底層設有商業(yè)服務網點的高層居民住宅樓消防安全問題研究

張 軍，周德闖，汪 箭＊

（1.合肥市消防支隊，合肥，230000；2.中國科技大學火災科學國家重點實驗室，合肥，230026）

0 引言

隨著經濟社會的飛速發(fā)展，城市土地資源日趨緊張，高層建筑已經逐漸成為城市建筑中最主要的建筑形式，而底層設有商業(yè)服務網點的高層居民住宅樓由于兼具商業(yè)和居住的功能，越來越受到開發(fā)商和用戶的青睞?！陡邔用裼媒ㄖO計防火規(guī)范》（GB50045－95）對底層設有商業(yè)服務網點的高層居民住宅樓、高層商住樓和綜合樓分別進行了說明和規(guī)定［1］。

（1）底層設有商業(yè)服務網點的高層居民住宅樓：住宅底部（地上）設置的百貨店、副食店、糧店、郵政所、理發(fā)店等小型商業(yè)服務用房，該用房層數不超過二層。建筑面積不超過300m2，采用耐火極限大于1.5h的樓板和耐火極限大于2.0h且不開門窗洞口的隔墻與住宅和其它用房完全分隔，該用房和住宅的疏散樓梯和安全出口應分別獨立設置；

（2）高層商住樓：底部商業(yè)營業(yè)廳與住宅組成的高層建筑、商住樓的形式，一般是下面若干層為商業(yè)營業(yè)廳，上面為塔式普通或高級住宅；

（3）高層綜合樓：由二種及二種以上用途的樓層組成的公共建筑，綜合樓組合形式多種多樣，常見的形式為：若干層作商場，若干層作寫字樓層（辦公用），若干層作為高級公寓；若干層作銀行經營金融業(yè)務，若干層作旅館，若干層作辦公室等等。

由于對商業(yè)服務網點的使用需求不盡相同，很多業(yè)主在購買、承租商業(yè)服務網點后，根據自身的使用需求改建、擴建了原有的建筑平面布局，由此帶來了較為突出的消防安全問題，給城市的消防安全管理增加了不確定因素。

1 底層設有商業(yè)服務網點的高層居民住宅樓的特點及存在的問題

隨著社會經濟的需求變化，一些已經建成的“底層設有商業(yè)服務網點的高層居民住宅樓”因經營者的需求，從內容到形式上發(fā)生了許多變化，主要有以下幾種形式：

（1）規(guī)模上，“底層設有商業(yè)服務網點的高層居民住宅樓”建成后，因業(yè)主經營需要而加大規(guī)模，將幾個原有的300m2以下的商業(yè)服務網點打通，增大了經營面積，往往超過300m2的經營面積限制；

（2）空間上，“底層設有商業(yè)服務網點的高層居民住宅樓”原設計的商業(yè)服務網點層高設計為5至7米，業(yè)主在使用經營過程中，將一層改建成兩層，兩層改建成三或四層，不僅導致經營面積超過了300m2的限制，而且經營層數也超過了二層的經營限制；

（3）用途上，“底層設有商業(yè)服務網點的高層居民住宅樓”的商業(yè)服務網點經營者將原有功能改變，出現(xiàn)了歌舞娛樂、老年公寓、幼兒園、餐飲、旅館、辦公等公共活動場所；

上述“底層設有商業(yè)服務網點的高層居民住宅樓”的建筑雖然因各種原因發(fā)生了許多變化，但其仍具備以下特點：有住宅、有商業(yè)；住宅和原有“商業(yè)服務網點”的安全出口、疏散樓梯仍然完全獨立。由于“商業(yè)服務網點”發(fā)生了許多變化，往往改變了建筑物的整體性質，如經營面積、經營空間、使用功能的變化，導致整棟建筑不再是“底層設有商業(yè)服務網點的高層居民住宅樓”，而是變成了高層商住樓、高層綜合樓。

從規(guī)模上說，“底層設有商業(yè)服務網點”的高層居民住宅樓中對商業(yè)服務網點的面積限定是不超過300m2，一旦超過了，就不再是“底層設有商業(yè)服務網點的高層居民住宅樓”了。按照《高層民用建筑設計防火規(guī)范》（GB50045－95）（2005年版）中的規(guī)定，該建筑已變性成商住樓、屬于公共建筑，其消防設計標準以及對消防設施的要求按照規(guī)范也發(fā)生了相應的變化。例如，對一棟每層建筑面積為1600m2“底層設有商業(yè)服務網點的”十八層住宅（層高3米）來說，當底層商業(yè)服務網點因面積擴大超過了300m2時，整棟樓的性質已由二類高層住宅變成了一類高層公共建筑。隨之，建筑物的耐火等級、疏散樓梯的形式、安全出口設置方式、安全疏散距離、自動消防設施、消防供配電等系統(tǒng)均應按照一類高層公共建筑的要求予以調整。

從空間上說，“底層設有商業(yè)服務網點的高層居民住宅樓”的商業(yè)服務網點，業(yè)主在使用經營過程中，將一層改成二層或三、四層，導致經營面積超過了300m2或者層數超過二層的規(guī)定，導致“底層設有商業(yè)服務網點的高層居民住宅樓”變性成商住樓，也帶來了同樣的消防設計問題。

從用途上看，“底層設有商業(yè)服務網點的高層居民住宅樓”中的商業(yè)服務網點的用途大致分為三類：一是按規(guī)范中對“商業(yè)服務網點”的功能要求進行使用。例如：開理發(fā)店、糧店、小經營場所等；二是設置成小型的公眾聚集場所。例如：開小飯店、小賓館等；三是設置成歌舞廳、網吧、老年公寓、托兒所、幼兒園等場所。對于第一種使用的功能來說，符合消防技術規(guī)范的要求，沒有帶來安全隱患。對于第二種、第三種使用功能來說，功能用途的改變不同于擴大“商業(yè)服務網點”的經營面積和增加層數，如果說后者是形式上的變化，那么功能用途的變化就是內容上的變化，導致“底層設有商業(yè)服務網點的高層居民住宅樓”變性成商住樓或者綜合樓。由于商住樓或者綜合樓屬于公共建筑，其消防設計標準也隨之發(fā)生變化，同樣也會帶來建筑物的耐火等級、安全疏散系統(tǒng)的設計、自動消防設施的設計等發(fā)生相應調整的問題。

2 底層設有商業(yè)服務網點的高層居民住宅樓火災危險性分析

通過上述分析可以看出，“底層設有商業(yè)服務網點的高層居民住宅樓”中的商業(yè)服務網點在使用經營過程中，由于經營面積、經營層數、使用功能的變化，導致變性成商住樓或者綜合樓，其消防設計標準也隨之發(fā)生了變化，主要分類情況如下：一是由二類高層居住建筑變性為一類高層公共建筑；二是由一類高層居住建筑變性為一類高層公共建筑；三是由二類高層居住建筑變性為二類高層公共建筑。針對第一種情況，我們應當予以堅決制止，不予同意和審批，應要求建設方恢復原狀；對于第二、三種情況，由于建筑本身耐火等級未變，安全疏散系統(tǒng)的消防設計仍然保持居住部分和商業(yè)部分完全獨立，僅考慮消防設施的消防設計要求如何調整即可。因此，應當具體情況具體分析。

對于一類高層居住建筑變性為一類高層公共建筑來說，按照規(guī)范要求，其商業(yè)服務網點在前期已設置自動消防設施，不會因為性質的改變而增設消防設施，因此，本文不予討論。而對于二類高層居住建筑變性為二類高層公共建筑來說，按照《高層建筑設計防火規(guī)范》（GB50045－95）（2005年版）第7.6.3的規(guī)定：二類高層公共建筑的下列部位應設有自動噴水滅火系統(tǒng)：公共活動用房、走道、辦公室和旅館的客房，自動扶梯底部、可燃物品庫房；第7.6.4規(guī)定：高層建筑中的歌舞娛樂放映游藝場所、空調機房、公共餐廳、公共廚房以及經常有人停留或可燃物較多的地下室、半地下室房間等，應設自動噴水滅火系統(tǒng)；第9.4.3條規(guī)定：二類高層建筑中面積大于50m2可燃物品庫房、面積大于500m2的營業(yè)廳等應設火災自動報警系統(tǒng)。因此，“底層設有商業(yè)服務網點的高層居民住宅樓”中的商業(yè)服務網點由于面積擴大、層數增加使用功能改變等原因變性為二類高層公共建筑時，其公共活動用房、走道、辦公室、旅館的客房、可燃物品庫房、面積大于500m2的營業(yè)廳均應增設自動消防設施（公共活動用房的定義）。但是，在工程實際中，“底層設有商業(yè)服務網點的高層居民住宅樓”中的商業(yè)服務網點并不是每間網點都增加了經營面積，增加了層數，改變了使用功能，僅僅是幾個經營戶的經營區(qū)域發(fā)生了變化，如果只針對變化了的經營區(qū)域增設自動消防設施，而對其他的商業(yè)服務網點不進行增設，該建筑是否為安全的，本文將重點對此進行討論。

2.1 火災模擬場景設置

本文采用FDS場模擬軟件對“底層設有商業(yè)服務網點的高層居民住宅樓”的底層進行火災模擬。為了探討增設自動消防設施對火災發(fā)展過程的影響，本文設計了以下三種工況：

（1）底層商業(yè)服務網點改建部位和相鄰網點不設置噴淋的情況；

（2）底層商業(yè)服務網點改建部位設置噴淋、相鄰網點不設置噴淋的情況；

（3）底層商業(yè)服務網點改建部位和相鄰網點均設置噴淋的情況（工況2水噴淋無法阻止火勢蔓延時）。

結合實際底層商業(yè)服務網點的房屋構造特征，本文設計了3間相鄰的服務網點作為研究對象，每個網點房間長12m、寬8m、高7m，均隔成兩層，并設有樓梯。其中兩個相鄰的網點改建時隔墻被拆除而連通，房間內堆放了擺放可燃商品的兩層貨架，貨架高度為1.2m，貨架之間的最小距離為1.5m，且貨架的位置不靠近樓梯口。水噴淋系統(tǒng)參照GB50084－2001自動噴水滅火系統(tǒng)設計規(guī)范（2005版）［2］中的中危險等級Ⅱ級要求布置，本文根據房間尺寸布置噴頭與端墻的最大距離為1.6m，噴頭間為3.2m×3.0m的矩形布置，噴水強度按8L／min·m2設計，噴頭的動作溫度為74℃。構建的場景模型背面剖面圖如圖1所示。

圖1 FDS火災場景背面視圖Fig.1 Rear view of FDS fire scenario

圖2 FDS火災場景正面視圖Fig.2 Front view of FDS fire scenario

圖2所示為場景的正面視圖，每個網點有寬2m、高2m的門，門的左右兩側上方分別設有寬2.5m、高1m的2個窗戶，第二層設有寬2.5m×高1.5m的2個窗戶。門和窗戶全部處于開啟狀態(tài)，室外環(huán)境風速設為5m／s，方向為朝著門窗吹進室內的方向。引燃是火災系統(tǒng)中一個很重要的現(xiàn)象，為分析火災對相鄰網點及第三層住戶可能產生的引燃，在著火網點的二層左側窗戶的左側2m、上方1m處分別設置了熱輻射和溫度記錄點（如圖2所示），用于分析記錄點的輻射熱通量和溫度隨時間的變化。關于引燃的判據，NFPA［3］建議的易燃物被點燃的臨界輻射通量不得超過10kW／m2，程遠平［4］等實驗測量的木材臨界輻射熱流約為11kW／m2，以往文獻［5，6］提供的實驗測量木材點燃的臨界溫度分布在200℃～540℃范圍內。本文基于保守考慮，引燃判據取輻射熱通量達到10kW／m2或溫度大于270℃。

對構建的火災場景劃分網格，網格元胞的長度取為0.1m，網格總數為315.36萬。在火源設置方面，根據 NFPA［3］和《防排煙技術規(guī)程》［7］提供的參數，無噴淋的公共場所最大熱釋放速率可達8MW，無噴淋的超市和倉庫最大熱釋放速率可達20MW。而Bennetts［8］等人開展的實體火災實驗數據顯示，在無水噴淋的商業(yè)中心存放鞋子的房間最大熱釋放速率可達40MW，一些專賣店的最大熱釋放速率可達45MW。為了反映底層商業(yè)服務網點可能出現(xiàn)的不同火災規(guī)模的危害程度，本文設計了兩種可燃物材料來模擬兩種不同火災荷載情況：第一種為易燃的沙發(fā)、泡沫復合內飾材料，采用功率為500kW／m2熱源點燃；第二種為密度稍大的云杉、松木類可燃木料，為使木料快速進入燃燒狀態(tài)，采用了功率為1000kW／m2熱源進行點燃。熱源位于中間一個貨架底層，面積為1m2，引燃持續(xù)時間為240s。經過初步模擬結果發(fā)現(xiàn)，火災開始700s后火場從轟燃轉向穩(wěn)定或衰減階段，因此本文的模擬時間取到900s。

2.2 不同工況模擬結果與分析

2.2.1 工況一：無自動噴水滅火系統(tǒng)

在無自動噴水滅火系統(tǒng)的工況下，兩種可燃物材料的火蔓延過程中熱釋放速率隨時間的變化如圖3所示。

圖3 無水噴淋系統(tǒng)的熱釋放速率Fig.3 Heat release rate without sprinkler system

當可燃物為沙發(fā)等內飾材料時，火災發(fā)生后起火點處貨架和相隔1.5m的相鄰貨架先后被引燃，330s后進入穩(wěn)定燃燒階段，此時熱釋放速率達15MW；700s時由于相隔2.0m的左側貨架被引燃，熱釋放速率上升達到30MW，此后隨著較早引燃的貨架開始燃燒殆盡，火勢開始逐步減小?；馂陌l(fā)展過程中100s、300s、750s、900s時刻火災蔓延狀態(tài)如圖4所示。

圖4 內飾材料可燃物的火災發(fā)展過程Fig.4 Fire development of combustible interior materials

當可燃物為松木類軟木材料時，火災發(fā)生后起火點處貨架和相隔1.5m的相鄰貨架較快被引燃，200s后進入穩(wěn)定燃燒階段，熱釋放速率在25MW上下波動；600s后由于相隔2.0m的左側貨架被引燃，熱釋放速率接近40MW；700s時二樓貨架被引燃，熱釋放速率快速上升至80MW；由于一樓和二樓可燃物燃燒積聚大量可燃氣體，800s后發(fā)生轟燃，最大熱釋放速率達80MW以上；此后，隨著貨架可燃物的相繼燃盡，火災規(guī)模將緩慢步入下降趨勢?；馂陌l(fā)展過程中200s、650s、700s、800s時刻的火災蔓延狀態(tài)如圖5所示。

圖5 木材可燃物的火災發(fā)展過程Fig.5 Fire development of wood

圖6 室外輻射及溫度測量點數據Fig.6 Data of outdoor radiation and temperature measuring point

圖6為室外輻射及溫度測量點的數據曲線，由于火災的蔓延發(fā)展以輻射引燃占主導，因此輻射測量點的變化曲線及時反映了火災熱釋放速率的變化，而室外溫度測量點由于受環(huán)境風的影響較大，測量點顯示的溫度較低且變化曲線并不與熱釋放速率完全對應。由圖6（a）可見，當可燃物為沙發(fā)等內飾材料時，兩個測量點的輻射熱通量均低于1.8kW／m2，溫度也在140℃以下，遠低于臨界輻射熱通量和溫度判據，不足以引燃相鄰網點和第三層住戶。圖6（b）顯示，當可燃物為松木類材料時，上部測量點的輻射熱通量可達到50kW／m2，轟燃階段的瞬時溫度可達300℃以上，可以引燃第三層住戶；左側測量點的溫度較低，但輻射熱通量達到10kW／m2并可以維持在該水平，根據臨界輻射熱流為10kW／m2的引燃判據，認為相鄰網點可以被引燃。

2.2.2 工況二：改建網點內設置自動噴水滅火系統(tǒng)

在改建網點設置有自動噴水滅火系統(tǒng)的工況下，兩種可燃物材料的火災過程熱釋放速率隨時間的變化如圖7所示。

當可燃物為沙發(fā)等內飾材料時，60s時起火貨架上方的兩個水噴淋頭被啟動，由于水噴淋系統(tǒng)的抑制作用，火災熱釋放速率僅能維持3MW并逐步減小，室內煙氣層溫度進一步降低；240s時由于貨架下方的熱源被撤離，可燃物不能維持燃燒而熄滅，熱釋放速率曲線快速將至零點。此過程中60s、240s時刻火災發(fā)展、水噴淋動作及煙氣層溫度狀況如圖8所示。

圖7 有水噴淋系統(tǒng)的熱釋放速率Fig.7 Heat release rate with sprinkler system

圖8 內飾可燃物火災場景水噴淋滅火過程Fig.8 Fire scene of interior combustible materials with sprinkler system

當可燃物為松木類軟木材料時，起火點處貨架在底部大功率熱源作用下快速引燃，40s時貨架上方的兩個水噴淋頭即被啟動。在水噴淋系統(tǒng)作用下熱釋放速率僅能維持5MW，室內煙氣層溫度逐步降低；240s時除了一層的水噴淋動作外，二層位于樓梯口上方的一處噴淋頭也被激活，隨著貨架下方熱源的撤離，可燃物不能維持燃燒而熄滅，熱釋放速率曲線快速將至零點。此過程中40s、240s時刻火災發(fā)展、水噴淋動作及煙氣層溫度狀況如圖9所示。

從以上對工況一的分析可以發(fā)現(xiàn)，在不設置自動噴水滅火系統(tǒng)的情況下，當可燃物為內飾材料時，火災熱釋放速率最高達30MW后便逐步下降，沒有引燃二層貨架、相鄰網點及第三層住戶；當可燃物為木材時，火災可引燃二層貨架，當一層和二層共同燃燒時最大熱釋放速率可達80MW以上，并引燃相鄰網點及第三層住戶，火災危險性較大。對工況二的分析發(fā)現(xiàn)，當改建網點安裝有自動噴水滅火系統(tǒng)時，無論是火災規(guī)模達30MW的一般火災場景，還是火災規(guī)?？蛇_80MW以上的極端火災場景，水噴淋系統(tǒng)均可在火災發(fā)展初期有效抑制并撲滅火災。因此，工況二在改建網點內安裝自動噴水滅火系統(tǒng)已經可以達到及時控制并撲滅火災的安全要求，無需再進行工況三（即在相鄰網點再增設自動噴水滅火系統(tǒng)）的模擬。

圖9 木材可燃物火災場景水噴淋滅火過程Fig.9 Fire scene of wood with sprinkler system

3 結論

本文針對底層設有商業(yè)服務網點的高層居民住宅樓的營業(yè)網點改、擴建帶來的問題，采用數值模擬的方法構建了底層商業(yè)服務網點的不同火災場景。模擬結果顯示，當改擴建后的底層商業(yè)服務網點存放沙發(fā)、泡沫等復合內飾材料時，火災僅在該網點內蔓延，難以引燃相鄰網點及第三層住戶；當改擴建后的底層商業(yè)服務網點存放松木等可燃材料時，火災會由網點內的一層蔓延至二層，并可引燃相鄰網點及第三層住戶，火災危險性較大；若在改擴建網點按照中危險等級Ⅱ級要求增設自動噴水滅火系統(tǒng)時，不論可燃物是低密度的內飾材料還是火災荷載較大的木材，自動噴水滅火系統(tǒng)均可在火災早期有效阻止火勢蔓延并撲滅火災。因此，建議對于底層商業(yè)服務網點進行了改擴建的高層居民住宅樓，采取在底層改擴建的商業(yè)網點增設自動噴水滅火系統(tǒng)、相鄰網點不設置自動噴水滅火系統(tǒng)的消防設計方法，可以滿足控火和滅火的消防安全要求。本文的模擬結果可為實際工作中消防決策的尺度把握提供重要的理論支持和數據參考。

此外，隨著經濟社會的快速發(fā)展，各種新、奇、特的建設工程和改擴建工程也必將不斷地涌現(xiàn)出來，從消防服務工作方面來說，我們需要從下面兩個方面深化認識：

1.從認識上講，變化代表著發(fā)展，而消防是服務，服務的內容和方式要隨著發(fā)展而改變，針對一些具體問題、具體情況，我們要具體分析，不能一刀切，這是不符合事物發(fā)展的客觀規(guī)律的。

2.從客觀上說，建筑工程項目審批、日常監(jiān)督檢查等各個環(huán)節(jié)要有有機地聯(lián)系起來，形成一個整體，及時溝通，互通有無，對這類新情況、新問題要及時跟蹤掌握，第一時間介入，并進行指導服務，避免火災隱患的產生，創(chuàng)造和諧安定的消防安全環(huán)境。

［1］《高層民用建筑設計防火規(guī)范》（GB50045－95）（2005年版）［S］.

［2］《自動噴水滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》（GB50084－2001）（2005年版）［S］.

［3］Standard for Smoke Management Systems in Malls，Atria，and Large Spaces，NFPA 92B，2005［S］.

［4］張孟君，程遠平，張小宏.著火房間相鄰可燃物引燃過程及其實例研究［J］.消防科學與技術，2004，23（2）：107－111.

［5］季經緯，程遠平，楊立中，等.變熱流條件下木材點燃的實驗研究［J］.燃燒科學與技術，2005，11（5）：448－453.

［6］季經緯，郝耀華，王玉娥，等.木材在線性增長熱流下著火的復合判據研究［J］.安全與環(huán)境學報，2009，9（6）：116－120.

［7］《建筑防排煙技術規(guī)程》，DGJ08－88－2006［S］.

［8］Bennetts ID，Poh KW，Poon SL，etc.Fire Safety in Shopping Centres［R］.Fire Code Reform Centre Limited，Australia，1998，265.