建筑防排烟设计的若干体会
日期:2014-05-22

建筑防排烟设计是现代建筑消防设计的重要内容,在建筑设计的不同阶段不同环节中,不仅要注意防火设计,更要注重防排烟设计,防烟就是将烟气控制在某一特定区域内,确保消防疏散通道不受烟气侵害,而排烟则是火灾时产生的高温有毒烟气及时排除,防止烟气向防烟分区以外扩散,保证疏散通道安全可靠以及人员疏散所需时间。烟气的控制、排放等是暖通设计专业的重点,同时也需要建筑及控制等相关专业工程有效的协调配合,笔者认为:防排烟设计首先是一门不断得到研究和发展的消防科学技术,设计人员需要以严谨的科学态度,充分理解和掌握国家现行相关的规范标准,经济合理地运用现代消防技术,全方位地完成此项工作,笔者就防排烟设计相关方面内容,结合自身的工作经验认识,提出一些想法建议,以供参考交流。

一、防火分区,防烟分区概念的明确

防火分区按方向可分为垂直及水平防火分区两类,暖通消防设计应充分体现防火分隔这一基本的概念,在普通中央空调通风系统中,防火阀的设置必然与防火分隔物如楼板、窗、门、卷帘等相对应一致,规范中涉及重要的或火灾危险性大的房间,则须是防火单元,否则风管穿越隔墙,楼板处设防火阀就失去意义,事实上空调通风机房如何合理设置防火阀的问题,目前存在一刀切现象,即凡是穿墙均设置防火阀,笔者认为在具体设计中有不少地方值得探讨。

在排烟系统设置方面,原则上宜结合防火分区设置,事实上排烟系统管路穿越防火分区的情况往往不可避免,比较常见的是多层排烟共用竖井,(穿越垂直防火分区),其防火分隔处理方法也较简便,排烟井壁耐火时限,排烟防火阀的设置均可按规范执行,而排烟系统管路穿越水平防火分区的情况则显得相对复杂些,往往超大型地下车库等区域会出现此类情况,排风排烟竖井在某些特定的防火分区内无法设置而出现排烟管路水平穿越一个甚至多个防火分区的情况,较为妥善的作法是将排烟管道耐火时限提高为2小时,其支吊架系统亦作有效的防护,即将水平排烟管道作有效防火分隔,缺点是造价较高,目前设计往往在排烟管路水平穿越防火隔墙处设置280℃常开排烟防火阀,其理论基础是我们设计依据的规范标准大多仅限于单点火灾,不考虑两个以上防火分区同时着火的可能性,事实上该种情况出现的概率极低。

防烟分区较防火分区而言,在建筑消防设计中往往容易忽视,事实上,防烟分区是烟气控制的基础手段,是为有利于建筑物内人员安全疏散和有组织排烟而采取的技术措施,主要依靠采用挡烟垂壁(帘),挡烟梁(墙)等形式来实现,在具体防烟分区的划分,挡烟手段的确定在设计人员中存在误识,在以往的无吊顶的商(市)场、地下车库排烟设计中设计人员往往习惯于将大于50㎜的梁作为挡烟措施,事实上这样的划分方法往往是不成立的,第一未形成有效的烟气围挡,蓄烟空间,第二排烟口往往低于梁底,故与有效的烟气控制及排放相去甚远,注定该排烟系统是不可靠的,排烟口须设于有效蓄烟高度内,这是排烟理论的基本点。设计应设置固定挡烟垂壁,其下端高度至少与排烟管底部齐平。

挡烟垂壁应采用非燃材料制作,如钢板,夹丝玻璃、钢化玻璃等固定挡烟板或活动的挡烟垂壁(帘),当建筑物净空较低时,宜采用活动式挡烟垂壁(帘)。有一点值得注意,普通玻璃一遇高温膨胀,由于受框架限制而炸裂,在人员集中场所易造成人身安全事实,同时也使防烟分区失效,这是严格禁止的。

活动挡烟垂壁(帘)应由感烟控测器控制,或与排烟口联动,或受消控中心控制,同时应能就地手控,挡烟垂壁落下时,其下端距地面的高度应大于1.8m,当吊顶为非燃材料时,挡烟垂壁紧贴吊顶便可,而吊顶为格栅吊顶时,则挡烟垂壁应穿过吊顶面并紧贴非燃烧体楼板或顶板,此外由规范理解,净空大于6 m的房间,不考虑采用防烟分区的手段。

值得注意的是,防烟分区的划定由暖通专业完成,而具体施工要求须由建筑设计图纸体现,同时自控专业亦应予以配套,此点往往出现设计脱节情况,故建议防火分区、防烟分区的划分均需在各相关专业图纸上均予以描述。

二、排烟设施的设置

建筑排烟方式分为机械排烟方式和可开启外窗的自然排烟方式。

在许可的情况下尽可能采用自然排烟方式的观点似乎已被确立,事实上真正意义上的自然排烟方案其经济性及可靠性有很多时候值得商榷。目前建筑消防设计中应根据相关规范设定范围,确定排烟方案时,应注意以下几点,并予以落实:

1、自然排烟主要靠烟气的浮力,火灾时如喷淋系统动作将降低烟温而使烟气排放能力受限,这对人员较为密集面能而言较为不利,条件许可时,宜采用机械排烟。

2、排烟窗如处于迎风面,易形成烟气倒灌,无法实现预定方案,为改善这种情况,目前幕墙工艺可采用下弦窗或平移窗,尤其是平移窗,当开启时形成窗外挡烟板,即在挡烟板与窗口间形成负压,便于烟气排向室外,应该说平移窗是种较先进可靠的方式,不影响建筑立面造型、采光,但缺点是成本较高。

3、高层建筑由于热压作用,存在上、下层之间的压力差,一般中和面在建筑高度一半附近,故室内防火分区,防烟分区须妥善考虑,否则冬季工况,建筑底部开窗排烟,同样易出现烟气倒灌现象。

4、当火灾房间温度很高,烟气中含有大量未燃烧的气体,当烟气自然排出时会形成火焰,可能导致火势向上蔓延,这就对建筑防火分隔提出了更高的要求。

5、自然排烟的烟气是靠外墙上可开启外窗直排室外,需要一定的有效开窗面积,目前开窗面积的计算国家有关规范中无定量分析的方法(针对不同窗型)。

6、自然排烟窗高度的确定问题,首先应明确排烟窗高度应高于蓄烟高度,保证人员的安全疏散,一般说来在房间一半高度以上设排烟窗,而进风方式则应具体分析,一般大空间场所应在房间下半部开设进风窗或机械补风,开窗面积约为排烟窗面积的1.3~1.5倍。

开窗方式一般有手动、电动、气动三种,此外《高规》允许紧急状态时打碎玻璃的办法进行排烟(其可行性,有效性值得商榷),设计和业主单位可根据经济条件确定,一般地说电动控制较可靠,也较为常见。但相应成本也较高。

7、目前消防设计中,出现同一防火分区内,不同防烟分区采用不同排烟方案(自然排烟或机械排烟)的情况,这显然是不可靠的,相互之间的影响容易使自然排烟失效,烟气倒灌的现象较易发生,应杜绝此类作法。

8、无论自然排烟或是机械排烟,其终极目标是利用人员疏散,减少有毒烟气和高热对人员的侵害,当烟气带火状态出现时,烟温超过280℃,排烟系统工作即告结束,排烟防火阀关闭,排烟风机停止,同样,自然排烟窗也需自动关闭,这样方可避免拔风助燃,加剧火灾强度的问题的发生。

9、无论自然排烟或是机械排烟,自然排烟窗或机械排烟口烟控实际有效距离的观念必须得到加强,人员在烟气中安全行走距离的限制也决定了防烟分区的长度应与之相适应。建议结合建筑特征控制在40~60M内。

10、中庭防火排烟设计始终是消防设计的重点之一,而我国目前尚没有一套较科学、系统的法规来管理中庭烟气控制系统的设计。近几年来性能化设计技术的引入给我们带来了新的思路,目前对于中庭的烟气控制的方法是配设排烟系统,同时安装自动喷水灭火系统,限制建筑结构以及堆放在中庭地面的可燃材料数量以减少烟气产生。需要时设置挡烟垂壁或防烟卷帘,阻止烟气侵入相邻空间和疏散通道。允许烟气在人员疏散时充满中庭上部空间。应保证烟气填充时间足以使人员安全撤离火场。采用上层排烟系统以保持烟层高于疏散人员,直到全部人员安全疏散,有关实验也同时证明了排烟系统的设置能有效减少烟层界面下降的速率。

概括起来,中庭烟气控制手段包括:用防烟分隔构件将中庭与周围建筑隔开,以防止火灾产生的烟气和热流通过中庭扩散;中庭设置顶部集中排烟系统及底部有效的自然或机械补风系统,使烟层界面保持在安全疏散高度的要求;在中庭四周各层房间设置排烟系统。

诸多资料表明,采用换气次数法确定排烟系统的排烟量这一设计方法不合理。对于大空间,计算的排烟量过大,而对于中等小体积空间其值偏小。

12M烟气分层高度的确定尽管在某种程度上制约了烟控手段的合理化选择,但至少在烟气控制及有效排放方面提供了较为可靠的基本数据,例如目前数十米高的封闭式中庭的排烟设计问题,笔者认为不能死板地采用中庭顶部排烟方式,而是灵活地将中庭排烟口设于12M高度左右,同时将排烟口下3M上12M范围内(烟气层厚度约15M,可根据火灾强度适当调整)将中庭与周边相邻区域有效防烟隔离,避免烟气侵入其他区域(如周边回廊等)。

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(如有无储烟仓、自然排烟口的面积、高度等)。

火灾强度及烟层控制高度对中庭烟控系统有重要的影响。由于实际中庭火灾的复杂性目前国内有大量的基础研究工作要做,如火灾本质上是非稳态过程,。而火灾面积和放热量的确定则又是相当复杂的问题,简单分类划定往往易走回处方式设计的老路。目前中庭建筑烟气控制系统设计方法,特别有关着火时排烟系统的设计计算,其适用范围和可靠性还有待进一步研究,希望在大空间结构烟气流动规律研究的基础上,最后总结出较为简便的预测计算公式及计算程序,并将这些内容体现在未来的消防设计规范中。

三、防烟设施的设置

建筑防烟方式分为机械加压送风和可开启外窗的自然排烟方式,、尽管《高规》允许并部分提倡(高层住宅等)疏散楼梯间及前室采用自然排烟防烟,而允许烟气引入安全保护区域,在安全可靠性方面无疑逊色于机械加压送风,故条件允许时,建议尽量不采用此方式。

防烟楼梯间及前室加压送风系统是常见的防烟手段,送风量的确定为关键要素,目前计算方法由于对设计工况条件作了大量的简化忽略了诸多影响因素,不能因建筑条件的差异而具体分析,所有的计算方法均假设在送风情况下楼梯间及前室的防火门处于一定的开门状态,回避了防火门变化的开门工况对加压送风系统的影响(防烟楼梯压力分布的不均匀性;开门时扑出门洞风速的要求和闭门时前室压差控制的不平衡性等),不对系统非假定工况进行分析研究,注定了目前计算方法的粗糙和不完善,事实上,防烟楼梯间及前室加压送风系统的客观特性决定了它计算分析的复杂性,尽快确立完善的建筑区域烟气控制模型,将对加压送风系统的研究设计有着重大的意义。

风量范围表简单的套用其副作用很大,设计须重视以下几点:

1、设置防火门或电梯口的数量和面积对漏风量或送风量的影响。设置的洞口越多、面积越大,其加压空间的漏风量也越大,加压区域难以保证规范要求的正压值,这样只有通过加大送风量来实现。须计算得出正确数值。

2、由于开门时扑出门洞风速的要求和闭门时前室压差控制的不平衡,设计应完善泄压装置的设置,解决正压值的控制问题。

3、系统运行方式的选择有待优化,目前常见的着火时开启着火层及邻近楼层前室送风口的作法没有多大的实际意义,邻近楼层既然没着火,就没有防烟的必要,设计基本考虑单点火灾状况,笔者倾向仅开启着火层前室送风口,这样系统的分析设计将容易实现简单经济可靠。

4、送风管道横截面、材质和送风口的大小对风速的影响。规范对不同材质的管道有不同的要求。在设计审核过程中应对风速和横截面积进行校核,已确定其是否满足规范的要求。同时应注意加压送风口具体设置位置不应防火门开启而被遮挡,影响实际送风量。

四、小结

防排烟设计是建筑消防设计中较复杂的环节,也是建筑生命安全系统的重点,目前防排烟系统的研究在不断地深入,作为设计审核人员在充分掌握理解规范要求的同时,也应了解目前防排烟技术的发展情况,针对具体工程应仔细分析其客观特性,检查规范符合性和设计细节诸多容易出现偏差或遗漏的问题,实现建筑消防立足自救,安全可靠的设计目的。