泄压墙对建筑火灾安全性能的影响与优化设计分析

2024-02-27杨华明何振东

中国建筑装饰装修 2024年2期

杨华明何振东杨志

随着高层建筑的蓬勃发展，建筑火灾的安全隐患日益凸显[1]。泄压墙作为建筑防火排烟系统的重要组成部分，其设计与优化对建筑火灾安全性能有着重要影响。本文重点分析了泄压墙对建筑火灾安全性能的影响与优化设计，以期为提升建筑火灾安全性能提供理论依据。

1 泄压墙的概念和作用

泄压墙是建筑物防火排烟系统中的重要组成部分，其主要作用是在火灾发生时确保建筑内部烟气能够顺利排出，降低室内烟气压力，防止烟气扩散[2]。根据《高层民用建筑设计防火规范》（GB 50045—2019）的规定，高层建筑的防火分区应设置具有一定泄压面积的泄压设施。泄压墙通常设置在建筑立面上，其槽型结构可以快速有效地排出燃烧产生的高温烟气。典型的泄压墙由不锈钢等金属材料制成，厚度一般不超过25 mm，长度和高度则依据建筑物体量确定。泄压墙的槽宽一般不超过100 mm，间距一般为600 mm。在设计过程中，需要充分考虑不同施工工艺对排烟性能的影响。混凝土预制板式泄压墙可采用皂化石膏模型试验法检验其排烟系数，钢结构或玻璃幕墙泄压墙则需要采用风洞试验检验其排烟性能。此外，泄压墙的设置位置也会影响其排烟效果，应该综合考虑建筑周边环境风压影响等多种因素。通过科学规范的设计与施工，可以充分发挥泄压墙的作用，确保建筑发生火灾时室内高温烟气能够快速泄压排出，降低火灾损失。

2 泄压墙对建筑火灾安全性能的影响分析

2.1 热量和烟气释放

建筑火灾中大量的热量和烟气不仅会损坏建筑结构，还严重威胁人员生命安全。泄压墙的合理设置可有效地引导高温烟气向建筑外部排出，降低室内热量与毒性烟气的蓄积，减缓火灾扩散[3]。当泄压面积为0.2 m2时，建筑物的烟气最大排放速率可达8 ～12 m3/s；当泄压面积为0.05 m2时，烟气排放速率仅为2 ～4 m3/s，烟气蓄积和室内温度迅速上升。采用正确的泄压面积可使室内温度维持在100 ～150 ℃，为人员疏散赢得宝贵时间。泄压墙的设计必须严格按标准规定合理设置槽型结构与泄压面积，选择适当的壁体材料，确保建筑火灾初期阶段最大限度地引导烟气与热量释放，提高建筑火灾安全性能。

2.2 气压控制

在建筑火灾过程中，燃烧产生的高温烟气会迅速提升室内气压，形成较大的正压差。该压力差会破坏防火分隔构件的密闭性，加速烟气蔓延到相邻防火分区。设置合理的泄压面积可有效释放烟气内积压力，控制火区气压在标准限值以下。根据《高层民用建筑设计防火规范》（GB 50045―2019）的要求，正常环境下建筑室内设计气压为-20 ～20 Pa。在典型设计火源条件下，当泄压面积为0.2 m2时，火区最高气压为140 ～180 Pa，排烟过程结束后迅速恢复正常；当泄压面积为0.05 m2时，最高气压可迅速增长至500 Pa 以上，使过高气压将可持续20 min 以上。因此，合理的泄压面积选择对控制火区气压峰值至关重要。此外，研究表明，采用多排泄压墙或设置塔楼助排系统，可以有效减少主体建筑气压波动幅度，使气压控制在标准限值内，增强建筑防火安全性。因此，泄压墙的数量、位置和结构布置的优化设计，是提升建筑气压控制与防火性能的关键环节。

2.3 防火分隔

防火分隔是建筑火灾安全的重要保障，其目的是通过合理划分防火分区，避免火灾跨楼层或跨建筑快速蔓延[4]。泄压墙的正确设置可增强防火分区之间的阻隔效果，提高建筑防护等级。高层民用建筑的承重墙、剪力墙等主体抗侧力构件应采用不低于2 h的防火极限。金属材质的泄压墙则需选用防火涂料或石棉复合板提高耐火性能。泄压墙与相邻墙体、楼板的连接处应设置防火隔断，采用耐火材料严密封堵，防止高温烟气经结构间隙进入相邻分区。针对超高层建筑，宜采用多防火分区和多排泄压系统，增设防火间割带，并在垂直布置的功能分区接口两侧同步设置足够数量的泄压墙，尽可能阻隔火势横向蔓延。通过布置合理的泄压系统，形成多层次防火分隔，提升建筑防火等级与安全性，为人员逃生争取宝贵时间。

3 现有泄压墙设计存在的问题

3.1 设计参数选择不合理

目前，很多建筑物在泄压墙的设计参数选择上存在不合理的地方，主要表现在泄压面积、泄压开启压力、槽型结构参数等方面。过小的泄压面积导致建筑发生火灾时无法实现有效气压释放[5]。且部分项目泄压墙的开启气压设置过高（大于300 Pa），严重影响泄压系统的启动响应速度。槽型结构参数选择也比较随意，很多项目泄压槽宽度达到200 mm 以上，这不仅增加了系统风阻，也容易导致烟气淤塞。参数选择偏差的根本原因在于相关设计人员缺乏防火知识储备，简单依据经验确定参数，没有考虑建筑的具体使用功能、体量规模、结构布置等因素，导致部分建筑物存在严重的火灾安全隐患。

3.2 泄压墙布置不当

建筑项目在泄压墙的布置上存在明显问题，主要表现为数量和位置设置不合理，无法对建筑整体区域实现有效排烟。常见问题包括以下3 个：第1，泄压墙仅设置于局部区域，导致大部分区域烟气无法排出；第2，不同防火分区之间未正确设置阻隔带，使烟气横向扩散蔓延加剧；第3，风压较大一侧设置过多泄压墙，而相对侧的烟气排放不畅。产生此类问题的主要原因：设计人员未考虑建筑周边地形地貌和环境风场对排烟的综合影响，简单认为增加泄压墙数量即可实现安全排烟。不同高度的风压变化复杂，必须通过风洞试验和数值模拟定量分析，确定泄压墙的布置方案。目前，该领域的技术手段还较为薄弱，这也是导致问题的重要原因。

3.3 泄压墙的结构和材料选择不合理

建筑物泄压墙在结构形式和材料选择上存在很多问题，影响建筑的安全性。如部分项目过于追求泄压墙的外观效果，采用全玻璃材质，但这类材料的耐火极限低，阻燃性差，易在火灾中破裂。也有建筑采用混凝土预制板式泄压墙，但板材连接处未设置防火隔断，高温烟气可经过结构间隙迅速蔓延。此类问题在于设计人员未能综合考虑材料耐火性能和构件机械性能的匹配性，也未关注不同材料与连接手段的防火漏洞，导致泄压系统在火灾中容易发生脆性崩塌，严重影响了建筑火灾安全储备时间。

3.4 泄压墙与烟控系统的匹配设计不合理

近年来，我国30%以上的高层建筑火灾事故与泄压系统失效有关，主要原因在于泄压墙与建筑烟控系统之间没有形成有效的协同配合，导致烟气疏散通道堵塞，阻碍人员逃生，具体原因为：第1，部分项目设置泄压墙的位置与建筑烟控疏散走廊不匹配，高温烟气直接排入人员逃生通道，严重威胁生命安全。第2，建筑内各楼层设置的横向疏散走廊与垂直泄压槽位置交叉错位严重，横排烟道与泄压墙之间的最小净距小于2 m，高温烟气横向射流影响疏散通畅。第3，部分特殊功能区，如地下室停车场等采用机械排烟，但各层泄压墙接口未设置防火阻隔，机械疏烟系统抽排的大量烟气经泄压通道反流进入上部区域。

4 优化设计方法

4.1 设计参数的优化选择

为科学合理地选择泄压墙的关键设计参数，必须充分考虑建筑体量、使用功能、结构布置、环境风况等因素的影响，在满足建筑火灾安全需求的前提下，采用优化的计算分析方法确定最佳参数解。通常，泄压面积的选取应充分考虑人员疏散时长和火灾阶段，按不低于0.2 m2设置，特殊功能建筑可增加泄压面积，确保烟气排放速率。

槽型结构参数优化选择则需建立数学模型，考虑不同槽宽和间距下的气流阻力特性、烟气排放性能等，采用多目标Genetic 算法得到最佳匹配解。此外，不同建筑高度区域的局部风压变化也会影响参数选取，必须通过风洞试验获得各层风压系数，再逐层微调泄压面积，实现整体协调优化。该优化设计思路可解决现有参数选取依据不足的问题，实现泄压墙高效安全排烟。

4.2 泄压墙布置的最佳方案

泄压墙的数量和位置布置是关键，优化设计的技术策略，应充分考虑建筑体型、结构布置和局部风环境影响，采用数值仿真与多目标决策理论，获得最优泄压墙布置方案。需建立建筑数字化三维模型，包含周边地形、风场环境等详细信息。模拟计算不同泄压墙布置下各楼层区域的温度场、烟气运动轨迹（X、Y、Z方向的速度分量）等参数分布，同时评估气压控制指标、防火分隔效果等。加入约束条件并采用遗传算法反复求解，得到满足气密性、稳定性、耐火性等约束的最优泄压墙布置数量和分布方案，实现火灾防护与排烟的协调一致。

4.3 结构和材料的优化选择

泄压墙的结构形式和材料选择关系到其在复杂火灾环境下的机械性能和隔热效果，优化设计必须加强材料配比和组合应用研究。针对泄压墙供选方案，即混凝土预制板式、有色钢板式和玻璃钢组合式，可建立考虑温度耦合效应的非线性有限元模型，模拟研究不同材料在标准火场下的应力应变和失效性能演化规律，提取各材料的应力-温度曲线、断裂阈值、防火极限等关键参数。

以保证结构完整性与隔热性为目标，运用多层次灰色关联决策法构建属性矩阵并确定权重，在满足使用寿命、耐久性等限制条件下，评估各方案的适应性并排序选择最优结构材料配比设计。如采用C60 混凝土预制板（配筋率1.2%）+小型颜色钢板（防火涂料）复合式泄压墙，可使构件在超过2 h 标准火场后仍保持耐力，温度上升幅度也可控制在要求范围内。该优化方法考虑了材料属性与耦合效应对结构性能的影响，使泄压墙可在长时间火灾环境下保持机械完整性与隔热性。

4.4 泄压系统与烟控系统的协同设计

为有效提高泄压墙与建筑烟控系统在火灾中的协同响应性能，必须采用系统集成的全生命周期设计与模拟优化方法，技术策略：第1，在建筑设计初期阶段，应在各防火分区及疏散层设置专门的气流网络与烟控系统仿真计算模块，模拟分析不同排烟方案的末端烟气流量、速度和方向分布数据，以最小化烟气堵塞风险、减少疏散通道淤烟时间为目标，采用多目标遗传算法求解每个防火区域最佳的泄压口数量、尺寸以及朝向等参数。第2，带入泄压系统的优化结果，建立几何结构与气流耦合模型，模拟研究不同开口组合对应的各层横向和纵向烟气运动规律。提取各开口烟气流量时域曲线，以最大稳定性排烟为目标，重复有限元素计算与优化过程，精确调整横向排烟道与纵向泄压口的位置和角度。第3，建立完整的建筑物与环境风场的耦合模型，考虑不同泄压口开启对室外局部风流场的影响。以最小化反流风险为目标，微调各泄压口的垂直高度，完善建筑整体烟控系统的协同设计方案。

5 数值模拟与实验验证

5.1 模型建立和参数设定

为验证不同泄压墙设计方案的防火效果，需建立精细化数值计算模型。计算模型选用OpenFOAM 开源软件构建，导入BIM 模型，细化网格尺寸控制在50 mm 内，横向划分36 个网格层用于描述竖向烟流运动。标准火源置于地面中心位置，峰值热释放率按3000±500 kW 设定，对应体积烟气产生速率为22±3 m3/s。泄压墙疏水系数按0.65 确定，开启压差选用80 ～150 Pa。模拟求解控制方程采用压力耦合方程组的半隐式方法（Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations，SIMPLE），迭代误差限制为0.1%。参数设置完毕，模拟不同设置方案的温度场、气流场及烟气扩散运动规律，提取多重评价指标为方案优选提供依据。除数值计算，还可选取实际工程案例，搭建可调节尺寸的火灾实验台，使用木质、液体燃料进行对比验证。

5.2 数值模拟方法

基于已建立的三维计算模型，设置不同的泄压条件进行数值模拟。综合考虑风压影响，东西向两侧风速分别设定为22 m/s、15 m/s 高低差异。断面监测点设置在1/4 楼层位置，提取温度、气压时序曲线，计算烟气运动速度。迭代计算采用SIMPLE 算法，残值控制在0.001 以下。重复对比分析不同参数设置下的计算结果，评估烟气排放量和控制效果优劣。获得最优数值解后，采用多项评分方法与标准火源实验结果进行定量误差检验，以校准数值模型的精度。

5.3 实验设计和测试结果

为验证数值计算的准确性，设计了可调节参数的火灾试验。实验样件为20 m 高的框架结构建筑，内部可置入不同材质的可燃物作为火源。建筑四面中部位置分别设置2 m 宽的泄压试验墙，采用电动控制系统调节开启度。墙体表面均匀布置了20 余个温度测点，并在各楼层关键部位安装气压探测器，可分4 轮测试，每轮变化泄压墙开度并记录各测点数据，详见表1。测试结果表明，随着开度增高，峰值气压逐步降低，温升速率减缓，排气量增加，数值模拟结果吻合良好，验证了模型的有效性。