民用建筑防排烟设计要点探究

民用建筑防排烟设计要点探究

许土润

身份证号： 44080419930316****

摘要：建筑消防问题一直以来是建筑设计中不得不考量的重要因素，相关建筑工程项目设计者、施工者均需要参照相关建筑标准，不断提升建筑消防水平。防排烟设计作为民用建筑消防系统重要组成部分，分析该部分设计要点、设计原理及问题，可以充分结合民用建筑工程具体情况，从建筑防排烟设计角度助力建筑消防水平提升。本文以高层民用建筑为例，并结合实际案例分析防排烟系统的优化设计。

关键词：防排烟设计；民用建筑；消防水平

经济发展与民众生活水平提高，使得大众对建筑功能性要求更高。民用建筑不仅需要满足冬暖夏凉等适宜性要求，同时还需要让民众安心。出于人口与占地等因素考虑，高层建筑近年来发展迅速，且高层建筑人员更为密集，对消防系统要求更高。高层建筑与常规多层建筑相比，其体量更为庞大、设备用电频繁、空间设计复杂，在对其消防系统进行设计上，需要考量的因素更多，在防排烟设计上需要了解建筑火灾烟气特征、防排烟设计原理等。

1.民用建筑大空间烟气特征及防排烟设计原理

1.1民用建筑大空间烟气特征

高层建筑类型多样，功用不同，决定其火灾危险性存在很大差异，在烟气特点上表现也有所不同。（1）中庭建筑。此类高层建筑最大特点为其具有多个或一个在竖直方向上连续贯通数层的封顶大型空间，建筑物楼层窗口或廊道与中庭四周相连接，这些同中庭相连的部位大多开口大，同周围空间连通，是火灾蔓延（竖向）的主要通道^[1]。无论中庭相连的楼层失火，或者中庭底部失火，烟气均会迅速扩展到与中庭相连的各个楼层，火灾扑救、人员疏散难度大。（2）大空间扁平型建筑。此类建筑高度一般在6m以下，其特点在占地面积大，横向距离比较长，以大型地下车库、大型商场较为多见，当此类空间内出现火灾后，在浮力作用下高温烟气上升，形成顶棚射流，后烟气在水平方向上呈现放射状蔓延特征。此类烟气不会遇到四周墙壁，一般不会出现反浮力壁面射流的情况，烟气向上不断对周围环境冷空气进行卷吸，增加顶棚射流厚度，导致烟气层出现界面降低情况，最终烟气层可能降到地面。远离火源处烟气不具有明显的分层，距离火源近的空间内烟气浓度高，影响可见度，相对人员疏散、扑救难度大。（3）大空间高层建筑。此类建筑顶棚高度相对较高，整体建筑高度一般在20m以上，蓄烟纳热能力很强，火灾发生后热量与烟气较长时间才能被容纳，烟气多聚集在较高位置，能见度相对较高，便于扑救与人员疏散。

1.2防排烟设计原理

防排烟设计是民用建筑消防系统设计的重点，根据建筑空间大小不同、火灾规模不同、烟气沉降速度不同，科学设计防排烟系统。通常建筑面积同蓄积烟量成正相关，同烟气沉降速度成反比。高层建筑防排烟系统设计的根本目的在于降低烟气量、控制烟气流动、限制烟气产生，有效降低烟气对人员、物品等造成的危害。在防排烟系统设计上其原理主要是从材料、区域、排烟、加压、灭火等方面入手，运用多种方式达到灭火保障建筑安全的目的。防排烟系统设计涉及内容多样，需要相关设计者从烟气温度估算、烟气沉降估算、排烟量估算、气动控制（排烟风机）逻辑等多角度、全方位进行设计与优化。

2.高层民用建筑防排烟设计要点及常用防排烟系统设计措施

2.1高层民用建筑防排烟设计要点

高层民用建筑防排烟设计中，需要从烟气流动情况进行分析，以综合考量高层民用建筑各烟气流动特点，科学设计防排烟系统。

2.1.1烟囱效应

民用建筑物烟气向上，出现烟囱效应。导致烟囱效应出现的原因同建筑物室内外温差有关，建筑物内部温度往往高于室外温度，空气流向特征为从下方进入，上方流出，不同部位压力差异，使得高处压力小于内部压力，烟气向上流动，当烟气达到中间某一高度后，内部外部压力相等，此处为中和面。烟囱效应同建筑室内外压力、高度关系密切，随着内外部压力增加建筑底层出现火灾时，烟气从底层上升到高层潜力更大，烟囱效应对竖井与高层影响大，而烟囱效应导致的冷热空气压力差、气流分布均与建筑分隔设备开口有关。

2.1.2通风、空调系统

通风系统、空调系统在运行中会不断增加建筑相应空间的新风量，在火灾发生时，新风系统作用下，发生火灾的区域不断进入新风，为火灾提供大量的氧气，加剧火灾蔓延。因此，当高层建筑物出现火灾后，烟气会沿着通风加空调管道向其他区域蔓延，尤其在回风系统作用下，对烟气影响加重，助力火灾进一步蔓延。

2.1.3烟气膨胀

高层民用建筑出现火灾后，受高温影响，导致烟气出现膨胀。气体膨胀定律指出，一定量气体，排除压强对气体体积产生的影响，体积会随着温度升高出现增大的情况，火灾发生时，越靠近火灾位置温度越高，靠近火源的烟气体积会出现大幅度增加，从而使得压力出现增加，使得着火区域同其他区域出现压力差，增加烟气流动速度，导致烟气蔓延到建筑物其他位置，蔓延的速度可达到竖直该方向速度3m/s～4m/s，水平方向速度0.5m/s～0.8m/s。

2.1.4室外风力

室外风向、风速对高层建筑内烟气流动影响也比较大。背风面两侧墙面需要承受向外压力，迎风面墙面承受向内压力，风向不同迎风面与背风面也会出现改变。风力的大小会对中和面的高低产生影响。当火灾发生在中和面以上，并在背风面，烟气局限在相对狭小的空间内，可直接排出室外，影响较小；当火灾发生在中和面以下，烟气沿着竖井向上蔓延速度较快，对整个建筑造成的影响大；当火灾发生在中和面以上，并在迎风面，火灾产生的影响较小，烟气可以绘随风排出。

2.2高层民用建筑常用的防排烟设计措施

高层建筑与一般建筑相比，防排烟系统设计难度要更大一些，需要充分考量楼层因素、人员疏散因素。结合烟气流动特征，常用高层民用建筑防排烟设计措施包括以下几个：

2.2.1结合建筑结构自然排烟

充分结合建筑物自身结构特点，在热压、风压作用下，使得烟气得以排出。通常在自然排烟设计上，主要通过窗户开启达到排烟的作用。此种方式结构简单，在排烟中不需要动力，具有造价低、投资少、运行可靠等特点。但此种方式也有一定不足，当高层建筑出现火灾后，灾情受外部环境影响大，火势出现加剧与蔓延的概率较高，并此种方式不稳定性因素较多，不适宜高层民用建筑物使用^[2]。

2.2.2对烟气产生量进行控制

结合建筑情况进行烟气产生量进行控制，从烟气产生源头入手，烟气产生量控制效果更佳。高层建筑可以在消防系统设计中，增加自动灭火系统、自动火灾报警系统等，便于当火灾发生时，相关人员可以及时发现灾情，迅速采取最佳方式有效扑灭灾情，避免火灾蔓延。针对烟气产生量进行控制时，可以从建筑材料方面入手，参照《建筑内部装修设计防火规范》相关规定，选择符合标准的建筑防火材料，有效控制烟气产生量，提升整体建筑消防水平。

2.2.3机械加压送风系统设计

高层民用建筑设计中，可以增加机械加压送风系统，便于在火灾发生时将烟气排除，为火灾发生后逃生人员提供安全疏散路线、避难空间。可以将机械加压送风系统安排在无自然排烟条件的电梯前室、防烟楼梯间、避难间等位置。当火情发生后，需要对未发生灾情的区域人员进行疏散，并对安全疏散通道采取机械加压送风措施，确保疏散通道空气压力大于所在地区，避免烟气进入，有效控制火灾的进一步蔓延。

2.2.4竖井使用

高层建筑防排烟设计中，可以采用竖井将产生的烟气排出，合理使用烟囱效应。在竖井设计上，考虑到竖井占地面积相对较大，会影响建筑物内部可以使用的范围，因此竖井多应用在条件允许的高层民用建筑上。

2.2.5强化民用建筑消防知识宣传

为降低火灾对建筑安全产生的影响，强化民用建筑相关消防知识宣传，不断提高民众消防意识，让民众可以在日常生活中关注防火事宜，一定程度上降低高层建筑火灾发生率。针对高层建筑民众适当加强防烟知识宣传，在居民公共活动区域粘贴展板、电梯间粘贴防火、避难疏散等相关宣传图，并在条件允许情况下，开展火灾疏散演习，提升民众防火意识^[3]。另外，相关高层建筑管理人员在日常工作开展中需要定期对建筑内消防灭活设施进行检查与维护，确保其可以正常使用。

2.2.6排烟风机使用

高层民用建筑设计中，还可以使用排烟风机，当灾情出现时可以迅速将烟气排出。该种方式基本原理为，使用机械动力强制将室内的烟气排出。有研究表明，设计优良的机械排烟系统可以在火灾发生时，将大部分热量排出，避免火灾温度持续升高^[4]。在排烟机位置选择上，结合高层建筑结构特点，适当安排，并合理划分防烟分区，确保排烟效果。同时在使用排烟机同时，可以适当增加挡烟隔墙、挡烟垂壁的使用，在灾情发生后，避免烟气持续蔓延。

3.高层民用建筑防排烟系统设计——以广东省高州市某商场综合楼建筑项目为例

3.1建筑概况

该建筑项目项目总建筑面积为347363.54平方米，其中地下建筑面积为106848.78平方米，地上建筑面积为240514.76平方米，建筑层数为地下2层，地上最高为30层，本项目由3栋高层建筑和6栋高层住宅组成，1号楼30层（超高层综合楼）主要功能为酒店、办公、娱乐配套、避难区；2号楼5层（商业裙楼）主要功能为商业及餐饮，影院，物业管理用房；3号楼为商务公寓，5~10号楼首层为商铺零售、二层及以上为住宅；地下室主要功能为平时汽车库、设备用房、商业用房及超市、酒店配套用房，战时人防。防排烟系统设计中依据GB52151-2017（《建筑防烟排烟系统技术标准》）、GB50736-2012（《民用建筑供暖通风及空气调节设计规范》）、GB50067-97（《汽车库、修车库、停车库设计防火规范》）、GB50016-2014（《建筑设计防火规范》）等相关国家标准、行业标准等。

3.2高层民用建筑及周围环境因素分析

建筑所用外墙K=1.27W/（m2.K）传热系数，K=2.6W/（m2.K）外窗传热系数，K=1.50W/（m2.K）外挑楼板、底面接触室外空气架空传热系数；K=0.70W/（m2.K）屋面的传热系数。该项目位于广东省高州市，1009.3hPa冬季大气压力、995.2hPa夏季大气压力；冬季室外相对湿度74%；室外干球温度，6.0℃冬季空调、14.7℃冬季通风，34.3℃夏季空调，32.0℃夏季通风；2.90m/s冬季室外平均风速、2.50m/s夏季室外平均风速，27.6℃夏季空调室外湿球温度。

3.3防排烟系统设计

3.3.1防烟系统设计

考虑到该高层民用建筑的周边环境因素及建筑实际功用情况，防烟系统采用机械防烟系统设计，并根据不同区域采用适当防烟设计。（1）设置避难层，选择9层、18层，避难层设计加压送风系统 30m³/h净面积每平方米送风量，采用百叶送风口，当灾情出现时，打开正压送风机进行加压送风；（2）防烟楼梯间。设每隔1层设置防烟楼梯间自垂百叶风口，设置正压送风系统，当灾情出现时，消防控制中心可开启加压送风机，为贴合实际使用与消防管控需求，设置加压送风机手动开启与自动开启两种模式，实现对楼梯间的加压送风^[5]；（3）防烟楼梯间、消防电梯前室、消防电梯合用前室采用正压送风系统，采用多叶送风口设计，当灾情出现是，可以通过手动或者电动开启下层、上层、当层多叶送风口，将连锁加压送风机连接合用前室或前室，实现加压送风；（4）消防电梯及防烟楼梯间合用前室、防烟楼梯间设置正压送风系统，火灾发生时，可以手动或者电动将加压送风机开启，实现加送风。排烟、通风及风管穿越不同防火分区，均使用9mm 克火板、3mm 厚钢板制作的排风管等，达到防火时限3小时。考虑到该建筑的特点，在防烟系统设计中，充分考量送风系统、排风系统、空调系统穿越机房风道情况，设置自动关闭防火防烟阀，温度设置为70℃，当达到预定温度后，通过电信号或防烟防火阀熔断关闭防火阀。另外，排烟系统、排风兼排烟风道穿越防火分区处设置关闭的防烟防火阀，温度设置为 280℃，当达到预定温度后，通过电信号或防烟防火阀熔断关闭。

3.3.2排烟系统设计

考虑该高层民用建筑功用特点，从不同功用区入手，分别采用不同的排烟设计：（1）面积50m²及以上，并在经常有人员停留或者存在较多可燃物的房间，设置机械排烟系统。（2）地下车库。该区域使用机械排烟兼排风系统，设置排烟次数、排风换气为6次/h，使用低噪声排烟风机，平时将室内浊气、汽车尾气排出，当灾情发生时便于排出烟气。同时增加补风设计，通过送风机实现，平时送风、补风换气次数为5次/h^[6]。（3）筑面积200m²及以上，或者单个房间面积在50m²及以上，可燃物较多的半地下室、经常有人员停留区域，使用机械排烟系统。（4）净空高度超过12m或不具备自然排烟条件的中庭，设置机械排风兼排烟系统，日常使用其排风功能，当灾情发生时采用其将烟气排出。（5）地下室设备用房等。考虑到地下室的特殊性，针对地下室设备用房采用机械排烟兼排风系统，排风换气次数设计为 4～12次/h。（6）长度20m以上无自然通风条件内走廊，或者长度60m以上内走廊，设置机械排烟系统。

结束语

综上所述，民用建筑防排烟设计要点在于对建筑工程具体情况进行分析，全面综合考量烟囱效应、通风及空调系统、烟气膨胀、室外风力等因素。在实际民用建筑防排烟设计中，结合工程项目具体情况，适当使用结合建筑结构自然排烟、对烟气产生量进行控制、机械加压送风系统设计、竖井使用、强化民用建筑消防知识宣传、排烟风机使用等差防排烟系统设计措施，全面提升高层民用建筑防排烟质量。

参考文献

[1]陈捷,刘国成. 民用建筑典型场所机械排烟口分布因素分析[J]. 建筑节能,2020,48(2):130-133,162.

[2]罗刚. 民用建筑暖通空调设计中防火、防爆措施的分析与总结[J]. 暖通空调,2019,49(6):74-78.

[3]寿炜炜,任家龙. GB 51251-2017《建筑防烟排烟系统技术标准》编制要点简介[J]. 暖通空调,2019,49(5):34-39.

[4]骆伟. 探析高层民用建筑防排烟设计存在的问题与对策[J]. 建筑工程技术与设计,2016(17):502.

[5]杨铭伟. 民用建筑消防防排烟设施验收中的常见问题及对策[J]. 城市建筑,2019,16(15):193-194.

[6]景海东. 新型节能技术及材料在民用建筑暖通设计中的应用[J]. 中国建筑装饰装修,2021(9):42-43.