1、某高层图书馆处方式与性能化设计对防排烟效果的研究 赵道亮 刘沛辰 张琪 孙明杰 章美婷 上海应用技术大学城市建设与安全工程学院 摘 要： 针对某高层图书馆的防排烟系统分别进行处方式设计和性能化设计, 运用 FDS软件模拟各设计方案, 通过对单层设计和整栋设计中温度、能见度、CO 浓度等参数的变化规律的模拟, 对比分析处方式设计和性能化设计对防排烟的影响。通过模拟与数据分析得出, 走道增设防火卷帘能在一定程度上阻碍烟雾向前室与防烟楼梯间的蔓延速度, 合理设置前室与防烟楼梯间的正压送风量效果要优于楼梯间单独加压送风 (送风量比前者大) 的防烟效果。关键词： 烟气控制系统; 处方式设计; 性能化设计
2、; FDS; 作者简介：赵道亮 (1982-) , 女, 教授, 博士, 主要研究方向为人员安全疏散, 性能化消防设计, E-mail:收稿日期：2017-01-02基金：上海市自然科学基金项目 (15ZR1440900) A Comparative Study between Prescriptive and Performance-based Design on Smoke Control Effect of a High-Rise Library BuildingZHAO Daoliang LIU Peichen ZHANG Qi SUN Mingjie ZHANG Meiting Sc
3、hool of Urban Construction and Safety Engineering, Shanghai Institute of Technology; Abstract： A smoke control system for a high-rise library building was designed in a traditional prescriptive way and a performance-based way.Several design proposals were put forward in this paper.FDS software was u
4、sed to simulate the change of the temperature, visibility and CO concentration of the single layer and the whole building.Based on the simulation and data analysis, the spread speed of smoke speading to smoke free lobby and smoke proof staircase could be reduced by setting fire resisting shutter on
5、the path.The effect of setting positive pressure air supply system in both smoke free lobby and smoke proof staircase was proved better than just setting that in the latter (the latter owing larger air volume) .Keyword： smoke control system; prescriptive design; performance-based design; FDS; Receiv
6、ed： 2017-01-02建筑防排烟系统的处方式设计是依据国家现行规范进行的设计, 也称规格式设计, 规范中的条文内容是总结前人的设计经验而得到, 其设计简单可靠。但由于建筑存在一定的个体差异、建筑内部的可燃物数量及分布和人员构成也有很大区别, 如果消防设计按统一的条文规定进行, 那么无论在安全性还是经济性上都不一定是最佳方案1-3。此外, 随着新型建筑和复杂建筑的不断涌现, 传统的处方式设计已越来越不能满足现代建筑的防排烟需求, 性能化设计方案便应运而生4-6。早在 20 世纪 80 年代中期, 英国和日本便开始倡导实行性能化防火设计规范 (performance-based fire c
7、ode) 7。性能化设计是采用安全工程学的原理, 根据不同建筑物的具体情况, 对研究对象的火灾危险性进行具体的研究和分析, 从而得到最佳方案。目前, 很多国家均已颁布了相关的性能化防火法规。性能化的方法应用于防火设计中, 是世界各国火灾研究的主要课题之一, 我国在这方面的研究与国外先进国家相比还有一定的差距8-10。火灾数学模型是性能化防火设计的基础, 建立合理的模型模拟火灾烟气扩散流动, 特别是对疏散通道的防排烟效果进行模拟, 能较准确地分析建筑的可用安全疏散时间、从设计和管理等方面提出相应对策。近年来, 我国的学者也在性能化防火规范的基础和应用研究领域做一些探索性的工作11-13。我国高校
8、图书馆尤其是高层图书馆日益呈现出建筑功能综合化、空间构成复杂化的特点。过去的高校图书馆主要承担纸质图书的收藏、整理、借阅, 同时向师生提供学习、科研的室内环境。而现在高校图书馆往往是具有举办学术会议、展览展示, 提供电子阅览、文娱活动等多功能于一体的综合性校园文化建筑。建筑功能复杂化随之带来的是安全隐患增多, 火灾风险加大。例如智能化、信息化设备的加入带来更多建筑电气引发火灾的风险, 展览、会议等大空间的设置带来人员密度增高、疏散压力增大等问题。一般情况下图书馆内的火灾荷载密度往往可达 1.502.55GJm, 特别是根据纸张的燃烧特性, 其接收到的热通量达到 20kW/m 时便可发生轰燃14
9、。所以一旦发生火灾, 往往呈现出火势蔓延快, 烟雾浓度高等特点。尤其是高层图书馆, 由于垂直疏散距离长、垂直疏散路径单一等特点更是增加了火灾情况下室内人员人身安全受威胁几率。所以针对高校内尤其是高层图书馆建筑进行性能化防火设计意义重大。本文利用 FDS 火灾场模拟软件, 针对某高校高层图书馆建筑的防排烟系统进行设计和分析, 通过对单层和整栋建筑中火灾特征参数变化规律的模拟, 探讨建筑防排烟处方式设计和性能化设计的优劣。1 处方式设计方案1.1 建筑概况某图书馆建筑共 11 层, 首层层高 5.1 m, 2 到 10 层层高 4.8m, 第 11 层层高 6m, 楼顶机房层高 3.6m, 屋顶高
10、 5.6m。建筑总高度 63.5m, 属于一类高层建筑。图书馆主要分为 5 大区域, 其中 5 区为建筑高度最高的主体部分且每层的结构大致相同, 故选取 5 区为代表进行烟气运动模拟。5 区朝南的墙面长 38.7 m, 东西两侧外墙长 40.7 m。房门高 2m、宽 1.2m, 其中有 8 扇是双扇防火门。外窗实际可通风面积为 1.5m1.8m, 排烟口在距离屋顶 0.5m 的位置。1.2 设计方案图书馆 5 区一层划分为 15 个防烟分区, 如图 1 所示。共设 15 个排烟口, 孔口尺寸为 0.6 m0.6m。按照规定15, 将每个防烟分区的排烟量设置为每平方米 60 m/h。由于此建筑高
11、度超过 50 m, 因此在处方式设计中采用机械防排烟系统。机械防烟实行在走道及楼梯间加压送风, 机械排烟即在各防烟分区添加机械排风口, 排风口风速不超过 10m/s。图 1 防烟分区 Fig.1 The smoke zone 下载原图2 性能化设计方案由于楼梯间和前室内建筑外窗面积大, 并且在前室内设置了正压送风口, 因此在处方式设计方案中此处排烟效果良好, 但仍有大量烟气通过着火房间门口进入走廊、前室以及防烟楼梯间。考虑到建筑有 11 层, 上层人员往楼下疏散时, 高温烟气及其毒性以及能见度对人员逃生造成阻碍, 为了得到更好的排烟效果, 本文在着火房间门口进行阻烟和增加补风系统两个性能化设计
12、方案。2.1 方案 1:阻烟为了防止烟气通过开启的房门蔓延到逃生楼梯间, 在走道处设置挡烟垂壁 (防火卷帘、活动挡烟板、固定式挡烟板等) , 文中采用防火卷帘与感烟探测器联动, 防火卷帘接收到控制信号后 10s 响应, 下降到距离地面 1.8m 处。2.2 方案 2:增加补风系统排烟同时进行补风, 能起到置换烟气的作用, 使得烟气能迅速排出。根据上海市建筑防排烟技术规程第 4.5.2 款规定, 在机械排烟情况下增设补风系统时, 补风口的风速不宜大于 10 m/s, 公共聚集场所不宜大于 5 m/s16。因此补风口风速设置为 2m/s, 经计算得出 1、2、15 区补风口面积为 0.02m, 3
13、、4、5、6 区补风口面积与 11、12、13、14 区补风口面积均为 0.03m。3 处方式设计与性能化设计 FDS 模拟结果对比分析利用 FDS 对处方式设计方案和性能化设计方案 1、2 分别进行了模拟。根据图书馆的实际情况, 设定着火房间与走廊之间的门以及防烟楼梯间和前室的门为开启状态, 其余门关闭。楼梯和前室的正压风机、走道排烟口、空调与排烟合用系统在感烟探测器感知烟气 10s 后被打开。可燃材料主要为木材, 毒性方面以CO 作为分析对象。在着火房间门口、走廊、前室距离地面 2 m 处设置参数测点。测点位置如图 2 所示, 其中 1 是火源处、2 是着火房间门口。在 7 个位置设置了温
14、度、能见度和 CO 浓度测点。图 2 测点的布置 Fig.2 Measuring point layout 下载原图网格大小为 0.6m0.6m0.6m, 模拟时间为 3 600s。模拟结果如图 3 所示。实线为性能化设计方案, 虚线为处方式设计方案。3.1 温度对比由图 3 (a) 可知, 性能化设计方案 1 的效果要优于处方式设计。1、2 点由于离火源距离过近, 防火卷帘并未起到明显效果。3、4、5、7 探测点温度达到 60的时间比处方式的时间长, 特别在右前室和楼梯间, 延迟时间在 2060s, 说明防火卷帘对这些位置的隔热有一定作用。由图 3 (b) 可知, 增加补风系统 (方案 2)
15、 对温度的控制并不明显。图 3 各测点温度达到 60的时间 Fig.3 The time of temperature reached 60 下载原图3.2 能见度对比由图 4 可知, 设置防火卷帘的测点 3、4、5、6、7 的火场能见度达到 10 m 的时间均相应提高, 提高幅度在 1090s 之间, 可见防火卷帘对烟气蔓延起到一定的控制所用, 为人员安全疏散赢得了更多的时间。应该指出的是虽然防火卷帘在一定时间内有阻烟和控烟的作用, 但不能从根本上排除烟气。如果没有有效的排烟, 在一定时间后能见度仍会低于 10m, 达到危险状态。方案 2 (设置机械补风) 只对 1、6 点的能见度有一定影响
16、, 对其它点的能见度影响不大。图 4 各测点能见度达到 10 m 的时间 Fig.4 Each point visibility time to 10 m 下载原图3.3 CO 浓度对比根据安全性能标准, CO 在 30min 内的浓度应该控制在 1%以下较为安全17, 如图 5 所示, 各测点 CO 的浓度都高于 1%。增加防火卷帘的方法对比处方式设计能有效地降低各测点的 CO 含量, 但各个测点中 CO 浓度最低值 1.37%仍高于规定限值 1%, 说明增加防火卷帘对抑制 CO 的浓度有作用, 但并不能满足设计需要。补风系统对 CO 浓度的影响不大, 甚至个别测点的 CO 浓度在补风后反而
17、增大。此模拟结果说明两种性能化设计方案在抑制 CO 浓度上都不理想。图 5 各测点半小时后的 CO 浓度 Fig.5 The CO concentration of each measuring point in half an hour 下载原图4 建筑整体排烟4.1 设计方案高层建筑的竖向通道会产生烟囱效应, 因此楼梯井和电梯井等竖向通道的烟气控制尤其重要。该图书馆楼梯间和前室每隔 23 层采取正压送风的防烟方式。分别在 2 层、5 层、7 层、9 层和 11 层设置了正压送风, 按照单层防排烟的设计方案设置了送风口和风量。对于高层建筑整体的防排烟效果, 本文主要研究楼梯竖井内的烟气控制情
18、况, 在左右两侧的楼梯间, 每层距离地面 2 m 处设置了温度、能见度和 CO 浓度的测点。性能化设计方案为改变楼梯间和前室的加压送风的风速。根据建筑设计防火规范 (GB500162014) , 送风口的风速不宜大于 7m/s。为了验证超过 7m/s 的风速在本设计中能否适用, 特在性能化设计方案中将风速设定为 10m/s。通过温度、能见度、CO 浓度等参数对比分析两种设计方案, 如图 6、7 所示。实线为性能化设计方案, 虚线 (0) 为处方式设计方案。4.2 温度与能见度分析左右两侧楼梯间的最高温度都控制在 27左右, 左侧楼梯间温度曲线呈现先上升后下降的趋势, 右侧为先上升后保持平缓的趋
19、势, 整体温度控制在安全范围内。首层 (着火层) 的温度最高, 达到 120。2 层和 3 层的最高温度能达到90, 3 层以上的温度能保持在 2050, 3 层以上的室内人员都不会受到高温的侵害。火灾发生时, 着火房间和走道的能见度随着时间的推移逐步降低, 但左右两侧的楼梯间由于加压送风的作用, 有效阻止了烟气的进入。在火灾发生后的 3 600s, 左侧 1 层的楼梯间能见度降到 14.6m, 2 层为 14.2m, 3 层为 13.3m, 4 层为 23.6 m, 而 5 到 11 层一直保持 30 m。研究表明, 能见度低至 10m 则达到危险的临界状态18, 所以左侧楼梯间在火灾中的能
20、见度在安全性能标准范围内。右侧仅在防烟楼梯间设置了加压送风, 一定时间后, 各楼层的楼梯间能见度陆续降到 10m, 如图 6 所示。对比处方式设计方案的能见度值, 性能化设计方案中各楼层楼梯间能见度到达临界危险状态的时间都有所延迟。图 6 右侧防烟楼梯间能见度降至 10 m 所用时间 (处方式设计和性能化设计对比) Fig.6 The smoke proof staircase visibility to 10m time (at the design and performance comparison of design) 下载原图4.3 CO 分析图 7 是 30min 后个楼层不同测点
21、处 CO 的浓度。由图 7 可以看出 30 min 后各楼层测点处 CO 的最高浓度为 0.9%, CO 含量在 30 min 内不得超过 1%, 所以 CO 浓度在安全性能标准内19。加大送风量, 对于原来前室没有送风系统的防烟楼梯间来说, 能起到一定的效果。但是, 防烟效果比不上楼梯间和前室都进行了加压送风的设计。另外, 楼梯间和前室已有加压送风的设计, 再增大风量, 排烟效果没有太大变化。因此针对 CO 浓度控制, 在防排烟设计时尽可能采用前室与楼梯间同时加压送风的防烟系统, 另外, 适当增加排烟系统的排烟量, 室内家具及装修材料尽量采用难燃性的材料, 减少自身的发烟量与燃烧速率也可降低
22、 CO 的浓度。图 7 各楼层左右测点处的 CO 浓度 Fig.7 The CO concentration of each measured point around the floor 下载原图5 结语利用 FDS 火灾模拟软件分析了某高层图书馆火灾烟气的蔓延情况, 根据最新修订的国家标准建筑设计防火规范 (GB50016-2014) 对此建筑进行了处方式设计, 在防烟楼梯间和前室进行加压送风, 在各防烟分区设置机械排烟等。在单层设计中, 性能化方案 1 在原来处方式设计中增加了防火卷帘, 方案 2 中增加了补风设计。在整栋设计中, 性能化方案改变了加压送风的风速。得到以下结论:(1) 挡
23、烟设施的合理设置能有效延长可用安全疏散时间:方案 1 在走道间设置防烟卷帘, 与处方式设计相比, 火源和房间出口处的防烟效果没有太大区别。但是前室和楼梯间的烟气达到临界危险的时间都相应延迟, 多提供 2min 左右的可用安全疏散时间。防火卷帘只能起到一段时间的蓄烟作用, 需结合排烟设施才能满足安全疏散要求。(2) 根据 7 个测点的温度、能见度达到设计危险阈值的时间、30min 后 CO 浓度等数据得出本建筑中补风的设计在防排烟设计上没有起到更加理想的效果。(3) 整栋楼的防排烟处方式设计中, 前室和楼梯间都加压送风的方式要比楼梯间单独加压送风 (送风量比前者大) 防烟效果好。在 2、5、7、
24、9 和 11 层防烟楼梯间和前室设置了正压送风, 左侧前室和楼梯间都设置加压送风, 而右侧仅在楼梯间设置加压送风, 但是排烟量和风速比左侧大。结果左侧楼梯间的控烟效果优于右侧防烟楼梯间。(4) 整栋楼的防排烟性能化设计中, 增大了楼梯间和前室的风速, 右侧防烟楼梯间的温度被控制在了 30以下, 能见度和 CO 浓度有小幅度改善。参考文献1庄磊, 黎昌海, 陆守香.我国建筑防火性能化设计的研究和应用现状J.中国安全科学学报, 2007, 17 (3) :119-125. 2李引擎, 张向阳, 李磊, 等.建筑防火安全的新思维-我国建筑防火性能化设计的发展历程J.建筑科学, 2013, 29 (1
25、1) :70-79. 3BLACK W Z.Smoke movement in elevator shafts during a high-rise structural fireJ.Fire Safety Journal, 2009, 5 (2) :168-182. 4张烨.某大型剧场建筑防排烟系统性能化防火设计研究J.武警学院学报, 2015, 31 (4) :49-51. 5冯瑶, 朱国庆, 刘淑金, 等.含避难走道的综合体建筑防火性能化分析J.消防科学与技术, 2014, 33 (9) :1022-1025. 6李静娴, 何嘉鹏, 周汝, 等.建筑火灾中“走廊-前室缓冲区”影响因素的试
26、验研究J.安全与环境学报, 2011, 11 (4) :176-179. 7李引擎.建筑防火的性能设计及其规范J.建筑科学, 2002, 18 (5) :53-55. 8赵道亮, 刘英学.人员疏散的二维元胞自动机随机模型研究J.安全与环境学报, 2009, 9 (5) :179-182. 9钟茂华, 史聪灵, 胥旋.地铁侧式车站列车火灾排烟模拟研究J.中国安全生产科学技术, 2011, 7 (11) :9-13. 10高俊霞, 史聪灵, 钟茂华, 等.地铁高架车站站厅火灾烟气流动与控制J.中国安全生产科学技术, 2007, 3 (2) :49-54. 11田玉敏.论“性能化”防火设计中的“设计
27、火灾场景”J.火灾科学, 2003, 12 (1) :29-35. 12孙占辉, 姚斌, 孙金华.火灾场景设计与火灾危险度分析在火灾性能化设计危险源辨识中的应用J.火灾科学, 2004, 13 (2) :106-110. 13汪箭, 吴振坤, 肖学锋, 等.建筑防火性能化设计中火灾场景的设定J.消防科学与技术, 2005, 24 (1) :38-43. 14付祥钊, 刘方, 廖曙江等.建筑防火性能化设计M.重庆:重庆大学出版社, 2007. 15方正, 马莉莉, 卢兆明.人员安全疏散模型及其在性能化消防设计中的应用J.消防科学与技术, 2002, 6:3-6. 16上海市建筑防排烟技术规程.DGJ08-88-2006S.2006, 4:15. 17马英楠, 王茜, 张秋洁.煤炉使用知识与一氧化碳浓度的相关性研究J.中国安全科学学报, 2011, 03:114-119. 18赵道亮, 孙明杰, 刘沛辰.某地下隧道细水雾灭火有效性的 FDS 模拟研究J.应用技术学报, 2017, 17 (1) :80-84. 19姚斌, 刘乃安, 李元洲.论性能化防火分析中的安全疏散时间判据J.火灾科学, 2003, 12 (2) :79-83.
