試論高層建筑電梯井煙囪效應(yīng)及防火設(shè)計(jì)

劉建軍

（無錫市消防救援支隊(duì)，江蘇無錫214000）

1 高層建筑電梯井煙囪效應(yīng)成因

從高層建筑運(yùn)行情況來看，煙囪效應(yīng)主要是由電梯井拔風(fēng)現(xiàn)象導(dǎo)致的。當(dāng)建筑物室內(nèi)外溫差較大時(shí)，室內(nèi)外空氣會(huì)存在密度差，室內(nèi)熱空氣密度較小，會(huì)沿著電梯井等豎直通道逐漸向上擴(kuò)散，通過各種縫隙逐漸從較高層外滲。而外界冷空氣密度較大，會(huì)從建筑物底層逐漸滲入，采用式（1）計(jì)算其壓差：

式中，ΔP為壓差，Pa；ti為室內(nèi)溫度，℃；to為室外溫度，℃；g為自由落體加速度，m/s2；ρ為空氣密度，kg/m；Δh為距離中和界的高度，m。

由式（1）可知，壓差值通常情況下與室內(nèi)外溫差以及中和界高度差成正比關(guān)系。因此，建筑物高度越高，室內(nèi)外溫差越大，那么，電梯井產(chǎn)生的煙囪效應(yīng)便越明顯。

2 高層建筑電梯井煙囪效應(yīng)防火設(shè)計(jì)

要預(yù)防高層建筑電梯井煙囪效應(yīng)，需要從加強(qiáng)維護(hù)結(jié)構(gòu)密閉性、分段設(shè)置電梯、在侯梯廳設(shè)計(jì)隔斷或前室等方面入手，做好防火設(shè)計(jì)，為建筑物安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。以下內(nèi)容對此詳細(xì)論述。

2.1 加強(qiáng)維護(hù)結(jié)構(gòu)密閉性

相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果顯示，某高度為100 m的建筑物，在沒有任何阻擋的情況下，煙囪效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致煙氣從電梯井等豎向井管向上擴(kuò)散，并且只需要30 s就可以在短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致建筑物成為立體火場。要有效解決高層建筑煙囪效應(yīng)，需要加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的密閉性，通過改善高層建筑外墻密封性能改善煙囪效應(yīng)。需要注意的是，由于該高層建筑為辦公建筑，出入口人流量較大，滲風(fēng)現(xiàn)象較為嚴(yán)重，加強(qiáng)出入口密封性也十分重要[1]。

2.2 分段設(shè)置電梯

已知煙囪效應(yīng)與建筑物高度以及室內(nèi)外溫差成正比關(guān)系，可以根據(jù)此規(guī)律從源頭上對此現(xiàn)象進(jìn)行遏制。通過在高層建筑分層設(shè)置電梯的方式，降低電梯井高度，減小電梯門兩側(cè)氣壓差，以達(dá)到防火的目的，為人員疏散逃生提供足夠的時(shí)間。

2.3 在候梯廳前設(shè)計(jì)隔斷或前室

除了上述兩種手段外，還可以通過在候梯廳前設(shè)置隔斷或前室的方式減小煙囪效應(yīng)造成的影響。這一手段與分段設(shè)置電梯原理相同，通過采用該手段能夠降低電梯門內(nèi)外壓差，減弱煙囪效應(yīng)。

2.4 合理設(shè)計(jì)機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)

通過在建筑工程內(nèi)部設(shè)計(jì)機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)的方式，能夠降低室內(nèi)壓力，也能夠降低電梯井內(nèi)部與外界的溫差，以此達(dá)到減弱煙囪效應(yīng)的目的。其原理是：由風(fēng)機(jī)設(shè)備提供動(dòng)力，促使樓內(nèi)空氣流動(dòng)。機(jī)械通風(fēng)不會(huì)受到自然條件限制，可以根據(jù)建筑物情況排風(fēng)、送風(fēng)，最終獲得穩(wěn)定的通風(fēng)效果。圖1為該工程項(xiàng)目機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)示意圖。

圖1 機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

3 工程案例

某高層建筑位于某省會(huì)城市，建筑功能主要為辦公，在樓層頂部設(shè)置有高級(jí)會(huì)所及觀光層，建筑物高254 m，層高15.3 m，標(biāo)準(zhǔn)層高4.3 m，標(biāo)準(zhǔn)層建筑面積為3 012 m2，其中，電梯井面積為260 m2。該建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要以玻璃幕墻為主。作為典型的高層建筑類型，需充分考慮電梯井煙囪效應(yīng)，采取針對性防火設(shè)計(jì)，以保障建筑物安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 模擬與分析

4.1 根據(jù)項(xiàng)目要求保障模擬工具的合理性

模擬工具的選擇直接關(guān)系到模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度，對后續(xù)防火方案的制訂有重要意義。基于此，筆者作為監(jiān)督人員，與設(shè)計(jì)人員從建筑物內(nèi)部運(yùn)行情況出發(fā)，保障模擬工具的合理性。通過對比多種模擬工具，本文主要采用CONTAMW軟件對建筑物中各構(gòu)件壓差及換氣量進(jìn)行計(jì)算。CONTAMW是美國火災(zāi)研究所針對多區(qū)域空氣流動(dòng)模擬的最新版本。通過該軟件可以利用高層建筑中的空氣流通路徑、區(qū)域等變化，設(shè)置不同模擬目標(biāo)，對建筑物煙囪效應(yīng)進(jìn)行模擬探究[2]。

4.2 結(jié)合項(xiàng)目實(shí)況督促工作人員設(shè)計(jì)模型

在該高層建筑項(xiàng)目當(dāng)中，標(biāo)準(zhǔn)層外區(qū)都為辦公區(qū)，內(nèi)區(qū)核心設(shè)備為機(jī)房與電梯。筆者根據(jù)這一事實(shí)，督促工作人員在構(gòu)建設(shè)計(jì)模型時(shí)從實(shí)際情況出發(fā)，同比例縮小建筑結(jié)構(gòu)，確保模型符合建筑現(xiàn)實(shí)情況。

4.3 以建筑物運(yùn)行狀態(tài)為基礎(chǔ)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定

根據(jù)該建筑工程以往的運(yùn)行情況，筆者督促設(shè)計(jì)人員結(jié)合項(xiàng)目實(shí)況設(shè)定相關(guān)參數(shù)，在本次模擬分析工作中，設(shè)定室外溫度為-7℃，室內(nèi)溫度為20℃，項(xiàng)目外圍護(hù)結(jié)構(gòu)以玻璃幕墻為主。該建筑物玻璃幕墻氣密性為3級(jí)，單位面積內(nèi)幕墻的滲風(fēng)量為1.0 m3/h。此外，對于建筑物煙囪效應(yīng)產(chǎn)生影響的關(guān)鍵設(shè)施有電梯門、推拉門等。盡可能促使此項(xiàng)模擬工作符合建筑實(shí)況，為提高模擬活動(dòng)效果奠定基礎(chǔ)。

4.4 結(jié)果與分析

4.4.1 加強(qiáng)維護(hù)結(jié)構(gòu)密閉性

除了加強(qiáng)維護(hù)結(jié)構(gòu)密閉性之外，還對電梯井當(dāng)中存在的縫隙，以及大樓出入口的密封性進(jìn)行了明確要求。根據(jù)模擬情況來看，該方法能減小建筑高層與底層的溫差，進(jìn)而減小建筑物內(nèi)外壓差，避免冷空氣從低樓層滲入，熱空氣從高樓層滲出，進(jìn)而減小煙囪效應(yīng)，避免發(fā)生火災(zāi)時(shí)事故不斷擴(kuò)大。

4.4.2 區(qū)間分段電梯

在對高層建筑電梯進(jìn)行分段設(shè)計(jì)后，通過模擬情況可知，區(qū)間電梯的電梯門兩側(cè)壓差在安全范圍。電梯在低層與高層間穿梭時(shí)，最大壓差為69 Pa，小于100 Pa。由此可見，在該建筑物中，通過設(shè)置分段電梯的方式能夠降低電梯井的高度差，進(jìn)而有效降低電梯門兩側(cè)壓差，以達(dá)到減小煙囪效應(yīng)的目的。

4.4.3 候梯廳前設(shè)計(jì)隔斷或前室

在該建筑工程中，共設(shè)置3部消防電梯，在明顯超壓層（73層）對消防電梯1、2設(shè)置隔斷門，第三部消防梯不做任何處理。根據(jù)模擬結(jié)果來看，隔斷門的設(shè)置能夠促使消防梯門的壓差從設(shè)置前的150 Pa降低到25 Pa。但是需要注意的是，由于該超壓層壓強(qiáng)的變化，導(dǎo)致各層壓力分布情況也隨之變化，高區(qū)（68層）電梯門壓差即將達(dá)到100 Pa，基于此，在該層也加設(shè)隔斷門，將其壓差穩(wěn)定在100 Pa以下，以解決超壓問題，減弱煙囪效應(yīng)。

對于高層建筑，要做好煙囪效應(yīng)防火設(shè)計(jì)，需要在設(shè)計(jì)、施工階段加強(qiáng)高層建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的密閉性，減少建筑物漏風(fēng)現(xiàn)象。在通往外界的出入口等地加設(shè)隔斷，防止煙囪效應(yīng)。與此同時(shí)，還需要結(jié)合建筑物實(shí)際運(yùn)行情況，設(shè)計(jì)電梯轉(zhuǎn)換層。通過考慮外界風(fēng)壓等因素，還可以在不常用的門窗上裝設(shè)門斗、窗簾等，在電梯廳設(shè)計(jì)隔斷或者前室，有效抑制煙囪效應(yīng)，為高層建筑的安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

5 高層建筑電梯井煙囪效應(yīng)防火策略

5.1 保障消防安全與孔洞封堵

要做好高層建筑電梯井煙囪效應(yīng)防火工作，還需要做好以下工作：

1）由于不少高層建筑火災(zāi)事故是由外保溫層材料起火導(dǎo)致，再加上外保溫層與電梯井距離較近，相關(guān)物業(yè)人員要對建筑物外墻裝飾層進(jìn)行檢查，確保其完好無損，尤其是在封閉區(qū)域，要定期維修，避免保溫層脫落等為火災(zāi)事故埋下隱患。

2）設(shè)計(jì)人員需要以GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》、GB/T 51410—2020《建筑防火封堵應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》為基礎(chǔ)，對于建筑設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的孔洞進(jìn)行充分考慮，進(jìn)而完善設(shè)計(jì)，重點(diǎn)考慮建筑物管道井的樓板孔洞以及電纜井縫隙、風(fēng)管橋架穿墻孔等。選擇的封堵材料要以不燃燒體為主。相關(guān)單位在后期驗(yàn)收檢查過程中也需要將孔洞、縫隙封堵情況作為竣工驗(yàn)收內(nèi)容，盡可能地保障高層建筑后期穩(wěn)定運(yùn)行。

5.2 及時(shí)檢查樓內(nèi)設(shè)施

防火門是防止建筑物火災(zāi)事故不斷擴(kuò)大的重要設(shè)施?；诖?，物業(yè)人員要與設(shè)計(jì)人員形成聯(lián)動(dòng)，在合理設(shè)置防火門的同時(shí)，物業(yè)部門在后期要做好相關(guān)設(shè)施的維護(hù)工作。對建筑物內(nèi)的各防火門進(jìn)行全面檢查，隨報(bào)隨修。若因建筑物煙囪效應(yīng)導(dǎo)致防火門憑借自閉力出現(xiàn)無法關(guān)閉的現(xiàn)象，工作人員要進(jìn)行人工干預(yù)。此外，樓梯間也是加強(qiáng)煙囪效應(yīng)的主要豎向通道，對此也要引起重視。

在該建筑物地下室區(qū)域，熱水鍋爐機(jī)房、直燃機(jī)組需要合理設(shè)置進(jìn)氣口，因?yàn)檫@兩種設(shè)備在運(yùn)行過程中會(huì)消耗該區(qū)域很多空氣，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備所在區(qū)域出現(xiàn)抽取空氣的現(xiàn)象?；诖?，要在設(shè)備所在機(jī)房中設(shè)置通往建筑物外部的進(jìn)氣口，以此減弱地下室空氣流動(dòng)現(xiàn)象。

對于電梯井旁邊的門窗，不經(jīng)常使用的可以加裝保溫門簾，需要注意的是，門簾不得遮擋安全出口指示標(biāo)識(shí)[3]。

5.3 通過加強(qiáng)管理弱化煙囪效應(yīng)

1）設(shè)置測溫點(diǎn)，通過設(shè)置測溫點(diǎn)對建筑物內(nèi)部溫度情況進(jìn)行監(jiān)控，以便及時(shí)調(diào)節(jié)室溫，避免出現(xiàn)開雙散熱等現(xiàn)象，降低建筑物高層區(qū)域與底層區(qū)域溫差。

2）做好防凍工作，因?yàn)楦邔咏ㄖ餆焽栊?yīng)，導(dǎo)致室內(nèi)部分區(qū)域溫度較低。例如，在該工程項(xiàng)目中，風(fēng)機(jī)盤管管道會(huì)出現(xiàn)凍裂跑水現(xiàn)象，因此，要做好管道與縫隙的封堵工作，并且做好宣傳培訓(xùn)工作，使員工與客戶能夠?qū)Ω邔咏ㄖ焽栊?yīng)進(jìn)行充分了解，進(jìn)而配合物業(yè)部門的相關(guān)工作。

3）在高層建筑物內(nèi)部容易產(chǎn)生煙囪效應(yīng)的區(qū)域，不得隨便使用裝飾材料與易燃材料。在垂直通風(fēng)道，如電梯井等，需要采取相關(guān)回流措施，以便減弱高層建筑煙囪效應(yīng)，為其后期安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

6 結(jié)語

綜上所述，高層建筑作為現(xiàn)代建筑行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)物，對于提高城市空間利用率具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。與此同時(shí)，因?yàn)楦邔咏ㄖ旧斫Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、高度高等因素，導(dǎo)致在寒冷天氣下，建筑物內(nèi)外部、上下部溫差大，產(chǎn)生煙囪效應(yīng)。在該效應(yīng)下，一旦建筑物發(fā)生火災(zāi)，火勢會(huì)通過電梯井在短時(shí)間內(nèi)縱向蔓延，對居住者的生命安全造成嚴(yán)重威脅?；诖?，需要結(jié)合建筑物實(shí)況采取科學(xué)合理的措施進(jìn)行解決，為建筑物后期安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。