王方舜

湖北省武漢市公安消防支隊(duì)，湖北 武漢 430100

大空間建筑火災(zāi)煙氣的蔓延及控制研究進(jìn)展

王方舜

湖北省武漢市公安消防支隊(duì)，湖北 武漢 430100

闡述了大空間建筑中火災(zāi)蔓延發(fā)展的特點(diǎn)和煙氣蔓延的規(guī)律，分析了溫度、濕度、熱膨脹、風(fēng)及室內(nèi)消防設(shè)施等因素對(duì)大空間建筑火災(zāi)煙氣的蔓延規(guī)律的影響.比較現(xiàn)有大空間建筑煙氣控制方法，針對(duì)大空間建筑的特殊性和復(fù)雜性，提出在選擇常規(guī)防排煙方法的同時(shí)，應(yīng)著重利用自動(dòng)消防設(shè)施合理地對(duì)煙氣進(jìn)行引導(dǎo)和分割，防止煙氣的蔓延擴(kuò)大；選擇合適的火災(zāi)探測(cè)器，以便快速發(fā)現(xiàn)火災(zāi)煙氣；合理設(shè)置補(bǔ)風(fēng)系數(shù)，保證人員的有效疏散.

大空間建筑；火災(zāi)煙氣；煙氣控制；影響因素

近年來(lái)，全國(guó)各地的大型或高層建筑層出不窮，其中往往包含某種形式的內(nèi)部大空間.關(guān)于大空間建筑國(guó)內(nèi)沒(méi)有明確的定義，也有學(xué)者根據(jù)建筑的高度和體積大小來(lái)界定，然而在實(shí)際研究中并沒(méi)有準(zhǔn)確的區(qū)分.通常，我們把內(nèi)部空間相當(dāng)大，沒(méi)有或者缺少實(shí)體分割所形成的建筑叫做大空間建筑，例如圖書(shū)館、博物館、影劇院、禮堂、候車廳、大型倉(cāng)庫(kù)和車間、高層建筑的中庭等.大空間建筑給人們提供了寬敞、舒適的室內(nèi)環(huán)境，保證了很多室內(nèi)活動(dòng)少受或不受外界的影響，因而受到人們的普遍歡迎，已成為現(xiàn)代建筑的重要設(shè)計(jì)方向之一，正隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和城市化的發(fā)展而發(fā)展.火災(zāi)統(tǒng)計(jì)表明，我國(guó)發(fā)生的多起重特大火災(zāi)，多與大空間建筑物有關(guān)［1］，如2008年深圳龍崗舞王俱樂(lè)部火災(zāi)、2010年吉林市商業(yè)大廈火災(zāi)、2012年天津薊縣萊德商城火災(zāi)、2015年哈爾濱太古街日雜倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)等.與其它建筑火災(zāi)明顯不同的是，由于建筑物內(nèi)部空間大、構(gòu)造復(fù)雜、可燃物堆積多，一旦發(fā)生火災(zāi)，高溫?zé)煔馊菀准校瑢?dǎo)致人員疏散困難、滅火難度加大，極易造成重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失.

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的迅速加快，大空間建筑越來(lái)越普遍.這類建筑不僅在高度和廣度上有了很大的發(fā)展，形式也趨于多樣，功能也更加復(fù)雜，大空間建筑火災(zāi)已成為建筑火災(zāi)的一個(gè)難題.大量的火災(zāi)事故統(tǒng)計(jì)表明，煙氣是阻礙人們逃生和消防員進(jìn)行滅火行動(dòng)、導(dǎo)致人員傷亡的主要原因之一.據(jù)有關(guān)火災(zāi)資料統(tǒng)計(jì)，煙氣中含有二氧化碳、一氧化碳、氟化氫、氯化氫、氨、氰化氫、煤焦油粒子等有毒有害成分，而高溫?zé)煔鈱?duì)大空間建筑內(nèi)的被困人員而言，危害作用更加嚴(yán)重.這是因?yàn)樵谝粋€(gè)很大的空間內(nèi)，煙氣不經(jīng)任何阻擋，很容易蔓延至整個(gè)空間；如果煙氣溫度較高，還有可能引燃其他的可燃物，造成更大的危害.因此，認(rèn)真研究大空間建筑火災(zāi)，探索火災(zāi)煙氣的蔓延規(guī)律，尋求其煙氣控制方法，對(duì)于減少大空間建筑火災(zāi)中人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失具有十分重要的意義，這也是我國(guó)防災(zāi)減災(zāi)的一個(gè)重要方面［2］.

20世紀(jì)50年代，英國(guó)最先開(kāi)始了對(duì)大空間建筑煙氣流動(dòng)規(guī)律和控制技術(shù)的研究，20世紀(jì)60年代以后，隨著世界上高層建筑逐漸增多，國(guó)際上掀起了對(duì)大空間建筑火災(zāi)煙氣流動(dòng)研究的熱潮［3-5］.1964年，日本開(kāi)始利用國(guó)內(nèi)現(xiàn)有建筑開(kāi)展實(shí)體火災(zāi)排煙實(shí)驗(yàn)，2年以后開(kāi)始了煙氣流動(dòng)基礎(chǔ)理論研究.1976年，美國(guó)學(xué)者H.P.Morgan在一個(gè)1∕10的小尺寸兩層商場(chǎng)模型中，進(jìn)行了煙氣釋放速率、光學(xué)濃度及防火卷簾設(shè)置的研究，由此提出了在多層購(gòu)物商場(chǎng)中的煙氣控制方法.20世紀(jì)90年代以后，大空間建筑的火災(zāi)防治研究得到了長(zhǎng)足的發(fā)展.針對(duì)大空間建筑的特殊性和復(fù)雜性，處方式防火設(shè)計(jì)已經(jīng)不能滿足其實(shí)際需要，目前發(fā)達(dá)國(guó)家傾向于采用性能化設(shè)計(jì)規(guī)范代替處方式設(shè)計(jì)規(guī)范.

近些年我國(guó)對(duì)大空間建筑防排煙特點(diǎn)做了深入仔細(xì)研究，該類研究為大空間建筑的安全設(shè)計(jì)和人員安全疏散提供了理論依據(jù).其中，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)與香港理工大學(xué)關(guān)于大空間建筑火災(zāi)防治的研究在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先地位.他們合作建設(shè)了一座大空間建筑火災(zāi)實(shí)驗(yàn)廳，大廳的內(nèi)部尺寸為長(zhǎng)22.4 m、寬12.0 m、高27.0 m，屋頂設(shè)有8個(gè)1.2 m×1.2 m的正方形排煙口.為更好地研究機(jī)械排煙，其中的4個(gè)排煙口被安裝了H T P-ê-11型大功率的高溫排煙風(fēng)機(jī)［6］，如圖1所示.

圖1 大空間實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of large space experiment

該實(shí)驗(yàn)以油池火做為火源，以沙發(fā)做為可燃物，模擬大空間建筑火災(zāi).以油池火做為火源容易進(jìn)行處理，這種火源的初期增長(zhǎng)階段很短，容易達(dá)到穩(wěn)定燃燒，可以視為在整個(gè)過(guò)程中熱釋放速率不變，因此這種火源又被叫做定火源［7］.在該實(shí)驗(yàn)條件下，通過(guò)分析對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果，歸納了熱釋放速率與煙氣運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間的關(guān)系.但是在實(shí)際大空間建筑火災(zāi)中，絕大部分燃燒物質(zhì)是固體可燃物，其熱釋放速率和煙氣生成速率比定火源要復(fù)雜得多，與試驗(yàn)結(jié)果有一定偏差.研究人員認(rèn)為，對(duì)于變火源燃燒的情況，可以采用分段近似的方法來(lái)對(duì)煙氣層的下降速率進(jìn)行模擬.因此，該實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)際情況仍具有十分重要的指導(dǎo)意義.

為研究大空間建筑火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律，尋求煙氣控制方法，就必須先弄清大空間建筑火災(zāi)蔓延發(fā)展的特點(diǎn)，因?yàn)闊煔馐前殡S火災(zāi)產(chǎn)生的，火災(zāi)的特點(diǎn)決定了煙氣的特點(diǎn).本文根據(jù)大空間建筑的煙氣特性，分析其煙氣的蔓延規(guī)律，指出了煙氣對(duì)消防員撲救火災(zāi)和人員疏散造成的困難.同時(shí)，還分析了各種因素對(duì)大空間建筑火災(zāi)煙氣的蔓延規(guī)律的影響，這些影響因素包括溫度、濕度、熱膨脹、風(fēng)及室內(nèi)消防設(shè)施等.在此基礎(chǔ)上，對(duì)比現(xiàn)有的大空間建筑煙氣控制方法，指出其適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn).針對(duì)大空間建筑的特殊性和復(fù)雜性，對(duì)煙氣控制方法給出合理化的建議.

1 大空間建筑火災(zāi)蔓延發(fā)展的特點(diǎn)

1.1大空間建筑的分類

根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，大空間建筑大體可分為以下幾種：

1）高度不是很高，但是平面面積很大的大面積型建筑，如生產(chǎn)車間、大型商場(chǎng)等.該類建筑的占地面積可達(dá)幾千至幾萬(wàn)平方米，建筑高度一般在6 m以下；

2）高度高且占地面積大，大空間四周沒(méi)有樓層的單層建筑，如會(huì)堂、展覽館、劇院、體育館、候車廳和大型倉(cāng)庫(kù)等.其占地面積通常有幾百平方米至上千平方米，建筑高度為10 m～20 m；

3）共享中庭的高層建筑，該類建筑的大空間就是中庭，其占地面積只有幾十平方米至上百平方米，高度達(dá)幾十米以上.

表1給出了大空間建筑具體用途的分類.

表1 大空間建筑分類Tab.1 Classification of large space buildings

1.2 大空間建筑的火災(zāi)特性

許多大空間建筑為了滿足其需要，多采用鋼骨架和鋼筋混凝土做為主體支撐搭建，也有的僅以磚石構(gòu)建，如教堂、寺廟等.因中間分割物較少甚至沒(méi)有，這些裝飾裝修材料主要分布于屋頂和四周.在建筑中為了延長(zhǎng)材料使用時(shí)間、美化建筑結(jié)構(gòu)以及滿足某些特殊要求，許多建筑內(nèi)都采用了可燃或者易燃的裝飾材料，這極大地增加了建筑的火災(zāi)危險(xiǎn)性.根據(jù)大空間建筑的特點(diǎn)，大空間建筑的火災(zāi)特性歸納如下［8-10］.

1）火災(zāi)隱患多.該類建筑物中許多是多功能建筑物，有的內(nèi)部還貯存了較多的可燃物，故火災(zāi)荷載較大.例如許多綜合樓，既有大型商場(chǎng)又有存放服裝、日用百貨的周轉(zhuǎn)庫(kù)房，還有餐廳、游戲廳、歌舞廳、電影院等，一座大空間建筑可能有幾十個(gè)單位，一家商場(chǎng)可能有近百個(gè)體攤販等.由于該類建筑綜合性較強(qiáng)，不便于統(tǒng)一管理，對(duì)消防安全的重視程度不一，潛在的火災(zāi)隱患多.

2）火勢(shì)蔓延快.許多大空間建筑高度較高，尤其是高層建筑的中庭.如果某一樓層發(fā)生火災(zāi)，高溫?zé)煔饩蜁?huì)隨著各種垂直通道迅速向上蔓延.如建筑高度為100 m，煙氣不到30 s就會(huì)擴(kuò)散到頂層，向水平方向擴(kuò)散，遇到存放的可燃物就會(huì)燃燒，引起新的著火點(diǎn).特別是高層建筑的中庭，由于上下聯(lián)通，很容易形成立體燃燒.另外，隨著高度增加，水平風(fēng)力會(huì)越大，助長(zhǎng)火勢(shì)蔓延.

3）撲救難度大.該類建筑內(nèi)部空間大、氧氣充足、火勢(shì)發(fā)展快、熱輻射強(qiáng)、煙霧濃，給消防人員開(kāi)展滅火戰(zhàn)斗造成了困難.另外，面對(duì)新型建筑，我們?nèi)狈渚却罂臻g建筑物火災(zāi)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，指揮能力欠缺.且滅火面積較大、樓層較高時(shí)，會(huì)出現(xiàn)消防供水量不足、舉高消防車難以達(dá)到高度等問(wèn)題.

4）建筑消防設(shè)施難以啟動(dòng).發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙氣上升至頂棚，被感煙探測(cè)器或感溫探測(cè)器探測(cè)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，啟動(dòng)室內(nèi)消防設(shè)施撲滅初期火災(zāi)，這在普通建筑中是很容易實(shí)現(xiàn)的.但是在大空間建筑中，只有火勢(shì)發(fā)展到一定階段，煙氣濃度和室內(nèi)溫度有顯著上升時(shí)，火災(zāi)探測(cè)器才能開(kāi)始工作.即使啟動(dòng)，火勢(shì)也已到相當(dāng)規(guī)模，延誤了報(bào)警的最有利時(shí)機(jī).同樣，依靠溫度上升而破裂的自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的噴頭，由于短時(shí)間內(nèi)溫度達(dá)不到動(dòng)作溫度，難以啟動(dòng)滅火，而噴頭噴出的水滴從幾十米的高度落下來(lái)，不易到達(dá)燃燒物的表面，從而失去有效控火作用.

5）疏散困難.許多大空間建筑是人員密集場(chǎng)所，由于建筑空間過(guò)大，人們對(duì)建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)不了解，加之室外安全出口的距離遠(yuǎn)，疏散時(shí)間通常較長(zhǎng).另外，由于煙氣很容易充滿整個(gè)空間，影響了被困人員的視線，增大了人員疏散難度.

6）防煙分隔困難.在建筑內(nèi)設(shè)置防煙分隔構(gòu)件可以有效地阻止火災(zāi)煙氣的蔓延，然而，像展覽廳、候車室、劇院、高層建筑中庭很難或者無(wú)法設(shè)置防煙分隔構(gòu)件.雖然人們可以利用防火卷簾、擋煙垂壁等防煙構(gòu)件對(duì)煙氣進(jìn)行阻擋，但許多區(qū)域的防煙分區(qū)面積都超過(guò)了規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn).對(duì)大空間建筑合理劃分防煙分區(qū)，設(shè)置有效的防煙分隔已成為一個(gè)研究的難題.

7）易發(fā)生坍塌的危險(xiǎn).大空間建筑內(nèi)部分割物較少，支撐結(jié)構(gòu)多采用鋼結(jié)構(gòu)或者鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，耐火等級(jí)偏低.鋼材雖為不燃材料，但在高溫下容易發(fā)生塑性變形，強(qiáng)度和剛度大大下降.普通低碳鋼在350℃時(shí)，強(qiáng)度明顯下降；溫度為550℃時(shí)，強(qiáng)度約為常溫的1∕2；溫度為600℃時(shí)，強(qiáng)度約為常溫的1∕3.大空間建筑一旦發(fā)生火災(zāi)，其內(nèi)部溫度遠(yuǎn)超600℃，普通鋼材幾乎完全喪失強(qiáng)度和剛度，即使鋼材表面有防火涂層，在高溫下仍然存在坍塌的危險(xiǎn).

2 大空間建筑火災(zāi)煙氣的蔓延規(guī)律

火災(zāi)煙氣的特性與其火災(zāi)煙氣的蔓延有著緊密的關(guān)聯(lián)，研究大空間建筑火災(zāi)煙氣的蔓延規(guī)律是研究煙氣控制的前提.

2.1火災(zāi)煙氣的特性

材料燃燒過(guò)程中通常會(huì)釋放出一定量的火災(zāi)煙氣，煙氣的生成速度、濃度、成份等因素［11］，決定了材料燃燒過(guò)程中的煙氣特性.為有效減少煙氣的危害，把握火災(zāi)煙氣的特性是十分有必要的.火災(zāi)煙氣的特性主要包括以下4個(gè)方面.

2.1.1 煙氣顆粒大小 材料在燃燒時(shí)通常會(huì)產(chǎn)生煙氣，特別是在陰燃時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的煙氣.煙是懸浮在空氣中的氣體、液體或固體小顆粒.材料的性質(zhì)對(duì)煙氣顆粒大小有著重要的影響［12］.一般來(lái)說(shuō)，含碳量較少的物質(zhì)，如乙醇、丙酮等，發(fā)煙量較少，幾乎不產(chǎn)煙；而像石油、橡膠等含碳量較多的物質(zhì)，燃燒時(shí)發(fā)煙量很大，肉眼就能看到碳黑顆粒.描述煙顆粒尺寸分布的主要特征量是顆粒的平均直徑dgm（μm）和顆粒尺寸分布范圍的寬度d32（μm）.

2.1.2 煙氣濃度 可見(jiàn)光在煙氣中傳播時(shí)，由于煙粒子對(duì)光子的吸收和散射作用，只有部分光線穿過(guò)，火場(chǎng)能見(jiàn)度大大降低，給人員逃生和疏散造成了很大的困難.煙氣的濃度通常有以下3種表示方法：

1）質(zhì)量濃度 μs［13］：?jiǎn)挝惑w積的煙氣中煙粒子的質(zhì)量，即

式（1）中：ms為煙粒子質(zhì)量，g；Vy為煙氣體積，m3.

2）顆粒濃度ns［13］：1 m3的煙氣中含有的煙粒子數(shù)目，即

式（2）中：Ns為空間中的煙粒子總數(shù)；Vy為煙氣體積，m3.

3）光學(xué)濃度：用減光系數(shù)Cs來(lái)表示.如果用I0表示入射光強(qiáng)度（Cd），用I表示透射光強(qiáng)度（Cd），l代表煙氣的長(zhǎng)度，根據(jù)比爾-朗伯定律求出減光系數(shù)［13］：

2.1.3 能見(jiàn)度 能見(jiàn)度是在某一環(huán)境下人員能看到的最大距離，火場(chǎng)中能見(jiàn)度對(duì)人員疏散至關(guān)重要.研究表明，能見(jiàn)度與煙氣的減光系數(shù)成反比［13］，即：

式（4）中：Cs為減光系數(shù)，1∕m；D為能見(jiàn)度，m；K為系數(shù).

這表明減光系數(shù)越大，能見(jiàn)度越低.為保證人員在疏散過(guò)程中能夠看清疏散指示標(biāo)志和安全出口，規(guī)定在疏散過(guò)程中能見(jiàn)距離不得小于某一最小值，這個(gè)最小值稱為疏散極限視距，用Dmin表示.對(duì)于高層旅館、百貨大樓等建筑，規(guī)定疏散極限視距不得低于30 m；對(duì)于人員密集的住宅、生產(chǎn)車間等，疏散極限視距不得低于5 m.

2.1.4 煙氣溫度 火災(zāi)煙氣的溫度與起火點(diǎn)的距離有關(guān)，距離起火點(diǎn)越遠(yuǎn)，煙氣溫度越低.大空間建筑內(nèi)部空間大，如果堆放可燃物較多，發(fā)生火災(zāi)后可燃物受熱分解后導(dǎo)致煙氣大量聚集，當(dāng)可燃?xì)怏w濃度達(dá)到一定值時(shí)，很容易引燃整個(gè)空間內(nèi)的可燃物.為簡(jiǎn)化計(jì)算，通常用標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線來(lái)近似描述某一時(shí)刻房間的平均溫度［13］，即：

式（5）中：tvτ為著火房間 τ時(shí)刻平均溫度，℃；τ為從著火房間門窗玻璃破碎時(shí)起算的時(shí)間，s；t0為著火房間的初始溫度，℃.

高溫?zé)煔獠粌H會(huì)使人心跳加速，產(chǎn)生幻覺(jué)，還會(huì)對(duì)人的毛細(xì)血管和呼吸系統(tǒng)造成不可逆轉(zhuǎn)的危害.實(shí)際火災(zāi)統(tǒng)計(jì)表明，因?yàn)楦邷責(zé)煔舛氯怂劳龅臄?shù)量，超過(guò)了其他因素導(dǎo)致人死亡數(shù)量的總和.

2.2 大空間建筑火災(zāi)煙氣的蔓延規(guī)律

大空間發(fā)生火災(zāi)時(shí)室內(nèi)空間會(huì)產(chǎn)生大量的煙氣，對(duì)煙氣迅速進(jìn)行探測(cè)、報(bào)警和控制是保障消防人員撲滅火災(zāi)、疏散人員的先決條件.掌握煙氣的流動(dòng)規(guī)律則是對(duì)煙氣進(jìn)行控制的前提.大空間建筑由于內(nèi)部空間大、構(gòu)造復(fù)雜，與普通建筑內(nèi)煙氣流動(dòng)規(guī)律有所不同.

普通建筑發(fā)生火災(zāi)后，由于可燃物的燃燒或熱分解會(huì)產(chǎn)生大量的高溫?zé)煔?，煙氣在浮力的作用下向上升騰.一般的普通建筑層高有限，煙氣上升至頂棚處向四周水平擴(kuò)散.在頂棚及兩側(cè)墻壁的冷卻作用下，煙氣溫度逐漸下降，兩側(cè)的煙氣開(kāi)始沿墻壁向下流動(dòng).當(dāng)煙層下降到門窗洞口處時(shí)，將通過(guò)門窗洞口向室外或走道擴(kuò)散.由于煙氣溫度較高，即便窗戶關(guān)閉，窗上的玻璃也會(huì)因?yàn)楦邷囟?，煙氣從破裂處逸出，如圖2所示.與普通建筑不同，大空間建筑煙氣蔓延規(guī)律具有其特殊性.常見(jiàn)的大空間建筑雖然有3類，但就其建筑特征來(lái)說(shuō)，大空間建筑通常有很大的內(nèi)部開(kāi)敞空間，體積大、高度高是其不同于一般建筑的顯著特征.另外，許多大空間建筑屬于人員密集場(chǎng)所，具有功能復(fù)雜、空間分隔較少、可燃物多等特點(diǎn).這類場(chǎng)所一旦發(fā)生火災(zāi)，其燃燒物有充足的氧氣供應(yīng)，火災(zāi)大小受燃料控制.據(jù)此，大空間建筑煙氣蔓延規(guī)律有以下3種情況.

圖2 普通建筑煙氣蔓延規(guī)律（a）煙羽流上升；（b）煙界層形成；（c）煙層界面下降Fig.2 Fire smoke spread of common buildings（a）Rise of plume ；（b）Formation of smoke boundary layer；（c）Interface of smoke layer

2.2.1 可燃物較少或火源較小 若可燃物較少，火源較小，則不會(huì)發(fā)生大的火災(zāi).由于產(chǎn)生的煙氣較少，煙氣溫度不是很高，在煙氣上升的過(guò)程中，周圍冷空氣不斷被卷入，使煙氣的溫度越來(lái)越低，最終接觸不到頂棚，即不會(huì)像普通建筑火災(zāi)煙氣那樣形成頂棚射流.這種情況下煙氣不僅不能從建筑的高窗排出，反而會(huì)向下沉，在下部越集越厚，嚴(yán)重影響火場(chǎng)人員疏散，甚至可能導(dǎo)致人員死亡，如圖3所示.

圖3 較少可燃物情況Fig.3 Less combustible case

2.2.2 可燃物較多或火源較大 若可燃物較多，火源足夠大，煙氣能達(dá)到很高的溫度，煙氣受到的浮力較大，向上做加速運(yùn)動(dòng)；煙氣在上升過(guò)程中會(huì)不斷卷吸周圍的空氣，因此會(huì)出現(xiàn)不斷擴(kuò)張的現(xiàn)象，形成類似倒錐形的煙氣流.熱煙氣與頂棚碰撞后向四周擴(kuò)散，由于流體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的黏性作用，靠近頂棚的薄層煙氣擴(kuò)散速度較低；隨著煙氣向下移動(dòng)，其速度會(huì)不斷增加；但向下移動(dòng)一段距離后，就會(huì)由于浮力的因素使速度趨于零，壁面周圍的煙氣開(kāi)始遠(yuǎn)離壁面運(yùn)動(dòng).此時(shí)，煙氣的流動(dòng)可以概括為浮力射流、頂棚射流和反浮力射流3個(gè)階段，如圖4所示.

圖4 頂棚射流的形成Fig.4 Formation of ceiling jet

2.2.3 熱障現(xiàn)象 夏季，由于陽(yáng)光直射，頂棚溫度較高，頂棚下方會(huì)形成一定厚度的高溫?zé)釟鈱?，俗稱“熱障”.煙氣在上升的過(guò)程中遇到上部的熱氣層，所受的浮力由向上變?yōu)橄蛳拢\(yùn)動(dòng)狀態(tài)也會(huì)由原來(lái)的加速狀態(tài)變?yōu)闇p速狀態(tài)，速度逐漸減?。挥捎跓煔獾木砦饔?，煙氣會(huì)和上部的煙氣層不斷混合，直到兩者溫度相同，此時(shí)存在一個(gè)臨界狀態(tài)，即熱氣層的阻礙作用消失.當(dāng)火勢(shì)進(jìn)一步擴(kuò)大時(shí)，煙氣溫度又會(huì)不斷升高.如圖5所示.

圖5 熱障現(xiàn)象Fig.5 Phenomenon of thermal barrier

2.3 火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律的影響因素

火災(zāi)煙氣的蔓延規(guī)律受多種因素的制約，概括起來(lái)有4種：溫度、濕度、熱膨脹和風(fēng).

2.3.1 溫度對(duì)火災(zāi)蔓延規(guī)律的影響 大空間建筑內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于建筑材料的燃燒會(huì)產(chǎn)生熱煙氣，熱煙氣的密度比室外空氣小，因此會(huì)上浮，產(chǎn)生壓力差.將室外空氣的密度記為 ρw，將室內(nèi)煙氣密度記為 ρn，大空間建筑的高度記為h，那么稱（ρw-ρn）gh為熱壓或浮力.在理想情況下，熱煙氣位于房間上層，新鮮空氣位于下層.在著火房間通?？梢钥吹?，新鮮空氣從下部的開(kāi)口流入，熱煙氣通過(guò)上部開(kāi)口流出.因此，火場(chǎng)溫度高低對(duì)火災(zāi)煙氣蔓延有著至關(guān)重要的影響.如圖2所示，設(shè)想有一大空間建筑發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)初期，室內(nèi)溫度不是很高，分子熱運(yùn)動(dòng)較慢，煙氣在水平方向和豎直方向擴(kuò)散都較慢；火災(zāi)到猛烈燃燒階段，室內(nèi)溫度可高達(dá)1 000℃以上，分子熱運(yùn)動(dòng)劇烈，煙氣在水平方向和豎直方向擴(kuò)散都較快.在高度較高的大空間建筑中，這種現(xiàn)象更加明顯.一個(gè)大空間建筑，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，設(shè)建筑高度為H，內(nèi)部煙氣的溫度為T1、密度為 ρ1，外部溫度為T2，外部空氣的密度為 ρ2，建筑頂部的氣壓為p，底部的壓力為 p2，內(nèi)部煙氣的壓力為 p1，如圖6所示.

圖6 煙囪效應(yīng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of chimney effect

于是冷空氣從建筑下部進(jìn)入，熱煙氣從建筑上部流出，這就是所謂的煙囪效應(yīng).從式（6）還可以看出，建筑內(nèi)外溫度差越大、建筑高度越高，煙囪效應(yīng)越明顯.大空間的高層建筑，特別是高層建筑的中庭，高度往往達(dá)到幾十米甚至上百米，因?yàn)闊焽栊?yīng)，煙氣流動(dòng)的特別快，可達(dá)2 m∕s～4 m∕s，幾十層的大樓不到1 min就會(huì)充滿熱煙氣［14］.

2.3.2 濕度對(duì)火災(zāi)蔓延規(guī)律的影響 濕度主要由天氣情況、消防射水和自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的啟動(dòng)來(lái)控制.濕度不僅影響煙氣的蔓延速度，使煙氣難以迅速地排出去，而且還會(huì)影響可燃物的產(chǎn)煙速率、燃燒產(chǎn)物的性質(zhì)及產(chǎn)煙量.濕度對(duì)煙氣的蔓延速度影響較小，但對(duì)建筑材料的煙氣特性影響顯著.為此，作者進(jìn)行了濕度對(duì)煙密度影響的實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)選取4種常見(jiàn)的裝飾材料進(jìn)行了煙密度實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)選取了尺寸為3 cm×3 cm密度板、實(shí)木板、三合板和刨花板各9塊，分別在干燥狀態(tài)、泡水2 min和泡水5 min后，在JCY-1型建材煙密度測(cè)試儀中進(jìn)行試驗(yàn)，每種材料進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，取3次的平均值作為本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由于三合板和刨花板質(zhì)地松軟，吸水量較大，在前50 s內(nèi)產(chǎn)煙速率很慢，較干燥狀態(tài)比，總產(chǎn)煙量基本不變，但產(chǎn)煙量達(dá)到峰值的時(shí)間延遲了約150 s.密度板和實(shí)木板因?yàn)槲孕。軡穸扔绊戄^小.因此，濕度對(duì)煙氣的產(chǎn)生速率有明顯的延緩作用，這對(duì)火災(zāi)撲救和人員疏散是十分有利的［15］.

2.3.3 熱膨脹對(duì)火災(zāi)蔓延規(guī)律的影響 當(dāng)一個(gè)完全封閉的房間發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于加熱和空氣膨脹，壓力會(huì)不斷升高，尤其是火災(zāi)發(fā)展很迅速時(shí)，壓力差會(huì)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響.如果火災(zāi)大小保持不變，壓力會(huì)呈線性增加，即壓力會(huì)隨著時(shí)間不斷增加.通常大空間建筑都有一定的空氣泄露，例如通過(guò)自然通風(fēng)的形式或門窗漏風(fēng)，原則上大空間建筑內(nèi)的壓力只會(huì)增加十到幾十帕斯卡，而大空間建筑材料是能夠承受這樣的壓力的.因此，熱膨脹導(dǎo)致門窗開(kāi)口破裂、煙氣外泄的可能性很小，但熱膨脹會(huì)在一定程度上加速煙氣向四周擴(kuò)散.

2.3.4 風(fēng)對(duì)火災(zāi)蔓延規(guī)律的影響 風(fēng)的基本參數(shù)是風(fēng)速和風(fēng)向.風(fēng)由于氣壓差而流動(dòng)，從而產(chǎn)生動(dòng)壓.所有建筑或多或少都會(huì)有一定的空氣進(jìn)入，由于大空間建筑內(nèi)部通風(fēng)條件較好，風(fēng)對(duì)建筑內(nèi)的火災(zāi)煙氣的流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生很大的影響.風(fēng)壓與風(fēng)速的平方成正比［13］，即：

如果風(fēng)速?gòu)?1 m∕s增加到 10 m∕s，迎風(fēng)面的風(fēng)壓將從0.4 Pa增加到40 Pa.

大空間建筑屋頂表面通常是在迎風(fēng)面產(chǎn)生正壓，在背風(fēng)面產(chǎn)生負(fù)壓.平屋頂?shù)恼麄€(gè)表面都處在負(fù)壓中.如果風(fēng)向與屋脊平行，三角形屋頂?shù)恼麄€(gè)表面也可以都處于負(fù)壓中.由于屋頂角度而產(chǎn)生的壓力差在某些情況下可以改善火災(zāi)排煙的效果.如果門窗（垂直排風(fēng)口）設(shè)置在背風(fēng)面，而入口設(shè)置在迎風(fēng)面，火災(zāi)煙氣可以通過(guò)門窗或排煙口很好地排出.但是，由于風(fēng)向是不確定的，開(kāi)口位置一旦選定，就很難進(jìn)行改變.因此，大空間建筑利用固定的門窗或排煙口進(jìn)行自然排煙，通常難以達(dá)到理想的效果.

2.4 室內(nèi)消防設(shè)施對(duì)火災(zāi)煙氣蔓延的影響

2.4.1 防煙構(gòu)件對(duì)火災(zāi)煙氣蔓延的影響 為了控制建筑發(fā)生火災(zāi)后煙氣的流動(dòng)，將煙氣控制在一定范圍，方便排煙設(shè)施將煙氣排出，通常用一些構(gòu)件在建筑頂棚劃分防煙分區(qū)，使用在大空間建筑內(nèi)的防煙構(gòu)件主要有擋煙垂壁、擋煙隔墻、防火卷簾等.

擋煙垂壁用不燃材料制作，其設(shè)置應(yīng)當(dāng)符合規(guī)范要求，保證其有效高度.大空間建筑，尤其是大型商場(chǎng)的頂棚、高層建筑的中庭，常常會(huì)設(shè)有擋煙垂壁.當(dāng)室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火災(zāi)煙氣向上聚集，擋煙垂壁能將其控制在一定高度而不向下蔓延.在火災(zāi)初期，擋煙垂壁對(duì)阻止煙氣的蔓延是非常有效的.但隨著火勢(shì)的發(fā)展，煙氣如果不能及時(shí)排除，煙氣層的厚度超過(guò)擋煙垂壁的有效高度時(shí)，煙氣將向四周蔓延；若煙氣的流動(dòng)速度過(guò)大，也會(huì)越過(guò)擋煙垂壁的下端向水平方向蔓延而失去擋煙效果.

擋煙隔墻是用不燃材料砌成，將建筑內(nèi)部劃分成若干個(gè)區(qū)間，將煙氣控制在一定區(qū)域而不向周圍擴(kuò)散.擋煙隔墻在大型倉(cāng)庫(kù)中使用較多.需要注意的是，擋煙隔墻應(yīng)上下貫通，對(duì)保護(hù)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)完全隔離.裝有吊頂?shù)慕ㄖ?，也要將隔墻砌至梁板底?

防火卷簾平時(shí)卷放在門窗洞口上部，火災(zāi)發(fā)生時(shí)可以通過(guò)手動(dòng)或自動(dòng)控制將其放下展開(kāi).防火卷簾不僅可以阻擋火勢(shì)蔓延，對(duì)煙氣的擴(kuò)散也有很好的阻擋作用.有時(shí)會(huì)在防火卷簾上安裝防火冷卻水幕，能起到降溫和稀釋煙氣的作用.

以上3種常見(jiàn)的防煙構(gòu)件對(duì)大空間建筑煙氣的蔓延有很好的阻止作用，如果合理設(shè)置，可以為消防隊(duì)員撲救火災(zāi)和火場(chǎng)人員疏散贏得寶貴的時(shí)間，但它們都是將煙氣控制在一定范圍，并不能將煙氣排放出去.

2.4.2 建筑滅火設(shè)施對(duì)火災(zāi)煙氣蔓延的影響 一般來(lái)說(shuō)，大空間建筑內(nèi)部常常根據(jù)需要設(shè)置不同的建筑滅火設(shè)施，主要有滅火器、室內(nèi)消火栓給水系統(tǒng)、自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)、泡沫滅火系統(tǒng)、氣體滅火系統(tǒng)等［16］.這些建筑滅火設(shè)施使火災(zāi)在初期就能夠及時(shí)得以控制，也能很好地延緩火災(zāi)的發(fā)展蔓延.因此，安裝建筑滅火設(shè)施的場(chǎng)所比沒(méi)有安裝的場(chǎng)所更安全，即火災(zāi)可控.火災(zāi)控制住了，火場(chǎng)中的煙氣也會(huì)大大減少，煙氣的溫度也有明顯的下降，這對(duì)于煙氣的控制是很有利的.其中，自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)主要用來(lái)滅火降溫，對(duì)煙氣稀釋和阻擋起到一定的作用，對(duì)煙氣的蔓延影響有限，下面重點(diǎn)討論泡沫滅火系統(tǒng)和氣體滅火系統(tǒng).

高倍泡沫滅火系統(tǒng)在大空間建筑中廣泛應(yīng)用，如飛機(jī)庫(kù)、地下車庫(kù)、地下工程、礦井巷道等.用于大空間建筑中的泡沫滅火系統(tǒng)向火場(chǎng)噴射的是高倍泡沫，其原理是窒息滅火.發(fā)生火災(zāi)時(shí)，泡沫滅火系統(tǒng)的噴頭動(dòng)作，向著火部位噴射大量的高倍泡沫.隨著時(shí)間的推移，著火物質(zhì)和房間被泡沫覆蓋或填充，火災(zāi)就會(huì)自動(dòng)熄滅，煙氣也被推趕出去.因此，泡沫滅火系統(tǒng)不僅能有效地滅火，對(duì)建筑內(nèi)的煙氣排出也很有利.由于泡沫滅火系統(tǒng)的填充作用，大空間建筑內(nèi)的煙氣將由上方窗戶或者排煙口排出.

氣體滅火系統(tǒng)由某些惰性氣體作為滅火介質(zhì)，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，氣瓶閥打開(kāi)，使氣體充滿整個(gè)或部分區(qū)域，達(dá)到窒息滅火的目的.氣體滅火系統(tǒng)使用的氣體有很多種，但它們的原理基本是一致的.當(dāng)大空間建筑的某一部位發(fā)生火災(zāi)時(shí)，消防控制中心接到報(bào)警信號(hào)，通過(guò)聯(lián)動(dòng)裝置打開(kāi)氣體滅火系統(tǒng)的噴頭，噴出高壓窒息性氣體，將建筑內(nèi)的空氣和火災(zāi)煙氣推趕出去.由于窒息性氣體的壓力比煙氣的壓力要大的多，煙氣將向遠(yuǎn)離噴頭附近的排煙口或窗戶排出.需要指出的是，由于大空間建筑內(nèi)部空間很大，而氣體滅火系統(tǒng)的氣瓶容積有限，對(duì)于某些內(nèi)部空間超大的建筑，氣體滅火系統(tǒng)只能在建筑局部起作用，遠(yuǎn)離系統(tǒng)的其他部位則向旁側(cè)和上方流動(dòng)，通過(guò)自然排煙或者機(jī)械排煙的方式排出.

3 大空間建筑煙氣控制方法

煙氣控制是指排煙和防煙2個(gè)方面.大空間建筑排煙方式有3大類，即固定排煙系統(tǒng)排煙、移動(dòng)排煙設(shè)備排煙和破拆開(kāi)口排煙；防煙方式主要有機(jī)械防煙和非燃化防煙.

3.1 固定排煙系統(tǒng)排煙

3.1.1 自然排煙 自然排煙是在熱壓和風(fēng)壓的作用下，通過(guò)建筑的門窗洞口將高溫?zé)煔馀胖潦彝獾呐艧煼绞?在某些很高的大空間建筑中，通常設(shè)置通風(fēng)排煙豎井，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，借助煙囪效應(yīng)，為排煙提供動(dòng)力，將高溫?zé)煔庋杆倥欧懦鋈?

自然排煙結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資較少，已在各類大空間建筑中廣泛使用，如在建筑內(nèi)設(shè)置門、窗戶、通風(fēng)管道、通風(fēng)口等.建筑內(nèi)的出口位置決定了煙氣流動(dòng)的方向，對(duì)煙氣的流動(dòng)具有引導(dǎo)作用.自然排煙的效果受熱壓和風(fēng)壓的影響.大空間建筑內(nèi)的煙氣在熱壓和風(fēng)壓的共同作用下，由建筑的門、窗、排煙管道、豎井、排煙口排出.

在大空間建筑中使用自然排煙，要考慮以下3個(gè)方面：

1）自然排煙對(duì)大建筑物的高度有一定的限制，尤其是高度很高的大空間建筑.一般地，高溫?zé)煔鈺?huì)由建筑較高的孔口排出.但是由于風(fēng)壓的作用，特別是在迎風(fēng)面，可能導(dǎo)致建筑內(nèi)的煙氣無(wú)法排出.導(dǎo)致某一地區(qū)排煙失效的室外臨界風(fēng)速叫做極限風(fēng)速，在此極限風(fēng)速下采用自然排煙的建筑物的高度稱為極限高度.極限風(fēng)速［13，17］和極限高度［13，17］由式（8）和式（9）確定：

式中：Wlj為排煙失效的室外臨界風(fēng)速，m∕s；g為重力加速度，取9.8 m∕s；Hc為窗戶高度，m；k為風(fēng)壓系數(shù)；Tw為室外溫度，K；Tn為室內(nèi)溫度，K；Hjh為建筑物的極限高度，m；?為風(fēng)速修正系數(shù)，一般取1.0.

因此，只要測(cè)定了某一地區(qū)的風(fēng)速、窗戶高度、發(fā)生火災(zāi)時(shí)的溫度以及室外溫度，根據(jù)式（8）和式（9），就能夠算出采用自然排煙的大空間建筑的極限高度，同時(shí)能判斷某一大空間建筑能否采用自然排煙.

2）建筑物結(jié)構(gòu)必須滿足自然排煙的條件.因?yàn)闊煔馐墙?jīng)過(guò)排煙口或者外窗排至室外的，因此需要排煙的房間必須有一面墻壁靠室外，且排煙口至排煙區(qū)最遠(yuǎn)水平距離不能超過(guò)30 m.

3）對(duì)建筑物外墻裝修材料有特殊要求.由外窗或排煙口向室外排煙時(shí)，由于煙氣溫度很高，在浮力的作用下會(huì)向上運(yùn)動(dòng)，加之煙氣射流的作用，煙氣與墻面之間產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)，致使煙氣流撲向墻壁形成貼壁現(xiàn)象.如果建筑外墻為可燃材料裝修，很容易形成自上而下的大火；若高溫?zé)煔饨佑|到上層窗戶玻璃，玻璃很容易炸裂，不僅會(huì)對(duì)消防人員造成傷害，還有可能導(dǎo)致火災(zāi)向上層室內(nèi)蔓延.因此，若某大空間建筑外墻采用玻璃或可燃材料裝飾，不建議采用自然排煙.

3.1.2 機(jī)械排煙 機(jī)械排煙是通過(guò)風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)的，它是利用排煙機(jī)提供動(dòng)力，在排煙口形成負(fù)壓，將煙氣抽吸出去.采用機(jī)械排煙的大空間建筑，通常會(huì)在建筑內(nèi)部設(shè)有排煙豎井，這是煙氣排出的通道.啟動(dòng)機(jī)械排煙系統(tǒng)不需要消防人員進(jìn)入火場(chǎng)內(nèi)部，因此操作起來(lái)相對(duì)安全；同時(shí)，機(jī)械排煙幾乎不受外界環(huán)境的影響，排煙效果比較穩(wěn)定.但是，機(jī)械排煙對(duì)排煙機(jī)和管道的要求較高.在火勢(shì)猛烈階段，煙氣大量產(chǎn)生，可能會(huì)超過(guò)排煙機(jī)的額定排煙量，同時(shí)設(shè)備要能耐受一定的溫度.

3.2 移動(dòng)排煙設(shè)備排煙

移動(dòng)排煙設(shè)備廣泛用于各類大空間建筑中，在實(shí)際工作中常與固定排煙設(shè)備相結(jié)合，特別是在通風(fēng)不暢、火勢(shì)較大、難以進(jìn)行破拆排煙的大空間建筑中發(fā)揮著重要的作用，如地下車庫(kù)等.常見(jiàn)的移動(dòng)排煙設(shè)備有電動(dòng)排煙機(jī)、汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)排煙機(jī)、水力驅(qū)動(dòng)排煙機(jī)和排煙消防車等［18］.在使用移動(dòng)排煙設(shè)備時(shí)應(yīng)根據(jù)場(chǎng)地特點(diǎn)、煙氣的性質(zhì)和排煙量的大小進(jìn)行合理的選擇.

電動(dòng)排煙機(jī)是通過(guò)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生負(fù)壓，將火場(chǎng)煙氣排放出去.使用時(shí)，應(yīng)將排煙機(jī)置于上風(fēng)方向，形成對(duì)流，以便有效地排出煙氣.若在使用過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)向變化，使排煙機(jī)位置變?yōu)橄嘛L(fēng)方向時(shí)，應(yīng)立即撤離現(xiàn)場(chǎng)，防止排煙機(jī)及操作人員受到高溫?zé)煔獾膫?電動(dòng)排煙機(jī)的排煙量一般為 10 000 m3∕h～60 000 m3∕h.

汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)排煙機(jī)通過(guò)汽油機(jī)的運(yùn)作引導(dǎo)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng).其工作原理與電動(dòng)排煙機(jī)相似，最大排煙量為 50 000 m3∕h.

水力驅(qū)動(dòng)排煙機(jī)由壓力水驅(qū)動(dòng)，特別適合在易燃易爆場(chǎng)所使用，如停車庫(kù).該類排煙機(jī)有一個(gè)水帶接口，當(dāng)壓力水高速進(jìn)入時(shí)，沖擊葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，噴霧水從前方排出.水力驅(qū)動(dòng)排煙機(jī)不僅能夠排煙，還能夠起到降低火場(chǎng)溫度、稀釋降塵的作用.由于水壓一般為0.25 MPa～1.8 MPa，所以排煙量不如電動(dòng)排煙機(jī)和汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)排煙機(jī)，其排煙量一般為 6 000 m3∕h～25 000 m3∕h.

排煙消防車具有正壓送風(fēng)和負(fù)壓吸風(fēng)的功能.正壓送風(fēng)時(shí)，可以輸送新鮮空氣，驅(qū)走煙霧；負(fù)壓吸風(fēng)時(shí)，可將有毒有害煙氣定向排出.正壓送風(fēng)的送風(fēng)量可達(dá)到800 000 m3∕h以上，負(fù)壓吸風(fēng)的吸風(fēng)量可以達(dá)到500 000 m3∕h.若消防車離火場(chǎng)較遠(yuǎn)，宜采用正壓送風(fēng)的方式排煙；若消防車離火場(chǎng)距離較近，則宜采用負(fù)壓吸風(fēng)的方式將火災(zāi)煙氣排出.排煙消防車的排煙量較普通排煙機(jī)大很多，因此很適合在大的火場(chǎng)和空間中使用.

3.3 破拆開(kāi)口排煙

破拆開(kāi)口排煙，是指在滅火救援行動(dòng)中，對(duì)建筑進(jìn)行破拆，人為創(chuàng)造排煙口，使火災(zāi)煙氣排出的排煙方式.破拆排煙可分為水平破拆和垂直破拆兩個(gè)方式.

3.3.1 水平破拆排煙 水平破拆主要是破拆大空間建筑的門、窗及外墻.像體育館、游泳館、候車廳等類型的大空間建筑，由于其門窗較多，破拆起來(lái)容易，因此宜選用水平破拆排煙.破拆門窗時(shí)，應(yīng)盡量選擇建筑迎風(fēng)面最低處的門窗，同時(shí)打開(kāi)建筑背風(fēng)面最高處的窗戶，保持煙氣順暢流動(dòng)，以達(dá)到最佳效果.破拆外墻時(shí)，位置應(yīng)盡量靠近頂棚，若建筑內(nèi)裝有擋煙垂壁，破拆位置不應(yīng)低于擋煙垂壁的下端，防止排煙口失去最佳效果.在火場(chǎng)排煙中，通常破拆多個(gè)開(kāi)口，使煙氣在短時(shí)間內(nèi)能快速排出［19］.

3.3.2 垂直破拆排煙 垂直破拆主要是破拆大空間建筑的頂棚或天窗.像大型倉(cāng)庫(kù)類型的大空間建筑，由于其門窗較少，高度不是很高，可選擇垂直破拆排煙；像高層建筑中庭類型的大空間建筑，由于煙囪效應(yīng)的影響，煙氣向上蔓延較快，其中庭頂棚常用玻璃構(gòu)件，破拆較易，因此也宜選用垂直破拆排煙.進(jìn)行破拆時(shí)，應(yīng)注意選擇破拆的面積和位置.破拆面積應(yīng)根據(jù)火災(zāi)大小決定，破拆面積過(guò)小，排煙速度慢，效果也不明顯；破拆面積過(guò)大則加大了工作的難度.破拆位置最好選擇在起火點(diǎn)的正上方，使燃燒范圍集中，煙氣集聚而易于排出.

由于大空間建筑內(nèi)部空間很大，煙氣聚集很多，若通過(guò)對(duì)外開(kāi)口排煙，工作量較大；若破拆面積不夠，就不能起到很好的排煙效果.

3.4 機(jī)械防煙

機(jī)械防煙，是在需要防煙的部位送入正壓空氣，從而使外界煙氣無(wú)法進(jìn)入.根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》和《人民防空工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》，人們常在防煙樓梯間和前室等部位設(shè)置機(jī)械防煙系統(tǒng).裝有機(jī)械防煙系統(tǒng)的大空間建筑，由于防煙部位保持正壓，外界煙氣無(wú)法進(jìn)入，將由起火房間經(jīng)外窗或排煙口排出，保證了防煙樓梯間和前室的安全，為人員疏散和避難提供了有利條件.

機(jī)械防煙對(duì)煙氣控制效率較高，與負(fù)壓機(jī)械排煙不同的是，煙氣不經(jīng)過(guò)排煙管道，對(duì)設(shè)備幾乎沒(méi)有污染.機(jī)械防煙具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如：風(fēng)道可以敷設(shè)在墻壁內(nèi)，占用的空間較小，經(jīng)濟(jì)可靠；系統(tǒng)送入的新鮮空氣溫度較煙氣低很多，對(duì)煙氣起到了冷卻運(yùn)動(dòng)，延緩了火災(zāi)的發(fā)展蔓延；煙氣不通過(guò)送風(fēng)機(jī)，對(duì)設(shè)備污染損耗小等.值得注意的是，若加壓送風(fēng)樓梯間的壓力過(guò)高，會(huì)使樓梯間通向前室或走廊的門打不開(kāi)，一般規(guī)定，防煙樓梯間的正壓值為40 Pa～50 Pa，前室、合用前室、消防電梯前室、封閉避難層（間）為25 Pa～30 Pa.為了減小送風(fēng)管道的局部阻力，機(jī)械加壓送風(fēng)的速度不應(yīng)大于7 m∕s.

3.5 非燃化防煙

非燃化防煙是指建筑材料及其內(nèi)裝修材料和儲(chǔ)存物使用不燃或難燃材料，這樣不易發(fā)生火災(zāi)，即使發(fā)生火災(zāi)，發(fā)煙量也很少.采用非燃化防煙對(duì)建筑的要求較高，不僅要考慮建筑材料和內(nèi)裝修材料的非燃化，還要考慮其內(nèi)部?jī)?chǔ)存物的非燃化.若建筑內(nèi)部?jī)?chǔ)存有易燃物質(zhì)，應(yīng)用不燃或難燃材料密封起來(lái).因此非燃化防煙常用在人員密集或存有貴重物資的大空間建筑，如候車廳、展覽館等.

4 結(jié) 語(yǔ)

大空間建筑已經(jīng)成為未來(lái)建筑發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，我國(guó)在大空間建筑煙氣流動(dòng)規(guī)律和煙氣控制方法上的研究起步較晚.

很多大空間建筑內(nèi)部構(gòu)造十分復(fù)雜，單一的煙氣控制方法已經(jīng)不能滿足其實(shí)際需要，而通常是多種方法的有機(jī)結(jié)合.針對(duì)不同的大空間建筑，采用不同的煙氣控制方法，不僅能提高效果，而且具有很大的經(jīng)濟(jì)意義.由于大空間建筑的獨(dú)特性和復(fù)雜性，除了選擇常規(guī)的防排煙方法外，在煙氣控制上還應(yīng)當(dāng)著重注意以下3個(gè)方面.

1）對(duì)建筑進(jìn)行有效分割.根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，大空間建筑排煙量由建筑的體積來(lái)衡量［20］，如：若體積小于17 000 m3，排煙量按建筑體積的6次∕小時(shí)算；若體積大于17 000 m3，排煙量按該建筑體積的4次∕小時(shí)算；最小排煙量不得低于102 000 m3∕h.像候車廳、高層建筑的中庭，內(nèi)部體積很多都超過(guò)了17 000 m3，若全部采用體積換算法，需要的排煙機(jī)數(shù)量很多，而且也不經(jīng)濟(jì)，與實(shí)際情況相差較大.為此，可以采用分割的方法，即在建筑內(nèi)的房間和出入口安裝機(jī)械加壓送風(fēng)系統(tǒng)，阻止火災(zāi)向人員集聚部位蔓延，可以為人員疏散贏得寶貴的時(shí)間.另外，對(duì)于高層建筑的中庭，還可以在中庭和樓層之間用防火卷簾分割，當(dāng)感煙探測(cè)器探測(cè)到煙氣時(shí)，防火卷簾落下，將中庭與房間隔離開(kāi)，防止煙氣進(jìn)入.

2）選擇合適的火災(zāi)探測(cè)器.感煙探測(cè)器和感溫探測(cè)器是建筑中常用的火災(zāi)探測(cè)器，但是在夏季氣溫較高或是火災(zāi)初期，由于熱氣層的存在，煙氣難以繼續(xù)上升，不易被感煙探測(cè)器和感溫探測(cè)器探測(cè)到.若把探測(cè)范圍定的太低，容易造成誤報(bào)；定的太高，則會(huì)延誤最佳報(bào)警時(shí)機(jī)，甚至不報(bào)警.根據(jù)探測(cè)器的使用要求，大空間建筑特別是高度在20 m以上的建筑，建議使用新型的探測(cè)器，如圖像式火災(zāi)探測(cè)器、紅外光束感煙火災(zāi)探測(cè)器等非接觸式的火災(zāi)探測(cè)器.

3）設(shè)置補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng).大空間建筑內(nèi)夾層房間一般沒(méi)有窗戶，具有很好的氣密性.發(fā)生火災(zāi)后，機(jī)械排煙系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)作，外界空氣不能及時(shí)進(jìn)入這些房間，使內(nèi)部氣壓下降而小于外界氣壓，房間內(nèi)的被困人員很有可能無(wú)法開(kāi)啟安全門而造成疏散困難.因此，在大空間夾層房間等密閉區(qū)域內(nèi)要設(shè)置補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)，以配合機(jī)械排煙系統(tǒng)使用.發(fā)生火災(zāi)后同時(shí)開(kāi)啟機(jī)械排煙系統(tǒng)和補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)，在室內(nèi)人員疏散完畢后，關(guān)閉補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)而排煙系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行.

［1］袁理明，范維澄.大空間建筑火災(zāi)中熱煙氣層發(fā)展規(guī)律的理論分析［J］. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，1998，7（1）：21-26.YUAN L M，F(xiàn)AN W C.The oretical analysis of hot smoke layer development in large space building fires［J］.Journal of Natural Disasters，1998，7（1）：21-26.

［2］杜紅.防排煙工程［M］.北京：中國(guó)人民公安大學(xué)出版社，2003.

［3］National Fire Protection Association.Guide for smoke management systems in malls，atria and large areas：NFPA 92B［S］.Quincy，MA，USA：NFPA，2000.

［4］COOPER L Y，HARKLEROAD M，QUINTIERE J G，et al.An experimental study of upper hot layer strati?fication in full-scale multi-room fire scenarios［J］.Journal of Heat Transfer，1982，104（4）：741-749.

［5］YUANA L M，COX G.An experimental study of some line fires［J］.Fire Safety Journal，1996，27（2）：123-139.

［6］霍然，李元洲，余明高，等.大空間建筑火災(zāi)機(jī)械排煙的初步研究［J］. 消防科學(xué)與技術(shù)，2001，20（4）：3-5.HUO R，LI Y Z，YU M G，et al.Preliminary study on the mechanical exhaust in the large space building［J］.Fire Science and Technology，2001，20（4）：3-5.

［7］張村峰，霍然，史聰靈，等.不同類型火源下煙氣在大空間內(nèi)的充填特性研究［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2005，24（2）：153-155.ZHANG C F，HUO R，SHI C L，et al.Study on the smoke filling in large space atrium under different type of fire［J］.Fire Science and Technology ，2005，24（2）：153-155.

［8］孫洋.大空間建筑防排煙系統(tǒng)的分析［J］.沈陽(yáng)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，18（4）：45-47.SUN Y.Analysison smoke extraction system of construction with large space［J］.Journal of Shenyang University，2006，18（4）：45-47.

［9］王利珍，劉方，蒲清平.大空間建筑噴淋對(duì)煙氣層的影響［J］. 消防科學(xué)與技術(shù)，2004，23（6）：525-526，534.WANG L Z，LIU F，PU Q P.Water sprinkler effects on smoke layer in large space fire［J］.Fire Science and Technology，2004，23（6）：525-526，534.

［10］霍然，范維澄，袁理明，等.大空間火災(zāi)實(shí)驗(yàn)廳的建造與初步試驗(yàn)［J］. 火災(zāi)科學(xué)，1998，7（1）：8-13.

［11］蔡蕓.建筑防火［M］.北京：中國(guó)人民公安大學(xué)出版社，2014：32.

［12］張粉芹，趙志曼.建筑裝飾材料［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，2007.

［13］杜紅.防排煙工程［M］.北京：中國(guó)人民公安大學(xué)出版社，2003.

［14］杜文峰.消防燃燒學(xué)［M］.北京：中國(guó)人民公安大學(xué)出版社，2014：56.

［15］陳伯輝.典型內(nèi)裝修材料煙密度的實(shí)驗(yàn)研究［J］.福建工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，9（6）：531-534.CHEN B H.Experimental studies on smoke density of typical interior decoration materials［J］.Journal of Fujian University ofTechnology，2011，9（6） ：531-534.

［16］張學(xué)魁，景絨.建筑滅火設(shè)施［M］.北京：中國(guó)人民公安大學(xué)出版社，2014：137-145.

［17］趙國(guó)凌.關(guān)于采用外窗自然排煙的高層建筑極限高度的探討［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，1992（1）：23-27.

［18］李進(jìn)興.消防技術(shù)裝備［M］.北京：中國(guó)人民公安大學(xué)出版社，2006：156-158.

［19］中華人民共和國(guó)公安部.建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范：GB 50016—2014［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2015.

［20］陳穎.大空間建筑煙氣控制的數(shù)值模擬研究［J］.武警學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，23（2）：74-78.CHEN Y.Numerical simulation of smoke control in large space［J］.Journal of the Chinese People's Armed Police Force Academy，2007，23（2）：74-78.

本文編輯：苗 變

Research Progress of Smoke Spread and Control in Large Space Building Fires

WANG Fangshun
Wuhan Municipal Fire Brigade of Hubei Fire Bureau，Wuhan 430100，China

This article expounds the characteristics of fire development and the law of smoke spread in large space buildings，and analyzes the effects of temperature，humidity，thermal expansion，wind and indoor fire control facilities，etc on the spread law of fire smoke.To improve the flue gas control of large space buildings，we suggest by comparing with the smoke control methods that we should pay attention to using automatic fire fighting facilities to reasonably guide and split the flue gas to prevent the spread of flue gas expansion，select the appropriate fire detector to quickly find the fire smoke，and reasonably set the wind coefficient to ensure the effective evacuation of personnel，in addition to the use of the conventional smoke control methods.

large space buildings；fire smoke；smoke control；influence factors

TK121

A

10.3969∕j.issn.1674?2869.2017.04.006

2016-12-07

王方舜，碩士，工程師.E-mail：487181110@qq.com

王方舜.大空間建筑火災(zāi)煙氣的蔓延及控制研究進(jìn)展［J］.武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，39（4）：337-347.

WANG F S.Research progress of smoke spread and control in large space building fires［J］.Journal of Wuhan Institute of Technology，2017，39（4）：337-347.

1674-2869（2017）04-0337-11