□□ 李 娜,孫 鵬 (太原理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,山西 太原 030024)

引言

建筑防火的基本目標(biāo)是采取必要的技術(shù)方法、建筑火災(zāi)預(yù)防措施、減少建筑火災(zāi)危害、保護(hù)人員生命和財(cái)產(chǎn)安全。建筑物內(nèi)可燃物數(shù)量多且種類雜,火災(zāi)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的有毒氣體和高溫?zé)煔?煙氣中的CO、CO2和HCl等有害成分對(duì)人體危害大,煙氣的遮光性會(huì)降低室內(nèi)能見(jiàn)度,不利于人員疏散和滅火救援。建筑防排煙系統(tǒng)采用自然或機(jī)械的方式阻止或排出室內(nèi)煙氣,保證建筑內(nèi)部人員能及時(shí)疏散到安全區(qū)域;地下建筑多利用高溫?zé)煔猱a(chǎn)生的浮力,通過(guò)外墻上的高窗和窗井等自然排煙設(shè)施排至室外。

1 標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求

根據(jù)GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[1]中3.1.3和4.1.1條規(guī)定可知,無(wú)論是多層建筑還是高層建筑,均提倡優(yōu)先采用自然防排煙設(shè)施,在自然防排煙設(shè)施不能使用或不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí),才考慮設(shè)置機(jī)械防排煙設(shè)施。該標(biāo)準(zhǔn)的3.2和4.3節(jié)中,對(duì)自然通風(fēng)設(shè)施和自然排煙設(shè)施的面積和位置做了明確規(guī)定,而對(duì)于地下建筑采用自然防排煙方式時(shí),可開(kāi)啟外窗如何與室外有效連通,保證良好的通風(fēng)條件尤為重要。地下建筑外墻上設(shè)置外窗時(shí),常規(guī)做法有高窗、窗井或下沉式廣場(chǎng)。

在地下建筑外墻上設(shè)置高窗時(shí)室內(nèi)外高差應(yīng)>0.9 m,減去防水臺(tái)和梁高,高窗的高度僅為0.2 m;若保證有效面積為2 m2,長(zhǎng)度則需10 m,這在工程中實(shí)現(xiàn)有一定的難度,且大部分建筑的室內(nèi)外高差僅為0.3～0.5 m,不能設(shè)置高窗。GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(2018年版)[2]中6.4.12條規(guī)定,作為防火分隔的下沉式廣場(chǎng)開(kāi)口最近邊緣之間的水平距離應(yīng)≮13 m,其足夠?qū)挾鹊氖彝饪臻g可以有效防止煙氣聚集和蔓延。因高窗對(duì)室內(nèi)外高差有要求,下沉式廣場(chǎng)對(duì)邊凈距要求較大,工程中難以滿足,因而在建筑設(shè)計(jì)中常用的做法是設(shè)置窗井。2021年9月1日實(shí)施的上海市DG/J08-88—2021《建筑防煙排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[3]中3.2.6條規(guī)定:“除本標(biāo)準(zhǔn)另有規(guī)定外,采用自然通風(fēng)防煙方式的地下室疏散樓梯間或前室應(yīng)貼鄰下沉式廣場(chǎng)或?qū)厓艟唷? m×6 m的無(wú)蓋采光井設(shè)置”。

窗井是地下室外墻的側(cè)窗以擋土墻圍砌成的井形采光口,與室外連通起通風(fēng)作用。山西省DBJT04-35—2012《12系列建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集 12J2地下工程防水》[4]中C13的窗井做法剖面圖,明確窗井凈寬度應(yīng)>1 m。工程中設(shè)計(jì)人員僅注重外窗面積滿足規(guī)范要求,而對(duì)窗井凈寬因無(wú)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù),未給予足夠重視,特別是地下多層建筑利用同一個(gè)窗井自然通風(fēng)或自然排煙時(shí),每層之間是否會(huì)相互干擾、窗井截面積是否需要疊加及窗井的凈寬等問(wèn)題即是下文研究的重點(diǎn)。

2 火災(zāi)數(shù)值模擬

窗井作為地下室自然防排煙設(shè)施的配套措施,標(biāo)準(zhǔn)中并沒(méi)有具體規(guī)定其做法和其他限定條件;常用窗井的凈寬要求>1 m,工程中因地形條件和平面布局等原因部分窗井的凈寬僅為0.6 m?，F(xiàn)將通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算,分析煙氣在窗井內(nèi)蔓延擴(kuò)散的過(guò)程,找到窗井凈寬對(duì)煙氣擴(kuò)散影響的規(guī)律,為設(shè)計(jì)人員提供參考。Pyrosim是基于場(chǎng)模擬的火災(zāi)煙氣流動(dòng)模擬分析專用軟件,其數(shù)值模擬結(jié)果可由圖形軟件Smoke view展示三維動(dòng)畫(huà)、二維云圖和矢量圖。

以采用自然通風(fēng)的地下樓梯間為例,樓梯間層高為3 m,每層設(shè)置一個(gè)窗戶,可開(kāi)啟外窗面積為2 m2,窗寬為2 m,窗高為1 m,窗臺(tái)距地1 m,外側(cè)窗井長(zhǎng)度為3 m;連通走道處火源的熱釋放速率為1.5 MW,計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0.25 m×0.25 m×0.25 m,在窗井中心縱向設(shè)置溫度和速度二維矢量切片。數(shù)值模擬中假設(shè)自然排煙和進(jìn)風(fēng)處于穩(wěn)態(tài)條件下,模擬計(jì)算涉及參數(shù)在整個(gè)排煙過(guò)程是穩(wěn)定不變的;不考慮室外風(fēng)壓作用、縫隙滲入和滲出的空氣和煙氣。

2.1 樓梯間在地下一層時(shí)模擬分析

當(dāng)樓梯間在地下一層時(shí),火災(zāi)產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)樓梯間疏散門蔓延至樓梯間,煙氣通過(guò)樓梯間的外窗經(jīng)窗井排至室外。窗井凈寬尺寸設(shè)置為1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m和3.0 m,火災(zāi)煙氣蔓延速度分布如圖1所示(w為窗井凈寬)。由圖1可以發(fā)現(xiàn),窗井凈寬為1.0 m和1.5 m時(shí),窗井內(nèi)滿布煙氣,煙氣向上蔓延速度為1.0～3.0 m·s-1,無(wú)室外新鮮空氣進(jìn)入窗井,達(dá)不到自然通風(fēng)效果;窗井凈寬為2.0 m時(shí),靠樓梯間外墻側(cè)煙氣向上蔓延速度為1.0～3.0 m·s-1,而靠窗井外墻側(cè)煙氣向上蔓延速度僅為0.5 m·s-1,窗井底部有少量低溫?zé)煔?底部形成渦流,因無(wú)室外新鮮空氣補(bǔ)充,通風(fēng)效果不好;窗井凈寬為2.5 m時(shí),靠樓梯間外墻側(cè)2 m之內(nèi)煙氣向上蔓延速度為1.0～3.0 m·s-1,而靠窗井外墻側(cè)0.5 m之內(nèi)有少量室外新鮮空氣進(jìn)入窗井,具備通風(fēng)條件;窗井凈寬為3.0 m時(shí),靠樓梯間外墻側(cè)2 m之內(nèi)煙氣向上蔓延速度為1.0～3.0 m·s-1,而靠窗井外墻側(cè)1.0 m之內(nèi)室外新鮮空氣進(jìn)入窗井,通風(fēng)條件良好。

圖1 窗井內(nèi)煙氣速度分布矢量云圖

2.2 樓梯間在地下二層時(shí)模擬分析

當(dāng)火源位置位于地下二層時(shí),火災(zāi)產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)樓梯間疏散門蔓延至樓梯間,一部分煙氣因熱壓作用順樓梯梯段向上蔓延,一部分煙氣通過(guò)樓梯間地下一、二層的外窗經(jīng)窗井排至室外。當(dāng)樓梯間為地下一層時(shí),窗井凈寬在2.0 m之內(nèi)時(shí)井內(nèi)充滿煙氣,因而當(dāng)樓梯間在地下二層進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí),窗井凈寬尺寸設(shè)置為3.0 m、4.0 m、5.0 m和6.0 m,火災(zāi)煙氣溫度和蔓延速度分布如圖2所示。由圖2可以發(fā)現(xiàn),窗井凈寬為3.0 m時(shí),窗井內(nèi)滿布煙氣,煙氣向上蔓延速度為1.0～3.0 m·s-1,無(wú)室外新鮮空氣進(jìn)入窗井,達(dá)不到自然通風(fēng)效果;窗井凈寬為4.0 m時(shí),靠樓梯間外墻側(cè)3.5 m之內(nèi)煙氣向上蔓延速度為1.0～3.0 m·s-1,而靠窗井外墻側(cè)0.5 m之內(nèi)有少量室外新鮮空氣進(jìn)入窗井,與地下二層底部煙氣混合成低溫?zé)煔庖仔纬蓽u流,具備通風(fēng)條件,但通風(fēng)效果不好;窗井凈寬為5.0 m和6.0 m時(shí),靠樓梯間外墻側(cè)3.5 m之內(nèi)煙氣向上蔓延速度為1.0～3.0 m·s-1,而靠窗井外墻側(cè)1.5～2.0 m之內(nèi)有大量室外新鮮空氣進(jìn)入窗井,通風(fēng)條件良好。

圖2 窗井內(nèi)煙氣速度分布矢量云圖

2.3 樓梯間在地下三層時(shí)模擬分析

當(dāng)火源位置位于地下三層時(shí),火災(zāi)產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)樓梯間疏散門蔓延至樓梯間,一部分煙氣因熱壓作用沿樓梯梯段向上蔓延,一部分煙氣通過(guò)樓梯間地下一、二和三層的外窗經(jīng)窗井排至室外。當(dāng)樓梯間在地下二層時(shí),窗井凈寬在3.0 m之內(nèi)時(shí)井內(nèi)充滿煙氣,因而當(dāng)樓梯間在地下三層進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí),窗井凈寬尺寸設(shè)置為4.0 m、5.0 m和6.0 m,火災(zāi)煙氣溫度和蔓延速度分布如圖3所示。由圖3可以發(fā)現(xiàn),窗井凈寬為4.0 m和5.0 m時(shí),窗井內(nèi)滿布煙氣,無(wú)室外新鮮空氣進(jìn)入窗井,靠樓梯間外墻側(cè)3.5 m之內(nèi)向上蔓延速度為1.0～3.0 m·s-1,而靠窗井外墻側(cè)0.5～1.5 m之內(nèi)低溫空氣回流,形成渦流,無(wú)自然通風(fēng)條件;窗井凈寬為6.0 m時(shí),靠樓梯間外墻側(cè)3.5 m之內(nèi)煙氣向上蔓延速度為1.0～3.0 m·s-1,而靠窗井外墻側(cè)2.5 m之內(nèi)一部分低溫?zé)煔馀c少量室外空氣混合向下回流,窗井底部煙氣濃度相對(duì)低,高溫?zé)煔庠诖熬畠?nèi)不能很好擴(kuò)散,不利于自然通風(fēng)。

圖3 窗井內(nèi)煙氣速度分布矢量云圖

通過(guò)樓梯間的數(shù)值模擬分析綜合比較可知,樓梯間在地下一層時(shí),窗井凈寬≥2.5 m時(shí),自然通風(fēng)效果良好;樓梯間在地下二層時(shí),窗井凈寬≥5.0 m時(shí),自然通風(fēng)效果良好;樓梯間在地下三層時(shí),窗井凈寬為6.0 m時(shí),自然通風(fēng)效果不能滿足要求,建議采用機(jī)械加壓送風(fēng)系統(tǒng)。

3 模擬結(jié)果與分析

當(dāng)?shù)叵陆ㄖ槎鄬訒r(shí),火災(zāi)煙氣在樓梯間的蔓延過(guò)程如圖4所示。當(dāng)火源位置位于為地下建筑的底層時(shí),火災(zāi)產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)樓梯間疏散門蔓延至樓梯間,一部分煙氣因熱壓作用沿樓梯梯段呈螺旋方式上升,一部分煙氣通過(guò)樓梯間窗井排至室外,如圖4(a)所示。

圖4 樓梯間火災(zāi)煙氣蔓延示意圖

火災(zāi)排出的煙氣溫度很高且煙氣中含有大量未燃燼的可燃?xì)怏w,排至室外后會(huì)繼續(xù)燃燒;高溫?zé)煔庵車a(bǔ)充新鮮空氣的條件不同,靠近外墻面的火焰內(nèi)側(cè),空氣得不到有效補(bǔ)充,形成負(fù)壓區(qū),高溫?zé)煔獾木砦饔脫湎蛲鈮Ρ诿嫘纬少N壁現(xiàn)象[5]。因窗井內(nèi)無(wú)遮擋,高溫?zé)煔庠诖熬畠?nèi)的蔓延速度比樓梯間快,從地下三層上升至地下二層和地下一層時(shí),因高溫?zé)煔獾木硐唾N壁作用,會(huì)有少量煙氣會(huì)經(jīng)地下二層和三層的外窗蔓延至樓梯間內(nèi),對(duì)人員安全疏散造成威脅,如圖4(b)和(c)所示。

火災(zāi)時(shí)地下多層建筑的疏散樓梯間采用自然通風(fēng)方式時(shí),可開(kāi)啟外窗均打開(kāi),樓梯間內(nèi)豎向連通,若窗井進(jìn)深尺寸不夠大時(shí),窗井內(nèi)的煙氣會(huì)有二次卷吸進(jìn)入樓梯間的危險(xiǎn)[6]。結(jié)合樓梯間的數(shù)值模擬分析和上海市DG/TJ08-88—2021《建筑防煙排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中3.2.6條規(guī)定,地下建筑采用自然防排煙系統(tǒng)時(shí),若其為地下一層窗井,建議凈寬≥2.5 m;若其為地下二層窗井,建議凈寬≥5.0 m;若地下建筑大于兩層時(shí),宜采用機(jī)械防排煙系統(tǒng)。

工程中窗井的大小應(yīng)結(jié)合建筑功能布局、基底面積、地面綠化和地下防水等綜合考慮,若窗井進(jìn)深≥2.5 m,不僅占地面積大、節(jié)能和排水設(shè)施會(huì)比較復(fù)雜,且因窗井深度影響水、暖和電等設(shè)備管線的平面布置位置和標(biāo)高。

4 結(jié)論

結(jié)合地下建筑采用自然防排煙系統(tǒng)與窗井結(jié)合使用時(shí)的影響因素和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,利用Pyrosim軟件將火災(zāi)煙氣模擬與地下窗井自然排煙進(jìn)行數(shù)值耦合分析,提出建議為:窗井在地下一層時(shí)凈寬應(yīng)≥2.5 m;窗井在地下二層時(shí)凈寬應(yīng)≥5.0 m;地下建筑大于兩層時(shí)應(yīng)采用機(jī)械防排煙系統(tǒng);但不同類型的地下建筑,火災(zāi)煙氣蔓延與建筑類別、平面布局、火源位置、可開(kāi)啟外窗位置及數(shù)量緊密相關(guān),地下窗井的凈寬應(yīng)在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上結(jié)合工程情況,綜合分析建筑的火災(zāi)危險(xiǎn)性,以合理設(shè)置窗井。