高层建筑避难层设计分析

2021-11-27葛祥峰

中国建筑金属结构 2021年11期

葛祥峰

当建筑物高度＞100m 时，就需要设置避难层，为火灾紧急情况下建筑内的滞留人员提供避难空间。设计者做好避难层的设计，可以增强高层建筑的安全性能。因此，为了获得更好的高层建筑设计工作效果，设计者应对避难层设计展开深入分析，结合实际情况，积极探索更为科学、合理的避难层设计方案，确保避难层能够满足紧急情况下的避险需求，提升设计工作水平。

1.高层建筑避难层设计的必要性

高度达到100m 的建筑，通常为25 层的写字楼或34 层的居民楼，由于楼层较高，所以建筑物内的人群一般需要借助电梯进出建筑物。但在火灾情况下，受高温、停电影响，电梯处于无法使用的状态，此时就需要滞留在高层的人群经由步梯逃出火灾建筑。但事实上，写字楼每层的运动距离为13m，居民楼为8m，按照正常人的体力情况来看，若没有障碍，从顶层跑出建筑物所需时长居民楼大约为4.5min～5.5min、写字楼为5.5min～6.5min，在火灾环境下，人心理上的慌乱紧张，以及人流拥挤、人体吸入烟气等因素都会让逃生速度、个人体力下降，使得人们需要更长的时间，才能离开着火建筑，而最佳逃生时间为居民楼2min～3min、写字楼5min～6min。由此可见，仅借助步梯逃生，也难以让高层滞留人员顺利脱险。为此，需要在建筑中设置避难层，减少垂直疏散距离，让无法在最佳时间内逃生的高层滞留人员前往避难层实现脱险，保证火灾紧急情况下，高层建筑的消防安全。

2.高层建筑避难层的设计要求

根据上文论述，避难层是专门为火灾发生时，高层建筑空间中滞留人员提供的火灾躲避空间的楼层。基于此，在避难层的设计中，应当满足以下几项要求：

（1）火灾发生时，未来得及疏散的人员大多均处于紧张的心理状态下，此时，其思维能力、视力、体力等方面都会被削弱，导致其难以找准通往避难层的路线，因此，应当在避难层错动位置上，设计防烟楼梯间，或让上下层断开，由此帮助逃生人员迅速、准确地识别通往避难层的路径，尽快进入避难层。

（2）净面积应当满足避难人员的容纳需求。

（3）如果将避难层与设备层进行兼作设计，那么就应当确保设备、管线的集中布置，以方便逃生人员进入。

（4）应当为避难层设计排烟通风设施、消防扑救设计、通信设施等，而且供电时间≥1h、照明度＞10lx，确保避难层的消防安全和与外界的通讯联系。

（5）设计时，应当确保避难层与消防电梯、疏散楼梯之间存在顺畅的交通路径，让逃生人员能够快速识别避难层避难路径，保证其得以顺利进入避难层。

3.高层建筑避难层的设计原则

基于上述设计要求，以及对避难层设计必要性的论述，可以了解到高层建筑的避难层设计需要遵循以下几项原则：

（1）时间原则。为了保证避难层设计的有效性，必须以最佳逃生时间为依据进行设计，确保逃生人员在最佳逃生时间以内，达到避难层。

（2）实用性原则。需以火灾情况下人员逃生的具体需求进行设计，以全面满足火灾逃生需求，例如，要用绿光作为应急照明，使人们在能见度低的情况下，找准逃生路线。

（3）独立性原则。避难层的供电系统、照明系统、防烟系统均要独立设置，以免火灾情况下，避难层设施运行受到影响。

4.高层建筑避难层的设计分析

4.1 高度设计

《建筑设计防火规范》中要求，避难层之间的距离不能超过15 层，其首层与第一个避难层之间的距离也不能超过15 层。此项规定的制定主要依据消防云梯的高度。现阶段，国内大部分的消防云梯高度均为50m 左右。在火灾情况下，当高层滞留人员逃生至第一个避难层时，即可安全地等候消防人员，运用云梯营救。若每层楼高3.6m，15层楼高就应为54m，而云梯的高度仅为50m，因此在营救上存在一定困难，容易影响实用性。基于此，从实用性原则的角度考虑，避难层的高度设计应当考虑建筑层高，以及当地的消防云梯高度。若单位楼层高度较高，则应适当减少避难层所在层数的高度。同时，按照当地消防云梯的高度，确定避难层的具体层数高度。为此，在高度设计中，应做好前期调查工作，了解当地的消防设施情况，然后结合建筑物结构设计要求，确定避难层的高度。在此过程中，消防设计人员需要与结构设计人员做好沟通，明确具体的层高设计，而且在设计之前，还要向当地的消防部门寻求帮助，获取当地消防云梯高度信息，保证避难层高度设计的合理性。就目前来看，大多数情况下，设计者均会将从首层起的第一个避难层高度设计为45m 以内，这主要是因为位于45m 高及以上楼层的人员无法在最佳救援时间内通过步梯疏散完成逃生，而必须借助云梯逃生。此外，还要注意，避难层的层高应当在2m 以上，确保能够正常容纳逃生人员。

4.2 结构形式设计

在避难层结构形式设计中，设计者需要根据实际情况，从敞开式、封闭式、半封闭式这三种结构形式中选择合适的避难层及结构形式。其中，在敞开式结构形式下，避难层的四周围没有围护设施，借此通过自然通风实现火灾条件下的排烟，此种结构形式的避难层建设成本较低，但如果当地气候多风，就可能受火灾蔓延的影响，而且此类结构也会在一定程度上降低建筑物整体的保温性能。因此，此类结构仅适用于气候温暖、风力较小的区域。在封闭式结构形式下，避难层四周围均具备围护结构，且具有内部隔墙，同时无论是隔墙还是四周围护结构，均为防火墙。通常情况，这类避难层结构中，不设窗或设甲级防火窗，以避免火灾时，被来自其他楼层的烟雾、火焰侵入，而且此类结构中，还应配有保温结构，兼顾消防防火、节能保温，因此，在设计中，可以将该结构形式应用到寒冷、多风地区的避难层结构设计中。半封闭结构是指具有围护结构，且围护结构为高度超过1.2m 的防火墙的避难层结构形式，此结构的上部通常设有窗户，依靠自然通风实现排烟。此结构对火焰、烟雾侵入具有一定的阻挡能力，但还是会受到一定影响，而且保暖能力也较弱。因此，在设计中，只有在建筑物所在区域气候较为温暖的情况下，才能运用该设计，不能将该结构形式应用到寒冷区域内的建筑物避难层设计中。

4.3 存在形式设计

避难层存在形式有两种，即独立形式、与设备层兼作形式。在设计中，如果选择独立形式，就应当设置单独的避难层，并秉承独立性原则，为避难层设计独立的供电、消防等设施，减少火灾蔓延对避难层的影响。在此形式下，需为避难层中的核心设备设施设置一层围护结构，且该围护结构的耐火极限应超过2h。但大多数情况下，出于成本等方面的考虑，设计者会选择与设备层兼作的存在形式设计避难层。在采用与设备兼作形式设计时，需要注意，要为避难层设计围护结构，且构建该围护结构的墙体，应当为耐火极限＞2h 的防火墙。

4.4 面积设计

在避难层面积设计中，设计者需要按照现行规范中提出的5 人/m2的标准，根据实际人数计算避难层面积。一般来说，避难层人员密度通常会相较常规结构层大一些，但不能让人员之间过分拥挤。因此，在现行标准的制定中，考虑了国内群众的体型现状，以席地而坐为标准，设计出了上述人均占有面积标准。但事实上，随着群众物质生活的不断发展，现阶段国内人口肥胖比例提升，在一定程度上影响了上述人均占地标准适用性。为此，有研究者曾对国内人口体型特征展开过研究，研究对象为某办公楼的工作人员，这些工作人员的年龄为20 岁～50 岁，体检时，这些研究对象穿着单衣。此后，研究者根据测量结果，结合人与人之间舒适度距离相关数据，得出新的数据：人均占地面0.238m2。因此，在实际设计中，可以考虑按照4人/m2的标准，设计避难层面积。此外，还要注意，在设计中，第一层避难层的面积应适当大于其他避难层，因为距离首层越近，步梯处的待疏散人员就越多，很大一部分滞留人员会集中进入第一层避难层，所以，此避难层的面积应当稍大。在此过程中，需要按照从上往下的顺序，逐步增大避难层面积，并让距离首层最近的避难层面积达到最大，充分考虑逃生人员体力不支情况下需要在避难层停留休息后，继续向下逃生的需求，以保证设计的实用性[1]。

4.5 外立面设计

在早期的高层建筑设计中，设计者通常会将通风百叶设计在避难层的外立面，此种立面设计具有较强的功能性，能够助力避难层排烟设施的运行。在早期设计中，设计者大多会将通风百叶设置在外立面的隐蔽处。但现阶段，外立面设计成为建筑物整体立面造型的积极因素，并赋予了高层建筑物独特的韵律美。因此，在避难层立面设计中，设计者经常会关注通风百叶的造型，并将其设计在主要的视觉方向上，以提高建筑物整体的美感[2]。在此过程中，也可以考虑将百叶更换为镂空金属网，借助金属网造型多样性的优势，让外立面结构的美观性得到提升。例如，可以结合本地的文化，设置云纹图、回字图等极具本地文化标志性的金属网镂空图案，让建筑物更具美观性优势。目前，很多设计者还会运用竖向通风格栅、玻璃相间的形式设计避难层的外立面。此种设计通常有两种呈现形式，即沿外立面方向平行、与外立面方向有夹角[3]。但应当注意，如果让玻璃与外立面呈一定角度，那么有可能出现色差大的情况，影响美观。因此，需按照平行玻璃的模式，进行竖向玻璃的位置安排，且应当选用颜色效果与玻璃幕墙相近的玻璃，以消除色差问题，保证设计效果。此外，在设计中，也可以将避难层的外立面设计与空中绿化结合到一起，让建筑物与自然环境更加协调。但应当注意，必须以不影响消防设计为前提进行绿化设计，以保障设计的有效性[4]。

4.6 交通组织设计

在交通组织设计上，设计者需要为避难层设计两个交通路径，即电梯路径、步梯路径。其中，在电梯路径的设计上应当注意，能够抵达避难层的电梯必须是消防电梯。消防电梯主要用于在火灾情况下，消防人员进入建筑物内部灭火、救援活动，能够避免其因爬楼梯耗费过多体力，同时也能加快救援工作的速度[5]。在此过程中，为了保证消防电梯在火灾条件下的使用性能，消防设计者通常会为此电梯设置双路电源以及紧急控制系统，且在材质上，具备更强的高温稳定性。常规的电梯在火灾条件下，很容易出现变形、停电、停运的情况。因此，为了避免其对避难层的消防安全产生影响，进行交通组织设计时，不应让常规电梯停靠避难层，而是要将消防电梯作为唯一通往避难层的电梯交通路径。在步梯路径设计中，考虑到火灾条件下，人员的视线受阻、体力下降，而且处于高度紧张状态，很可能出现无法找到避难层的情况，因此应让楼梯在避难层被分隔开，强制避难人员途经避难层，使避难人员能够顺利找到、进入避难层，增强设计效果。但在此过程中，应当注意，需严格按照现行的标准、规范，设计避难层入口、消防电梯容量等参数，以确保交通组织设计方案能够满足人员疏散避难的需求，深入优化避难层设计工作的水平[6]。

4.7 防火构造与消防设计

（1）在避难层防火构造设计中应当注意，为了减少从其他楼层窗口冒出的烟雾或火焰对避难层产生影响，需将避难层窗与其他楼层窗户之间的距离设计为2m 以上，或者在避难层窗的下部设置一个宽1m 以上的防火挑檐。对于兼作设备层的避难层，设计者需要用防火墙对避难区、竖井、设备间予以分隔，且所有分隔用的隔墙，均应为耐火极限＞2h 的防火墙。同时，也要用耐火楼板将避难层与其他楼层分隔，且该耐火楼板的耐火极限也要超过2h。此外，设备区的检查门应当为甲级防火门，且开启方向应当设计为朝向公共走道，而非避难区。在设计中，为了方便救援，还要将避难间的位置设计在靠外墙的区域，而且要注意，严禁在避难层设置使用明火的场所。在避难层的消防设计中，首先应设计消防软管、消火栓等基础消防设施，如果该避难层的结构形式为封闭式，就需要为其设计独立的防烟设施。

（2）除了上述基础的消防设施以外，还要设置手动报警按钮、专线电话等与外界进行通讯的设施，为救援工作提供便利。最后，需设置烟感、温感探测器，其中烟感探测器探测半径应在5.8m以上，温感探测器探测面积应当在20m2以上，为救援工作提供更详尽的信息。同时，还要设置消防应急广播系统，并将其连接到疏散楼梯间，以便在逃生人员视线受阻的情况下，引导其顺利找到避难层，优化避难层消防设计的实用性，增强高层建筑物的消防安全性能。

4.8 办公区避难区共用设计可行性分析

就目前来看，在避难层设计中，经常会存在一项设计问题：人均所占面积系数得出的满足逃生人员避难需求的净面积通常小于标准层的净面积。因此，在避难层设计中，如果将整个标准层作为避难层，就会出现面积浪费的问题，同时，很大一部分高层建筑并非智能楼宇，不需要过多的设备，这使设计者即便是将避难层与设备层进行兼作处理，面积浪费的问题依然存在。为此，有人提出了避难区与办公室共用楼层的设计理念。但办公区属于火灾风险较高的区域，在上述设计理念下，仅用防火墙、防火门实现区域分隔是否可行，逐渐成为避难层设计中的主要待探究问题。为此，有研究者运用FDS 这一模拟软件，对火灾蔓延的规律进行模拟，分析了办公区火灾对避难区的影响。在此过程中，研究者发现，当防火门无法及时关闭时，虽然会有一部分烟气进入避难区，但避难区在40min 内均保持消防安全的状态，因此，这种设计具备一定的可行性。但由于防火门、防火墙均对该设计的可行性具有决定性作用，因此，必须确保防火门、防火墙的运维工作有效完成，保持防火墙、门性能良好。而事实上，对于运维工作，势必存在干扰因素，所以，虽然该设计方式可行，但其在实际应用中依然存在较高风险。