试论高层建筑电梯井烟囱效应及防火设计

刘建军

（无锡市消防救援支队，江苏无锡214000）

1 高层建筑电梯井烟囱效应成因

从高层建筑运行情况来看，烟囱效应主要是由电梯井拔风现象导致的。当建筑物室内外温差较大时，室内外空气会存在密度差，室内热空气密度较小，会沿着电梯井等竖直通道逐渐向上扩散，通过各种缝隙逐渐从较高层外渗。而外界冷空气密度较大，会从建筑物底层逐渐渗入，采用式（1）计算其压差：

式中，ΔP为压差，Pa；ti为室内温度，℃；to为室外温度，℃；g为自由落体加速度，m/s2；ρ为空气密度，kg/m；Δh为距离中和界的高度，m。

由式（1）可知，压差值通常情况下与室内外温差以及中和界高度差成正比关系。因此，建筑物高度越高，室内外温差越大，那么，电梯井产生的烟囱效应便越明显。

2 高层建筑电梯井烟囱效应防火设计

要预防高层建筑电梯井烟囱效应，需要从加强维护结构密闭性、分段设置电梯、在侯梯厅设计隔断或前室等方面入手，做好防火设计，为建筑物安全稳定运行奠定坚实基础。以下内容对此详细论述。

2.1 加强维护结构密闭性

相关试验结果显示，某高度为100 m的建筑物，在没有任何阻挡的情况下，烟囱效应会导致烟气从电梯井等竖向井管向上扩散，并且只需要30 s就可以在短时间内导致建筑物成为立体火场。要有效解决高层建筑烟囱效应，需要加强围护结构的密闭性，通过改善高层建筑外墙密封性能改善烟囱效应。需要注意的是，由于该高层建筑为办公建筑，出入口人流量较大，渗风现象较为严重，加强出入口密封性也十分重要[1]。

2.2 分段设置电梯

已知烟囱效应与建筑物高度以及室内外温差成正比关系，可以根据此规律从源头上对此现象进行遏制。通过在高层建筑分层设置电梯的方式，降低电梯井高度，减小电梯门两侧气压差，以达到防火的目的，为人员疏散逃生提供足够的时间。

2.3 在候梯厅前设计隔断或前室

除了上述两种手段外，还可以通过在候梯厅前设置隔断或前室的方式减小烟囱效应造成的影响。这一手段与分段设置电梯原理相同，通过采用该手段能够降低电梯门内外压差，减弱烟囱效应。

2.4 合理设计机械通风系统

通过在建筑工程内部设计机械通风系统的方式，能够降低室内压力，也能够降低电梯井内部与外界的温差，以此达到减弱烟囱效应的目的。其原理是：由风机设备提供动力，促使楼内空气流动。机械通风不会受到自然条件限制，可以根据建筑物情况排风、送风，最终获得稳定的通风效果。图1为该工程项目机械通风系统示意图。

图1 机械通风系统示意图

3 工程案例

某高层建筑位于某省会城市，建筑功能主要为办公，在楼层顶部设置有高级会所及观光层，建筑物高254 m，层高15.3 m，标准层高4.3 m，标准层建筑面积为3 012 m2，其中，电梯井面积为260 m2。该建筑物外围护结构主要以玻璃幕墙为主。作为典型的高层建筑类型，需充分考虑电梯井烟囱效应，采取针对性防火设计，以保障建筑物安全稳定运行。

4 模拟与分析

4.1 根据项目要求保障模拟工具的合理性

模拟工具的选择直接关系到模拟结果的准确度，对后续防火方案的制订有重要意义。基于此，笔者作为监督人员，与设计人员从建筑物内部运行情况出发，保障模拟工具的合理性。通过对比多种模拟工具，本文主要采用CONTAMW软件对建筑物中各构件压差及换气量进行计算。CONTAMW是美国火灾研究所针对多区域空气流动模拟的最新版本。通过该软件可以利用高层建筑中的空气流通路径、区域等变化，设置不同模拟目标，对建筑物烟囱效应进行模拟探究[2]。

4.2 结合项目实况督促工作人员设计模型

在该高层建筑项目当中，标准层外区都为办公区，内区核心设备为机房与电梯。笔者根据这一事实，督促工作人员在构建设计模型时从实际情况出发，同比例缩小建筑结构，确保模型符合建筑现实情况。

4.3 以建筑物运行状态为基础进行参数设定

根据该建筑工程以往的运行情况，笔者督促设计人员结合项目实况设定相关参数，在本次模拟分析工作中，设定室外温度为-7℃，室内温度为20℃，项目外围护结构以玻璃幕墙为主。该建筑物玻璃幕墙气密性为3级，单位面积内幕墙的渗风量为1.0 m3/h。此外，对于建筑物烟囱效应产生影响的关键设施有电梯门、推拉门等。尽可能促使此项模拟工作符合建筑实况，为提高模拟活动效果奠定基础。

4.4 结果与分析

4.4.1 加强维护结构密闭性

除了加强维护结构密闭性之外，还对电梯井当中存在的缝隙，以及大楼出入口的密封性进行了明确要求。根据模拟情况来看，该方法能减小建筑高层与底层的温差，进而减小建筑物内外压差，避免冷空气从低楼层渗入，热空气从高楼层渗出，进而减小烟囱效应，避免发生火灾时事故不断扩大。

4.4.2 区间分段电梯

在对高层建筑电梯进行分段设计后，通过模拟情况可知，区间电梯的电梯门两侧压差在安全范围。电梯在低层与高层间穿梭时，最大压差为69 Pa，小于100 Pa。由此可见，在该建筑物中，通过设置分段电梯的方式能够降低电梯井的高度差，进而有效降低电梯门两侧压差，以达到减小烟囱效应的目的。

4.4.3 候梯厅前设计隔断或前室

在该建筑工程中，共设置3部消防电梯，在明显超压层（73层）对消防电梯1、2设置隔断门，第三部消防梯不做任何处理。根据模拟结果来看，隔断门的设置能够促使消防梯门的压差从设置前的150 Pa降低到25 Pa。但是需要注意的是，由于该超压层压强的变化，导致各层压力分布情况也随之变化，高区（68层）电梯门压差即将达到100 Pa，基于此，在该层也加设隔断门，将其压差稳定在100 Pa以下，以解决超压问题，减弱烟囱效应。

对于高层建筑，要做好烟囱效应防火设计，需要在设计、施工阶段加强高层建筑围护结构的密闭性，减少建筑物漏风现象。在通往外界的出入口等地加设隔断，防止烟囱效应。与此同时，还需要结合建筑物实际运行情况，设计电梯转换层。通过考虑外界风压等因素，还可以在不常用的门窗上装设门斗、窗帘等，在电梯厅设计隔断或者前室，有效抑制烟囱效应，为高层建筑的安全稳定运行奠定基础。

5 高层建筑电梯井烟囱效应防火策略

5.1 保障消防安全与孔洞封堵

要做好高层建筑电梯井烟囱效应防火工作，还需要做好以下工作：

1）由于不少高层建筑火灾事故是由外保温层材料起火导致，再加上外保温层与电梯井距离较近，相关物业人员要对建筑物外墙装饰层进行检查，确保其完好无损，尤其是在封闭区域，要定期维修，避免保温层脱落等为火灾事故埋下隐患。

2）设计人员需要以GB 50016—2014《建筑设计防火规范》、GB/T 51410—2020《建筑防火封堵应用技术规程》为基础，对于建筑设计中可能出现的孔洞进行充分考虑，进而完善设计，重点考虑建筑物管道井的楼板孔洞以及电缆井缝隙、风管桥架穿墙孔等。选择的封堵材料要以不燃烧体为主。相关单位在后期验收检查过程中也需要将孔洞、缝隙封堵情况作为竣工验收内容，尽可能地保障高层建筑后期稳定运行。

5.2 及时检查楼内设施

防火门是防止建筑物火灾事故不断扩大的重要设施。基于此，物业人员要与设计人员形成联动，在合理设置防火门的同时，物业部门在后期要做好相关设施的维护工作。对建筑物内的各防火门进行全面检查，随报随修。若因建筑物烟囱效应导致防火门凭借自闭力出现无法关闭的现象，工作人员要进行人工干预。此外，楼梯间也是加强烟囱效应的主要竖向通道，对此也要引起重视。

在该建筑物地下室区域，热水锅炉机房、直燃机组需要合理设置进气口，因为这两种设备在运行过程中会消耗该区域很多空气，进而导致设备所在区域出现抽取空气的现象。基于此，要在设备所在机房中设置通往建筑物外部的进气口，以此减弱地下室空气流动现象。

对于电梯井旁边的门窗，不经常使用的可以加装保温门帘，需要注意的是，门帘不得遮挡安全出口指示标识[3]。

5.3 通过加强管理弱化烟囱效应

1）设置测温点，通过设置测温点对建筑物内部温度情况进行监控，以便及时调节室温，避免出现开双散热等现象，降低建筑物高层区域与底层区域温差。

2）做好防冻工作，因为高层建筑物烟囱效应，导致室内部分区域温度较低。例如，在该工程项目中，风机盘管管道会出现冻裂跑水现象，因此，要做好管道与缝隙的封堵工作，并且做好宣传培训工作，使员工与客户能够对高层建筑烟囱效应进行充分了解，进而配合物业部门的相关工作。

3）在高层建筑物内部容易产生烟囱效应的区域，不得随便使用装饰材料与易燃材料。在垂直通风道，如电梯井等，需要采取相关回流措施，以便减弱高层建筑烟囱效应，为其后期安全稳定运行奠定基础。

6 结语

综上所述，高层建筑作为现代建筑行业的发展产物，对于提高城市空间利用率具有十分重要的现实意义。与此同时，因为高层建筑本身结构复杂、高度高等因素，导致在寒冷天气下，建筑物内外部、上下部温差大，产生烟囱效应。在该效应下，一旦建筑物发生火灾，火势会通过电梯井在短时间内纵向蔓延，对居住者的生命安全造成严重威胁。基于此，需要结合建筑物实况采取科学合理的措施进行解决，为建筑物后期安全稳定运行奠定基础。