门进入左侧楼梯前室和外廊(烟气温度达到180℃)，在通过外廊向室外排烟的同时，部分烟气可蔓延至右侧前室。在模拟时间1200 s内，在安全高度上，起火的204户及左侧前室、外廊的烟气温度均高于60℃，仅右侧前室的烟气温度低于60℃；能见度方面，二层左侧楼梯前室能见度在200 s时小于5 m，随着时间的推移，右侧楼梯前室能见度逐渐开始小于5 m。

图11　火灾场景3(左)场景4(右)1200 s时速度侧视图Fig.11　Lateral view of the velocity at 1200 s of fire scenario 3 (left) and fire scenario 4 (right)

图12　火灾场景3(左)场景4(右)1200 s时二层安全高度上温度对比Fig.12　The temperatures of 1.9 m height on second floor at 1200 s of fire scenario 3 (left) and fire scenario 4(right)

图13　火灾场景3(左)场景4(右)二层安全高度上能见度对比Fig.13　The visibility of 1.9 m height on second floor of fire scenario 3 (left) and fire scenario 4 (right)

图14　火灾场景3(左)场景4(右)三层安全高度上能见度对比Fig.14　The visibility of 1.9 m height on third floor of fire scenario 3 (left) and fire scenario 4 (right)

场景3和场景4模拟结果的差异如下：场景3中没有防火玻璃分隔时，烟气通过外廊上下两侧同时排烟(下侧排向天井)，对着火的二层来说更有利于烟气的排放，从而相对采用防火玻璃分隔的场景4来说，场景3进入右侧前室的烟气量较少，温度也较低，能见度下降速度也较慢。在模拟时间1200 s内，场景3中二层右侧楼梯前室能见度大约在330 s时开始小于5 m，外廊排放的烟气在上升过程中可卷吸至三层外廊，部分烟气还通过开向内天井的厨房窗口进入住户，但并未影响三层左右两侧楼梯前室的能见度。以两侧疏散通道(即前室)均影响人员疏散为判据，场景3二层可用安全疏散时间为330 s，三层可用安全疏散时间>1200 s；场景4中由于防火玻璃的分隔作用，二层右侧楼梯前室能见度大约在235 s时开始小于5 m，外廊排出的烟气在上升过程中卷吸至三层外廊，并逐渐影响三层的楼梯前室，660 s开始右侧楼梯前室能见度小于5 m，约900 s时左侧楼梯前室能见度开始小于5 m。以两侧疏散通道(即前室)均影响人员疏散为判据，场景4二层可用安全疏散时间为235 s，三层可用安全疏散时间为900 s。

2.3　火灾模拟小结

针对以上4个火灾场景模拟结果的分析，可得到每个场景的可用安全疏散时间如表2所示。

紧靠小天井的厨房起火时，热辐射不足以引燃天井对面或楼上住户。没有防火玻璃隔断的情况下，由于外界新鲜空气可以通过外廊不断卷吸进天井与热烟气混合，使得烟气更稀薄温度更低，但烟气在天井上升过程中进入两侧高层住户的现象也更明显；同时，由于没有防火玻璃隔断，外廊可同时向室外和小天井排烟，着火房间烟气通过入户门进入前室及外廊后也更容易排出，因此烟气更难到达未着火侧前室，延长了可用安全疏散时间，可见不采用防火玻璃分隔对人员疏散是有利的。

侧边住户客厅起火时，在没有防火玻璃隔断的情况下，烟气通过外廊上下两侧同时排烟(下侧排向小天井)，对着火层来说更有利于排烟。与设置了防火玻璃分隔的工况相比，未设置防火玻璃时着火侧烟气通过外廊进入未着火侧前室的烟气量更少，温度也较低，因此可用安全疏散时间也更长，也是更有利于人员疏散。

表2　火灾场景ASET计算结果表Table 2　ASET results of fire scenario

3现场热烟试验

3.1　热烟试验方案

为了对火灾模拟的结果进行验证，本文进一步开展了现场热烟试验。该高层住宅的小天井和外廊之间处于连通状态(未采用防火玻璃分隔)，内天井和外廊的实际结构如图15所示。

图15　小天井(左)和外廊(右)结构图Fig.15　Picture of the mall patio (left) and verandah (right)

为了避免现场火灾试验对建筑产生破坏，试验采用工业酒精加烟饼的方式来模拟火灾烟气的蔓延规律，盛放工业酒精的燃烧盘为0.5 m×1.0 m的方形油盘。为了验证起火点在厨房和侧面住户客厅的烟气流动规律，现场开展的2组热烟实验如下：

(1)厨房热烟试验：油盘放置在二层203住户的厨房内，厨房窗和入户门打开，测试厨房着火后烟气的蔓延情况；

(2)客厅热烟试验：为了达到使用少量酒精就可使烟饼释放的烟雾获得接近真实火灾的浮力和卷吸效果，油盘靠近二层204户的入户门放置，楼梯前室排烟窗和外廊门均打开，在着火侧排烟窗和未着火侧的楼梯口人员安全高度处布置热电偶用于测量烟气温度，并使用摄像机记录外廊的蓄烟和排烟效果。

3.2　热烟试验结果

3.2.1厨房热烟试验

厨房热烟试验释放的烟气向小天井和前室的蔓延情况如图16所示。油盘燃烧一段时间后，烟气蔓延到203室内的各个房间，此后热烟气便从厨房、卫生间等开向天井的窗口一起排向天井，烟气在内天井中扩散得较均匀，同时有大量烟气从开启的进户门蔓延到楼梯间前室内，并滞留在前室内难以排出。热烟试验还发现，在第10层及以上楼层向天井开窗的房间内会进入少量烟气，烟气温度很低，观察不到明显的分层现象。

图16　厨房窗口排出的烟气(左)和前室内的烟气(右)状况Fig.16　Status of smoke exhausted from the kitchen window (left) and front room (right)

3.2.2客厅热烟试验

客厅热烟试验发现，大量烟气可经过外廊蔓延至未着火侧前室，并继续蔓延至未着火侧住户室里，试验人员在外廊未着火侧的201户拍摄的前室和外廊烟气层以及进入201户的烟气状态如图17所示。热电偶测量着火侧前室的排烟窗位置热烟气温度可达130℃，烟气蔓延至未着火侧前室的楼梯口2 m高度处的温度接近60℃，如图18、图19所示。

图17　外廊烟气(左)和未着火侧201室内的烟气(右)状况Fig.17　Status of smoke in verandah (left) and the 201-room at non-fire side (right)

图18 着火侧前室排烟窗处测量温度值Fig.18 Measuredtemperaturesatthewindowoffrontroomofthefireside图19 未着火侧前室楼梯口处测量温度值Fig.19 Measuredtemperaturesatthestairexitofthenon-fireside

试验观察发现，烟气除了蔓延至未着火侧前室并进入对面住户外，外廊的烟气大量排向天井，如下图20所示。由于大量的烟气通过外廊排向小天井，有窗口开向小天井的高层住户室内会不同程度进入烟气，试验人员可以闻到刺鼻的烟气，但由于烟气的温度较低而无法呈现明显的分层现象。

图20　烟气经外廊排入内天井的现象Fig.20　Phenomenon of smoke moving from verandah to small patio

3.3　热烟试验小结

开展实地热烟试验观察到的烟气运动情况与计算机模拟结果吻合，很好的验证了火灾数值模拟的准确性。通过开展的热烟试验，进一步验证了以下结论：

(1)起火位置位于厨房时，烟气在着火住户室内迅速蔓延，并从厨房和其它开向天井的窗口一起排向天井；烟气在小天井中的扩散比较均匀，部分进入高楼层的房间，但由于烟气温度很低而观察不到分层现象；着火住户的进户门在开启的状态下，烟气会经进户门蔓延至前室，并在前室内滞留较长的时间。

(2)起火位置位于侧面住户门口时，烟气很容易通过外廊蔓延至未着火侧前室，并大量进入未着火侧住户家里。外廊有一定蓄烟作用，但蓄烟能力十分有限。外廊的烟气可排向小天井，高层住户(有窗口通向内天井)室内会不同程度进入烟气，但由于烟气温度很低而无明显分层现象。

4结论及建议

本文针对高层住宅楼小天井与外廊结构可能带来的消防安全问题，采用数值计算的方法对不同火灾场景进行了模拟，并开展现场热烟试验对计算机模拟结果进行了验证。模拟结果显示，当紧靠小天井的厨房起火时，火灾难以引燃小天井对面或楼上住户；小天井和外廊之间保持连通而不采用防火玻璃分隔时，外廊可同时向室外和小天井内排烟，因此烟气更难蔓延到未着火侧前室，从而延长了可用安全疏散时间。侧边住户客厅起火时，烟气会通过外廊蔓延至未着火侧前室，排出的烟气也会对上层的外廊有一定的影响；与设置防火玻璃分隔的工况相比，未设置防火玻璃分隔情况下着火侧烟气通过外廊进入未着火侧前室的烟气量更少，温度也较低，因此可用安全疏散时间也更长。热烟试验结果显示，小天井的排烟作用明显，外廊虽有一定蓄烟作用，但蓄烟能力十分有限，有效验证了烟气通过外廊蔓延至另一侧前室的现象，与计算机模拟结果一致。

综上，基于计算机模拟数据和热烟试验结果，本文针对高层住宅楼中的小天井和外廊结构的设计和消防管理提出以下几点建议：

1.对于外廊与两侧楼梯间前室连通，人员可利用外廊通道往返于两侧楼梯间前室的设计，外廊与两侧前室连通的门应按照规范要求使用乙级防火门，且日常管理要确保该外廊通道常闭，外廊通道两侧的门不可同时打开。

2.左右两侧前室均设计有排烟窗开向外廊，该设计可将着火侧前室内烟气排入外廊，但同时会造成烟气经外廊和排烟窗蔓延至未着火侧前室，因此建议前室的排烟窗设计应直接朝向室外，不宜将烟气排入具有一定蓄烟能力的外廊。

3.对于含有小天井与外廊结构的高层住宅楼，小天井与外廊之间处于连通状态时对烟气排放和人员疏散更有利，因此建议不需采用防火玻璃对小天井和外廊进行分隔处理。

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Investigation on fire safety of high-rise residential building

with small patio and verandah

LI Decheng1, ZHOU Tiannian2, CHEN Qinpei2, ZHOU Dechuang2

(1.Anhui University Of Science and Technology, Huainan 232001, China;

2.State Key Lab of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

Abstract:High-rise building has become the main architectural form in cities. High-rise residential buildings with small patio and verandah are favored by the developers and users for its functions regarding lighting, ventilation and saving area. However, structure of small patio and verandah has caused fire safety problem, leading to uncertainty in safety management. In this work, the numerical simulation method is used to build fire scenes of the high-rise residential buildings with small patio and verandah, and the hot smoke experiment was conducted. The fire danger of small patio and verandah is studied and the feasibility of separating the small patio and verandah with fire-resistant glass is investigated. Results show that separating the small patio and verandah with fire-resistant glass cannot meet the fire safety requirements of smoke exhaust and evacuation.

Keyword: High-rise residential building; Small patio; Verandah; Fire; Smoke exhaust

DOI:10.3969/j.issn.1004-5309.2015.04.05

文章编号：1004-5309(2015)-00221-08

通讯作者：王鹏，E-mail: wangpengcapf@139.com

作者简介：王鹏(1980-)，男，中国人民武装警察部队学院科研部灭火救援技术公安部重点实验室讲师，主要从事灭火剂的研究。

收稿日期：2015-03-01；修改日期：2015-05-06

中图分类号：TU972+.4; X932

文献标识码：A