步行街建筑自然排煙的研究

張 鑫

(華東建筑設計研究院有限公司，上海 200041)

在建設工程設計中，步行街設計是城市建設的一部分?！督ㄖO計防火規范》(GB 50016—2014，2018年版)第5.3.6條，規定了步行街采用自然排煙的相關設計要求。當步行街采用自然排煙時，室內最大允許凈高需依據《建筑防煙排煙系統技術標準》(GB 51251—2017，以下簡稱《防排煙標準》)給出的排煙系統設計相關公式進行計算。這些公式復雜、計算繁瑣、理論性強，在實際應用中有一定難度。因此，筆者根據《防排煙標準》中關于自然排煙對儲煙倉煙層與周圍空氣溫度差的規定，導出步行街采用自然排煙時室內最大允許凈高的算式和計算表，供相關從業人員在建筑設計中參考。

1 步行街自然排煙原理

眾所周知，當建筑室內發生火災時，火災產生的大量熱煙氣較周圍環境空氣溫度高。單位體積內熱煙氣較環境空氣(常溫下空氣)密度低，同體積的熱煙氣較常溫下空氣輕，熱煙氣會產生向上的浮力。熱煙氣在上升過程中會逐漸冷卻，其密度逐漸與常溫空氣接近，向上浮力也逐漸減小。當熱煙氣上升到一定高度后，原有的浮力將會消失，熱煙氣不再上升。如果建筑外墻上開口高度低于這個高度，熱煙氣會從開口自然排出，否則，熱煙氣將不能從外墻上開口自然排出?！斗琅艧煒藴省返?.6.8條規定：自然排煙窗口高度處的煙層與周圍空氣的溫差不應小于15 ℃。也就是說，為滿足自然排煙，應該控制熱煙氣上升的高度，即當熱煙氣上升到室內最高處，煙層與周圍空氣的溫差不小于15 ℃時，煙氣才能從室內空間上部開口(天窗或高側窗)自然排出。因此，步行街若要滿足自然排煙條件，則必須控制室內凈高度，使室內上部煙層與周圍空氣的溫度差滿足規范規定。

2 步行街形式及火災煙羽流

2.1 步行街的形式

步行街的剖面形式多種多樣，為便于研究問題，將大量民用建筑工程中的步行街基本形式歸納為如下幾種：(1)步行街兩側有挑廊，如圖1(a)所示；(2)步行街兩側無挑廊，而是設有普通窗，如圖1(b)所示；(3)步行街一側有挑廊，另外一側設有普通窗，如圖1(c)所示。

2.2 室內火災煙羽流

火災發生時室內會有大量的熱煙氣卷吸其周圍空氣形成混合煙氣流上升、流動、擴散，煙羽流大致可分為三種：(1)軸對稱型煙羽流，即燃燒火源位于某室內中點，煙氣大約像倒圓錐型，呈軸對稱形式，如圖2(a)所示；(2)陽臺溢出型煙羽流，如圖2(b)所示；(3)窗口型煙羽流，如圖2(c)所示。

①商店；②步行街或中庭

圖2 煙羽流示意圖

在火災情況下，若要保證步行街內最高樓層不受煙氣影響，使步行街內煙氣能從上部開口(天窗或側高窗)自然排出，應滿足《防排煙標準》第4.6.8條的要求：儲煙倉的煙層與周圍空氣溫差不小于15 ℃。由《防排煙標準》第4.6.11條和第4.6.12條給出的計算公式，可計算不同煙羽流情形下煙層底部至室內地坪的高度。步行街上部的排煙窗(側高窗)口洞頂標高，低于各種煙羽流情形下煙層底部標高，步行街屋蓋平頂底至煙層底部(近似水平面)之間的儲煙倉內熱煙氣就能從兩側或頂部的排煙窗自然排出?；馂臅r煙氣溫度與其向上升起的距離成反比，在步行街底層較二層以上樓層發生火災時熱煙氣上升的距離要長得多。也就是說，當底層火災的煙氣上升到建筑內某一高度(水平面)的熱煙氣與周圍空氣的溫差不小于15 ℃時，二層及以上樓層發生火災時，上升到這一水平面的熱煙氣與周圍空氣的溫差定會大于15 ℃。因此，只要步行街上部開口能夠滿足底層火災自然排煙，其他樓層火災也能滿足。

3 最小清晰高度與煙層溫度

建筑室內發生火災，熱煙氣在室內不斷上升，當遇到建筑平頂樓板時，熱煙氣將不斷充滿室內上部空間(儲煙倉)，室內清晰度的高度不斷下降。如果此時上部煙氣不能(自然或機械)排出，清晰度高度將越來越低，室內很快被煙氣充滿。此時不但影響室內人員疏散，而且會導致人員因吸入大量的有毒氣體窒息死亡。確?；馂臅r室內最小清晰度的高度，對消防安全疏散十分重要。為使步行街室內煙氣能從上部開口(天窗或高側窗)自然排出，確保最小清晰高度不低于步行街上部側向排煙窗的洞底標高，必須計算儲煙倉的底部煙層溫度。只有儲煙倉的底部煙層與周圍空氣的溫差不小于15 ℃時，才能滿足步行街的自然排煙。因此，設定儲煙倉的底部煙層與周圍空氣的溫差等于15 ℃，計算出各種煙羽流情形下底層(燃料面)到煙層底部的高度，求出步行街滿足自然排煙的最大允許凈高。

計算步行街室內火災煙層最小清晰高度涉及到熱釋放速率的取值，《防排煙標準》第4.6.7條給出了各類功能建筑室內火災達到穩態時的熱釋放速率值。設步行街建筑類別為商店，兩側商店的層高一般為3.5～4.5 m，步行街室內凈高一般均大于8 m。為研究步行街室內火災煙層最小清晰高度，按《防排煙標準》規定，取熱釋放速率為10 MW。

4 步行街室內凈高計算

根據《防排煙標準》第4.6.11、第4.6.12條規定，設△T=15 ℃，分別推導軸對稱型、陽臺溢出型、窗口型煙羽流的計算公式，并列出常規情況下步行街自然排煙時室內最大允許凈高的計算表。

4.1 軸對稱型煙羽流室內凈高計算

步行街軸對稱型煙羽流如圖3所示。儲煙倉高度h=H0-Z，在實際工程中h>0，為便于公式的推導，設h=0。室內地坪至屋面平頂底面的高度H0=Z，Z1為火焰極限高度。

軸對稱型煙羽流形式室內凈高計算公式推導如下：

設Z>Z1，計算僅考慮火焰極限高度Z1小于燃料面到煙層底部的高度Z。

①商店；②步行街；③火源

式中，Qc為熱釋放速率的對流部分，一般取值為Qc=0.7Q，kW；Z為燃料面到煙層底部的高度，m；Mρ為煙羽流質量流量，kg·s-1；△T為煙層平均溫度與環境溫度的差，按《防排煙標準》第4.6.8條規定，取△T=15 K；K為煙氣中對流放熱量因子，無量綱量，當自然排煙時，取K=0.5；Cρ為空氣的定壓比熱，一般取1.01 kJ·kg-1·K-1。

將上述數值代入式(1)和式(2)，可得：

將Mρ代入式(4)化簡后得：

(5)

由式(5)可計算出熱釋放速率為10 MW時步行街凈高，見表1。

表1 軸對稱型煙羽流情形步行街凈高

4.2 陽臺溢出型煙羽流室內凈高計算

步行街陽臺溢出型煙羽流如圖4所示。儲煙倉高度h=H0-Zb-H1，在實際工程中h>0，為便于公式的推導，設h=0。

陽臺溢出型煙羽流形式室內凈高計算公式推導如下：

式中，H1為燃料面至陽臺的高度，m；Zb為陽臺下緣至煙層底部的高度，m；Wb為煙羽流擴散寬度，m；w為火源區域的開口寬度，m；b為從開口至陽臺邊沿的距離，m；其他符號含義如前所述。

將式(6)和式(7)合并得：

(8)

將Qc=0.7Q代入式(2)得：

(9)

將煙層底部視為屋面平頂底面，室內凈高度可表達為：

H0=Zb+H1

(10)

將式(8)與式(10)合并得：

(11)

將△T=15 K、K=0.5、Cρ=1.01 kJ·kg-1·K-1代入式(9)得：

(12)

(13)

將式(11)和式(13)合并得：

(14)

簡化后得：

(15)

設燃料面至陽臺的高度H1=4.20 m，挑廊寬度b=2.00 m；設開口寬度w=1.50 m、2.00 m、2.50 m、3.00 m、3.50 m、4.00 m；取火災熱釋放速率10 MW代入式(15)，計算步行街凈高，見表2。

由表2可見,當H1=4.20 m，b=2.00 m時，室內凈高允許值H0隨著開口寬度值增大而減小，其最小值為12.17 m。

表2 陽臺溢出型煙羽流情形A步行街凈高

設燃料面至陽臺的高度H1=4.20 m，w=2.50 m；挑廊寬度b=1.50 m、1.80 m、2.10 m、2.40 m、2.70 m、3.00 m；取火災熱釋放速率10 MW，計算步行街凈高，見表3。

表3 陽臺溢出型煙羽流情形B步行街凈高

由表3可見，當H1=4.20 m，w=2.50 m時，室內凈高允許值H0隨著挑廊寬度增大而減小，其最小值為12.71 m。

設燃料面至陽臺的高度H1=3.30 m、3.60 m、3.90 m、4.20 m、4.50 m、4.80 m，w=2.50 m，b=2.10 m；取火災熱釋放速率10 MW，計算步行街凈高，見表4。

表4 陽臺溢出型煙羽流情形C步行街凈高

由表4可見，當b=2.10 m，w=2.50 m時，室內凈高允許值H0隨著挑廊凈高增大而增大，其最大值為14.37 m。

4.3 窗口型煙羽流室內凈高計算

步行街窗口型煙羽流如圖5所示。儲煙倉高度h=H0-Zw-Hw-Ha，在實際工程中h>0，為便于公式的推導，設h=0。

①商店；②步行街；③火源

窗口型煙羽流形式室內凈高計算公式推導如下：

式中，Aw為窗口開口的面積，Aw=HwBw，m2；Hw為窗口開口的高度，m；Bw為窗口開口的寬度，m；αw為窗口型煙羽流修正系數，m；Zw為窗口開口的頂部到煙層底部的高度，m；Ha為窗口開口下部窗臺的高度，m。

設儲煙倉高度為h=0，室內凈高度可表達為：

H0=Zw+Hw+Ha

(18)

將Aw=HwBw代入式(17)得：

(19)

(20)

將式(18)與式(20)合并得：

設窗洞高度Hw=2.70 m，窗臺高度Ha=0.60 m，窗洞寬度Bw=1.50 m、2.00 m、2.50 m、3.00 m、3.50 m、4.00 m；取火災熱釋放速率10 MW代入式(21)，計算步行街凈高，見表5。

表5 窗口型煙羽流情形A步行街凈高

由表5可見，當Hw=2.70 m，Ha=0.60 m時，H0隨窗洞寬度增大而減小，其最小值為34.18 m。

設窗洞寬度Bw=2.50 m，窗臺高度Ha=0.60 m，窗洞高度Hw=2.10 m、2.40 m、2.70 m、3.00 m、3.30 m、3.60 m；取火災熱釋放速率10 MW，分別計算出步行街凈高，見表6。

表6 窗口型煙羽流情形B步行街凈高

由表6可見，當Bw=2.50 m，Ha=0.60 m時，H0隨著窗洞高度增大而增大，其最大值為43.88 m。

由式(21)可知，窗臺高度Ha與H0成正比，即當窗臺高度Ha增加，室內凈高允許值H0也隨之增加。

5 步行街室內總凈高的確定

為滿足步行街自然排煙的要求，必須控制步行街的室內凈高。從上述計算可知，步行街室內最大允許凈高與火災達到穩態時的熱釋放速率、煙羽流情形、挑廊寬度、窗洞寬度等有關。據了解我國大部分地區的步行街剖面形式如圖1(a)所示，由上述三種煙羽流情形計算表中數值可見，陽臺溢出型煙羽流計算步行街室內凈高最低。因此，對于設有挑廊的步行街，為滿足自然排煙，其上部兩側排煙窗的洞頂至室內地坪的高度H0可查表2和表3、表4估測或經過簡化公式(15)確定，室內總凈高H可按式(22)計算：

H=H0+h

(22)

式中，h為儲煙倉的高度，m，可根據步行街的寬度及頂棚和屋架形式確定。

6 結論

綜上所述，步行街按《建筑設計防火規范》(GB 50016—2014，2018年版)第5.3.6條規定可采用自然排煙。根據《防排煙標準》第4.6節中有關規定，可按公式(5)(15)(21)(22)計算(或參考上述表中數值求出)不同煙羽流情形下步行街室內總凈高，為確定步行街的建筑高度提供參考。