中庭煙氣控制性能化設(shè)計

1、中國最大的管理資料庫下載中庭煙氣控制性能化設(shè)計重慶大學 江芝芬 康待民摘 要 闡述了“處方式”建筑防火設(shè)計和性能化建筑防火設(shè)計，介紹國外中庭煙氣控制性能化設(shè)計方法，在此基礎(chǔ)上探討我國建立中庭煙氣控制系統(tǒng)性能化設(shè)計的規(guī)范和設(shè)計指南，提出我國實現(xiàn)中庭性能化設(shè)計有待進一步研究和探討的問題。關(guān)鍵詞 性能化設(shè)計 煙氣控制 中庭0 引言由于火災(zāi)科學和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，使人們能夠?qū)μ囟ńㄖ锏幕馂?zāi)過程進行模擬和分析，運用消防工程學的原理與方法進行建筑防火設(shè)計。由此產(chǎn)生了一種新的設(shè)計方法“以性能為基礎(chǔ)的設(shè)計方法”，性能化建筑防火設(shè)計是國際建筑防火領(lǐng)域最前沿、最先進的技術(shù)。中庭是以大型的建筑內(nèi)部空間作為核心

2、，綜合多種功能，為人們提供的一種便利、舒適、自然美妙的共享空間。由于中庭空間大、功能多、復(fù)雜化且人流量大，造成它的火災(zāi)隱患大、人員疏散困難。中庭屬“大空間結(jié)構(gòu)”，其內(nèi)部不宜進行防煙、防火分隔，這是對傳統(tǒng)煙氣 控制措施的挑戰(zhàn)。目前，已經(jīng)有許多學術(shù)論文指出我國現(xiàn)行的高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范(gb50045-95)中關(guān)于中庭的煙氣控制系統(tǒng)設(shè)計的粗糙、不合理性。我國目前尚沒有一套較完善、科學的法規(guī)來管理中庭煙氣控制系統(tǒng)的設(shè)計。本論文在引入性能化建筑防火設(shè)計的基礎(chǔ)上，綜述國外中庭煙氣控制系統(tǒng)設(shè)計方法，根據(jù)中庭的“大空間結(jié)構(gòu)”特點，探討如何實現(xiàn)我國中庭煙氣控制系統(tǒng)性能化設(shè)計。1 “處方式”建筑防火設(shè)計與性

3、能化建筑防火設(shè)計 11 “處方式”建筑防火設(shè)計“處方式”建筑防火設(shè)計是設(shè)計人員按照傳統(tǒng)規(guī)范條文所規(guī)定的設(shè)計參數(shù)和指標，結(jié)合設(shè)計者本人的實踐經(jīng)驗，從而制定出符合規(guī)范要求的防火設(shè)計方案。傳統(tǒng)的防火設(shè)計規(guī)范對各類工程的防火設(shè)計參數(shù)和指標都作了逐一對應(yīng)的規(guī)定，設(shè)計者可以“對方抓藥”似的選定，一 旦設(shè)計中遇到“超越”規(guī)范的難題，往往只能召開“專家會診”會，憑借多數(shù)專家的經(jīng)驗來解決設(shè)計中的困難?！疤幏绞健狈阑鹨?guī)范的弊病在于：對設(shè)計參數(shù)指標的規(guī)定過于具體，限制了設(shè)計的靈活性，面對功能、結(jié)構(gòu)、裝飾日益復(fù)雜的建筑物，無法據(jù)此“因物制宜”設(shè)計出科學的、合理的、經(jīng)濟的消防安全系統(tǒng)方案，同時限制了消防方法的創(chuàng)新與發(fā)展

4、。12 性能化建筑防火設(shè)計從二十世紀八十年代開始，國外提出了“以性能為基礎(chǔ)的防火設(shè)計fire/life safety p erformancebased system design”新概念，并開始對傳統(tǒng)沿用的“處方式”的建筑防火設(shè)計法規(guī)體系進行改革，提出制定“以性能為基礎(chǔ)的防火規(guī)范”的新思路。性能化防火規(guī)范 只對建筑物要達到的消防安全目標、性能要求和設(shè)計時所需遵循的原則、方法等進行規(guī)定。 性能化設(shè)計的步驟一般包括：根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)、用途和內(nèi)部可燃物等方面的具體情況確立消防安全目標和可量化的性能要求；分析建筑物內(nèi)部可燃物、人員等情況，確定性能指標和設(shè)計指標；建立火災(zāi)場景和設(shè)計火災(zāi)；選擇分析計算的

5、方法；對設(shè)計初步方案進行安全評估 、確定設(shè)計方案并編寫設(shè)計報告。2 國外中庭煙氣控制性能化設(shè)計21 發(fā)展概況中庭煙氣控制作為大空間建筑消防安全系統(tǒng)設(shè)計的一個重要方面，細化研究中庭煙氣控制的性能化設(shè)計是構(gòu)成消防安全系統(tǒng)性能化設(shè)計的基礎(chǔ)。美國在二十世紀九十年代初實施消防安全系統(tǒng)性能化設(shè)計的理論，對于中庭煙氣控制系統(tǒng)設(shè)計已摒棄八十年代的體積換氣次數(shù)法。 1991年美國消防協(xié)會“商業(yè)街、中庭及大空間煙氣控制系統(tǒng)設(shè)計指南nfpa 92b”規(guī)范的制定 ，設(shè)計者開始采用預(yù)測中庭煙層界面的方法進行中庭煙氣控制的性能化設(shè)計，這樣克服了體積換氣次數(shù)法的不合理：對大空間，計算的排煙量過大，不經(jīng)濟；而對于中小體積空間

6、其值則偏小，達不到安全煙氣控制預(yù)期目的。美國國家建筑管理規(guī)范(boca)從1993年boca 1993a、boca 1993b到1996年boca 規(guī)范修訂，逐步采納和實現(xiàn)中庭煙氣控制的性能化設(shè)計。美國建筑統(tǒng)一指導(dǎo)規(guī)范(ubcicbo)在1994年修訂時，也全面采納了性能化設(shè)計的方法。nfpa 92b分別在1995年、1997年和2000年進行了修訂，使中庭煙氣控制性能化設(shè)計逐步完善。以下簡要介紹nfpa 92b規(guī)范中煙氣 控制性能化設(shè)計步驟。22 性能化設(shè)計步驟一、確定火災(zāi)強度q(kw)有兩種火災(zāi)模型：穩(wěn)定火災(zāi)和非穩(wěn)定火災(zāi)可供選擇。1穩(wěn)定火災(zāi)放熱量為常數(shù)的火災(zāi)定義為穩(wěn)定火災(zāi)。規(guī)范中給出了每單

7、位著火面積的放熱量：對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。一般假定著火面積為9.3 m2，同時考慮中庭實際火災(zāi)隱患和過渡燃料情況，著火面積適當取大，最大可取為50 m2。中國最大的管理資料庫下載2非穩(wěn)定火災(zāi)防火工程師常用t2型火災(zāi)來近似非穩(wěn)態(tài)火災(zāi)，其火災(zāi)強度可采用計算式：qat2(kw) 。a為增長系數(shù)(kw/s2)，視火災(zāi)增長的速度可選：慢速0.002931、中速0.01127、快速0.04689、極快0.1878；t為燃料燃燒時間(s)。在缺乏放熱量設(shè)計資料的情況下，可假定 為穩(wěn)態(tài)火災(zāi)，這樣使設(shè)計的系統(tǒng)更加可靠。二、中庭煙層界面的預(yù)測可用下面的三種

8、計算方法(nfpa 92b)來預(yù)測中庭煙層界面(見圖1)下降的高度：圖1式中：z煙層界面距地面的高度(m)；h中庭頂棚距地面的高度(m)；a中庭水平橫截面積(m2)；q火災(zāi)穩(wěn)定放熱量(kw)；t煙層界面下降到z處所需的時間(s)；用法：給定疏散時間，計算煙層界面是否下降到安全高度。nfpa 92b規(guī)范中疏散時間定為20分鐘，安全高度跟據(jù)中庭建筑的形式而定，其值為中庭底層的最高出口高度加上1.8米。式中：各參數(shù)意義同前；用法：計算任何時間的煙層界面的位置。 用法：取一時間步長t，用反復(fù)計算法來預(yù)測不同時間煙層界面的位置，同時也用于計算產(chǎn)煙量。它不如以上兩種方法直接。例如，疏散時間定為20分鐘，從

9、火災(zāi)發(fā)生開始至疏散結(jié) 束，取t10，從1，11，21到1201秒，煙氣層變化情況的計算步驟為：以中庭頂棚高度h為煙氣層界面初始高度，即zh代入方法三mp1計算式，計算出初始時的煙氣質(zhì)量流量mp1。計算初始時煙氣體積流量v：vmp1/s(m3/s)；s為煙氣密度(kg/m3)。計算1秒后的產(chǎn)煙量，第1秒所增加的煙氣層厚度(假定煙層厚度均勻)：dzv/a(m)，a是 中庭的橫截面積(m2)，再以zh-dz代入式，方法三mp1計算式計算出產(chǎn)煙量。計算11秒后的煙層界面，第11秒后的煙氣體積流量：v10mp1/s(m3)，(當 時間步長t取很小時，可視在這時間步長內(nèi)煙層厚度隨時間呈線形變化)。煙氣層厚

10、度：dz v/a(m)；煙氣層界面高度：zh-dz(m)，如此類推，計算出211201秒的煙層界面高度z。三、煙氣控制系統(tǒng)的選擇根據(jù)中庭煙層界面的預(yù)測初步確定：如果煙層界面下降到安全高度的時間大于安全疏散時間，則采用煙氣填充自然排煙系統(tǒng)，否則，采用機械排煙系統(tǒng)，以一定煙氣量排出生成的煙氣。是否選擇自然排煙還要考慮當?shù)氐氖彝庠O(shè)計溫度、風的條件和建筑形式(如：有無儲煙器 、自然排煙口的面積、高度等)。由于火災(zāi)時會發(fā)生斷電，且自然排煙經(jīng)濟，在澳大利亞和英國常采用，而在美國大多采用機械排煙。選擇機械排煙系統(tǒng)時還要進行以下設(shè)計計算。1產(chǎn)煙量的確定在中庭地面發(fā)生火災(zāi)時，用方法三：mp10.071q1/3c

11、z5/3+0.0018qc計算。機械排煙的目的是把煙氣底層控制在一定的安全高度z處，以防危及人員安全，同時要防止煙氣直沖頂棚(即頂棚噴射)而損壞頂棚結(jié)構(gòu)，由此z的選擇應(yīng)保證煙氣層的厚度不小于中庭高度h的十分之一。在與中庭相通的主體建筑發(fā)生火災(zāi)時，挑臺產(chǎn)煙量(見圖2)按下式計算：圖2式中：mb挑臺產(chǎn)煙量(kg/s)；w煙氣繞流過挑臺的寬度(m)；zb挑臺以上的煙層界面的高度(m)；y火焰至挑臺的垂直高度(m)。在與中庭相通的主體建筑發(fā)生火災(zāi)時，窗臺產(chǎn)煙量(見圖3)按下式計算：圖3式中：mw窗臺產(chǎn)煙量(kg/s)；zw窗戶頂部至煙層界面的高度(m)；a等效高度(m)；aw窗戶開口的面積(m2)；h

12、w窗戶開口的高度(m)。2排煙口的位置、型號和數(shù)量的選擇為避免排煙口抽吸周圍空氣(見圖4)，要限制排煙口的最大排煙量；同時，為防止各排煙口抽吸的煙氣流相互干擾，要限制各排煙口最小間距。最大排煙量：式中：mmax各排煙口最大排煙量(kg/s)；ts煙層的絕對溫度(k)(一般取345k)；t0周圍空氣的絕對溫度(k)(一般取294k)；b排煙口位置因子(無量綱)(見圖5)；d排煙口下煙層的厚度(m)(一般為中庭高度h的十分之一)。式中：smin排煙口間的最小間距(m)；ve排煙體積流量(m3/s)。同時考慮前述方法三中煙氣層變化情況計算步驟的第、第步和中庭建筑形式來確定排煙口的位置、數(shù)量和型號等。

13、國外在少數(shù)中庭建筑中采用“中部隔斷”措施：即在中庭的一定高度處設(shè)置隔板，隔板只在火災(zāi)時由消防控制室根據(jù)探測器信號遠程控制。隔板動作，中庭完全被隔斷成上下空間；平時隔板敞開，中庭上下貫通。這種方式較適合于“瘦高型”中庭，它的可行性有待進一步研 究。圖4中國最大的管理資料庫下載圖53煙道布置、阻力計算和排煙風機的選擇根據(jù)中庭建筑形式布置煙道，計算沿程阻力和局部阻力，然后根據(jù)壓頭和排煙量來確定耐火風機的選型。從風機性能曲線圖或性能表中就能確定風機理論排煙量：煙氣質(zhì)量流量me( kg/s)和體積流量veme/s，s取煙氣溫度345k時的密度。3 建立中庭煙氣控制性能化設(shè)計規(guī)范和設(shè)計指南的探討 研究如何

14、從現(xiàn)行的“處方式”中庭煙氣控制設(shè)計方法轉(zhuǎn)化為性能化設(shè)計方法是實現(xiàn)建防火性能化設(shè)計的一個子課題。為幫助設(shè)計人員進行中庭煙氣控制的性能化，研究建立性能化設(shè)計規(guī)范和指南來指導(dǎo)設(shè)計尤為重要。建立規(guī)范和指南的目的：使設(shè)計人員形成一個整體的中庭煙氣控制性能化設(shè)計觀念；了解中庭煙氣控制性能化設(shè)計工具軟件的作用；指導(dǎo)設(shè)計人員完成中庭煙氣控制性能化設(shè)計的全過程；為審核人員提供審核指導(dǎo)等。具體到中庭煙氣控制性能化設(shè)計，可考慮建立性能設(shè)計5級結(jié)構(gòu)規(guī)范和性能設(shè)計指南框圖(見圖6)。中庭煙氣控制性能化設(shè)計規(guī)范的5級結(jié)構(gòu)：中庭煙氣控制要達到的安全目標；中庭煙氣控制量化的性能要求；中庭煙氣控制性能化設(shè)計方法；中庭煙氣控制多

15、種可接受 的解決方案；中庭煙氣控制方案安全評估、確定設(shè)計方案并編寫設(shè)計報告。 中庭煙氣控制性能化設(shè)計指南框圖：4 實現(xiàn)中庭性能化設(shè)計有待進一步研究和探討的問題 41 設(shè)計火災(zāi)場景穩(wěn)態(tài)火災(zāi)是理想化處理設(shè)計火災(zāi)場景的方法，認為火災(zāi)具有恒定的釋熱率(hrr)，設(shè)計中采用此方法，設(shè)計人員計算簡便、直接，但結(jié)果卻較為保守。筆者在設(shè)計院調(diào)研中，設(shè)計人員建議在今后性能化設(shè)計中能加以采納，但由于實際中庭火災(zāi)的復(fù)雜性，失火面積如何選擇?是個較為困難的問題。文獻3提及設(shè)計火災(zāi)荷載密度qfd(mj/m2)的概念：某一建筑內(nèi)平均單位面積 (指地面積)所有可燃材料潛在的熱能總和。在幾項歐洲調(diào)查的基礎(chǔ)上，研究人員推導(dǎo)出了

16、不同用途建筑特征火災(zāi)荷載密度，并已編入cib報告中。dd240已利用報告中的數(shù)值，指定了不同用途建筑的平均火災(zāi)荷載密度。對于設(shè)計而言，英國允許將80%的平均火災(zāi)荷載密度用作 特征火災(zāi)荷載。表1給出了一些典型的火災(zāi)荷載密度值。 表1 火災(zāi)荷載密度使用形式辦公室工業(yè)建筑（不燃結(jié)構(gòu)）集會（娛樂）鞋店和商業(yè)用停車場炎災(zāi)荷載密度（mj/m2）570470750900300火災(zāi)試驗存在其局限性，只能在一定程度上模擬實際建筑物場景，建立縮尺模型加以定性研究。對于實際工程性能化設(shè)計而言，在閱讀大量的參考文獻的基礎(chǔ)上，筆者認為國內(nèi)應(yīng)開展大量的實地調(diào)查統(tǒng)計工作調(diào)查統(tǒng)計出目前國內(nèi)不同建筑類型的不同用途中庭的設(shè)計火災(zāi)

17、載荷 密度，這是個耗時、耗力、耗資的工作，但對今后國內(nèi)采用煙氣控制性能化設(shè)計是極有意義的。同時開展不同用途中庭火災(zāi)發(fā)展規(guī)律的試驗研究，根據(jù)中庭不同的固定火災(zāi)荷載(如門 、窗等)、活動火災(zāi)荷載(可移動的桌子、沙發(fā)等)和臨時火災(zāi)荷載(主要是建筑的使用者臨時帶來并且在此短暫停留的可燃體構(gòu)成)的布置方式和荷載量的大小，研究火災(zāi)的發(fā)展速度和規(guī)律、各種火災(zāi)荷載釋熱率的疊加規(guī)律、總火災(zāi)釋熱率隨時間的變化等。42 量化性能化指標安全疏散高度和安全疏散時間是兩個量化性能化指標。不同的中庭有不同的結(jié)構(gòu)和人流密度，我國應(yīng)展開中庭疏散研究，最后給出此性能化指標的計算式，納入性能化設(shè)計規(guī)范。43 中庭煙層界面的預(yù)測國外

18、在實施中庭性能化設(shè)計的過程中，研究發(fā)現(xiàn)煙層界面的預(yù)測公式還有待進一步的探討。brooks用13個火災(zāi)模型實驗(不同的火災(zāi)強度、中庭載面積和縱橫比(a/h2)1，分別用nfpa 92b的三種方法和les cfd方法進行比較，得出以下結(jié)論：方法一 對于a/h20.9時所預(yù)測的時間比實際煙層界面下降的時間要快的多，而當a/h214 則預(yù)測的時間比實際時間要慢；方法二適用于狹長型的中庭；方法三在中庭a/h210時較準確，但在a/h2很大時預(yù)測又極不準確等。國內(nèi)在大力開展大空間結(jié)構(gòu)煙氣流動規(guī)律的基礎(chǔ)上，最后總結(jié)出預(yù)測計算式，這些計算式將寫在未來的規(guī)范中。5 總結(jié)性能化建筑防火設(shè)計是世界各國防火設(shè)計的必然趨勢，但實現(xiàn)性能化建筑防火設(shè)計是個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，先有大的框架，再落實到消防系統(tǒng)的方方面面：耐火、噴