工业建筑之自然排烟设计探讨

孙雁飞

上海凯汇建筑设计有限公司

建筑物发生火灾时，会产生大量有毒烟气，人员在逃生时一旦吸入，轻则引起呼吸道烧伤，重则中毒晕倒，甚至不少死亡都是因为晕倒后被烧，因此，及时排除烟气至关重要。每一次火灾都是一次警钟，国家对消防工作的要求越发严格，对建筑物的消防设计要求日益提高，作为一名暖通工作者，深感前期建筑设计阶段做好防火、防烟、排烟设计非常有必要。本文以工业建筑为研究对象，重点对其自然排烟及自然补风设计进行阐述。

1 工业建筑中需设排烟设施的场所或部位

《建筑设计防火规范》中对工业厂房或仓库中需要设置排烟设施的场所或部位，做了明确的规定：①人员或可燃物较多的丙类生产场所，丙类厂房内建筑面积大于300 m2且经常有人停留或可燃物较多的地上房间。②建筑面积大于5000 m2的丁类生产车间。③占地面积大于1000 m2的丙类仓库。④高度大于32 m的高层厂房（仓库）内长度大于20 m 的走道，其它厂房（仓库）内长度大于40 m 的疏散走道[1]。

之所以未提及甲、乙类厂房或仓库，是因为这两类厂房或仓库有爆炸危险，一旦着火，可能直接构成爆炸，往往不考虑排烟设施，重点考虑加强其防火设计及正常通风、事故通风等预防爆炸的技术措施。之所以未提及戊类厂房或仓库，是因为这类厂房或仓库生产，储存物质为不燃烧物品，火灾危险性小，不考虑排烟的设施。

丁类厂房或仓库火灾危险性也较小，但在建筑面积较大的丁类车间中，仍然可能存在火灾危险性较大或者可燃物较多的局部区域，比如空调生产与组装车间，有的制冷剂是可燃的，万一泄漏，遇到火源即有可能发生持续燃烧，再者，虽然丁类厂房内生产、储存物品为难燃物，但是物品的包装物很有可能是可燃的纸箱、泡沫等，而较大的生产车间，仅依靠外墙开口难以及时将烟气排除，因此，设置排烟设施可以有效预防火灾，减少人员伤亡及财产损失。

2 工业建筑的自然排烟问题

排烟设施，包括自然排烟和机械排烟两种方式。对于工业建筑来说，自然排烟无疑是最佳方案，经济安全。

2.1 防烟分区内任一点与最近的自然排烟窗（口）之间的水平距离要求

《建筑防烟排烟系统技术标准》（以下简称烟规）要求：防烟分区内任一点与最近的自然排烟窗（口）之间的水平距离不应大于30 m。当工业建筑采用自然排烟方式时，其水平距离尚不应大于建筑内空间净高的2.8 倍[2]。如果按规范的字面理解，对于净高只有3 m的车间，净高的2.8 倍才8.4 m，而当自然排烟窗（口）设置在外墙时，应沿建筑物的两条对边均匀设置，这就要求建筑物的宽边不能大于16.8 m，实际工程中，这样的工业建筑比较少。因此，按此条规范，对于绝大多数工业建筑而言，只能采用机械排烟，这是极其不经济不合理的。幸而规范编委组专家后来对这一条给出了明确解释：①防烟分区内任一点到自然排烟窗（口）之间的水平距离不大于30 m 的要求对于任何排烟场合都适用。②当工业建筑采用自然排烟方式时，净高大于10.7 m 时，其水平距离尚不应大于建筑室内净高的2.8 倍。10.7 m 的由来是这样的：30 m÷2.8≈10.7 m，也就是说，当采用自然排烟的工业建筑空间净高大于10.7 m 时，其水平距离要求是适当放宽的，只要满足不大于空间净高的2.8 倍即可。这就比较符合规范编制者的初衷，因此，设计师应读透规范，弄懂规范条文的编制目的。

按照专家的解释，很多工业建筑便可设计自然排烟。图1 给出一个实例：某丙类厂房长边106.4 m，宽边36.2 m，层高5 m。按烟规划分防烟分区，各防烟分区面积应≯1000 m2，长边应≯36 m，故而划分为4 个防烟分区，再分别计算每个防烟分区的自然排烟窗有效开启面积，并考虑自然补风即可。得益于专家对规范的解读，此厂房才能自然排烟，否则按照规范的字面意思，该厂房不满足两侧自然排烟窗（口）到防烟分区内任一点的水平距离不应大于14 m（5 m×2.8），就要设计机械排烟系统。

图1 某丙类厂房三层平面图

2.2 自然排烟窗（口）如何沿建筑物的两条对边均匀的设置

厂房、仓库的自然排烟窗（口）设置除了满足最基本的要求外，还有一条规定值得讨论：当设置在外墙上时，自然排烟窗（口）应沿建筑物的两条对边均匀设置[2]。《建筑防烟排烟系统技术标准》图示（以下简称图集）中对这条规定给出了示意图及注释（图2[3]），明确示出如何沿对边均匀设置：对称布置，要么a 组，要么b 组，均匀布置在高位，且自然排烟窗开启方向应顺烟气流动方向。显然，图集中示意出的是理想状态，实际工程中，厂房必然有楼梯间、设备管井，往往还有电梯、卫生间、设备用房等，势必会占用一些室内位置，那么就会出现对边的自然排烟窗不能完全一一对应。这样的情况笔者多次遇到，也与多家审图公司沟通过，总结得出以下几点设计注意点：首先，对边设置的自然排烟窗实际可开启总面积需满足规范要求。其次，自然排烟窗只能沿a 组或者b 组设置，假如a 组自然排烟窗有效总面积达不到规范要求时，不可借用b 组位置上的窗，这就需要建筑设计师尽量将电梯、卫生间、设备用房等移位，尽量避免占用a 组自然排烟窗位置。再者，当某一组自然排烟窗对边面积出现悬殊时，要保证少的一边自然排烟窗有效面积不少于多的一边的1/2，有条件时，尽量使其达到大于多的一边的2/3，如此可保证烟气形成比较好的对流。最后，对于有屋顶的厂房、仓库，可以将自然排烟窗均匀设置在屋顶，对于向上流动的烟气来说，排出会更加有利。

图2 自然排烟窗（口）沿建筑物外墙的两条对边均匀布置

关于“均匀设置”，在设计初期，要注意与建筑提前沟通，每组自然排烟窗的长度不宜大于3 m，相邻防火分区处两边的自然排烟窗间距应大于等于2 m，以减少火灾对相邻防火分区的影响，参见图3[3]。

图3 自然排烟窗（口）分散均匀布置示意图

关于“对边设置”，条文如此描述：在侧墙上设置的，应尽量在建筑的两侧长边的高位对称布置，形成对流。这里，“建筑的两侧长边”，有人理解为字面意思“建筑物的两侧长边”，也有人理解为“防烟分区的两侧长边”。如果按照“建筑物的两侧长边”执行，图1 所示厂房是能满足要求的，但是如果按“防烟分区的两侧长边”来执行，图1 所示厂房自然排烟窗虽然均匀设置在建筑物两条长边侧，但对于每个防烟分区来说，均设置在防烟分区的短边侧，便无法满足要求。笔者在实际项目中遇到过类似情况，有审图老师认同第二种理解，后来便增设了机械排烟系统。再看图1 示例的厂房，显然，该厂房设置机械排烟系统时，防烟分区的计算排烟量较大，系统排烟量较大，并且需增设排烟管井、排烟专用机房、固定窗等，后期尚需定期进行维护管理。如果该厂房设计年限内一直未发生火灾，机械排烟设备常年不使用的话，年久会失效，远没有自然排烟可靠，设计机械排烟系统便会造成无畏的资源浪费。笔者认为，“建筑的两侧长边”出现在条文解释中，前面也加了修饰词“应尽量”，结合前面的图2，也就是说也可以沿建筑的两条短边均匀设置，那么，沿防烟分区的两条短边均匀设置亦可，只要能形成有效的对流即可，不应过分教条。当然，如果方案阶段建筑设计师将厂房设计得扁长一些，尽量使建筑物两侧的自然排烟窗（口）位于防烟分区的长边，采用自然排烟，会更加经济合理。

3 工业建筑的自然补风问题

众所周知，空气有进才能有出，因此，补风系统是排烟系统不可缺少的要素。烟规在补风章节中规定：除地上建筑的走道或建筑面积小于500 m2的房间外，设置排烟系统的场所应设置补风系统[2]。在此简要探讨两个问题。

一是，设置自然排烟系统的场所是否要设置补风系统？笔者认为，排烟系统应包括自然排烟系统和机械排烟系统，补风系统应包括自然补风和机械补风系统，根据字面意思可初步判定，设置自然排烟系统的场所应设置补风系统。再根据条文解释，不设补风系统的特例是设置机械排烟系统的地上走道和地上小于500 m2的房间，不是说这些场所不需要设置补风系统，而是因为这些场所的排烟量较小，可以通过建筑的门窗等缝隙渗透补风。如果专门设置补风系统，工程初投资和后期运行管理都要增加投入，不够经济，由此可见，任何设有排烟系统的场所，包括设置自然排烟系统的场所，均需要设置补风系统。另外，图集中也给出了自然补风的平面示意图，由图4[3]和图5[3]也可以看出隐含表达，不管是利用自然排烟窗自然排烟，还是通过机械排烟口机械排烟，均需要设置补风系统，而且补风要达到一定的量，且补风口设在储烟仓以下时，才能更好地有效地排出烟气。因此，不能理解为只有机械排烟系统需要设置补风系统，从而造成设计失误。

图4 自然补风的平面示意图

图5 补风口与排烟口设置在同一空间内的平面示意图

二是，设置自然排烟系统的场所设置自然补风系统还是机械补风系统？自然补风口风速要求是多少？其实，自然排烟系统的动力来源于火灾烟气的热浮力和建筑物外部风压，室内外空气温度差和排烟补风窗之间的高度差是必要条件，因此设置自然排烟系统的场所设置自然补风系统即可。如若设置机械补风，如同给着火场所设置鼓风机，助长火势。烟规指出：自然补风口的风速不宜大于3 m/s[2]，笔者认为，这个自然补风口风速限值适用于机械排烟、自然补风的情形，对于自然排烟、自然补风的情形，应根据烟规4.6.15 条公式进行迭代计算，确定自然补风口的面积。从该公式不难发现，自然排烟进排风口面积与烟层平均温度和环境温度差△T 和排烟窗下烟气层厚度db有关。举个实例来简要阐述如何设计自然排烟、自然补风系统。

图6 所示厂房长56.9 m，宽22.5 m，三层层高4.2 m，面积1103 m2，采用自然排烟、自然补风系统。首先，将该生产车间划分为两个防烟分区，分别计算每个防烟分区所需自然排烟窗面积，并计算最小清晰高度为2.007 m，设定清晰高度Hq取为2.20 m，提资于建筑。然后，将建筑计算出的自然排烟窗有效面积及其他相关参数输入后，进行多次试算，笔者根据公式编辑了计算表格，当公式左右两侧无限接近的时候，就能得到所需的自然补风面积。这里，需要注意的是，排烟窗下烟气层厚度db越小，所需自然补风窗面积就越大，该值一般最小取0.2 m，再小，自然补风窗面积就会很大甚至无解，因此，在建筑初步计算自然排烟窗面积时，需提醒建筑将自然排烟窗设置在清晰高度以上至少0.2 m。最后，在平面图上标注实际可开启自然补风窗面积及位置，要注意与自然排烟窗距离不应＜5 m。实际工程中，计算后有时会发现可以设置自然补风窗的位置不多、面积不够等问题，这就需要跟建筑商议调整排烟窗下烟气层厚度db后，再重新计算，反复几次，得出最优设计。

图6 某丙类厂房三层自然排烟系统平面布置图

4 结论

1）工业建筑的自然排烟问题。指出防烟分区内任一点到自然排烟窗（口）之间的水平距离不大于30 m的要求对于任何排烟场合都适用。当工业建筑采用自然排烟方式时，净高大于10.7 m 时，才需控制其水平距离尚不应大于建筑室内净高的2.8 倍。当自然排烟窗（口）设置在外墙上时，如何更好地沿建筑物的两条对边均匀设置，笔者认为，重点应是烟气能形成有效的对流。

2）工业建筑的自然补风问题。分析得出设置自然排烟系统的场所应设置自然补风系统，并指出对于自然排烟、自然补风的情形，自然补风窗（口）面积应根据烟规4.6.15 条公式进行多次试算得出。

此外，设计人员需注意，烟规是建筑和暖通两个专业的规范，这就要求建筑和暖通设计师仔细研读规范，项目各个阶段多沟通配合，在满足规范的条件下，设计出更优的作品。