中庭烟气控制性能化设计方法.docx

中庭烟气控制性能化设计

重庆大学 江芝芬 康待民

［摘 要］ 阐述了“处方式”建筑防火设计和性能化建筑防火设计，介绍国外中庭烟气控制性能化设计方法，在此基础上探讨我国建立中庭烟气控制系统性能化设计的规范和设计指南，提出我国实现中庭性能化设计有待进一步研究和探讨的问题。
［关键词］ 性能化设计 烟气控制 中庭

0 引言
　　由于火灾科学和计算机技术的飞速发展，使人们能够对特定建筑物的火灾过程进行模拟和分析，运用消防工程学的原理与方法进行建筑防火设计。由此产生了一种新的设计方法——“以性能为基础的设计方法”，性能化建筑防火设计是国际建筑防火领域最前沿、最先进的技术。
　　中庭是以大型的建筑内部空间作为核心，综合多种功能，为人们提供的一种便利、舒适、自然美妙的共享空间。由于中庭空间大、功能多、复杂化且人流量大，造成它的火灾隐患大、人员疏散困难。中庭属“大空间结构”，其内部不宜进行防烟、防火分隔，这是对传统烟气 控制措施的挑战。目前，已经有许多学术论文指出我国现行的《高层民用建筑设计防火规范》(GB50045-95)中关于中庭的烟气控制系统设计的粗糙、不合理性。我国目前尚没有一套较完善、科学的法规来管理中庭烟气控制系统的设计。本论文在引入性能化建筑防火设计的基础上，综述国外中庭烟气控制系统设计方法，根据中庭的“大空间结构”特点，探讨如何实现我国中庭烟气控制系统性能化设计。

1 “处方式”建筑防火设计与性能化建筑防火设计
11 “处方式”建筑防火设计
　　“处方式”建筑防火设计是设计人员按照传统规范条文所规定的设计参数和指标，结合设计者本人的实践经验，从而制定出符合规范要求的防火设计方案。传统的防火设计规范对各类工程的防火设计参数和指标都作了逐一对应的规定，设计者可以“对方抓药”似的选定，一 旦设计中遇到“超越”规范的难题，往往只能召开“专家会诊”会，凭借多数专家的经验来解决设计中的困难。“处方式”防火规范的弊病在于：对设计参数指标的规定过于具体，限制了设计的灵活性，面对功能、结构、装饰日益复杂的建筑物，无法据此“因物制宜”设计出科学的、合理的、经济的消防安全系统方案，同时限制了消防方法的创新与发展。
12 性能化建筑防火设计
　　从二十世纪八十年代开始，国外提出了“以性能为基础的防火设计——Fire/Life safety P erformanceBased System Design”新概念，并开始对传统沿用的“处方式”的建筑防火设计法规体系进行改革，提出制定“以性能为基础的防火规范”的新思路。性能化防火规范 只对建筑物要达到的消防安全目标、性能要求和设计时所需遵循的原则、方法等进行规定。
　　性能化设计的步骤一般包括：根据建筑物的结构、用途和内部可燃物等方面的具体情况确立消防安全目标和可量化的性能要求；分析建筑物内部可燃物、人员等情况，确定性能指标和设计指标；建立火灾场景和设计火灾；选择分析计算的方法；对设计初步方案进行安全评估 、确定设计方案并编写设计报告。
2 国外中庭烟气控制性能化设计
21 发展概况
　　中庭烟气控制作为大空间建筑消防安全系统设计的一个重要方面，细化研究中庭烟气控制的性能化设计是构成消防安全系统性能化设计的基础。美国在二十世纪九十年代初实施消防安全系统性能化设计的理论，对于中庭烟气控制系统设计已摒弃八十年代的体积换气次数法。 1991年美国消防协会“商业街、中庭及大空间烟气控制系统设计指南NFPA 92B”规范的制定 ，设计者开始采用预测中庭烟层界面的方法进行中庭烟气控制的性能化设计，这样克服了体积换气次数法的不合理：对大空间，计算的排烟量过大，不经济；而对于中小体积空间其值则偏小，达不到安全烟气控制预期目的。美国国家建筑管理规范(BOCA)从1993年BOCA 1993a、BOCA 1993b到1996年BOCA 规范修订，逐步采纳和实现中庭烟气控制的性能化设计。美国建筑统一指导规范(UBC—ICBO)在1994年修订时，也全面采纳了性能化设计的方法。NFPA 92B分别在1995年、1997年和2000年进行了修订，使中庭烟气控制性能化设计逐步完善。以下简要介绍NFPA 92B规范中烟气 控制性能化设计步骤。
22 性能化设计步骤
一、确定火灾强度Q(kW)
　　有两种火灾模型：稳定火灾和非稳定火灾可供选择。
　　1稳定火灾
　　放热量为常数的火灾定义为稳定火灾。规范中给出了每单位着火面积的放热量：对限制可燃物的中庭取225 kW/m2；未限制可燃物的中庭取500 kW/m2。一般假定着火面积为9.3 m2，同时考虑中庭实际火灾隐患和过渡燃料情况，着火面积适当取大，最大可取为50 m2。
　　2非稳定火灾
　　防火工程师常用t2型火灾来近似非稳态火灾，其火灾强度可采用计算式：Q＝at2(kW) 。
a为增长系数(kW/s2)，视火灾增长的速度可选：慢速0.002931、中速0.01127、快速0.04689、极快0.1878；t为燃料燃烧时间(s)。在缺乏放热量设计资料的情况下，可假定 为稳态火灾，这样使设计的系统更加可靠。
二、中庭烟层界面的预测
　　可用下面的三种计算方法(NFPA 92B)来预测中庭烟层界面(见图1)下降的高度：

图1

式中：Z——烟层界面距地面的高度(m)；
　　　H——中庭顶棚距地面的高度(m)；
　　　A——中庭水平横截面积(m2)；
　　　Q——火灾稳定放热量(kW)；
　　　t——烟层界面下降到Z处所需的时间(s)；
用法：给定疏散时间，计算烟层界面是否下降到安全高度。NFPA 92B规范中疏散时间定为20分钟，安全高度跟据中庭建筑的形式而定，其值为中庭底层的最高出口高度加上1.8米。

式中：各参数意义同前；用法：计算任何时间的烟层界面的位置。

用法：取一时间步长△t，用反复计算法来预测不同时间烟层界面的位置，同时也用于计算产烟量。它不如以上两种方法直接。例如，疏散时间定为20分钟，从火灾发生开始至疏散结 束，取△t＝10，从1，11，21…到1201秒，烟气层变化情况的计算步骤为：
　　①以中庭顶棚高度H为烟气层界面初始高度，即Z＝H代入方法三mp1计算式，计算出初始时的烟气质量流量mp1。
　　②计算初始时烟气体积流量V：V＝mp1/ρs(m3/s)；ρs为烟气密度(kg/m3)。
　　③计算1秒后的产烟量，第1秒所增加的烟气层厚度(假定烟层厚度均匀)：dz＝V/A(m)，A是 中庭的横截面积(m2)，再以Z＝H-dz代入式，方法三mp1计算式计算出产烟量。
　　④计算11秒后的烟层界面，第11秒后的烟气体积流量：V＝10mp1/ρs(m3)，(当 时间步长△t取很小时，可视在这时间步长内烟层厚度随时间呈线形变化)。烟气层厚度：dz ＝V/A(m)；烟气层界面高度：Z＝H-dz(m)……，如此类推，计算出21…1201秒的烟层界面高度Z。
三、烟气控制系统的选择
　　根据中庭烟层界面的预测初步确定：如果烟层界面下降到安全高度的时间大于安全疏散时间，则采用烟气填充自然排烟系统，否则，采用机械排烟系统，以一定烟气量排出生成的烟气。是否选择自然排烟还要考虑当地的室外设计温度、风的条件和建筑形式(如：有无储烟器 、自然排烟口的面积、高度等)。由于火灾时会发生断电，且自然排烟经济，在澳大利亚和英国常采用，而在美国大多采用机械排烟。选择机械排烟系统时还要进行以下设计计算。
　　1产烟量的确定
　　在中庭地面发生火灾时，用方法三：
　　mp1＝0.071Q1/3c·Z5/3+0.0018Qc计算。
　　机械排烟的目的是把烟气底层控制在一定的安全高度Z处，以防危及人员安全，同时要防止烟气直冲顶棚(即顶棚喷射)而损坏顶棚结构，由此Z的选择应保证烟气层的厚度不小于中庭高度H的十分之一。
　　在与中庭相通的主体建筑发生火灾时，挑台产烟量(见图2)按下式计算：

图2

式中：mb——挑台产烟量(kg/s)；
　　　W——烟气绕流过挑台的宽度(m)；
　　　Zb——挑台以上的烟层界面的高度(m)；
　　　y——火焰至挑台的垂直高度(m)。
　　在与中庭相通的主体建筑发生火灾时，窗台产烟量(见图3)按下式计算：

图3

式中：mw——窗台产烟量(kg/s)；
　　　Zw——窗户顶部至烟层界面的高度(m)；
　　　a——等效高度(m)；
　　　Aw——窗户开口的面积(m2)；
　　　Hw——窗户开口的高度(m)。

2排烟口的位置、型号和数量的选择
　　为避免排烟口抽吸周围空气(见图4)，要限制排烟口的最大排烟量；同时，为防止各排烟口抽吸的烟气流相互干扰，要限制各排烟口最小间距。
最大排烟量：

式中：mmax——各排烟口最大排烟量(kg/s)；
　　　TS——烟层的绝对温度(K)(一般取345K)；
　　　T0——周围空气的绝对温度(K)(一般取294K)；
　　　B——排烟口位置因子(无量纲)(见图5)；
　　　d——排烟口下烟层的厚度(m)(一般为中庭高度H的十分之一)。

式中：smin——排烟口间的最小间距(m)；
　　　Ve——排烟体积流量(m3/s)。
　　同时考虑前述方法三中烟气层变化情况计算步骤的第③、第④步和中庭建筑形式来确定排烟口的位置、数量和型号等。
　　国外在少数中庭建筑中采用“中部隔断”措施：即在中庭的一定高度处设置隔板，隔板只在火灾时由消防控制室根据探测器信号远程控制。隔板动作，中庭完全被隔断成上下空间；平时隔板敞开，中庭上下贯通。这种方式较适合于“瘦高型”中庭，它的可行性有待进一步研 究。

图4

图5
　　3烟道布置、阻力计算和排烟风机的选择
　　根据中庭建筑形式布置烟道，计算沿程阻力和局部阻力，然后根据压头和排烟量来确定耐火风机的选型。从风机性能曲线图或性能表中就能确定风机理论排烟量：烟气质量流量me( kg/s)和体积流量Ve＝me/ρs，ρs取烟气温度345K时的密度。
3 建立中庭烟气控制性能化设计规范和设计指南的探讨
　　研究如何从现行的“处方式”中庭烟气控制设计方法转化为性能化设计方法是实现建防火性能化设计的一个子课题。为帮助设计人员进行中庭烟气控制的性能化，研究建立性能化设计规范和指南来指导设计尤为重要。建立规范和指南的目的：使设计人员形成一个整体的中庭烟气控制性能化设计观念；了解中庭烟气控制性能化设计工具软件的作用；指导设计人员完成中庭烟气控制性能化设计的全过程；为审核人员提供审核指导等。
　　具体到中庭烟气控制性能化设计，可考虑建立性能设计5级结构规范和性能设计指南框图(见图6)。中庭烟气控制性能化设计规范的5级结构：①中庭烟气控制要达到的安全目标；②中庭烟气控制量化的性能要求；③中庭烟气控制性能化设计方法；④中庭烟气控制多种可接受 的解决方案；⑤中庭烟气控制方案安全评估、确定设计方案并编写设计报告。
　　中庭烟气控制性能化设计指南框图：
4 实现中庭性能化设计有待进一步研究和探讨的问题
41 设计火灾场景
　　稳态火灾是理想化处理设计火灾场景的方法，认为火灾具有恒定的释热率(HRR)，设计中采用此方法，设计人员计算简便、直接，但结果却较为保守。笔者在设计院调研中，设计人员建议在今后性能化设计中能加以采纳，但由于实际中庭火灾的复杂性，失火面积如何选择?是个较为困难的问题。
　　文献［3］提及设计火灾荷载密度qf·d(MJ/m2)的概念：某一建筑内平均单位面积 (指地面积)所有可燃材料潜在的热能总和。在几项欧洲调查的基础上，研究人员推导出了不同用途建筑特征火灾荷载密度，并已编入CIB报告中。DD240已利用报告中的数值，指定了不同用途建筑的平均火灾荷载密度。对于设计而言，英国允许将80%的平均火灾荷载密度用作 特征火灾荷载。表1给出了一些典型的火灾荷载密度值。
表1 火灾荷载密度
使用形式
办公室
工业建筑（不燃结构）
集会（娱乐）
鞋店和商业用
停车场
炎灾荷载密度（MJ/m2）
570
470
750
900
300
　　火灾试验存在其局限性，只能在一定程度上模拟实际建筑物场景，建立缩尺模型加以定性研究。对于实际工程性能化设计而言，在阅读大量的参考文献的基础上，笔者认为国内应开展大量的实地调查统计工作调查统计出目前国内不同建筑类型的不同用途中庭的设计火灾载荷 密度，这是个耗时、耗力、耗资的工作，但对今后国内采用烟气控制性能化设计是极有意义的。同时开展不同用途中庭火灾发展规律的试验研究，根据中庭不同的固定火灾荷载(如门 、窗等)、活动火灾荷载(可移动的桌子、沙发等)和临时火灾荷载(主要是建筑的使用者临时带来并且在此短暂停留的可燃体构成)的布置方式和荷载量的大小，研究火灾的发展速度和规律、各种火灾荷载释热率的叠加规律、总火灾释热率随时间的变化等。
42 量化性能化指标
　　安全疏散高度和安全疏散时间是两个量化性能化指标。不同的中庭有不同的结构和人流密度，我国应展开中庭疏散研究，最后给出此性能化指标的计算式，纳入性能化设计规范。
43 中庭烟层界面的预测
　　国外在实施中庭性能化设计的过程中，研究发现烟层界面的预测公式还有待进一步的探讨。Brooks用13个火灾模型实验(不同的火灾强度、中庭载面积和纵横比(A/H2)[1]，分别用NFPA 92B的三种方法和LES CFD方法进行比较，得出以下结论：方法一 对于A/H2＝0.9时所预测的时间比实际烟层界面下降的时间要快的多，而当A/H2＝14 则预测的时间比实际时间要慢；方法二适用于狭长型的中庭；方法三在中庭A/H2＞10时较准确，但在A/H2很大时预测又极不准确等。
　　国内在大力开展大空间结构烟气流动规律的基础上，最后总结出预测计算式，这些计算式将写在未来的规范中。
5 总结
　　性能化建筑防火设计是世界各国防火设计的必然趋势，但实现性能化建筑防火设计是个复杂的系统工程，先有大的框架，再落实到消防系统的方方面面：耐火、喷淋、灭火、烟气控制等均实现性能化设计。
　　本论文的目的是在此大前提下，借鉴国外已取得的研究成果，探讨我国实现中庭性能化设计的有待研究和解决的某些关键问题，以集思广议。
参考文献：
［1］ William N.Brooks.Predicting the Position of the Smoke Laye r Interface Height Using NFPA92B Calculation Methods and a CFD Fire Mode.ASHRAE Transactions,1999,105(1):414～425.
［2］ NFPA.NFPA 92B Guide for Smoke Management Systems in Malls,Atria and Large Areas.Mass:National Fire Protection Association.1995 Edition.
［3］ 邱培芳，倪照鹏.建筑物耐火分级的性能设计方法.北京：消防技术与产品信息，200 1(3)：44～48.
［4］ 吴启鸿，肖学锋.论发展我国以性能为基础的建筑防火设计技术法规体系.天津：消防科学与技术，1999 2(1)：4～8.
［5］ John H.klote New Development In Atrium Smoke Management.ASHRAE Transactio ns,2000,106(1):620～626.