某大剧院观众厅不同排烟方式控烟效果研究

宋玉华，李焕群

某大剧院观众厅不同排烟方式控烟效果研究

宋玉华1，李焕群2

(1．烟台市消防支队，山东 烟台 264000； 2．武警学院 科研部，河北 廊坊 065000)

剧院类建筑的内部空间高大、火灾荷载大、人员密度大，极大增加了火灾救援及人员安全疏散的难度，因此，合理设计剧院类建筑防排烟方式，有效控制烟气扩散和蔓延，具有重要的工程意义。基于某大剧院观众厅的实际情况，设置两种不同火源位置及相应排烟风机的启动方式，采用火灾动力学模拟软件(FDS)对观众厅的各火灾场景进行模拟计算，得到各火灾场景的控烟效果，通过对比分析确定较好的控烟方式，为工程防火提供指导性借鉴。

剧院观众厅；排烟方式；FDS模拟

剧院类建筑一般具有内部空间高大、火灾荷载大、人员密度大等特点[1]，随着国家经济建设和人民生活水平的提高，其自身功能与结构也发生了跨越性的变化。大量新技术、新工艺、新材料、新设备的使用，给此类建筑的消防工作带来新的挑战，一旦发生火灾，多种因素可能导致火灾救援及人员安全疏散难度的增加，甚至导致大量人员伤亡，财产巨大损失[1-2]。根据火场调查，火场中火灾烟气对人的危害远大于火焰的危害，火场中的人大多数死于火灾烟气的毒害性而不是火焰的热辐射[2-4]。因此，对剧院类建筑进行烟气控制研究，采取合理的排烟方式，有效控制烟气扩散蔓延，具有重要意义。本文结合烟台市一个典型剧院观众厅的实际情况来探讨此类建筑空间发生火灾后不同排烟方式所产生的排烟效果。

1 工程概况

烟台市某文化中心，地上三层，局部四层，地下一层。工程总用地面积183 499.92 m2，总建筑面积55 489.74 m2，建筑屋顶最高点31.90 m，主要由A区(包括大剧院、电影厅)、B区(图书馆、书城、展厅)和C区(群众艺术中心)三大部分组成，如图1所示。该工程设有自动喷水灭火系统、火灾自动报警系统、机械排烟系统等。

图1 某文化中心功能分区图

本文主要研究对象为A区大剧院观众厅。该剧院观众厅位于文化中心南侧，两层，高度19 m。一层建筑面积810 m2，池座共26排855座，呈阶梯形布置，后排座椅地面标高6 m；二层建筑面积340 m2，池座共16排300座，呈阶梯形布置，后排座椅地面标高13 m。观众厅吊顶高位(顶棚)均匀布置4个机械排烟口，有效排烟量不小于150 000 m3·h-1；二层看台下方均匀布置2个机械排烟口，有效排烟量不小于50 000 m3·h-1。

2 研究方案

按照传统设计，该剧院观众厅一旦发生火灾，观众厅吊顶高位的4台风机和二层看台下方的2台风机同时启动进行排烟，这就存在两个问题：一是瞬时供电负荷大，不利于系统用电安全；二是不利于烟气流动，单个排烟口的排烟效率较低。因此，考虑烟气流动的规律，现根据火源位置不同提出分步启动风机的控烟方式，通过计算分析与同步启动风机的方式对比控烟效果。具体研究内容包括：(1)观众厅顶棚及二层看台下的机械排烟口同步开启对控烟效果的影响；(2)观众厅顶棚及二层看台下的机械排烟口根据火源位置不同异步开启对控烟效果的影响；(3)观众厅顶棚及二层看台下的机械排烟口根据火源位置不同采取单一位置启动对控烟效果的影响。

2.1 模型建立

利用FDS软件建立模型进行数值模拟，该软件由美国国家标准与技术研究院(NIST)开发，应用于火灾烟气流动及控制分析。在综合考虑经济性与保证满足工程计算精度的前提下，分析网格独立性和延展区域影响之后，采用复合网格划分方法，网格尺寸均为0.5 m×0.5 m×0.5 m。

2.2 火源位置及功率设定

观众厅内的可燃物包括观众座椅、人员随身携带的物品、电气设备以及装修材料等，其中以观众座椅和装修材料为主，考虑到内部的分层及各层坡度阶梯形结构，在典型位置近舞台区域设置火源A，二层看台下方设置火源B[5-6]，如图2所示。

图2 观众厅火源位置图

根据对剧院典型区域实际火灾危险性的分析和文献调研，依据《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)、《建筑防排烟技术规程》(上海市标准，DGJ 08—88—2006)、《Guide for Smoke Management Systems in Malls, Atria and Large Areas》(NFPA 92B)等现行相关规范及标准，无喷淋中庭热释放量4 MW，无喷淋公共场所热释放量8 MW。从最不利安全角度出发，考虑一定安全冗余：假设火灾场景A、B火源为t2快速增长火，计算模型火源功率为16 MW。

2.3 火灾场景设计

根据火源位置和风机启动方式的不同，可设置以下6种火灾场景，详见表1。

表1 火灾场景内容设计

2.4 判定标准

对比观众厅烟气沉降和测量相对地面2 m、8 m、15 m高度处的温度及能见度，如图3所示。分析各个场景温度和能见度随时间的变化情况，并记录达到危险状态的时间；对比各火灾场景下达到危险时间的早晚，比较不同排烟方式的控烟效果。

3 控烟效果对比分析

3.1 火源位于近舞台区域

在模拟时间1 000 s时，各火灾场景观众厅在相对地面高度2 m、8 m和15 m处，均出现了温度高于60 ℃和能见度低于10 m的情况，如图4、图5所示。达到危险状态的具体时间见表2，整体上表现为火灾场景A2晚于A1晚于A3。

由模拟计算结果可知，当火灾发生于观众厅近舞台区域时，仅开启顶棚4台排烟风机的控烟方式(A1)较6台风机同时开启的控烟方式(A3)，观众厅各高度处的温度场和能见度场出现危险的时间晚，控烟效果好，但较先开启顶棚4台排烟风机，再开启二层看台下方2台排烟风机的控烟方式(A2)的控烟效果差。故先开启顶棚4台排烟风机，再开启二层看台下方2台排烟风机的控烟方式(A2)，控烟效果最好，这种排烟方式下，观众厅各高度处的温度和能见度出现危险的时间最晚，安全疏散允许时间长。

图3 观众厅烟气沉降和温度对比图

图4 火灾场景A观众厅温度示意图

图5 火灾场景A观众厅能见度示意图

根据危险程度的判定标准，在设定三种火灾场景下，相对地面高度2 m、8 m和15 m处的空间水平面上，能见度低于10 m的时间都比温度超过60 ℃的时间短，因此，剧院内不同高度位置在不同排烟方式下的危险时间以能见度低于10 m的到达时间为最终依据，如表2所示。

表2 火灾场景A观众厅达到危险状态的时间

3.2 火源位于二层看台下方

在模拟时间1 000 s时，各火灾场景观众厅仅在相对地面高度8 m和15 m处均出现温度高于60 ℃情况，而能见度在相对地面高度2 m、8 m和15 m处均出现低于10 m的情况，如图6、图7所示。达到危险状态的具体时间见表3，整体呈现为B2晚于B3晚于B1。

图6 火灾场景B观众厅温度示意图

由模拟计算结果可知，当火灾发生在二层看台下方，同时开启观众厅6台排烟风机的控烟方式(B3)较仅开启观众厅二层看台下方2台排烟风机的控烟方式(B1)，观众厅各高度处的温度场和能见度场出现危险的时间晚，控烟效果好；但较先开启二层看台下方2台排烟风机，再开启观众厅顶棚4台排烟风机的控烟方式(B2)的控烟效果差。故先开启二层看台下方2台排烟风机，再开启观众厅顶棚4台排烟风机的控烟方式(B2)，控烟效果最好，可见，分步启动风机的排烟方式，观众厅各高度处的温度和能见度出现危险的时间较晚，安全疏散时间长。

由于，火源位置位于二层看台下，离地面高度为8 m的二层看台下达到危险状态的时间最短。同样，在设定的三种排烟方式下，能见度低于10 m的时间比温度超过60 ℃的时间短，可根据能见度低于10 m的时间作为最终危险判定依据。

4 结论

由模拟计算结果综合分析可知，该剧院火灾发生在观众厅的近舞台区域或二层看台下方区域时，分步启动位于观众厅顶棚高位的4台排烟风机或二层看台下方的2台排烟风机，有利于烟气层的控制发展，可避免因排烟风机之间抽吸作用的相互干扰出现烟气与冷空气的剧烈掺混现象，其控烟效果较优于火灾发生时6台风机同时启动及不同位置风机单一启动的控烟方式。两个位置风机分步启动的间隔时间不同，排烟的效果会有所区别，时间参数的优化还需要根据具体情况进行更多的分析研究。

[1] 霍然,胡源,李元洲.建筑火灾安全工程导论[M].合肥:中国科学技术大学出版社,1999.

[2] 周星.大型剧院消防设计探讨[J].武警学院学报,2011,27(2):56-58.

[3] 霍然,袁宏永.性能化建筑防火分析与设计[M].合肥:安徽科学技术出版社,2003.

[4] 范维澄,王清安,张人杰,等.火灾科学导论[M].武汉:湖北科技出版社,1994.

[5] 王旭,石鹤.国家大剧院高大空间排烟系统的分析设计[J].暖通空调,2008,38(9):52-54.

[6] 何嘉鹏,宫宁生,龚延风,等.剧院舞台的火灾流场分析[J].南京建筑工程学院学报,1995(2):49-53.

(责任编辑 李 蕾)

Study the Effect of Smoke Control on a Large Theatre Auditorium with Different Smoke Exhaust Mode

SONG Yuhua1，LI Huanqun2

(1.YantaiMunicipalFireBrigade,ShandongProvince264000,China; 2.DepartmentofScientificResearch,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

Because of the big internal space, large fire load, high personnel density of theatre buildings, it is very difficult to carry out fire rescue and personnel evacuation. Therefore, a reasonable design of the smoke exhaust mode of theatre buildings, effective control of smoke diffusion and spreading plays a significant role in engineering. Based on the actual situation of the auditoriums of a big theatre building, a scenario of two different dangerous locations of fire source and corresponding exhaust fan starting modes has been set up in Fire dynamics simulation software (FDS) where the fire scene of each auditorium has been simulated. The effect of smoke control in each fire scene has been obtained and compared in order to find out a better way to control fire smoke, and provide guidance for fire prevention engineering.

theatre auditorium; smoke exhaust mode; FDS simulation

2016-12-28

宋玉华(1981— )，男，山东烟台人； 李焕群(1974— )，男，湖南邵东人，副教授。

TU998.1

A

1008-2077(2017)04-0060-04