防火安全视角下的超高层建筑空间设计

杨得鑫　张庆顺　马跃峰

防火安全视角下的超高层建筑空间设计

杨得鑫张庆顺马跃峰

超高层建筑的安全与建筑空间的组织、划分和技术密切相关，随着超高层建筑高度的逐步攀升，安全隐患也不断增加。论文从外部空间、内部空间和空间安全构造措施三个方面对超高层建筑空间与防火设计的关系进行探讨，以寻求防火安全、火灾损失和建筑设计之间的高度协调，并期望超高层建筑设计以建筑空间安全设计的系统性为目标，为其自防自救提供基础保障。

超高层建筑；空间设计；防火安全；关系

0　引 言

近十年来中国超高层建筑呈现明显快速增长的态势，年均增长率达8.0%，是世界年增长率的2.5倍多。截止2014年底，中国已建超高层民用建筑占世界总量的77.8%，成为世界上超高层建筑数量最多的国家。在中国，建筑高度超过100m称作超高层建筑，超过250m的称作超限建筑。超高层建筑因其多功能性、综合性和垂直交通系统的高效性，使得空间呈高度集约化、立体化和综合化发展。空间是建筑的主角，但在超高层建筑设计中，空间的划分和使用与消防疏散可能存在多方的矛盾和冲突，加之超高层建筑自身具有功能复杂、存在火源多、疏散距离长、空间多样性等不利因素，使得防火安全问题更加突出。因超高层建筑扑救难度巨大，一旦发生火灾，其防火安全必须立足于自防自救。本文从空间设计的角度探讨超高层建筑外部空间、内部空间与防火设计的关系，力图从空间系统的可靠性来寻求超高层建筑的防火安全保障。

1　外部空间与消防扑救

超高层建筑大多处在城市的核心区域，周边城市道路、广场及建筑较为复杂。总体布局时，应掌握超高层建筑所在地的风速、风向等情况和周边建筑的年代、类型和耐火极限等情况，严格保证与四周建筑的防火间距，防止火势蔓延对相邻建筑造成的次生灾害，从而在城市空间层面上进行主动防灾减灾，提高空间弹性[1]。

杨得鑫： 重庆大学建筑城规学院，硕士研究生，350737545@qq.com

张庆顺： 重庆大学建筑城规学院，山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，副教授

马跃峰： 重庆大学建筑城规学院，山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，副教授

除考虑其功能、造型、景观等之外，为保证火灾时消防车能顺利进入场地进行扑救和登高，应在离超高层建筑四周一定距离设置环形消防车道，沿建筑至少一个长边或周边长度的1/4且不小于长边长度的底边连续布置消防车登高操作场地[2]。消防车道和消防车登高操作场地的长度和宽度应根据国家规范和当地大型消防装备情况进行合理设计。超高层建筑主体和裙楼部分通常连为一体且裙楼面积规模较大，设计中裙楼的深度及宽度不应阻碍对主体的消防扑救；当裙楼与主体分离时，需按实际情况各自设置消防车道和消防车登高操作场地。如上海金茂大厦长形裙楼与方形主体之间以厅堂空间相连，二者四周均设有消防车道，基地内还设有绿化及回车场，消防扑救条件十分良好。

2　内部空间的特点

为有利于主体的使用功能及结构的稳定性，通常超高层建筑结构体系采用结构筒贯穿整个建筑，其内部包含电梯井、楼梯间、设备井道和其他辅助空间，在建筑空间中常起到交通枢纽作用。其中走廊、前室和疏散楼梯等肩负人员疏散的功能，结构筒之外就是具体的功能空间。由于结构技术的支撑，超高层建筑的功能空间具有大小不同规模的形态，空间类别呈现多元化组合的特点，既有闭合的空间，也有开放或半开放的空间。建筑的空间布局与人员的安全疏散有着不可分离的关系，建筑空间组合模式不同，安全疏散的流线和方式也会有所不同。

超高层建筑主体因其体量、面积庞大而构成复合功能型建筑，包括办公、酒店、公寓等，通常采用平面重叠、竖向分区式布局，各种流线呈竖向延长的特点。与其相连的裙楼通常作为商场、餐厅、娱乐等商业功能，加上地下商业和地下车库的竖向综合，使得各种流线相互交叉、交汇。超高层建筑的空间格局与防火安全密切相关，空间的安全性是保证防火安全的基本前提。科学安排空间布局及组合模式是有效提高疏散效率的重要途径，因此，在建筑空间、安全疏散及耐火构造等方面必须精心设计，从系统安全的角度保障防火安全。

3　水平空间组织与消防安全

根据防火规范对其一个防火分区的最大允许建筑面积，超高层建筑主体单层的建筑面积一般控制在2000～3000m2。若单层建筑面积超过3000m2，就应采用一定耐火能力的防火墙、防火门窗和防火卷帘等设施将建筑平面空间划分为两个防火分区，防止火灾发生时火势向同一层的其余空间蔓延，使火势尽量控制在起火区域并加以扑灭，并且每个防火分区设置两个独立的安全出口以满足双向疏散。在防火分区划分时常常会碰到将开敞办公空间隔断等情形，这就与建筑功能及其空间的完整性发生冲突。这种情形下，设计应综合考虑平面功能和规模，空间的划分与安全疏散等问题，保证空间组织的合理性和安全性。如北京中国尊35层建筑面积3410m2（图1），将结构筒外部空间划为一个防火分区，面积为2196m2，结构筒则加强保护，较之优化前的方案，避免了对办公空间连贯性的破坏，并且使得单个防火分区的安全出口数量增加，以及疏散的流线和方式得到优化，提高了逃生的可能性。

在超高层建筑中，主体在高空中会受到风荷载和地震力的巨大影响，考虑到使其各个方向受力均衡，绝大多数主楼采用塔式形体[3]。塔式超高层根据结构筒的数量和位置分为中心筒、贯穿筒、偏置筒、双侧筒、周边筒和放射筒六种类型（表1）。从水平空间来看，不同的结构筒类型所形成的建筑空间与疏散流线和疏散方式有所差异。中心筒和贯通筒通常使得外部功能空间获得很好的景观朝向和采光通风，而结构筒周围形成的环道不但为平时交通提供便捷，而且在紧急疏散过程中的任一位置形成双向疏散。当结构筒设有水平通道贯通电梯厅构成“日”“H”“田”形时，还可减少疏散距离并形成三向疏散。如深圳平安国际金融中心标准层的“日”形布局（图2），避难人员处于环形走道的A点可形成双向疏散，位于B点则可形成三向疏散，增加逃生的可能性。偏置筒一般用于场地一侧有良好的景观或者建筑有特殊的朝向要求，并且需要集中大空间的情形，但由于功能空间进深的加大会造成局部疏散距离的增加。从整层水平空间来看，因结构筒四周未形成环形走道，在进行疏散时会在疏散楼梯处形成拥挤。双侧筒和周边筒两种结构布局在中间形成的大空间使得人流在疏散过程中分流，提高了疏散效率，但若一方疏散受阻，会出现人流折返形现象从而发生不安全事故；当中部为中庭空间时，走道疏散方式类似于中心筒环形走道疏散方式，常见于酒店客房层。采用放射筒的建筑平面一般为“Y”形或“十”形，疏散方式与前面提到的双侧筒和周边筒的两种情形的前者类似。如哈法利塔中央六边形结构筒与带有防烟楼梯间的三个侧翼共同组成结构系统，疏散系统分布于三翼，避难时人流可以从三个方向进行疏散，综合考虑其空间营造和防火设计的要求，若采用中心筒的布置方式且在中央再设一部疏散楼梯，可符合避难人员的归巢心理，能更好地满足消防疏散。

图1　“中国尊”35层平面防火划分示意图Fig.1 fire compartment in thirty-fifth floor of “China Zun” Tower

表1　超高层建筑安全疏散类型Tab.1 safe evacuation types of ultra-high-rise buildings

图2　深圳平安国际金融中心标准层疏散示意图Fig.2 evacuation map of standard floor in Ping an IFC

在超高层建筑防火设计中常会出现袋形走道的情形，如在京基金融中心酒店层中庭四周的走道两侧就出现了袋形走道。由于袋形走道两侧或尽端的房间只能向一个方向疏散，走道一旦被烟火切断则无路可逃，不能充分保障人员安全。因此，在建筑设计时应尽量避免设置袋形走道以避免安全疏散上的隐患。

超高层建筑底部的裙楼通常每层面积较大，应与主体各自独立分区并设置防火分隔，裙楼与主体各自进行疏散设计。在水平空间设计，不仅要考虑空间的使用和经济，还需确保内部空间在火灾时能防止火势蔓延，有效扑灭火灾，安全疏散建筑物内的人员。如深圳平安国际金融中心塔楼高597m，辅楼高55.8m，在辅楼两端及中部共设有5座防烟楼梯间和3部消防电梯，与主体分区设置安全疏散，充分以满足自身的疏散要求。

图3　京基100中庭空间示意图Fig.3 courtyard in KK100

4　竖向空间划分与消防安全

超高层建筑竖向空间是由各层水平空间竖向叠加而成。随着建筑高度的提升和区段功能的改变可能形成不同的竖向空间组合模式，结构筒的位置和形式以及内部的交通、管道和设备的要求在竖向一定区段会发生相应的变化。由此，竖向防火分区的划分会随之改变。根据结构筒竖向的变化可分为叠加式和转换式[4]。叠加式又可细分为等截面式和收缩式，两者内部结构形式均没有发生重大变化，连续性与整体性较好。在竖向划分防火分区时，通常采用传统的耐火分隔措施，如耐火楼板、窗槛墙、防火挑檐等对建筑空间进行竖向分隔和划分，以防烟火上窜。转换式指超高层建筑结构筒因功能和空间需求的改变在某一高度整体改变位置、轮廓、大小等，转换前后结构不对位。如广州珠江新城西塔67层以下为写字楼，结构筒属于中心筒，70层以上为酒店，结构筒分散成3个小型筒体分布于原结构筒的外角处，在中部形成通高至屋顶的中庭空间，使客人在酒店内部环廊即可享受阳光。但具有“烟囱效应”的中庭空间一旦起火，便为火势蔓延提供了竖向途径，从而殃及整个建筑空间。因此，在划分竖向防火分区时，应将中庭空间上下连通的各楼层及走廊作为一个防火分区，建筑面积应按上下层相连通面积叠加计算。当叠加计算后的建筑面积大于规定允许的最大建筑面积时，应采用相应的防火措施（如防火隔墙、防火卷帘和防火门窗等）与周围空间进行分隔，并且在回廊处设置自动喷水灭火系统、火灾自动报警系统和排烟设施等。如深圳京基100的酒店客房层和以上的设备层、第5避难层、中餐厅，以及酒店大堂，形成一个内部中庭，客房围绕中庭环形布局。设计上在中餐厅层和酒店大堂层的中庭旁设置竖向特级防火卷帘，与中庭回廊相通的酒店客房门、窗设置为可自行关闭的乙级防火门、窗（若按GB50016-2014要求，应设置为火灾时能自行关闭的甲级防火门、窗），由此，下面的中餐厅成为一个独立的防火分区，酒店中庭与其回廊划为一个防火分区，酒店大堂层、蛋形观光餐厅和拱形玻璃外幕墙围合部分的内部空间设为一个防火分区（图3）。

另外，与中庭空间类似的功能空间是边庭空间。如上海中心大厦塔楼竖向上共分为8个区段和1个观光层。在每个区段内，沿标准层楼板外围布置平面呈圆形的内层玻璃幕墙。内层幕墙、外层幕墙和三角形平面的设备层共同组成一高度约80m的共享空间（图4a，4b），最窄处类似双幕墙，最宽处类似中庭，给超高层办公空间带来全新的体验。每个区段的边庭以内外幕墙狭窄区域为界，分为三个防火分区（图4c），与四周为功能用房的传统中庭相比，受灾影响面变小，安全性有所提高。

在超高层建筑中，由于高度及规模造成的内部使用人员多和疏散距离长的特点，使得垂直疏散一直是关注的重点。根据大量的疏散演习和疏散模拟的总结[5-6]，在100m的建筑中受困人员完全疏散最快需十几分钟，建筑高度达到300m时所需疏散时间可能长达1h以上。因此，在超高层建筑中为使受困人员免遭蔓延全楼的火势威胁，竖向上每隔不大于50m处须设置避难层（间）用以暂时避难。在垂直方向上，上通屋顶，下达地面，形成双向疏散。通向避难层（间）的防烟楼梯应在避难层分隔、同层错位或上下断开，通过强制导入的措施保证人员顺利到达，若楼梯内发生堵塞则可在其中暂时避难，并且阻断烟火贯通。同时，为避免疏散人员误入地下室，首层的楼梯间平台也应设有分隔措施，以便下行疏散人员及地下室上行疏散者可各自疏散到室外而互不干扰。此外，避难区面积按5人/m2计算。如上海金茂大厦办公约7500人，在第15、30层各设有2个避难区共约1500m2，每个避难区紧靠防烟楼梯间而形成扩大前室，同时有周密的引入措施（图5a）。而酒店部分则采取了另一种布置方式（图5b）：在一座防烟楼梯间的每层合用前室中设有小型避难区，另一座防烟楼梯间则完全无此考虑，这造成了垂直疏散中的安全隐患问题。另外，超高层建筑主体和裙楼的屋顶均可作为避难区域，并且主体屋顶平台还可设置直升机停机坪或供直升机救助设施。如中国尊塔楼屋顶的圆形直升机停机坪，于两侧设置有宽度0.9m的疏散楼梯。在火灾发生时，不但能组织疏散、营救避难人员和运送伤亡人员，而且还能提供灭火活动场地。

超高层建筑通过传统的疏散方式需要很长时间来完成，因此需考虑其他更有效的疏散方式。电梯在超高层建筑中是最重要的垂直运输工具，由于本身存在的安全问题和烟气侵害等原因，规范规定一般电梯不应计作安全疏散措施。但从实例和试验中显示，紧急状况下用防烟楼梯加电梯的疏散方式对人员进行安全疏散，能减少人员伤亡和提高人员疏散的效率[7-8]。因此近年来，采用电梯辅助疏散成为研究和讨论使其提高全楼疏散效率的关注点。目前国内外已有超高层建筑采用穿梭电梯作为中区和高区的辅助疏散方式。如深圳京基100，发生火灾时，当消防控制中心确定需要采用电梯辅助疏散时，就将运行于负1层、首层至39层、40层的双轿厢穿梭电梯转换为疏散电梯模式，且只采用其中的下层轿厢，往返于首层和37层的避难层，37层以上楼层疏散至该层的人员可选择等候电梯疏散，同时设置于负1层、39层和40层电梯门口的特级防火卷帘会自动放下，而且穿梭电梯必须做到严格的防火、防烟和防水，以及保障供电、信息沟通和专业人员操作等[9]。另外，主要供消防施救人员交通和运载灭火设施的消防电梯在发生火灾时必须能停靠可达到的任何楼层，在设计时最好将消防电梯与疏散楼梯结合布置，使避难者向救援者靠拢，形成一个可靠的安全区域，符合安全疏散的归巢心理，必要时也可作为老弱病残和受伤人员疏散的途径。

图4　上海中心大厦边庭空间示意图Fig.4 side court of Shanghai Tower

5　空间安全构造措施

超高层建筑外墙和幕墙是形成火灾竖向蔓延的重要通道。2009年央视大火、2010年上海“11·15”火灾、2011年沈阳“2·3”火灾都显示出外墙保温系统的火灾安全隐患：火势沿保温系统蔓延相邻楼层，还威胁到相邻建筑的安全。因此，在保温系统中，除应考虑保温材料的燃烧性能达到A级外，还应设置水平或垂直的带状防火构造和挡火梁及考虑使用金属固件稳固面层等措施，以维持系统稳固性的能力和系统阻止火焰传播。超高层建筑主体结构也应在长时间内保持坚固稳定，为保障安全疏散时提供良好的通路空间；保证建筑的耐火性能，是减少火灾隐患的基本诉求[10]。钢筋混凝土材料耐火性能优异，墙柱梁板等能满足耐火要求；钢结构耐火性能则较差，必须采取保护措施，如耐火材料包覆或者喷涂防火涂料、在空心钢柱中灌注可防冻结和腐蚀的溶液等。

图5　上海金茂大厦避难区示意图Fig.5 refuge fl oor in Jinmao Tower

设计为了兼顾消防安全、使用的灵活性及美观的要求，有时会采取垂直或水平的防火卷帘、防火玻璃等分隔措施。如金茂大厦在避难层防烟楼梯的分隔处，采取夹丝玻璃（图5c），既符合防火设计规范，又使上部疏散人员即时观察到该层疏散情况。再如上海中心大厦共享空间中每个防火分区的狭窄区域的幕墙采用防火玻璃系统，宽阔区域在距离中庭底部5m和10m处与顶部以下2层标准层采用防火玻璃系统，其余标准层采用“钢化玻璃+内侧窗玻璃喷头保护”形式来控制火势蔓延。

在超高层建筑中应全面设置自动报警和自动喷水灭火设施，既能及时通知和指挥疏散，又能对疏散通路进行保护。另外，当建筑空间的防火设计用常规消防方案不能解决时，如防火分区面积过大、安全疏散距离过长等，可运用计算机手段进行性能化的防火设计、评估，建筑设计目标与防火安全目标高度协调。

6　结 语

目前消防登高及扑救虽能达到100余米，但对于超高层建筑而言，初期火灾时人员自救的重要性远远大于消防救援，建筑空间系统的安全性显得尤为重要。防火安全与空间设计具有系统的密切关联性，防火安全设计的目标是为了保障人在空间中的安全。超高层建筑空间设计相关的总平面布局、防火分区、安全疏散、耐火构造和防排烟、报警灭火系统等方面的安全，构成了空间安全设计的系统性，也构成了人在空间中自防自救的基本保障。未来超高层建筑安全性探讨中，只有将空间设计与防火安全整合考虑，才能使设计实践的艺术化理想成为可能。

[1] 李云燕. 西南山地城市空间适灾理论与方法研究[J]. 西部人居环境学刊, 2014, 29(06)： 120.

[2] 中华人民共和国公安部. 建筑设计防火规范（GB50016-2014）[S]. 北京： 中国计划出版社, 2014.

[3] 卢斌. 超高层建筑标准层平面关联性研究[D]. 上海： 同济大学, 2008： 26-27.

[4] 万黎萍. 超高层建筑核心筒设计研究——以珠江新城新建超高层建筑为例[D]. 广东： 华南理工大学, 2014： 34.

[5] CAI Na. Fire Safe Elevator Used For Evacuation in Supertall Building[D]. Hong Kong： The Hong Kong Polytechnic University, 2014： 92.

[6] 郭大刚, 文德明, 马莉莉. 地标性超高层建筑消防问题探讨[J]. 消防科学与技术, 2013, 32(04)： 389.

[7] 王超, 王汉良, 韩见云. 超高层建筑电梯疏散效率研究[J]. 消防科学与技术, 2014, 33(11)： 1257-1260.

[8] 潘李伟. 超高层塔楼的消防设计分析[J].中国公共安全(学术版), 2013(02)： 70.

[9] 谷再平, 叶林青. 超高层建筑消防设计——以京基金融中心大厦为例[J]. 建筑学报, 2009(09)： 98.

[10] 何丘原, 张庆顺. 山地历史街区的火灾隐患分析及防火策略案例研究——以重庆磁器口为例[J]. 室内设计, 2012, 27(05)：41.

图表来源：

表1：作者整理绘制

图1-2，3a，4b，4c，5：作者整理绘制

图3b：http：//www.archcy.com/focus/elevator/ d640b3f290a0

图4a：http：//blog.sina.com.cn/s/blog_01 f1aa0b0100xn79.html

（编辑：曾引）

Ultra-high-rise Buildings’ Space Design from the Perspective of Fire Safety

YANG Dexin, ZHANG Qingshun, MA Yuefeng

With the rising height and the increasing security risks of ultra high-rise buildings, architectural safety is closely related to space organization and division and technology. In the thesis, discussing the relationship between the space and the fire protection design, from three aspects–the outer space, internal space and fire-resistant construction, seeks high coordination among fire safety, fire losses and architectural design, and expects that systemic of space security provides basic protection for ultra-highrise buildings of self-defense and self-help.

Ultra-high-rise Buildings; Space Design; Safety; Relationship

10.13791/j.cnki.hsfwest.20160308

杨得鑫, 张庆顺, 马跃峰. 防火安全视角下的超高层建筑空间设计[J]. 西部人居环境学刊, 2016, 31(03)： 50-55.

X947,TU972.4

B

2095-6304(2016)03-0050-06

2016-03-04