摘要：中庭是公共建筑排煙設(shè)計的重要區(qū)域，在排煙規(guī)范中，關(guān)于中庭和所連接的頂層房間的擋煙垂壁設(shè)計高度存在爭議。本文采用PyroSim軟件對中庭火災進行數(shù)值模擬，分析煙氣蔓延規(guī)律、煙氣溫度分布規(guī)律、CO濃度變化規(guī)律等。結(jié)果表明，中庭區(qū)域發(fā)生火災對相連通的頂層房間影響最大；在選用的案例項目中，當嚴格按規(guī)范計算結(jié)果設(shè)置自然排煙口，并按頂層房間的設(shè)計清晰高度來設(shè)計擋煙垂壁時，總體來說是安全的。此次研究可以為公共建筑的中庭排煙設(shè)計提供一定的理論指導。

關(guān)鍵詞：中庭；火災模擬；PyroSim數(shù)值模擬；人員疏散

引言

隨著經(jīng)濟發(fā)展，近年來新建的商場、展廳等公共建筑的中庭應用越來越廣泛。中庭不僅能給建筑帶來良好的采光和通風，也能賦予建筑良好的空間感，提高建筑的舒適度，使人更愿意在商場內(nèi)停留。室內(nèi)中庭屬于高大空間，通常與不同樓層的多個防火分區(qū)相鄰。在火災發(fā)生時，不同樓層的外窗均可以為中庭提供氧氣，導致火災快速發(fā)展，火勢更難以控制。中庭高度較高，在火災發(fā)展初期，煙氣難以到達上部觸發(fā)煙霧報警器，火災報警系統(tǒng)對災情的預警延遲，因此火災報警和自動滅火系統(tǒng)難以在火災初期有效控制災情?；谝陨蠗l件，在防煙排煙設(shè)計中，中庭是一個需要設(shè)計人員重點考慮的區(qū)域。在規(guī)范《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標準》（GB51251-2017）中，對中庭和所連接的頂層房間的擋煙垂壁的設(shè)計高度沒有明確的設(shè)計要求，擋煙垂壁高度應按頂層清晰高度設(shè)計或按中庭儲煙倉厚度設(shè)計存在一定的爭議。本文選擇柳州某商業(yè)建筑的中庭及其連接的房間為研究對象，采用以FDS（火災動力學模擬軟件，F(xiàn)ire Dynamics Simulator）為基礎(chǔ)的PyroSim軟件，進行火災仿真模擬，通過數(shù)值模擬公共建筑中庭火災時對頂層房間的影響，對比在不同自然排煙口有效面積的情況下，模擬溫度、CO氣體濃度的變化，了解此類建筑發(fā)生火災時煙氣蔓延的特點，為設(shè)計人員在進行此類建筑設(shè)計時提供參考和依據(jù)。

一、模型建立

（一）項目概況

模型所選用的建筑是一棟6層商業(yè)建筑，建筑占地面積785.00m2，建筑面積4815.28m2，建筑為規(guī)整的方形布置，長30m、寬24.8m、高24m；中庭貫穿2層—6層，面積為197m2，高度為18.2m；該建筑2層—6層為一個防火分區(qū)，各層內(nèi)為敞開式空間，不設(shè)置內(nèi)墻分隔。每層設(shè)置一個防煙分區(qū)，中庭為獨立的防煙分區(qū)。各層的防煙分區(qū)與中庭之間均設(shè)置固定擋煙垂壁，頂層擋煙垂壁高度采用爭議中較不利的方案，即按頂層房間的設(shè)計清晰高度設(shè)計，圖1為柳州某商業(yè)建筑平面圖、剖面圖。

（二）排煙系統(tǒng)設(shè)計計算

該建筑防煙分區(qū)均采用自然排煙設(shè)施，各層防煙分區(qū)自然排煙有效面積不小于房間面積的2%。中庭熱釋放速率按無噴淋中庭場所，Q=4MW。按照上海市地標《建筑防排煙系統(tǒng)設(shè)計標準》（DG/J 08-88-2021）的規(guī)定進行計算，通過試算得出中庭所需的自然排煙面積為62.5m2，排煙窗采用與消防火災報警系統(tǒng)聯(lián)動的電動天窗，設(shè)置于中庭頂部。

（三）火源位置和單位面積熱釋放率

在建筑設(shè)計中，中庭應屬于無功能空間，除了交通功能外，不能用于其他功能，根據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB 50016—2014）5.3.2要求，中庭內(nèi)不應布置可燃物。然而，實際上中庭常常用于布置舞臺、展臺等功能設(shè)施，給中庭空間帶來了火災隱患。可燃物的性質(zhì)、燃燒質(zhì)量及燃燒面積等均與熱釋放速率有較大關(guān)系?？紤]到本場所內(nèi)可燃物成分復雜，包括塑料、木制家具、木制托架和纖維等。為了簡化計算，本文假設(shè)可燃物集中布置，火源位置設(shè)置于中庭中央，中庭火災功率的設(shè)計最大值Q=4MW，可燃物面積為5m2，即單位面積熱釋放率為800kW/ m2。

（四）火源類型

根據(jù)NIST實驗結(jié)果，建筑內(nèi)火災曲線通常為t2型火災?；馂脑诳焖侔l(fā)展階段若得不到有效控制，熱釋放速率至最大值后不再增加，考慮到中庭內(nèi)可燃物的類型，將火災類別設(shè)定為快速火，火災熱釋放速率應按下式計算：

Q=at²（1.5）

式中：a—火災增長系數(shù)（kW/s2），快速火為0.0469kW/s2 ；t—火災上升時間（s）；Q—熱釋放速率（kW）。通過上式計算得出火災上升時間t=292.0s。

（五）人員安全疏散的性能評判標準

影響人員安全疏散的主要性能參數(shù)包括煙氣層高度、對流熱溫度、能見度和一氧化碳濃度等[1-3]。

1.能見度。根據(jù)澳大利亞《消防工程師指南》中的相關(guān)規(guī)定，大空間內(nèi)2m高度能見度低于10m就會影響人員疏散，因此在制定方案時，將能見度不小于10m作為危險判斷指標。

2.CO濃度。人體吸入過量CO，會威脅到生命安全，《SFPE消防工程手冊》指出人在一氧化碳濃度為1000ppm的環(huán)境中耐受時間為30min；基于CO濃度與人體暴露時間的關(guān)系，確定CO濃度小于等于500ppm為接觸閾值，采用500ppm作為一氧化碳濃度的危險判定指標。

3.熱對流溫度。人體吸入過量熱的空氣會導致中暑和皮膚燒傷，經(jīng)查閱文獻[4]得到不同溫度人體的影響及危害見表1。

基于上表，采用煙氣層下方空氣溫度保持在60°C以下為安全判定依據(jù)。

4.安全疏散時間。人員疏散時間由預警時間、預動作時間和疏散行動時間三部分組成。根據(jù)查閱的文獻[5]，在類似的建筑項目中，中庭火災疏散行動時間約為130s。參考《火災風險評估》的相關(guān)描述，鑒于目標商場內(nèi)全面設(shè)置火災報警系統(tǒng)和應急廣播系統(tǒng)，人員識別時間設(shè)置為1.5min，人員反應時間設(shè)定為0.5min，本文設(shè)定的預動作時間為2min（120s）。故人員疏散時間為預警時間（80s）、預動作時間（120s）、疏散行動時間（130s）的總和，本次模擬預估人員疏散時間為330s。

綜上所述，人員安全疏散的性能評判標準的依據(jù)分別為清晰度小于等于500ppm，空氣溫度保持在60°C以下。選用建筑頂層的設(shè)計清晰高度為距頂層樓面2.0m（距地17m），故在此高度設(shè)置監(jiān)測清晰度、CO濃度和空氣溫度的2D切面，并在兩部疏散樓梯中間的同樣高度設(shè)置清晰度、CO濃度和空氣溫度測點，觀測點各項參數(shù)隨時間的變化規(guī)律。

（六）邊界條件

根據(jù)防排煙規(guī)范要求，自動排煙窗應在火災自動報警系統(tǒng)啟動后60s內(nèi)或小于煙氣充滿儲煙倉時間內(nèi)開啟完畢，考慮到中庭高度較高，根據(jù)查閱的文獻[6]，在18m高的中庭設(shè)置線型光束感煙器報警器，模擬響應時間約為80s，故保守考慮將自然排煙窗完全開啟時間設(shè)置在火災發(fā)生后150s；室內(nèi)建筑初始溫度為25℃；單元網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.2m，網(wǎng)格單元數(shù)為125×157×91。

建筑火災從起火到發(fā)生轟燃的階段稱之為火災初期，發(fā)生轟燃后，建筑內(nèi)的危險程度急劇升高。因此，在轟燃前，應快速逃離起火房間。根據(jù)查閱的文獻[7-8]，建筑結(jié)構(gòu)采用不燃材料，建筑裝飾裝修包含可燃材料[9]，房間4min—8min后發(fā)生轟燃。因此，在模擬實驗中，模擬時間也應控制在4min—8min，超出8min，起火的空間內(nèi)可能發(fā)生轟燃，人員無法撤離，繼續(xù)研究也就失去了意義。除此之外，模擬時間應考慮覆蓋全部的火災上升時間和估算的安全疏散時間，綜合以上考慮，模擬時間設(shè)置為360s。

二、模擬結(jié)果分析

（一）煙氣散布規(guī)律

圖2為t時刻煙氣蔓延的剖面圖，煙氣受熱后形成羽流逐步上升，并在頂層形成頂棚射流后，向四周擴散。由于煙氣平均溫度是顯著高于室溫的，會產(chǎn)生煙囪效應，從圖中可見煙氣對頂層的影響顯著大于其他樓層。

（二）溫度分布規(guī)律

火災發(fā)生約50s后，隨著煙氣的蔓延，頂層商場處溫度開始逐漸上升至35℃；150s排煙口開啟后，煙氣得以排出，空氣溫度有下降趨勢，并穩(wěn)定在30℃左右。隨著著火點的燃燒逐漸劇烈，距頂層2m高度的空氣溫度再次上升，直至360s模擬結(jié)束時，溫度并未上升至臨界值。根據(jù)溫度變化的趨勢來看，如果火災未得到有效控制，經(jīng)過一段時間后，測點處的溫度有可能達到60℃，如圖3所示。

（三）能見度分布規(guī)律

火災發(fā)生約80s后，煙氣逐漸在頂層商場處擴散，對能見度產(chǎn)生影響，至150s排煙口開啟前，煙氣已經(jīng)對頂層小部分區(qū)域的能見度產(chǎn)生影響。由于150s時排煙口開啟，煙氣能夠排出，能見度又迅速升高。約300s時，火災產(chǎn)生的煙氣速度已經(jīng)超過自然排煙口排出煙氣的速度，未能及時排出的煙氣重新開始在頂層聚集。雖然在疏散結(jié)束的330s時，絕大部分的區(qū)域能見度尚未低于10m，但是在360s時，已經(jīng)有部分區(qū)域的能見度降至危險判據(jù)的數(shù)值以下。按此趨勢可以預計，如果火災未得到控制，煙氣將逐漸充滿頂層，影響人員逃生，如圖4所示。

（四）CO濃度分布規(guī)律

火災發(fā)生80s后，煙氣逐漸在頂層商場處擴散，CO濃度隨之上升；150s排煙口開啟后，由于煙氣排出，CO濃度逐漸下降，約300s時，火災產(chǎn)生的煙氣速度已經(jīng)超過自然排煙口排出煙氣的速度，未能及時排出的煙氣重新

開始在頂層聚集，CO濃度也快速上升。直至模擬結(jié)束，CO濃度并未上升至影響人員逃生的水平，濃度水平距離危險判據(jù)的數(shù)值還較遠，如圖5所示。

結(jié)語

本文通過PyroSim軟件對柳州某商業(yè)建筑的中庭火災進行數(shù)值模擬，分析了火災發(fā)展過程中溫度、能見度及CO濃度的分布變化規(guī)律，得出了以下結(jié)論。第一，中庭煙氣對頂層的影響顯著大于其他樓層，在設(shè)計工作中，應著重考慮中庭與頂層房間的排煙設(shè)施，必要時進行計算和模擬，避免煙氣對頂層房間的疏散產(chǎn)生影響。第二，合理的自然排煙設(shè)施和擋煙垂壁，能有效排除煙氣，降低煙氣對頂層房間的影響。在案例項目模擬中，由于建筑面積較小，疏散快，嚴格按規(guī)范計算結(jié)果設(shè)置自然排煙口時，按頂層房間的設(shè)計清晰高度來設(shè)計擋煙垂壁，總體來說是安全的；對于面積較大、疏散距離遠、疏散時間長的建筑，建議進行計算和模擬，或按中庭儲煙倉厚度和頂層清晰高度中較為不利的條件來設(shè)計擋煙垂壁高度。參考文獻

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