高层建筑“中庭”排烟体系初探

高层建筑的“中庭”能使建筑的内部空间达到最大范围连接性，并形成整体的内部空间视觉效果以及大面积自然采光，而被建筑界广泛采用。同时，也正是由于中庭的这些特点，给现代建筑消防带来了较大的挑战。例如，中庭的高度（通常在20米以上）会大大降低自动喷水灭火系统的有效性；中庭楼层与楼层间的不完全隔离，无法有效延缓火、烟由着火层向其他楼层的蔓延；中庭的疏散通道最易传导烟雾及火等等。
一、中庭火灾的烟气危害

　　常规火灾造成死亡的原因大都为有毒烟气，通常对火场中烟的定义是：空气中的固体物、液体微粒，物质燃烧时产生的气体与卷吸进的空气的混合物。
　　在建筑排烟的设计中，能见度降低是较为严重的危害，也是必须重点考虑解决的问题之一。尤其是对于居住在着火点附近的人员，当不得不穿过烟区逃生时，浓烟导致的能见度降低会使人迷失方向，从而产生生命危险。如果有足够的能见度使人们得以找到紧急出口，火场中的有毒气体就难以对逃生形成障碍。一般来说，对于熟悉中庭建筑结构并有足够时间逃生的住户，能见到3～5米远的距离即可；对于不熟悉建筑结构的人员，能见距离则不应低于25米。

　　二、中庭排烟体系的目标

　　中庭排烟体系的主要目标有：排烟，为受灾人员提供安全的逃生出口；为消防和救援工作提供足够的能见度；最大限度减少烟气对人体的伤害，保障人身安全。在中庭排烟设计中首要考虑的问题就是如何防止烟气蔓延到整幢建筑并威胁人员的安全疏散。一般而言，排烟设计中都要考虑到限制烟的总量和烟的传播，以保证疏散通道（走廊、楼梯）最基本的空气环境。排烟体系还能有效帮助火场指挥人员调度救援与搜索行动，对火源进行定位和控制。

　　三、中庭排烟的主要途径

　　若干排烟工程措施的综合使用，能减少烟量或改变其传播方向，从而减轻对人员的伤害。这些措施主要包括安装自动喷淋系统、限制使用燃烧体建筑材料及家具、隔离着火区等。
　　排烟体系的运作包括两部分：控制火势（以减少烟量）和排出烟气。
　　通常对于层高较低的楼层，控制火势的最有效办法就是使用自动喷水灭火系统。但对于中庭连接的楼层着火后的形势就不尽如此。火灾发生时，烟气受热后被浮力驱动，上升到顶棚，在上升的过程中不断卷吸周围空气，形成烟羽流。烟羽流撞击顶棚后烟气流动方向发生偏移，并形成一股具有较高温度与速度的顶棚射流。顶棚射流沿着顶棚表面，以烟羽流撞击点为中心作辐射状的径向传播。与低矮楼层情况不同的是，高层建筑中庭着火后，羽流部分的烟气由于要攀升20米以上的高度，当到达中庭顶部时，已受到较大程度的冷却，温度大幅降低。而自动喷淋系统却要等到火势较大、温度较高（65℃以上）时才会被启动。这就意味着在自动喷淋系统工作以前，往往就已经发生大量烟雾聚集、蔓延的现象。而一旦自动喷淋系统被启动，烟气遇到喷出的水滴而加重，会下浮到较低的楼层，导致中庭连接的各个楼层均被烟气污染（见图1）。



图1、中庭内的烟羽流与烟气聚层


图1、中庭内的烟羽流与烟气聚层


　　由于当前缺乏自动喷淋系统对中庭灭火实效的实验数据，对如何配合自动喷淋系统采取最佳排烟设计，至今尚无定论。
　　控制高层建筑中庭火势的另一途径是在低矮楼层安装消防喷头，直接扑灭中庭地面部分的明火。日本大阪某高层建筑就在其二楼安装了两台喷头，呈对角线放置，控制火势及烟量的效果十分明显。
　　对中庭火势的控制能有效减少烟气的发生量，同时，还要注重对已发生的烟气的外排。中庭的排烟方法主要是使用机械排烟设备将烟气从排风口或顶棚的通风口排出。机械排烟的优点是排烟量大、受自然风影响极小。机械排烟能减缓中庭内烟层的下蔓速度，并将烟层控制在一定的高度。应注意的是，机械排烟使用的风机送风量应由计算确定，当计算值和《高层民用建筑设计防火规范》规定的值不一致时，应按两者中较大值确定，防止因风机功率不足而造成排烟困难。机械排烟装置的启动可由人工操作或通过火灾自动报警系统联动启动。
　　另外还有一些被动的排烟方式，主要是隔离着火区和烟区，例如，利用障碍物将疏散通道与着火的中庭隔断，防止烟、火蔓延及对人员的伤害。

　　四、中庭建筑内部排烟设计的要求

　　对采用中庭建筑形式的高层建筑的排烟体系一般有以下要求：
　　———施工材料。建筑的主体结构需采用不燃烧体材料(经批准的特殊建筑除外)；
　　———建筑内需安装自动喷水灭火系统；
　　———设立防烟前室。高层建筑内设有上下层相连通的走廊、敞开楼梯、自动扶梯、传送带等开口部位时，每层的出口处均需设有防烟前室。如果电梯井与各楼层贯通，则要求在每一层的电梯出口处设立防烟前室；
　　———设立楼道安全区。各楼层通往楼梯间的外围应隔离出一定区域作为楼道安全区，该区域是各楼层疏散人员时的交通高峰处。应设计为无需经过楼层叠加区即可到达，且应设立隔离门廊与楼层叠加区隔离；
　　———设置挡烟垂壁。应在各楼层紧邻出口处的吊顶下设置挡烟垂壁，以保证烟气在各楼层顶棚的聚集量，使得烟感能迅速发挥所用。挡烟垂壁的长度一般不低于0.5m（从顶棚到壁尾）；
　　———机械排烟设施。由于中庭自然排烟效果较差，故应设置机械排烟设施。中庭体积小于17000m3时，其排烟量按其体积的6次/h换气计算；中庭体积大于17000m3时，其排烟量按其体积的4次/h换气计算；但最小排烟量不应小于102000m3/h。机械排烟设施一般设计为控制中心起动、手动和自动开启三种装置；
　　———燃烧材料使用量的限额。我国对高层建筑中庭连接的各楼层内燃烧材料的使用量并无限制，仅对建筑内存放可燃物的平均重量超过200kg/m2的房间的柱、梁、楼板和墙的耐火极限作了明确规定。参考国外标准（北美），当层高达到8m时，每立方米空间内的燃烧物不得多于16克（含家具及生活设施）。
　　上述排烟管理措施的主要原理是通过安装自动喷淋系统（控制火势）和使用不燃烧材料（如金属、砖石、石膏板等）来减少烟气发生量，通过机械排烟设施，减少烟气的积聚量，最终目的都是为了保护人员安全。

　　五、中庭建筑形势的变革及相应的排烟问题

　　早期的中庭本身并不起任何具体作用，仅仅是个“空管式”的流通空间。这类中庭的防火措施主要是大量使用防火材料，确保中庭外墙（或玻璃）的阻燃性能。之后中庭的构造又逐渐发展为闭合式，但实际经验表明，闭合式中庭火灾中烟气对死亡的威胁远比火本身要高。因此，可采用釉光的非防火材料墙面，因为釉光的非防火材料只要保持表面光洁，就能很好地防止烟气吸聚。
　　无论是“空管式”还是“闭合式”的中庭，在建筑风格和实际功能上都有较大的局限性。现代新兴的中庭建筑，内部结构呈部分甚至全部向中庭开放状，以最大限度的利用内部空间，并达到较美观的设计效果。
　　但中庭的这一变革也引发出两大消防安全隐患：
　　1.楼层部分对中庭的开放空间越大，中庭着火后烟气传播到这些开放楼层的可能性也就越大。且由于中庭贯穿多楼层，使中庭本身或其所贯通的任一楼层起火产生的有毒烟气通过中庭作媒介进入非起火楼层，使非起火层中的人员在未见明火的情况下短时间就丧失逃生能力（火灾研究表明，当空气中含有CO大于0.5％就会使人丧失逃生能力，当CO浓度超过1％就会使人在几分钟内死亡）。因此，开放式中庭在图纸设计时，就应把排烟问题考虑在内，合理地进行规划，并配备足够的消防设施。
　　2.中庭进行开放式改造以实现功能（装饰、通道等）的改变，其使用的燃烧材料的种类及数量基本上也会相应改变。由此可能导致单位空间内的易燃物过量，一旦着火，烟气量也将大大超出预计规模。因而，中庭改造时，必须根据实际情况调整相应的灭火排烟管理。


　　总之，针对中庭的特点，应抓紧开发数字模拟排烟系统，将各类参数（中庭高度、无烟区高度、中庭灌烟时间、烟气温度、单位时间产烟量、单位时间排烟量等）综合评估，建立一套能适应不同中庭建筑形势的排烟模拟体系，以科学的量化模型来检查各类建筑是否合乎规范要求、是否安全可靠。