老旧办公楼防排烟系统改造方案及可行性论证

莫海浩 傅碧峰 曾景灼 邱玉峰 黄园静 豆鹏亮

摘要：为使既有建筑消防系统满足安全目标，确保火灾发生时人员顺利逃生，对老旧办公楼的防排烟系统提出改造方案，重新划分防烟分区，满足各楼层有效排烟面积和增设机械排烟系统。采用数值仿真进行排烟有效性分析，运用FDS模拟火灾烟气，用Pathfinder模拟人员安全疏散。最终，第8层、第9层、第16层模擬得出的人员必须疏散时间（RSET）均小于可用疏散时间（ASET），表明该防排烟系统改造设计方案可保证火灾状态下人员疏散安全，满足消防安全目标。

关键词：既有建筑；防排烟系统；仿真模拟；可行性

中图分类号：X913.4       文献标识码：A       文章编号：2096-1227（2023）10-0004-03

随着高层建筑的发展以及建筑防火、防排烟规范的更新，老旧建筑逐渐不能满足新规范对建筑防火的要求，使得既有建筑改造具有必然性。既有建筑面临的火灾有救援难度大、蔓延传播快、持续时间长等特点[1]，再加上火灾烟气的危害，极可能造成严重后果。然而，我国既有建筑消防改造面临缺少文件指导、技术要求难执行、监管滞后和防火设计不合理等问题[2-3]。因此，提高既有建筑消防安全水平刻不容缓。

针对既有建筑火灾，丁厚成等[4]模拟了高层建筑火灾烟气的流动特性，表明烟气流动速度与火源HHR（热释放速率）直接相关；朱毅等[5]实验研究了耦合因素对高层筑疏散走廊排烟效果的影响，确定了走廊疏散的最佳机械排烟量；郑冠霞等[6]对大型商业综合体火灾进行了烟气与疏散模拟研究，探究其烟气蔓延情况和人员疏散安全时间；郭阿敏等[7]模拟了图书馆的烟气流动以及人员疏散，分析得出不同工况下的火灾危险性。在既有建筑火灾中，防排烟系统是降低建筑安全隐患、延缓火势蔓延速度的重要途径。因此，应高度重视既有建筑防排烟设计，保证建筑安全性，提高火灾逃生率[8]。王亚峰[9]提出全敞开式室外疏散措施，借助通风空调系统开展防排烟工作，电梯井用作防排烟设施；陈兴锋[10]提出通风防排烟风机安装位置需合理科学，且不能在前室或楼梯间安装；陈真珍[11]提出防排烟系统竖井设计，应尽量采用金属风道，保持风道的可靠性、光滑性、严密性。

本文以某办公楼为研究对象，由于建筑老化以及相关规范的更替，其消防设计不能满足现行规范要求以及正常使用需求，因此对消防设计中尤为重要的防排烟系统进行改造，并通过火灾模拟软件FDS和疏散软件pathfinder模拟论证其可行性。

1 项目概述

1.1  项目介绍

本项目建筑为办公楼使用功能，于2004年进行设计，2009年1月竣工投入使用。项目地下1层为车库及设备用房，地上1～16层主要功能房间有：办公室、会议室、档案室、食堂与餐厅、专业设备机房、职工活动室等。本项目东、西及北面外墙均为玻璃幕墙，幕墙上局部位置开有悬窗，裙楼南面与主楼南面的1层均为玻璃幕墙（无可开启窗），主楼南面2～16层外窗为推拉窗。项目结构形式为框架—剪力墙结构，建筑高度67.05m，总建筑面积28978m2，为一类高层公共建筑。

1.2  设计难点

由于本项目建成时间久远，防排烟系统大部分无法满足现行标准，为本次改造设计带来很大困难。按照《建筑防排烟系统技术标准》复核原设计及项目现状，其中防烟系统改造难点为：原土建加压送风井无法满足内衬为金属风管，并且屋面布置设备多而分散，无增加专用加压送风机房的条件。排烟系统改造难点为：不能满足自然排烟窗的面积计算；不能满足机械排烟设置。

2 防排烟设计方案

2.1  设计思路及方案

本设计方案的思路是在原主体施工图执行规范的基础上，尽量满足现行规范《建筑防排烟系统技术标准》，对于确实难以满足现行规范的，可根据住建部发布的《关于开展既有建筑改造利用消防设计审查验收试点的通知》，参考试点区域解决方案，可按原规范《高层民用建筑防火设计规范》实施。通过分析本建筑的消防设计以及新旧规范，把防排烟系统的改造方案分为遵循新规范和沿用旧规范。对防烟分区划分、自然排烟窗开启角度、机械排烟系统按照新规范改造。对防烟分区进行重新划分，保证其任意一点与最近的自然排烟窗的距离不大于30m；对于自然排烟窗有效面积计算按照新规范考虑窗开启角度，开启高度按照原设计不作相应要求；对各防烟分区自然排烟面积不满足2%要求的再增设机械排烟系统，第8、9层标准层东侧走道设计为机械排烟，第16层等候区及走道均设置为机械排烟系统。

本建筑的防排烟竖井、防排烟风机专用机房以及自然排烟窗开启高度无法满足现行标准的，参考《北京市既有建筑改造工程消防设计指南》中的4.2节解决方案。防排烟竖井内衬无法满足金属风管的要求，按原设计实施；屋面无增加专用防排烟机房的条件，其防烟系统按原设计实施；自然排烟窗开启高度均按照原设计不作相应要求。

2.2  防排烟系统改造设计方案安全判定

安全评估以“人员安全疏散时间小于火灾危险来临时间”作为安全疏散的判定准则。建筑的使用者撤离到安全地带所花的时间（RSET）小于火势发展到超出人体耐受极限的时间（ASET），则表明疏散过程达到人员生命安全的要求。考虑到疏散过程中的不确定性，增加一个安全裕量时间（ts），通常取不小于0.1倍的疏散行动时间，即：

TRSET + ts＜TASET                （1）

2.3  火灾烟气模拟分析

选取典型楼层第8层、第9层和第16层，采用火灾动态模拟软件FDS根据建筑设计图纸和改造方案创建三维仿真模拟模型，进行烟气流动仿真模拟；本设计排烟方式为自然排烟与机械排烟组合的方式。

2.3.1  火灾场景分析与设定

本建筑为通信办公楼，可燃物主要为沙发、纸张以及木制家具等，日常人流量大且人员集中，因此设定8、9、16层办公区起火，考虑喷淋系统无效，火源位置位于楼层中心位置，有利于观察烟雾向楼层各方向蔓延。火源增长速率为快速t2增长型火源，增长系数為0.046889kW/s2，火源功率为6.0MW。本设计排烟方式为自然排烟与机械排烟组合的方式。

2.3.2  火灾烟气模拟结果分析

在分析火灾对疏散的影响时，一般从能见度（烟层高度2.0m以下时，大空间能见度临界指标为10m，小空间为5m）、温度（热烟层降到2.0m以下，持续时间30min的临界温度为60℃）来衡量人体耐受极限，通过分析参数的临界值判断火灾的危险状态。

2.3.2.1  能见度分析

图1 a、b、c为第8层发生火灾时机械排烟与自然排烟相结合的能见度切片，火灾发生后烟气上升至顶棚沿四周径向蔓延至墙体边界与挡烟垂壁，随后烟气层下降至挡烟垂壁下沿以下时，就会向东侧区域扩散，并通过门进入其他房间。烟气蔓延先到达西侧合用前室，后到达东侧前室，当时间达到183s、203s和300s时，烟气蔓延至整个楼层，东西两侧前室能见度均已低于5m，只有边缘区域由于房门以及墙壁的阻挡，能见度高于5m。当采用机械排烟时，第8层东侧合用前室入口可用疏散时间为203s，西侧前室入口处可用疏散时间为183s，采用机械排烟可以保证人员安全疏散。

2.3.2.2  温度分析

当发生火灾300s后，楼层中心区域温度均大于60℃，达到了临界值；而外围的区域由于门的阻挡作用，温度均小于60℃。表明了火灾发生后以火源为中心的空旷区域温度将会快速上升，因此被困人员需要及时的疏散。

2.4  人员疏散模拟

采用人员疏散模拟软件pathfinder创建三维仿真模拟模型，进行人员疏散仿真模拟。因为人员的体型以及人员密度会影响疏散速度，所以参考《SFPE消防工程手册》对仿真模拟人员进行参数设置。全楼疏散模拟总时间为547s。通过分析疏散模拟结果，得出8、9、16楼层不同区域的模拟时间，计算出人员必须疏散时间，见表1。

2.5  判定结论

通过以上烟气模拟分析得出楼层内各安全出口的必须疏散时间（RSET），结合安全疏散分析得出的可用疏散时间（ASET），可得出各场景下的疏散安全性结论，如表1所示。第8层人员疏散至ST1、ST2可用时间为203s、183s，人员必须疏散时间为156s、179s，分别相差47s和4s；第9层和第16层的人员疏散可用时间和人员必须疏散时间分别相差78s、45s和36s、20s，故增加机械排烟后，当第8、9、16层着火后，都能保证满足人员疏散安全要求。

3 结论

本研究对象防排烟系统的改造方案基本执行现行国家工程建设消防技术标准，确实受条件限制无法执行新规范的部分，在充分考虑新旧技术标准差异的同时，坚持不降低既有建筑原有结构和消防安全水准，统筹协调消防改造的可行性和技术合理性，实现改造建筑安全性和工程经济性的协调统一，使得项目的消防安全性能得到了整体提升，达到了预定的改造后消防安全目标。

通过量化分析方法选取典型楼层，对本次防排烟系统改造方案是否能满足消防安全目标进行验证，通过对典型楼层不同火灾场景的火灾烟气及人员安全疏散模拟分析，实行上述防排烟系统改造方案，各种火灾场景下，人员疏散的可用安全疏散时间均大于人员必须安全疏散时间，各楼层及整栋楼人员均可安全疏散，因此，本项目提出的上述消防改造方案可行。

参考文献：

[1]邱长明.消防防排烟系统在建筑火灾中的作用探讨[J].中国建筑金属结构，2022（8）：139-141.

[2]张娅.老旧建筑消防改造设计要点探析[J].智能建筑与智慧城市，2019（7）：60-63.

[3]李冬梅.老旧高层公共建筑改造中消防设计存在的难点探析[J].消防技术与产品信息，2017（6）：65-68.

[4]丁厚成，徐远迪，邓权龙，等.高层建筑火灾烟气流动对疏散影响的模拟研究[J].中国安全科学学报，2020，30（12）：118-124.

[5]朱毅，李思成.耦合因素对高层建筑疏散走廊排烟效果的影响[J].中国安全科学学报，2019，29（2）：76-81.

[6]郑冠霞，杨漪，赵舒野，等.大型商业综合体火灾烟气及疏散模拟[J].西安科技大学学报，2022，42（4）：655-663.

[7]郭阿敏，谷瑞玲.综合性图书馆火灾烟气模拟与人员疏散研究[J].消防科学与技术，2020，39（6）：778-782.

[8]李论.建筑防排烟设计中的常见问题及对策[J].今日消防，2020，5（11）：33-34.

[9]王亚峰.建筑排烟系统设计分析[J].建材发展导向，2022，20

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[10]陈兴锋.高层建筑通风及防排烟设计[J].四川水泥，2022（8）：116-117+120.

[11]陈真珍.上海市某办公楼排烟系统改造分析[J].发电与空调，2015，36（3）：66-70+80.

Reconstruction scheme and feasibility demonstration of smoke prevention and exhaust system in old office buildings

Mo Haihao1， Fu Bifeng1， Zeng Jingzhuo1， Qiu Yufeng1， Huang Yuanjing1， Dou Pengliang2

（1. Nanning Construction Engineering Fire Service Center， Guangxi Nanning 530029; 2. Nanning Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Guangxi Nanning 530022）

Abstract： In order to make the fire protection system of the existing building meet the safety goals and ensure the smooth escape of personnel in the event of a fire， a renovation plan is proposed for the smoke prevention and exhaust system of the old office building， and the smoke prevention zone is re-divided to meet the effective smoke exhaust area of each floor and to add a mechanical smoke exhaust system. Numerical simulation is used to analyze the effectiveness of smoke exhaust， FDS is used to simulate fire smoke， and Pathfinder is used to simulate the safe evacuation of personnel. Finally， the necessary evacuation time（RSET）obtained by the simulation of the 8th， 9th and 16th layers is less than the available evacuation time（ASET）， indicating that the modification design scheme of the smoke prevention and exhaust system can ensure the evacuation of personnel under fire conditions. Safety and meet fire safety goals.

Keywords： existing building; smoke prevention and exhaust system; simulation;feasibility.