城市綜合交通樞紐內消防“準安全區(qū)”設置原則和評估流程研究

肖春花,姚 斌＊ ,劉躍紅,劉 文,左 劍

(1.中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室,安徽合肥,230026;

2.深圳市公安局消防局,深圳,518028;3.深圳市地鐵有限公司,深圳,518026)

城市綜合交通樞紐內消防“準安全區(qū)”設置原則和評估流程研究

肖春花1,姚 斌1＊,劉躍紅2,劉 文3,左 劍2

(1.中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室,安徽合肥,230026;

2.深圳市公安局消防局,深圳,518028;3.深圳市地鐵有限公司,深圳,518026)

由于使用功能的需要,綜合交通樞紐中的交通換乘大廳常設計為高大空間結構。在實際工程中,該類高大空間建筑部位超出了現(xiàn)行防火規(guī)范關于防火分區(qū)面積和安全疏散距離的要求,通常采用性能化方法進行評估,在性能化評估中一般采用“準安全區(qū)”的理念。目前,“準安全區(qū)”的火災安全僅依靠性能參數的比較論證,沒有較為統(tǒng)一的設計準則。從不同的凈空高度出發(fā),綜合考慮自然排煙口面積占地板面積的比例、相鄰自然排煙口的間距和單個自然排煙口的面積等多種因素影響下的綜合交通樞紐換乘大廳作為“準安全區(qū)”的設計要求,提出了“準安全區(qū)”設計原則和評估流程,研究成果可直接用于綜合交通樞紐換乘大廳的設計與評估中,并對類似建筑具有指導意義。

綜合交通樞紐;換乘大廳;火災安全;準安全區(qū);設置原則;評估流程

0 引言

隨著交通事業(yè)的發(fā)展,城市交通方式不斷改善。為實現(xiàn)各種交通方式之間的銜接,滿足旅客中轉換乘的需要,綜合交通樞紐已在各大城市相繼出現(xiàn)。由于使用功能的需要,綜合交通樞紐中的交通換乘大廳常設計為大空間結構,在實際工程中,該類大空間建筑部位通常出現(xiàn)防火分區(qū)面積過大、安全疏散距離過長的情況,從而超出了現(xiàn)行防火規(guī)范[1,2]關于防火分區(qū)面積和疏散距離的要求。

用于人員疏散的“準安全區(qū)”是針對大型建筑中防火分區(qū)面積過大、安全疏散距離過長等超出現(xiàn)有規(guī)范要求的建筑部位而提出的[3],綜合交通樞紐內的換乘大廳等大空間場所一般按照“準安全區(qū)”的概念來設計。所謂“準安全區(qū)”,是指介于室外絕對安全場所和室內火災隱患場所之間,本身無較大火災危險且在火災時供人員短暫停留而不至于受到火勢影響的場所。根據綜合交通樞紐內人員疏散特點,參考現(xiàn)有大多數性能化防火論證的實際工程,將“準安全區(qū)”的安全時間界定為30分鐘,即在火災發(fā)生30分鐘內能保證火災煙氣不影響人員安全疏散的場所即可按照“準安全區(qū)”概念進行設計。

目前,國內對于“準安全區(qū)”的安全性論證僅針對某一具體工程案例進行,并未形成統(tǒng)一的設計原則。如王蔚等人利用建筑內的大中庭作為“準安全區(qū)”設計[4],安慶新針對濟南奧體中心體育場內的環(huán)形通道設計“準安全區(qū)”[5]等,這些研究定性提出了“準安全區(qū)”內應采取的安全措施,但對“準安全區(qū)”的設置原則未作定量描述。

本文以城市綜合交通樞紐內大空間換乘大廳為背景,針對換乘大廳內防火分區(qū)較大、疏散距離較長等普遍特點,采用數值模擬方法,分析影響“準安全區(qū)”安全性的主要因素,提出適用于城市綜合交通樞紐換乘大廳用作“準安全區(qū)”的設計原則,為綜合交通樞紐及類似大空間建筑的防火設計提供參考意見。

1 影響因素分析

1.1 可燃物荷載

城市綜合交通樞紐內人員眾多,人流復雜,換乘大廳內難免存在較多移動可燃物,甚至因為特殊需要還設有固定可燃物。因此,設計為“準安全區(qū)”的換乘大廳內也存在著火災隱患?？扇嘉锖奢d對“準安全區(qū)”的安全影響尤為重要,綜合交通樞紐內的移動荷載大多為乘客的行李,最大火源功率不會超過2MW[6];但固定可燃物的火源功率卻相對較大,若設置較多固定可燃物,勢必會為“準安全區(qū)”埋下較大的安全隱患。因此,必須通過限制準安全區(qū)內可燃物荷載來保障其在30分鐘內不威脅人員的安全疏散。

1.2 凈空高度

城市綜合交通樞紐內換乘大廳的凈空高度直接影響火災狀況下大空間場所的蓄煙能力。由于火災煙氣的熱效應,熱煙氣會聚集在大空間上部,一般情況下,凈空高度較大的區(qū)域可蓄積較多煙氣,延緩火災煙氣影響人員疏散的時間;相反,凈空高度較小的場所一旦發(fā)生火災,煙氣會迅速下降到危險高度,導致人員疏散無法進行,使該區(qū)域無法達到“準安全區(qū)”安全時間的要求。

1.3 排煙設施

1.3.1 自然排煙

為了增加空間的通透性,準安全區(qū)內大量采用自然排煙的方式。作為準安全區(qū)內火災煙氣排出的唯一通道,自然排煙口對于保障準安全區(qū)的安全性起著舉足輕重的作用。自然排煙口按所處位置的不同可分為頂部自然排煙口和高側窗自然排煙口。頂部自然排煙口位于排煙空間的頂部,排煙口呈水平分布;高側窗自然排煙口位于排煙空間的側墻上,排煙口一般均勻垂直分布。自然排煙口在影響煙氣排出方面可通過自然排煙口面積占地板面積的比例、相鄰自然排煙口的間距和單個自然排煙口的面積三個參數來界定。

(1)自然排煙口面積占地板面積的比例

火災時煙氣的產生具有一定的速率,自然排煙口必須要有足夠的面積比例才能將同一時間產出的煙氣排出準安全區(qū),達到產煙和排煙的平衡,保證煙氣層不繼續(xù)下降。如果自然排煙口面積不足,產煙量就會大于排煙量,無法排出的煙量就會在“準安全區(qū)”內沉降,當自然排煙口面積比例小到一定值時,煙氣層則會在30分鐘內沉降至威脅人員安全疏散的危險高度,導致“準安全區(qū)”的安全條件不成立。

(2)相鄰自然排煙口的間距

火災發(fā)生后,熱煙氣在接觸屋頂后的運動過程是水平和豎直雙向運動的,如果相鄰自然排煙口之間的距離過遠,則會導致煙氣水平運動距離過長。

圖1 煙氣運動分析圖Fig.1 Analysis of smoke movement

(3)單個自然排煙口的面積

煙氣的排出需要一定的空間,對于一個特定的自然排煙口而言,排煙口周圍聚集的煙氣需要從該排煙口排出,若單個自然排煙口面積較小,煙氣就會在排煙口處聚集,再加上外界環(huán)境溫度的冷卻作用,使該處的熱煙氣轉變?yōu)槔錈?浮力下降,致使煙氣上升受阻而長時間堆積在排煙口處,導致該排煙口無法繼續(xù)有效地排煙。

1.3.2 機械排煙

如前所述,“準安全區(qū)”的設計前提是高大空間建筑部位,建筑凈空高度相對越高則對自然排煙越有利。但在實際工程中,還存在凈空高度相對較小的高大空間需要設計為“準安全區(qū)”的情況。在這種情況下,采用自然排煙方式可能難以滿足排煙需求,因此,需要通過劃分防煙分區(qū)并增設機械排煙的措施來達到“準安全區(qū)”安全性的要求。

2 研究案例介紹

本文以某綜合交通樞紐內交通換乘大廳作為研究對象,原型平面見圖2。研究區(qū)域原始設計高12m,面積約24000m2,屬于高大空間換乘場所,頂部開設兩個尺寸均為27m×27m的開口,用于火災工況下的自然排煙。

圖2 研究對象平面圖Fig.2 Plane distribution of study object

3 分析方法

本文在設定火源功率的前提下,通過選取不同的建筑高度,合理布置并適當調整自然排煙口,建立計算模型,采用煙氣模擬軟件FDS[7]對不同火災場景下的煙氣蔓延情況進行模擬分析,最后選用30分鐘內安全的計算場景,提出“準安全區(qū)”設置原則,并給出“準安全區(qū)”的評估流程圖,研究開展的技術路線如圖3所示。

圖3 研究技術路線Fig.3 Technical line of the study

根據相關資料[8,9],本文所采取的安全判據為:

在模擬進行的前30分鐘內,若研究區(qū)域內的火災煙氣未達到以下臨界要求,則認為其可作為“準安全區(qū)”設計:

①煙層距地板高度大于2m的區(qū)域,熱煙層的溫度不超過180℃;

②熱煙層距地板高度小于2m的區(qū)域,熱煙層的溫度不超過60℃,且能見度不小于10m;

③熱煙層距地板高度小于2m的區(qū)域,一氧化碳濃度不得超過450ppm。

4 “準安全區(qū)”安全性研究

4.1 火災場景設置

考慮行李火災,火源取 T2快速增長火,穩(wěn)定火源功率取1.5MW,模擬時間為1800s。分別選取了凈空高度為6m、8m、10m的大空間場所進行研究,排煙方式優(yōu)先考慮自然排煙,分別論證設置頂部自然排煙和高側窗自然排煙的安全性,在自然排煙無法滿足安全性要求時,改用或增設機械排煙進行論證。

在經過大量探索性模擬研究的基礎上,選取了具有代表性的模擬場景進行說明,如表1所示。

表1 火災場景的設置Table 1 Fire scenario

其中,頂部自然排煙口的面積比例指的是頂部自然排煙口的凈面積占地板面積的比例,頂部自然排煙口的間距指相鄰排煙口的邊緣距離,單個自然排煙口面積考慮所有自然排煙口尺寸均相同。

頂部自然排煙口三個參數之間存在一定的函數關系,從安全性角度考慮,面積比例和單個排煙口面積存在一個最小值,排煙口間距存在一個最大值。表中各數值的選取考慮了實際工程的需求后確定。高側窗自然排煙口在建筑側墻上沿長度方向均勻布置,排煙口面積比例是參考了較多現(xiàn)有實際工程案例的設計而確定的。設置機械排煙時的機械排煙量按規(guī)范[10]計算確定,并相應設置一定量的機械補風,本文取機械補風量為機械排煙量的50%。

圖4 頂部自然排煙口分布典型模型Fig.4 Typical distribution of top natural exhaust ports

由于案例較多,下面僅給出幾個相對典型的計算模型加以介紹。頂部自然排煙口分布狀況主要分為兩類,一類為密集分布型(相鄰排煙口間距為9m),一類為稀疏分布型(排煙口間距為60m),如圖4所示;高側窗自然排煙口均勻分布在建筑對立面的側墻上,如圖5所示。

圖5 高側窗自然排煙口分布模型Fig.5 Distribution of high-side windownatural exhaust ports

4.2 計算結果及分析

采用火災煙氣模擬軟件FDS對以上設計的火災場景進行建模計算,模擬總時間設定為1800s。

典型模擬計算結果如圖6所示,在開設頂部自然排煙口的場景中,模擬時間至 t=1800s時,距地面高2m處的能見度雖然有較大范圍的降低,但該截面處所有地方的能見度均未降至危險臨界值,所以認為該場景在 t=1800s時是安全的;相反,在開設高側窗自然排煙口的場景中,能見度降低的區(qū)域較頂部自然排煙口少,但該截面處在650s時部分區(qū)域的能見度已降至危險臨界值,因此認為其安全時間僅650s,在1800s內不安全。

按照同樣的判斷方法,根據溫度、能見度和CO濃度的安全判據,得到的各場景在1800s內的煙氣模擬計算結果如表2所示。

圖6 模擬計算結果能見度截圖示意Fig.6 Visibility diagram of calculated results

表2 模擬計算結果Table 2 Simulation results

從表2可知,單個自然排煙口面積為4m2時,熱煙氣達到排煙口后可順利排出室外(A-1、B-1)。當建筑凈空高度為6m時,在頂部自然排煙口面積占地板面積的比例相同的前提下,自然排煙口間距為60m時該場所不能達到“準安全區(qū)”的要求(A-2),僅采用高側窗自然排煙的方式也不能達到“準安全區(qū)”安全時間的要求(A-5),改用機械排煙后仍無法滿足要求(A-3),通過增設機械排煙的方法可使其在1800s內處于安全狀態(tài)(A-4、A-6)。因此,若建筑凈空高度為6m的換乘大廳作為“準安全區(qū)”設計時,需同時設置自然排煙和機械排煙方式。當建筑凈空高度為8m時,僅采用設定的自然排煙方式時,各場景在1800s以內均未達到危險狀態(tài)(B-1、B-2、B-3),因此,采用自然排煙方式可滿足凈空高度為8m的換乘大廳作為“準安全區(qū)”設計。當建筑凈空高度為10m時,保持最大間距的情況下,將頂部自然排煙口的面積比例降至5%,仍可滿足“準安全區(qū)”的要求(C-1)。

4.3 “準安全區(qū)”設置原則及評估流程

根據前文計算結果,將得到的不同高度準安全區(qū)設置原則總結如下:

(1)對于6m高大空間類建筑,滿足以下條件時,可作為“準安全區(qū)”設計:

1)盡量避免在公共區(qū)內設置固定可燃物。

2)可采用以下兩種排煙模式:

①頂部自然排煙與機械排煙合用的排煙模式。該模式下,頂部自然排煙口的面積占地板面積的比例不應小于8%;相鄰自然排煙口的間距不得超過60m;單個自然排煙口的面積不應小于4m2。機械排煙量不應小于按6次/h的換氣次數計算值,且應設置不低于機械排煙量50%的機械補風量。

②高側窗自然排煙與機械排煙合用的排煙模式。該模式下,高側窗自然排煙口的面積占地板面積的比例不應小于2%。機械排煙量不應小于按6次/h的換氣次數計算值,且應設置不低于機械排煙量50%的機械補風量。

(2)對于8m高大空間類建筑,滿足以下條件時,可作為“準安全區(qū)”設計:

1)盡量避免在公共區(qū)內設置固定可燃物。

2)空間高度為8m時可采用頂部自然排煙方式或者高側窗自然排煙方式進行排煙。

3)采用頂部自然排煙方式時,頂部自然排煙口的面積占地板面積的比例不小于8%;自然排煙口間距不大于60m;單個自然排煙口的面積不小于4m2。

4)采用高側窗自然排煙方式時,高側窗的凈開窗面積占地板面積的比例不應小于2%,且自然排煙口宜沿側墻均勻布置。

(3)對于10m高大空間類建筑,滿足以下條件時,可作為“準安全區(qū)”設計:

1)盡量避免在準安全區(qū)內設置固定可燃物。

2)頂部自然排煙口面積占地板面積的比例不得小于5%。

3)相鄰自然排煙口的間距不得超過60m。

4)單個自然排煙口的面積不應小于4m2。

將以上不同建筑高度的準安全區(qū)設置原則擴展到所有高度的建筑中。從安全性的角度出發(fā),認為空間高度在6m以下的高大空間建筑不宜作為準安全區(qū),研究所得的6m高準安全區(qū)的設置原則可普遍用于6m≤H<8m的高大空間建筑中,8m高準安全區(qū)的設置原則可普遍用于8m≤H<10m的高大空間建筑中,10m高準安全區(qū)設置原則可普遍用于H≥10m的高大空間建筑中(其中 H為大空間建筑高度)。由此得出準安全區(qū)的評估流程圖如圖7。

圖7 準安全區(qū)評估流程圖Fig.7 Assessment process of Quasi-Safety Zone

圖中各參數意義:高度 H——空間的平均凈空高度;開口間距L——相鄰自然排煙口邊緣的最小距離;開口比例α1——頂部自然排煙口的總面積與地面積的比值;單個開口面積 A——單個自然排煙口的面積。開口比例α2——高側窗自然排煙口的總面積與地面積的比值;Y——增設機械排煙;N——不增設機械排煙。

5 結束語

本文采用數值模擬的方法對城市綜合交通樞紐交通換乘大廳作為“準安全區(qū)”設計的安全性進行了分析,得出了普遍適用于該類大空間場所的“準安全區(qū)”設計原則及評估流程,能夠為綜合交通樞紐及類似建筑的設計及安全性評估提供一定的指導意見,同時,可為相關建設單位、消防設計和管理部門提供一個技術溝通平臺。本文所研究的“準安全區(qū)”各影響因素之間的函數關系有待進一步深究,所得設計原則及評估流程需要在實際工程中得到論證,增強其廣泛適用性。

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Studies on setting principles and assessment process of quasi-safety zone about firefighting in urban integrated transport hub

XIAO Chun-hua1,YAO Bin1,LIU Yue-hong2,LIU Wen3,ZUO Jian2

(1.State Key Lab.of Fire Science,USTC,Anhui Hefei,230026,China;
2.Shenzhen Fire Protection Bureau,Shenzhen,518028,China;
3.Shenzhen Metro Co.L TD,Shenzhen,518026,China)

For needs of practical functions,the transfer hall in integrated transport hub is often designed as a large space structure,which is usually designed as a Quasi-Safety Zone,because it is beyond the requirements concerning areas of fire district and distance of fire safety evacuation in fire codes.However,currently the fire safety of Quasi-Safety Zone is mainly testified by performance-based fire prevention method with no more uniform design criteria.In this paper,for different heights of headroom,ratios of areas of natural exhaust openings to floor area,adjacent distance,and single opening area were extensively considered to achieve the design requirements of transfer hall as a Quasi-Safety Zone.The design principles and assessment process were proposed.The research results can be directly used for fire design and evaluation in integrated transport hub and similar structures.

Integrated transport hub;Transfer hall;Fire safety;Quasi-Safety zone;Design principle;Assessment process

TU998.1,X951

A

1004-5309(2010)-0198-07

2010-07-05;修改日期:2010-09-18

肖春花(1986-),女,四川綿陽人,中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室碩士研究生,研究方向為城市綜合交通樞紐火災安全。

聯(lián)系作者:姚斌,副研究員,binyao@ustc.edu.cn。