王方舜

湖北省武漢市公安消防支隊，湖北 武漢 430100

大空間建筑火災煙氣的蔓延及控制研究進展

王方舜

湖北省武漢市公安消防支隊，湖北 武漢 430100

闡述了大空間建筑中火災蔓延發(fā)展的特點和煙氣蔓延的規(guī)律，分析了溫度、濕度、熱膨脹、風及室內消防設施等因素對大空間建筑火災煙氣的蔓延規(guī)律的影響.比較現(xiàn)有大空間建筑煙氣控制方法，針對大空間建筑的特殊性和復雜性，提出在選擇常規(guī)防排煙方法的同時，應著重利用自動消防設施合理地對煙氣進行引導和分割，防止煙氣的蔓延擴大；選擇合適的火災探測器，以便快速發(fā)現(xiàn)火災煙氣；合理設置補風系數，保證人員的有效疏散.

大空間建筑；火災煙氣；煙氣控制；影響因素

近年來，全國各地的大型或高層建筑層出不窮，其中往往包含某種形式的內部大空間.關于大空間建筑國內沒有明確的定義，也有學者根據建筑的高度和體積大小來界定，然而在實際研究中并沒有準確的區(qū)分.通常，我們把內部空間相當大，沒有或者缺少實體分割所形成的建筑叫做大空間建筑，例如圖書館、博物館、影劇院、禮堂、候車廳、大型倉庫和車間、高層建筑的中庭等.大空間建筑給人們提供了寬敞、舒適的室內環(huán)境，保證了很多室內活動少受或不受外界的影響，因而受到人們的普遍歡迎，已成為現(xiàn)代建筑的重要設計方向之一，正隨著國民經濟和城市化的發(fā)展而發(fā)展.火災統(tǒng)計表明，我國發(fā)生的多起重特大火災，多與大空間建筑物有關［1］，如2008年深圳龍崗舞王俱樂部火災、2010年吉林市商業(yè)大廈火災、2012年天津薊縣萊德商城火災、2015年哈爾濱太古街日雜倉庫火災等.與其它建筑火災明顯不同的是，由于建筑物內部空間大、構造復雜、可燃物堆積多，一旦發(fā)生火災，高溫煙氣容易集中，導致人員疏散困難、滅火難度加大，極易造成重大的人員傷亡和經濟損失.

隨著我國經濟發(fā)展的迅速加快，大空間建筑越來越普遍.這類建筑不僅在高度和廣度上有了很大的發(fā)展，形式也趨于多樣，功能也更加復雜，大空間建筑火災已成為建筑火災的一個難題.大量的火災事故統(tǒng)計表明，煙氣是阻礙人們逃生和消防員進行滅火行動、導致人員傷亡的主要原因之一.據有關火災資料統(tǒng)計，煙氣中含有二氧化碳、一氧化碳、氟化氫、氯化氫、氨、氰化氫、煤焦油粒子等有毒有害成分，而高溫煙氣對大空間建筑內的被困人員而言，危害作用更加嚴重.這是因為在一個很大的空間內，煙氣不經任何阻擋，很容易蔓延至整個空間；如果煙氣溫度較高，還有可能引燃其他的可燃物，造成更大的危害.因此，認真研究大空間建筑火災，探索火災煙氣的蔓延規(guī)律，尋求其煙氣控制方法，對于減少大空間建筑火災中人員傷亡和財產損失具有十分重要的意義，這也是我國防災減災的一個重要方面［2］.

20世紀50年代，英國最先開始了對大空間建筑煙氣流動規(guī)律和控制技術的研究，20世紀60年代以后，隨著世界上高層建筑逐漸增多，國際上掀起了對大空間建筑火災煙氣流動研究的熱潮［3-5］.1964年，日本開始利用國內現(xiàn)有建筑開展實體火災排煙實驗，2年以后開始了煙氣流動基礎理論研究.1976年，美國學者H.P.Morgan在一個1∕10的小尺寸兩層商場模型中，進行了煙氣釋放速率、光學濃度及防火卷簾設置的研究，由此提出了在多層購物商場中的煙氣控制方法.20世紀90年代以后，大空間建筑的火災防治研究得到了長足的發(fā)展.針對大空間建筑的特殊性和復雜性，處方式防火設計已經不能滿足其實際需要，目前發(fā)達國家傾向于采用性能化設計規(guī)范代替處方式設計規(guī)范.

近些年我國對大空間建筑防排煙特點做了深入仔細研究，該類研究為大空間建筑的安全設計和人員安全疏散提供了理論依據.其中，中國科學技術大學與香港理工大學關于大空間建筑火災防治的研究在國內處于領先地位.他們合作建設了一座大空間建筑火災實驗廳，大廳的內部尺寸為長22.4 m、寬12.0 m、高27.0 m，屋頂設有8個1.2 m×1.2 m的正方形排煙口.為更好地研究機械排煙，其中的4個排煙口被安裝了H T P-ê-11型大功率的高溫排煙風機［6］，如圖1所示.

圖1 大空間實驗示意圖Fig.1 Schematic diagram of large space experiment

該實驗以油池火做為火源，以沙發(fā)做為可燃物，模擬大空間建筑火災.以油池火做為火源容易進行處理，這種火源的初期增長階段很短，容易達到穩(wěn)定燃燒，可以視為在整個過程中熱釋放速率不變，因此這種火源又被叫做定火源［7］.在該實驗條件下，通過分析對比實驗結果與計算結果，歸納了熱釋放速率與煙氣運動參數之間的關系.但是在實際大空間建筑火災中，絕大部分燃燒物質是固體可燃物，其熱釋放速率和煙氣生成速率比定火源要復雜得多，與試驗結果有一定偏差.研究人員認為，對于變火源燃燒的情況，可以采用分段近似的方法來對煙氣層的下降速率進行模擬.因此，該實驗對實際情況仍具有十分重要的指導意義.

為研究大空間建筑火災煙氣蔓延規(guī)律，尋求煙氣控制方法，就必須先弄清大空間建筑火災蔓延發(fā)展的特點，因為煙氣是伴隨火災產生的，火災的特點決定了煙氣的特點.本文根據大空間建筑的煙氣特性，分析其煙氣的蔓延規(guī)律，指出了煙氣對消防員撲救火災和人員疏散造成的困難.同時，還分析了各種因素對大空間建筑火災煙氣的蔓延規(guī)律的影響，這些影響因素包括溫度、濕度、熱膨脹、風及室內消防設施等.在此基礎上，對比現(xiàn)有的大空間建筑煙氣控制方法，指出其適用范圍和優(yōu)缺點.針對大空間建筑的特殊性和復雜性，對煙氣控制方法給出合理化的建議.

1 大空間建筑火災蔓延發(fā)展的特點

1.1大空間建筑的分類

根據其結構特點，大空間建筑大體可分為以下幾種：

1）高度不是很高，但是平面面積很大的大面積型建筑，如生產車間、大型商場等.該類建筑的占地面積可達幾千至幾萬平方米，建筑高度一般在6 m以下；

2）高度高且占地面積大，大空間四周沒有樓層的單層建筑，如會堂、展覽館、劇院、體育館、候車廳和大型倉庫等.其占地面積通常有幾百平方米至上千平方米，建筑高度為10 m～20 m；

3）共享中庭的高層建筑，該類建筑的大空間就是中庭，其占地面積只有幾十平方米至上百平方米，高度達幾十米以上.

表1給出了大空間建筑具體用途的分類.

表1 大空間建筑分類Tab.1 Classification of large space buildings

1.2 大空間建筑的火災特性

許多大空間建筑為了滿足其需要，多采用鋼骨架和鋼筋混凝土做為主體支撐搭建，也有的僅以磚石構建，如教堂、寺廟等.因中間分割物較少甚至沒有，這些裝飾裝修材料主要分布于屋頂和四周.在建筑中為了延長材料使用時間、美化建筑結構以及滿足某些特殊要求，許多建筑內都采用了可燃或者易燃的裝飾材料，這極大地增加了建筑的火災危險性.根據大空間建筑的特點，大空間建筑的火災特性歸納如下［8-10］.

1）火災隱患多.該類建筑物中許多是多功能建筑物，有的內部還貯存了較多的可燃物，故火災荷載較大.例如許多綜合樓，既有大型商場又有存放服裝、日用百貨的周轉庫房，還有餐廳、游戲廳、歌舞廳、電影院等，一座大空間建筑可能有幾十個單位，一家商場可能有近百個體攤販等.由于該類建筑綜合性較強，不便于統(tǒng)一管理，對消防安全的重視程度不一，潛在的火災隱患多.

2）火勢蔓延快.許多大空間建筑高度較高，尤其是高層建筑的中庭.如果某一樓層發(fā)生火災，高溫煙氣就會隨著各種垂直通道迅速向上蔓延.如建筑高度為100 m，煙氣不到30 s就會擴散到頂層，向水平方向擴散，遇到存放的可燃物就會燃燒，引起新的著火點.特別是高層建筑的中庭，由于上下聯(lián)通，很容易形成立體燃燒.另外，隨著高度增加，水平風力會越大，助長火勢蔓延.

3）撲救難度大.該類建筑內部空間大、氧氣充足、火勢發(fā)展快、熱輻射強、煙霧濃，給消防人員開展滅火戰(zhàn)斗造成了困難.另外，面對新型建筑，我們缺乏撲救大空間建筑物火災的實踐經驗，指揮能力欠缺.且滅火面積較大、樓層較高時，會出現(xiàn)消防供水量不足、舉高消防車難以達到高度等問題.

4）建筑消防設施難以啟動.發(fā)生火災時，煙氣上升至頂棚，被感煙探測器或感溫探測器探測，發(fā)出報警信號，啟動室內消防設施撲滅初期火災，這在普通建筑中是很容易實現(xiàn)的.但是在大空間建筑中，只有火勢發(fā)展到一定階段，煙氣濃度和室內溫度有顯著上升時，火災探測器才能開始工作.即使啟動，火勢也已到相當規(guī)模，延誤了報警的最有利時機.同樣，依靠溫度上升而破裂的自動噴水滅火系統(tǒng)的噴頭，由于短時間內溫度達不到動作溫度，難以啟動滅火，而噴頭噴出的水滴從幾十米的高度落下來，不易到達燃燒物的表面，從而失去有效控火作用.

5）疏散困難.許多大空間建筑是人員密集場所，由于建筑空間過大，人們對建筑內部結構不了解，加之室外安全出口的距離遠，疏散時間通常較長.另外，由于煙氣很容易充滿整個空間，影響了被困人員的視線，增大了人員疏散難度.

6）防煙分隔困難.在建筑內設置防煙分隔構件可以有效地阻止火災煙氣的蔓延，然而，像展覽廳、候車室、劇院、高層建筑中庭很難或者無法設置防煙分隔構件.雖然人們可以利用防火卷簾、擋煙垂壁等防煙構件對煙氣進行阻擋，但許多區(qū)域的防煙分區(qū)面積都超過了規(guī)范規(guī)定的標準.對大空間建筑合理劃分防煙分區(qū)，設置有效的防煙分隔已成為一個研究的難題.

7）易發(fā)生坍塌的危險.大空間建筑內部分割物較少，支撐結構多采用鋼結構或者鋼筋混凝土結構，耐火等級偏低.鋼材雖為不燃材料，但在高溫下容易發(fā)生塑性變形，強度和剛度大大下降.普通低碳鋼在350℃時，強度明顯下降；溫度為550℃時，強度約為常溫的1∕2；溫度為600℃時，強度約為常溫的1∕3.大空間建筑一旦發(fā)生火災，其內部溫度遠超600℃，普通鋼材幾乎完全喪失強度和剛度，即使鋼材表面有防火涂層，在高溫下仍然存在坍塌的危險.

2 大空間建筑火災煙氣的蔓延規(guī)律

火災煙氣的特性與其火災煙氣的蔓延有著緊密的關聯(lián)，研究大空間建筑火災煙氣的蔓延規(guī)律是研究煙氣控制的前提.

2.1火災煙氣的特性

材料燃燒過程中通常會釋放出一定量的火災煙氣，煙氣的生成速度、濃度、成份等因素［11］，決定了材料燃燒過程中的煙氣特性.為有效減少煙氣的危害，把握火災煙氣的特性是十分有必要的.火災煙氣的特性主要包括以下4個方面.

2.1.1 煙氣顆粒大小 材料在燃燒時通常會產生煙氣，特別是在陰燃時會產生大量的煙氣.煙是懸浮在空氣中的氣體、液體或固體小顆粒.材料的性質對煙氣顆粒大小有著重要的影響［12］.一般來說，含碳量較少的物質，如乙醇、丙酮等，發(fā)煙量較少，幾乎不產煙；而像石油、橡膠等含碳量較多的物質，燃燒時發(fā)煙量很大，肉眼就能看到碳黑顆粒.描述煙顆粒尺寸分布的主要特征量是顆粒的平均直徑dgm（μm）和顆粒尺寸分布范圍的寬度d32（μm）.

2.1.2 煙氣濃度 可見光在煙氣中傳播時，由于煙粒子對光子的吸收和散射作用，只有部分光線穿過，火場能見度大大降低，給人員逃生和疏散造成了很大的困難.煙氣的濃度通常有以下3種表示方法：

1）質量濃度 μs［13］：單位體積的煙氣中煙粒子的質量，即

式（1）中：ms為煙粒子質量，g；Vy為煙氣體積，m3.

2）顆粒濃度ns［13］：1 m3的煙氣中含有的煙粒子數目，即

式（2）中：Ns為空間中的煙粒子總數；Vy為煙氣體積，m3.

3）光學濃度：用減光系數Cs來表示.如果用I0表示入射光強度（Cd），用I表示透射光強度（Cd），l代表煙氣的長度，根據比爾-朗伯定律求出減光系數［13］：

2.1.3 能見度 能見度是在某一環(huán)境下人員能看到的最大距離，火場中能見度對人員疏散至關重要.研究表明，能見度與煙氣的減光系數成反比［13］，即：

式（4）中：Cs為減光系數，1∕m；D為能見度，m；K為系數.

這表明減光系數越大，能見度越低.為保證人員在疏散過程中能夠看清疏散指示標志和安全出口，規(guī)定在疏散過程中能見距離不得小于某一最小值，這個最小值稱為疏散極限視距，用Dmin表示.對于高層旅館、百貨大樓等建筑，規(guī)定疏散極限視距不得低于30 m；對于人員密集的住宅、生產車間等，疏散極限視距不得低于5 m.

2.1.4 煙氣溫度 火災煙氣的溫度與起火點的距離有關，距離起火點越遠，煙氣溫度越低.大空間建筑內部空間大，如果堆放可燃物較多，發(fā)生火災后可燃物受熱分解后導致煙氣大量聚集，當可燃氣體濃度達到一定值時，很容易引燃整個空間內的可燃物.為簡化計算，通常用標準升溫曲線來近似描述某一時刻房間的平均溫度［13］，即：

式（5）中：tvτ為著火房間 τ時刻平均溫度，℃；τ為從著火房間門窗玻璃破碎時起算的時間，s；t0為著火房間的初始溫度，℃.

高溫煙氣不僅會使人心跳加速，產生幻覺，還會對人的毛細血管和呼吸系統(tǒng)造成不可逆轉的危害.實際火災統(tǒng)計表明，因為高溫煙氣而致人死亡的數量，超過了其他因素導致人死亡數量的總和.

2.2 大空間建筑火災煙氣的蔓延規(guī)律

大空間發(fā)生火災時室內空間會產生大量的煙氣，對煙氣迅速進行探測、報警和控制是保障消防人員撲滅火災、疏散人員的先決條件.掌握煙氣的流動規(guī)律則是對煙氣進行控制的前提.大空間建筑由于內部空間大、構造復雜，與普通建筑內煙氣流動規(guī)律有所不同.

普通建筑發(fā)生火災后，由于可燃物的燃燒或熱分解會產生大量的高溫煙氣，煙氣在浮力的作用下向上升騰.一般的普通建筑層高有限，煙氣上升至頂棚處向四周水平擴散.在頂棚及兩側墻壁的冷卻作用下，煙氣溫度逐漸下降，兩側的煙氣開始沿墻壁向下流動.當煙層下降到門窗洞口處時，將通過門窗洞口向室外或走道擴散.由于煙氣溫度較高，即便窗戶關閉，窗上的玻璃也會因為高溫而炸裂，煙氣從破裂處逸出，如圖2所示.與普通建筑不同，大空間建筑煙氣蔓延規(guī)律具有其特殊性.常見的大空間建筑雖然有3類，但就其建筑特征來說，大空間建筑通常有很大的內部開敞空間，體積大、高度高是其不同于一般建筑的顯著特征.另外，許多大空間建筑屬于人員密集場所，具有功能復雜、空間分隔較少、可燃物多等特點.這類場所一旦發(fā)生火災，其燃燒物有充足的氧氣供應，火災大小受燃料控制.據此，大空間建筑煙氣蔓延規(guī)律有以下3種情況.

圖2 普通建筑煙氣蔓延規(guī)律（a）煙羽流上升；（b）煙界層形成；（c）煙層界面下降Fig.2 Fire smoke spread of common buildings（a）Rise of plume ；（b）Formation of smoke boundary layer；（c）Interface of smoke layer

2.2.1 可燃物較少或火源較小 若可燃物較少，火源較小，則不會發(fā)生大的火災.由于產生的煙氣較少，煙氣溫度不是很高，在煙氣上升的過程中，周圍冷空氣不斷被卷入，使煙氣的溫度越來越低，最終接觸不到頂棚，即不會像普通建筑火災煙氣那樣形成頂棚射流.這種情況下煙氣不僅不能從建筑的高窗排出，反而會向下沉，在下部越集越厚，嚴重影響火場人員疏散，甚至可能導致人員死亡，如圖3所示.

圖3 較少可燃物情況Fig.3 Less combustible case

2.2.2 可燃物較多或火源較大 若可燃物較多，火源足夠大，煙氣能達到很高的溫度，煙氣受到的浮力較大，向上做加速運動；煙氣在上升過程中會不斷卷吸周圍的空氣，因此會出現(xiàn)不斷擴張的現(xiàn)象，形成類似倒錐形的煙氣流.熱煙氣與頂棚碰撞后向四周擴散，由于流體運動過程中的黏性作用，靠近頂棚的薄層煙氣擴散速度較低；隨著煙氣向下移動，其速度會不斷增加；但向下移動一段距離后，就會由于浮力的因素使速度趨于零，壁面周圍的煙氣開始遠離壁面運動.此時，煙氣的流動可以概括為浮力射流、頂棚射流和反浮力射流3個階段，如圖4所示.

圖4 頂棚射流的形成Fig.4 Formation of ceiling jet

2.2.3 熱障現(xiàn)象 夏季，由于陽光直射，頂棚溫度較高，頂棚下方會形成一定厚度的高溫熱氣層，俗稱“熱障”.煙氣在上升的過程中遇到上部的熱氣層，所受的浮力由向上變?yōu)橄蛳拢\動狀態(tài)也會由原來的加速狀態(tài)變?yōu)闇p速狀態(tài)，速度逐漸減??；由于煙氣的卷吸作用，煙氣會和上部的煙氣層不斷混合，直到兩者溫度相同，此時存在一個臨界狀態(tài)，即熱氣層的阻礙作用消失.當火勢進一步擴大時，煙氣溫度又會不斷升高.如圖5所示.

圖5 熱障現(xiàn)象Fig.5 Phenomenon of thermal barrier

2.3 火災煙氣蔓延規(guī)律的影響因素

火災煙氣的蔓延規(guī)律受多種因素的制約，概括起來有4種：溫度、濕度、熱膨脹和風.

2.3.1 溫度對火災蔓延規(guī)律的影響 大空間建筑內發(fā)生火災時，由于建筑材料的燃燒會產生熱煙氣，熱煙氣的密度比室外空氣小，因此會上浮，產生壓力差.將室外空氣的密度記為 ρw，將室內煙氣密度記為 ρn，大空間建筑的高度記為h，那么稱（ρw-ρn）gh為熱壓或浮力.在理想情況下，熱煙氣位于房間上層，新鮮空氣位于下層.在著火房間通?？梢钥吹?，新鮮空氣從下部的開口流入，熱煙氣通過上部開口流出.因此，火場溫度高低對火災煙氣蔓延有著至關重要的影響.如圖2所示，設想有一大空間建筑發(fā)生火災，火災初期，室內溫度不是很高，分子熱運動較慢，煙氣在水平方向和豎直方向擴散都較慢；火災到猛烈燃燒階段，室內溫度可高達1 000℃以上，分子熱運動劇烈，煙氣在水平方向和豎直方向擴散都較快.在高度較高的大空間建筑中，這種現(xiàn)象更加明顯.一個大空間建筑，發(fā)生火災時，設建筑高度為H，內部煙氣的溫度為T1、密度為 ρ1，外部溫度為T2，外部空氣的密度為 ρ2，建筑頂部的氣壓為p，底部的壓力為 p2，內部煙氣的壓力為 p1，如圖6所示.

圖6 煙囪效應示意圖Fig.6 Schematic diagram of chimney effect

于是冷空氣從建筑下部進入，熱煙氣從建筑上部流出，這就是所謂的煙囪效應.從式（6）還可以看出，建筑內外溫度差越大、建筑高度越高，煙囪效應越明顯.大空間的高層建筑，特別是高層建筑的中庭，高度往往達到幾十米甚至上百米，因為煙囪效應，煙氣流動的特別快，可達2 m∕s～4 m∕s，幾十層的大樓不到1 min就會充滿熱煙氣［14］.

2.3.2 濕度對火災蔓延規(guī)律的影響 濕度主要由天氣情況、消防射水和自動噴水滅火系統(tǒng)的啟動來控制.濕度不僅影響煙氣的蔓延速度，使煙氣難以迅速地排出去，而且還會影響可燃物的產煙速率、燃燒產物的性質及產煙量.濕度對煙氣的蔓延速度影響較小，但對建筑材料的煙氣特性影響顯著.為此，作者進行了濕度對煙密度影響的實驗.實驗選取4種常見的裝飾材料進行了煙密度實驗.實驗選取了尺寸為3 cm×3 cm密度板、實木板、三合板和刨花板各9塊，分別在干燥狀態(tài)、泡水2 min和泡水5 min后，在JCY-1型建材煙密度測試儀中進行試驗，每種材料進行3次實驗，取3次的平均值作為本實驗的結果.實驗結果表明，由于三合板和刨花板質地松軟，吸水量較大，在前50 s內產煙速率很慢，較干燥狀態(tài)比，總產煙量基本不變，但產煙量達到峰值的時間延遲了約150 s.密度板和實木板因為吸水性小，受濕度影響較小.因此，濕度對煙氣的產生速率有明顯的延緩作用，這對火災撲救和人員疏散是十分有利的［15］.

2.3.3 熱膨脹對火災蔓延規(guī)律的影響 當一個完全封閉的房間發(fā)生火災時，由于加熱和空氣膨脹，壓力會不斷升高，尤其是火災發(fā)展很迅速時，壓力差會產生實質性的影響.如果火災大小保持不變，壓力會呈線性增加，即壓力會隨著時間不斷增加.通常大空間建筑都有一定的空氣泄露，例如通過自然通風的形式或門窗漏風，原則上大空間建筑內的壓力只會增加十到幾十帕斯卡，而大空間建筑材料是能夠承受這樣的壓力的.因此，熱膨脹導致門窗開口破裂、煙氣外泄的可能性很小，但熱膨脹會在一定程度上加速煙氣向四周擴散.

2.3.4 風對火災蔓延規(guī)律的影響 風的基本參數是風速和風向.風由于氣壓差而流動，從而產生動壓.所有建筑或多或少都會有一定的空氣進入，由于大空間建筑內部通風條件較好，風對建筑內的火災煙氣的流動會產生很大的影響.風壓與風速的平方成正比［13］，即：

如果風速從 1 m∕s增加到 10 m∕s，迎風面的風壓將從0.4 Pa增加到40 Pa.

大空間建筑屋頂表面通常是在迎風面產生正壓，在背風面產生負壓.平屋頂的整個表面都處在負壓中.如果風向與屋脊平行，三角形屋頂的整個表面也可以都處于負壓中.由于屋頂角度而產生的壓力差在某些情況下可以改善火災排煙的效果.如果門窗（垂直排風口）設置在背風面，而入口設置在迎風面，火災煙氣可以通過門窗或排煙口很好地排出.但是，由于風向是不確定的，開口位置一旦選定，就很難進行改變.因此，大空間建筑利用固定的門窗或排煙口進行自然排煙，通常難以達到理想的效果.

2.4 室內消防設施對火災煙氣蔓延的影響

2.4.1 防煙構件對火災煙氣蔓延的影響 為了控制建筑發(fā)生火災后煙氣的流動，將煙氣控制在一定范圍，方便排煙設施將煙氣排出，通常用一些構件在建筑頂棚劃分防煙分區(qū)，使用在大空間建筑內的防煙構件主要有擋煙垂壁、擋煙隔墻、防火卷簾等.

擋煙垂壁用不燃材料制作，其設置應當符合規(guī)范要求，保證其有效高度.大空間建筑，尤其是大型商場的頂棚、高層建筑的中庭，常常會設有擋煙垂壁.當室內發(fā)生火災時，火災煙氣向上聚集，擋煙垂壁能將其控制在一定高度而不向下蔓延.在火災初期，擋煙垂壁對阻止煙氣的蔓延是非常有效的.但隨著火勢的發(fā)展，煙氣如果不能及時排除，煙氣層的厚度超過擋煙垂壁的有效高度時，煙氣將向四周蔓延；若煙氣的流動速度過大，也會越過擋煙垂壁的下端向水平方向蔓延而失去擋煙效果.

擋煙隔墻是用不燃材料砌成，將建筑內部劃分成若干個區(qū)間，將煙氣控制在一定區(qū)域而不向周圍擴散.擋煙隔墻在大型倉庫中使用較多.需要注意的是，擋煙隔墻應上下貫通，對保護區(qū)域實現(xiàn)完全隔離.裝有吊頂的建筑，也要將隔墻砌至梁板底部.

防火卷簾平時卷放在門窗洞口上部，火災發(fā)生時可以通過手動或自動控制將其放下展開.防火卷簾不僅可以阻擋火勢蔓延，對煙氣的擴散也有很好的阻擋作用.有時會在防火卷簾上安裝防火冷卻水幕，能起到降溫和稀釋煙氣的作用.

以上3種常見的防煙構件對大空間建筑煙氣的蔓延有很好的阻止作用，如果合理設置，可以為消防隊員撲救火災和火場人員疏散贏得寶貴的時間，但它們都是將煙氣控制在一定范圍，并不能將煙氣排放出去.

2.4.2 建筑滅火設施對火災煙氣蔓延的影響 一般來說，大空間建筑內部常常根據需要設置不同的建筑滅火設施，主要有滅火器、室內消火栓給水系統(tǒng)、自動噴水滅火系統(tǒng)、泡沫滅火系統(tǒng)、氣體滅火系統(tǒng)等［16］.這些建筑滅火設施使火災在初期就能夠及時得以控制，也能很好地延緩火災的發(fā)展蔓延.因此，安裝建筑滅火設施的場所比沒有安裝的場所更安全，即火災可控.火災控制住了，火場中的煙氣也會大大減少，煙氣的溫度也有明顯的下降，這對于煙氣的控制是很有利的.其中，自動噴水滅火系統(tǒng)主要用來滅火降溫，對煙氣稀釋和阻擋起到一定的作用，對煙氣的蔓延影響有限，下面重點討論泡沫滅火系統(tǒng)和氣體滅火系統(tǒng).

高倍泡沫滅火系統(tǒng)在大空間建筑中廣泛應用，如飛機庫、地下車庫、地下工程、礦井巷道等.用于大空間建筑中的泡沫滅火系統(tǒng)向火場噴射的是高倍泡沫，其原理是窒息滅火.發(fā)生火災時，泡沫滅火系統(tǒng)的噴頭動作，向著火部位噴射大量的高倍泡沫.隨著時間的推移，著火物質和房間被泡沫覆蓋或填充，火災就會自動熄滅，煙氣也被推趕出去.因此，泡沫滅火系統(tǒng)不僅能有效地滅火，對建筑內的煙氣排出也很有利.由于泡沫滅火系統(tǒng)的填充作用，大空間建筑內的煙氣將由上方窗戶或者排煙口排出.

氣體滅火系統(tǒng)由某些惰性氣體作為滅火介質，發(fā)生火災時，氣瓶閥打開，使氣體充滿整個或部分區(qū)域，達到窒息滅火的目的.氣體滅火系統(tǒng)使用的氣體有很多種，但它們的原理基本是一致的.當大空間建筑的某一部位發(fā)生火災時，消防控制中心接到報警信號，通過聯(lián)動裝置打開氣體滅火系統(tǒng)的噴頭，噴出高壓窒息性氣體，將建筑內的空氣和火災煙氣推趕出去.由于窒息性氣體的壓力比煙氣的壓力要大的多，煙氣將向遠離噴頭附近的排煙口或窗戶排出.需要指出的是，由于大空間建筑內部空間很大，而氣體滅火系統(tǒng)的氣瓶容積有限，對于某些內部空間超大的建筑，氣體滅火系統(tǒng)只能在建筑局部起作用，遠離系統(tǒng)的其他部位則向旁側和上方流動，通過自然排煙或者機械排煙的方式排出.

3 大空間建筑煙氣控制方法

煙氣控制是指排煙和防煙2個方面.大空間建筑排煙方式有3大類，即固定排煙系統(tǒng)排煙、移動排煙設備排煙和破拆開口排煙；防煙方式主要有機械防煙和非燃化防煙.

3.1 固定排煙系統(tǒng)排煙

3.1.1 自然排煙 自然排煙是在熱壓和風壓的作用下，通過建筑的門窗洞口將高溫煙氣排至室外的排煙方式.在某些很高的大空間建筑中，通常設置通風排煙豎井，發(fā)生火災時，借助煙囪效應，為排煙提供動力，將高溫煙氣迅速排放出去.

自然排煙結構簡單，投資較少，已在各類大空間建筑中廣泛使用，如在建筑內設置門、窗戶、通風管道、通風口等.建筑內的出口位置決定了煙氣流動的方向，對煙氣的流動具有引導作用.自然排煙的效果受熱壓和風壓的影響.大空間建筑內的煙氣在熱壓和風壓的共同作用下，由建筑的門、窗、排煙管道、豎井、排煙口排出.

在大空間建筑中使用自然排煙，要考慮以下3個方面：

1）自然排煙對大建筑物的高度有一定的限制，尤其是高度很高的大空間建筑.一般地，高溫煙氣會由建筑較高的孔口排出.但是由于風壓的作用，特別是在迎風面，可能導致建筑內的煙氣無法排出.導致某一地區(qū)排煙失效的室外臨界風速叫做極限風速，在此極限風速下采用自然排煙的建筑物的高度稱為極限高度.極限風速［13，17］和極限高度［13，17］由式（8）和式（9）確定：

式中：Wlj為排煙失效的室外臨界風速，m∕s；g為重力加速度，取9.8 m∕s；Hc為窗戶高度，m；k為風壓系數；Tw為室外溫度，K；Tn為室內溫度，K；Hjh為建筑物的極限高度，m；?為風速修正系數，一般取1.0.

因此，只要測定了某一地區(qū)的風速、窗戶高度、發(fā)生火災時的溫度以及室外溫度，根據式（8）和式（9），就能夠算出采用自然排煙的大空間建筑的極限高度，同時能判斷某一大空間建筑能否采用自然排煙.

2）建筑物結構必須滿足自然排煙的條件.因為煙氣是經過排煙口或者外窗排至室外的，因此需要排煙的房間必須有一面墻壁靠室外，且排煙口至排煙區(qū)最遠水平距離不能超過30 m.

3）對建筑物外墻裝修材料有特殊要求.由外窗或排煙口向室外排煙時，由于煙氣溫度很高，在浮力的作用下會向上運動，加之煙氣射流的作用，煙氣與墻面之間產生負壓區(qū)，致使煙氣流撲向墻壁形成貼壁現(xiàn)象.如果建筑外墻為可燃材料裝修，很容易形成自上而下的大火；若高溫煙氣接觸到上層窗戶玻璃，玻璃很容易炸裂，不僅會對消防人員造成傷害，還有可能導致火災向上層室內蔓延.因此，若某大空間建筑外墻采用玻璃或可燃材料裝飾，不建議采用自然排煙.

3.1.2 機械排煙 機械排煙是通過風機實現(xiàn)的，它是利用排煙機提供動力，在排煙口形成負壓，將煙氣抽吸出去.采用機械排煙的大空間建筑，通常會在建筑內部設有排煙豎井，這是煙氣排出的通道.啟動機械排煙系統(tǒng)不需要消防人員進入火場內部，因此操作起來相對安全；同時，機械排煙幾乎不受外界環(huán)境的影響，排煙效果比較穩(wěn)定.但是，機械排煙對排煙機和管道的要求較高.在火勢猛烈階段，煙氣大量產生，可能會超過排煙機的額定排煙量，同時設備要能耐受一定的溫度.

3.2 移動排煙設備排煙

移動排煙設備廣泛用于各類大空間建筑中，在實際工作中常與固定排煙設備相結合，特別是在通風不暢、火勢較大、難以進行破拆排煙的大空間建筑中發(fā)揮著重要的作用，如地下車庫等.常見的移動排煙設備有電動排煙機、汽油機驅動排煙機、水力驅動排煙機和排煙消防車等［18］.在使用移動排煙設備時應根據場地特點、煙氣的性質和排煙量的大小進行合理的選擇.

電動排煙機是通過電動機的轉動，帶動葉片旋轉，產生負壓，將火場煙氣排放出去.使用時，應將排煙機置于上風方向，形成對流，以便有效地排出煙氣.若在使用過程中現(xiàn)場風向變化，使排煙機位置變?yōu)橄嘛L方向時，應立即撤離現(xiàn)場，防止排煙機及操作人員受到高溫煙氣的傷害.電動排煙機的排煙量一般為 10 000 m3∕h～60 000 m3∕h.

汽油機驅動排煙機通過汽油機的運作引導葉輪轉動.其工作原理與電動排煙機相似，最大排煙量為 50 000 m3∕h.

水力驅動排煙機由壓力水驅動，特別適合在易燃易爆場所使用，如停車庫.該類排煙機有一個水帶接口，當壓力水高速進入時，沖擊葉輪轉動，噴霧水從前方排出.水力驅動排煙機不僅能夠排煙，還能夠起到降低火場溫度、稀釋降塵的作用.由于水壓一般為0.25 MPa～1.8 MPa，所以排煙量不如電動排煙機和汽油機驅動排煙機，其排煙量一般為 6 000 m3∕h～25 000 m3∕h.

排煙消防車具有正壓送風和負壓吸風的功能.正壓送風時，可以輸送新鮮空氣，驅走煙霧；負壓吸風時，可將有毒有害煙氣定向排出.正壓送風的送風量可達到800 000 m3∕h以上，負壓吸風的吸風量可以達到500 000 m3∕h.若消防車離火場較遠，宜采用正壓送風的方式排煙；若消防車離火場距離較近，則宜采用負壓吸風的方式將火災煙氣排出.排煙消防車的排煙量較普通排煙機大很多，因此很適合在大的火場和空間中使用.

3.3 破拆開口排煙

破拆開口排煙，是指在滅火救援行動中，對建筑進行破拆，人為創(chuàng)造排煙口，使火災煙氣排出的排煙方式.破拆排煙可分為水平破拆和垂直破拆兩個方式.

3.3.1 水平破拆排煙 水平破拆主要是破拆大空間建筑的門、窗及外墻.像體育館、游泳館、候車廳等類型的大空間建筑，由于其門窗較多，破拆起來容易，因此宜選用水平破拆排煙.破拆門窗時，應盡量選擇建筑迎風面最低處的門窗，同時打開建筑背風面最高處的窗戶，保持煙氣順暢流動，以達到最佳效果.破拆外墻時，位置應盡量靠近頂棚，若建筑內裝有擋煙垂壁，破拆位置不應低于擋煙垂壁的下端，防止排煙口失去最佳效果.在火場排煙中，通常破拆多個開口，使煙氣在短時間內能快速排出［19］.

3.3.2 垂直破拆排煙 垂直破拆主要是破拆大空間建筑的頂棚或天窗.像大型倉庫類型的大空間建筑，由于其門窗較少，高度不是很高，可選擇垂直破拆排煙；像高層建筑中庭類型的大空間建筑，由于煙囪效應的影響，煙氣向上蔓延較快，其中庭頂棚常用玻璃構件，破拆較易，因此也宜選用垂直破拆排煙.進行破拆時，應注意選擇破拆的面積和位置.破拆面積應根據火災大小決定，破拆面積過小，排煙速度慢，效果也不明顯；破拆面積過大則加大了工作的難度.破拆位置最好選擇在起火點的正上方，使燃燒范圍集中，煙氣集聚而易于排出.

由于大空間建筑內部空間很大，煙氣聚集很多，若通過對外開口排煙，工作量較大；若破拆面積不夠，就不能起到很好的排煙效果.

3.4 機械防煙

機械防煙，是在需要防煙的部位送入正壓空氣，從而使外界煙氣無法進入.根據《建筑設計防火規(guī)范》和《人民防空工程設計防火規(guī)范》，人們常在防煙樓梯間和前室等部位設置機械防煙系統(tǒng).裝有機械防煙系統(tǒng)的大空間建筑，由于防煙部位保持正壓，外界煙氣無法進入，將由起火房間經外窗或排煙口排出，保證了防煙樓梯間和前室的安全，為人員疏散和避難提供了有利條件.

機械防煙對煙氣控制效率較高，與負壓機械排煙不同的是，煙氣不經過排煙管道，對設備幾乎沒有污染.機械防煙具有許多優(yōu)點，例如：風道可以敷設在墻壁內，占用的空間較小，經濟可靠；系統(tǒng)送入的新鮮空氣溫度較煙氣低很多，對煙氣起到了冷卻運動，延緩了火災的發(fā)展蔓延；煙氣不通過送風機，對設備污染損耗小等.值得注意的是，若加壓送風樓梯間的壓力過高，會使樓梯間通向前室或走廊的門打不開，一般規(guī)定，防煙樓梯間的正壓值為40 Pa～50 Pa，前室、合用前室、消防電梯前室、封閉避難層（間）為25 Pa～30 Pa.為了減小送風管道的局部阻力，機械加壓送風的速度不應大于7 m∕s.

3.5 非燃化防煙

非燃化防煙是指建筑材料及其內裝修材料和儲存物使用不燃或難燃材料，這樣不易發(fā)生火災，即使發(fā)生火災，發(fā)煙量也很少.采用非燃化防煙對建筑的要求較高，不僅要考慮建筑材料和內裝修材料的非燃化，還要考慮其內部儲存物的非燃化.若建筑內部儲存有易燃物質，應用不燃或難燃材料密封起來.因此非燃化防煙常用在人員密集或存有貴重物資的大空間建筑，如候車廳、展覽館等.

4 結 語

大空間建筑已經成為未來建筑發(fā)展的一個趨勢，我國在大空間建筑煙氣流動規(guī)律和煙氣控制方法上的研究起步較晚.

很多大空間建筑內部構造十分復雜，單一的煙氣控制方法已經不能滿足其實際需要，而通常是多種方法的有機結合.針對不同的大空間建筑，采用不同的煙氣控制方法，不僅能提高效果，而且具有很大的經濟意義.由于大空間建筑的獨特性和復雜性，除了選擇常規(guī)的防排煙方法外，在煙氣控制上還應當著重注意以下3個方面.

1）對建筑進行有效分割.根據現(xiàn)行規(guī)范，大空間建筑排煙量由建筑的體積來衡量［20］，如：若體積小于17 000 m3，排煙量按建筑體積的6次∕小時算；若體積大于17 000 m3，排煙量按該建筑體積的4次∕小時算；最小排煙量不得低于102 000 m3∕h.像候車廳、高層建筑的中庭，內部體積很多都超過了17 000 m3，若全部采用體積換算法，需要的排煙機數量很多，而且也不經濟，與實際情況相差較大.為此，可以采用分割的方法，即在建筑內的房間和出入口安裝機械加壓送風系統(tǒng)，阻止火災向人員集聚部位蔓延，可以為人員疏散贏得寶貴的時間.另外，對于高層建筑的中庭，還可以在中庭和樓層之間用防火卷簾分割，當感煙探測器探測到煙氣時，防火卷簾落下，將中庭與房間隔離開，防止煙氣進入.

2）選擇合適的火災探測器.感煙探測器和感溫探測器是建筑中常用的火災探測器，但是在夏季氣溫較高或是火災初期，由于熱氣層的存在，煙氣難以繼續(xù)上升，不易被感煙探測器和感溫探測器探測到.若把探測范圍定的太低，容易造成誤報；定的太高，則會延誤最佳報警時機，甚至不報警.根據探測器的使用要求，大空間建筑特別是高度在20 m以上的建筑，建議使用新型的探測器，如圖像式火災探測器、紅外光束感煙火災探測器等非接觸式的火災探測器.

3）設置補風系統(tǒng).大空間建筑內夾層房間一般沒有窗戶，具有很好的氣密性.發(fā)生火災后，機械排煙系統(tǒng)開始運作，外界空氣不能及時進入這些房間，使內部氣壓下降而小于外界氣壓，房間內的被困人員很有可能無法開啟安全門而造成疏散困難.因此，在大空間夾層房間等密閉區(qū)域內要設置補風系統(tǒng)，以配合機械排煙系統(tǒng)使用.發(fā)生火災后同時開啟機械排煙系統(tǒng)和補風系統(tǒng)，在室內人員疏散完畢后，關閉補風系統(tǒng)而排煙系統(tǒng)繼續(xù)運行.

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本文編輯：苗 變

Research Progress of Smoke Spread and Control in Large Space Building Fires

WANG Fangshun
Wuhan Municipal Fire Brigade of Hubei Fire Bureau，Wuhan 430100，China

This article expounds the characteristics of fire development and the law of smoke spread in large space buildings，and analyzes the effects of temperature，humidity，thermal expansion，wind and indoor fire control facilities，etc on the spread law of fire smoke.To improve the flue gas control of large space buildings，we suggest by comparing with the smoke control methods that we should pay attention to using automatic fire fighting facilities to reasonably guide and split the flue gas to prevent the spread of flue gas expansion，select the appropriate fire detector to quickly find the fire smoke，and reasonably set the wind coefficient to ensure the effective evacuation of personnel，in addition to the use of the conventional smoke control methods.

large space buildings；fire smoke；smoke control；influence factors

TK121

A

10.3969∕j.issn.1674?2869.2017.04.006

2016-12-07

王方舜，碩士，工程師.E-mail：487181110@qq.com

王方舜.大空間建筑火災煙氣的蔓延及控制研究進展［J］.武漢工程大學學報，2017，39（4）：337-347.

WANG F S.Research progress of smoke spread and control in large space building fires［J］.Journal of Wuhan Institute of Technology，2017，39（4）：337-347.

1674-2869（2017）04-0337-11