肖春花,姚 斌＊ ,刘跃红,刘 文,左 剑

(1.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,安徽合肥,230026;

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

城市综合交通枢纽内消防“准安全区”设置原则和评估流程研究

肖春花1,姚 斌1＊,刘跃红2,刘 文3,左 剑2

(1.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,安徽合肥,230026;

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

由于使用功能的需要,综合交通枢纽中的交通换乘大厅常设计为高大空间结构。在实际工程中,该类高大空间建筑部位超出了现行防火规范关于防火分区面积和安全疏散距离的要求,通常采用性能化方法进行评估,在性能化评估中一般采用“准安全区”的理念。目前,“准安全区”的火灾安全仅依靠性能参数的比较论证,没有较为统一的设计准则。从不同的净空高度出发,综合考虑自然排烟口面积占地板面积的比例、相邻自然排烟口的间距和单个自然排烟口的面积等多种因素影响下的综合交通枢纽换乘大厅作为“准安全区”的设计要求,提出了“准安全区”设计原则和评估流程,研究成果可直接用于综合交通枢纽换乘大厅的设计与评估中,并对类似建筑具有指导意义。

综合交通枢纽;换乘大厅;火灾安全;准安全区;设置原则;评估流程

0 引言

随着交通事业的发展,城市交通方式不断改善。为实现各种交通方式之间的衔接,满足旅客中转换乘的需要,综合交通枢纽已在各大城市相继出现。由于使用功能的需要,综合交通枢纽中的交通换乘大厅常设计为大空间结构,在实际工程中,该类大空间建筑部位通常出现防火分区面积过大、安全疏散距离过长的情况,从而超出了现行防火规范[1,2]关于防火分区面积和疏散距离的要求。

用于人员疏散的“准安全区”是针对大型建筑中防火分区面积过大、安全疏散距离过长等超出现有规范要求的建筑部位而提出的[3],综合交通枢纽内的换乘大厅等大空间场所一般按照“准安全区”的概念来设计。所谓“准安全区”,是指介于室外绝对安全场所和室内火灾隐患场所之间,本身无较大火灾危险且在火灾时供人员短暂停留而不至于受到火势影响的场所。根据综合交通枢纽内人员疏散特点,参考现有大多数性能化防火论证的实际工程,将“准安全区”的安全时间界定为30分钟,即在火灾发生30分钟内能保证火灾烟气不影响人员安全疏散的场所即可按照“准安全区”概念进行设计。

目前,国内对于“准安全区”的安全性论证仅针对某一具体工程案例进行,并未形成统一的设计原则。如王蔚等人利用建筑内的大中庭作为“准安全区”设计[4],安庆新针对济南奥体中心体育场内的环形通道设计“准安全区”[5]等,这些研究定性提出了“准安全区”内应采取的安全措施,但对“准安全区”的设置原则未作定量描述。

本文以城市综合交通枢纽内大空间换乘大厅为背景,针对换乘大厅内防火分区较大、疏散距离较长等普遍特点,采用数值模拟方法,分析影响“准安全区”安全性的主要因素,提出适用于城市综合交通枢纽换乘大厅用作“准安全区”的设计原则,为综合交通枢纽及类似大空间建筑的防火设计提供参考意见。

1 影响因素分析

1.1 可燃物荷载

城市综合交通枢纽内人员众多,人流复杂,换乘大厅内难免存在较多移动可燃物,甚至因为特殊需要还设有固定可燃物。因此,设计为“准安全区”的换乘大厅内也存在着火灾隐患。可燃物荷载对“准安全区”的安全影响尤为重要,综合交通枢纽内的移动荷载大多为乘客的行李,最大火源功率不会超过2MW[6];但固定可燃物的火源功率却相对较大,若设置较多固定可燃物,势必会为“准安全区”埋下较大的安全隐患。因此,必须通过限制准安全区内可燃物荷载来保障其在30分钟内不威胁人员的安全疏散。

1.2 净空高度

城市综合交通枢纽内换乘大厅的净空高度直接影响火灾状况下大空间场所的蓄烟能力。由于火灾烟气的热效应,热烟气会聚集在大空间上部,一般情况下,净空高度较大的区域可蓄积较多烟气,延缓火灾烟气影响人员疏散的时间;相反,净空高度较小的场所一旦发生火灾,烟气会迅速下降到危险高度,导致人员疏散无法进行,使该区域无法达到“准安全区”安全时间的要求。

1.3 排烟设施

1.3.1 自然排烟

为了增加空间的通透性,准安全区内大量采用自然排烟的方式。作为准安全区内火灾烟气排出的唯一通道,自然排烟口对于保障准安全区的安全性起着举足轻重的作用。自然排烟口按所处位置的不同可分为顶部自然排烟口和高侧窗自然排烟口。顶部自然排烟口位于排烟空间的顶部,排烟口呈水平分布;高侧窗自然排烟口位于排烟空间的侧墙上,排烟口一般均匀垂直分布。自然排烟口在影响烟气排出方面可通过自然排烟口面积占地板面积的比例、相邻自然排烟口的间距和单个自然排烟口的面积三个参数来界定。

(1)自然排烟口面积占地板面积的比例

火灾时烟气的产生具有一定的速率,自然排烟口必须要有足够的面积比例才能将同一时间产出的烟气排出准安全区,达到产烟和排烟的平衡,保证烟气层不继续下降。如果自然排烟口面积不足,产烟量就会大于排烟量,无法排出的烟量就会在“准安全区”内沉降,当自然排烟口面积比例小到一定值时,烟气层则会在30分钟内沉降至威胁人员安全疏散的危险高度,导致“准安全区”的安全条件不成立。

(2)相邻自然排烟口的间距

火灾发生后,热烟气在接触屋顶后的运动过程是水平和竖直双向运动的,如果相邻自然排烟口之间的距离过远,则会导致烟气水平运动距离过长。

图1 烟气运动分析图Fig.1 Analysis of smoke movement

(3)单个自然排烟口的面积

烟气的排出需要一定的空间,对于一个特定的自然排烟口而言,排烟口周围聚集的烟气需要从该排烟口排出,若单个自然排烟口面积较小,烟气就会在排烟口处聚集,再加上外界环境温度的冷却作用,使该处的热烟气转变为冷烟,浮力下降,致使烟气上升受阻而长时间堆积在排烟口处,导致该排烟口无法继续有效地排烟。

1.3.2 机械排烟

如前所述,“准安全区”的设计前提是高大空间建筑部位,建筑净空高度相对越高则对自然排烟越有利。但在实际工程中,还存在净空高度相对较小的高大空间需要设计为“准安全区”的情况。在这种情况下,采用自然排烟方式可能难以满足排烟需求,因此,需要通过划分防烟分区并增设机械排烟的措施来达到“准安全区”安全性的要求。

2 研究案例介绍

本文以某综合交通枢纽内交通换乘大厅作为研究对象,原型平面见图2。研究区域原始设计高12m,面积约24000m2,属于高大空间换乘场所,顶部开设两个尺寸均为27m×27m的开口,用于火灾工况下的自然排烟。

图2 研究对象平面图Fig.2 Plane distribution of study object

3 分析方法

本文在设定火源功率的前提下,通过选取不同的建筑高度,合理布置并适当调整自然排烟口,建立计算模型,采用烟气模拟软件FDS[7]对不同火灾场景下的烟气蔓延情况进行模拟分析,最后选用30分钟内安全的计算场景,提出“准安全区”设置原则,并给出“准安全区”的评估流程图,研究开展的技术路线如图3所示。

图3 研究技术路线Fig.3 Technical line of the study

根据相关资料[8,9],本文所采取的安全判据为:

在模拟进行的前30分钟内,若研究区域内的火灾烟气未达到以下临界要求,则认为其可作为“准安全区”设计:

①烟层距地板高度大于2m的区域,热烟层的温度不超过180℃;

②热烟层距地板高度小于2m的区域,热烟层的温度不超过60℃,且能见度不小于10m;

③热烟层距地板高度小于2m的区域,一氧化碳浓度不得超过450ppm。

4 “准安全区”安全性研究

4.1 火灾场景设置

考虑行李火灾,火源取 T2快速增长火,稳定火源功率取1.5MW,模拟时间为1800s。分别选取了净空高度为6m、8m、10m的大空间场所进行研究,排烟方式优先考虑自然排烟,分别论证设置顶部自然排烟和高侧窗自然排烟的安全性,在自然排烟无法满足安全性要求时,改用或增设机械排烟进行论证。

在经过大量探索性模拟研究的基础上,选取了具有代表性的模拟场景进行说明,如表1所示。

表1 火灾场景的设置Table 1 Fire scenario

其中,顶部自然排烟口的面积比例指的是顶部自然排烟口的净面积占地板面积的比例,顶部自然排烟口的间距指相邻排烟口的边缘距离,单个自然排烟口面积考虑所有自然排烟口尺寸均相同。

顶部自然排烟口三个参数之间存在一定的函数关系,从安全性角度考虑,面积比例和单个排烟口面积存在一个最小值,排烟口间距存在一个最大值。表中各数值的选取考虑了实际工程的需求后确定。高侧窗自然排烟口在建筑侧墙上沿长度方向均匀布置,排烟口面积比例是参考了较多现有实际工程案例的设计而确定的。设置机械排烟时的机械排烟量按规范[10]计算确定,并相应设置一定量的机械补风,本文取机械补风量为机械排烟量的50%。

图4 顶部自然排烟口分布典型模型Fig.4 Typical distribution of top natural exhaust ports

由于案例较多,下面仅给出几个相对典型的计算模型加以介绍。顶部自然排烟口分布状况主要分为两类,一类为密集分布型(相邻排烟口间距为9m),一类为稀疏分布型(排烟口间距为60m),如图4所示;高侧窗自然排烟口均匀分布在建筑对立面的侧墙上,如图5所示。

图5 高侧窗自然排烟口分布模型Fig.5 Distribution of high-side windownatural exhaust ports

4.2 计算结果及分析

采用火灾烟气模拟软件FDS对以上设计的火灾场景进行建模计算,模拟总时间设定为1800s。

典型模拟计算结果如图6所示,在开设顶部自然排烟口的场景中,模拟时间至 t=1800s时,距地面高2m处的能见度虽然有较大范围的降低,但该截面处所有地方的能见度均未降至危险临界值,所以认为该场景在 t=1800s时是安全的;相反,在开设高侧窗自然排烟口的场景中,能见度降低的区域较顶部自然排烟口少,但该截面处在650s时部分区域的能见度已降至危险临界值,因此认为其安全时间仅650s,在1800s内不安全。

按照同样的判断方法,根据温度、能见度和CO浓度的安全判据,得到的各场景在1800s内的烟气模拟计算结果如表2所示。

图6 模拟计算结果能见度截图示意Fig.6 Visibility diagram of calculated results

表2 模拟计算结果Table 2 Simulation results

从表2可知,单个自然排烟口面积为4m2时,热烟气达到排烟口后可顺利排出室外(A-1、B-1)。当建筑净空高度为6m时,在顶部自然排烟口面积占地板面积的比例相同的前提下,自然排烟口间距为60m时该场所不能达到“准安全区”的要求(A-2),仅采用高侧窗自然排烟的方式也不能达到“准安全区”安全时间的要求(A-5),改用机械排烟后仍无法满足要求(A-3),通过增设机械排烟的方法可使其在1800s内处于安全状态(A-4、A-6)。因此,若建筑净空高度为6m的换乘大厅作为“准安全区”设计时,需同时设置自然排烟和机械排烟方式。当建筑净空高度为8m时,仅采用设定的自然排烟方式时,各场景在1800s以内均未达到危险状态(B-1、B-2、B-3),因此,采用自然排烟方式可满足净空高度为8m的换乘大厅作为“准安全区”设计。当建筑净空高度为10m时,保持最大间距的情况下,将顶部自然排烟口的面积比例降至5%,仍可满足“准安全区”的要求(C-1)。

4.3 “准安全区”设置原则及评估流程

根据前文计算结果,将得到的不同高度准安全区设置原则总结如下:

(1)对于6m高大空间类建筑,满足以下条件时,可作为“准安全区”设计:

1)尽量避免在公共区内设置固定可燃物。

2)可采用以下两种排烟模式:

①顶部自然排烟与机械排烟合用的排烟模式。该模式下,顶部自然排烟口的面积占地板面积的比例不应小于8%;相邻自然排烟口的间距不得超过60m;单个自然排烟口的面积不应小于4m2。机械排烟量不应小于按6次/h的换气次数计算值,且应设置不低于机械排烟量50%的机械补风量。

②高侧窗自然排烟与机械排烟合用的排烟模式。该模式下,高侧窗自然排烟口的面积占地板面积的比例不应小于2%。机械排烟量不应小于按6次/h的换气次数计算值,且应设置不低于机械排烟量50%的机械补风量。

(2)对于8m高大空间类建筑,满足以下条件时,可作为“准安全区”设计:

1)尽量避免在公共区内设置固定可燃物。

2)空间高度为8m时可采用顶部自然排烟方式或者高侧窗自然排烟方式进行排烟。

3)采用顶部自然排烟方式时,顶部自然排烟口的面积占地板面积的比例不小于8%;自然排烟口间距不大于60m;单个自然排烟口的面积不小于4m2。

4)采用高侧窗自然排烟方式时,高侧窗的净开窗面积占地板面积的比例不应小于2%,且自然排烟口宜沿侧墙均匀布置。

(3)对于10m高大空间类建筑,满足以下条件时,可作为“准安全区”设计:

1)尽量避免在准安全区内设置固定可燃物。

2)顶部自然排烟口面积占地板面积的比例不得小于5%。

3)相邻自然排烟口的间距不得超过60m。

4)单个自然排烟口的面积不应小于4m2。

将以上不同建筑高度的准安全区设置原则扩展到所有高度的建筑中。从安全性的角度出发,认为空间高度在6m以下的高大空间建筑不宜作为准安全区,研究所得的6m高准安全区的设置原则可普遍用于6m≤H<8m的高大空间建筑中,8m高准安全区的设置原则可普遍用于8m≤H<10m的高大空间建筑中,10m高准安全区设置原则可普遍用于H≥10m的高大空间建筑中(其中 H为大空间建筑高度)。由此得出准安全区的评估流程图如图7。

图7 准安全区评估流程图Fig.7 Assessment process of Quasi-Safety Zone

图中各参数意义:高度 H——空间的平均净空高度;开口间距L——相邻自然排烟口边缘的最小距离;开口比例α1——顶部自然排烟口的总面积与地面积的比值;单个开口面积 A——单个自然排烟口的面积。开口比例α2——高侧窗自然排烟口的总面积与地面积的比值;Y——增设机械排烟;N——不增设机械排烟。

5 结束语

本文采用数值模拟的方法对城市综合交通枢纽交通换乘大厅作为“准安全区”设计的安全性进行了分析,得出了普遍适用于该类大空间场所的“准安全区”设计原则及评估流程,能够为综合交通枢纽及类似建筑的设计及安全性评估提供一定的指导意见,同时,可为相关建设单位、消防设计和管理部门提供一个技术沟通平台。本文所研究的“准安全区”各影响因素之间的函数关系有待进一步深究,所得设计原则及评估流程需要在实际工程中得到论证,增强其广泛适用性。

[1]GB50016-2006,建筑设计防火规范[S].

[2]GB50157-2003,地铁设计规范[S].

[3]吴凤,邓军,沈奕辉.浅谈大型地下商场安全岛的设置[J].中国安全科学学报.2004,14(8):71-74.

[4]王蔚,张和平,徐亮,杨昀.大中庭建筑的性能化防火设计初探[J].建筑学报.2006(7):48-49.

[5]安庆新.以济南奥体中心体育场为例谈超大型平面的建筑消防设计[J].华中建筑.2007,25(9):124-163.

[6]何开远,樊洪明,赵耀华,石勃伟.地铁岛式站台烟控系统的性能化分析[J].都市快轨交通.2009,22(1):91-95.

[7]Kevin M,Bryan K.Fire Dynamics Simulator(Version 5)User’s Guide[M].U.S.Government printing office.Washington:2007.

[8]姚斌,刘乃安,李元洲.论性能化防火分析中的安全疏散时间判据[J].火灾科学.2003,12(2):79-83.

[9]The SFPE Handbook of Fire Protection Engineering(Third Edition)[M].by Philip J.DiNenno(ed.).Society of Fire Protection Engineers and National Fire Protection,2008.

[10]DGJ08-88-2006,建筑防排烟技术规程[S].上海:上海市建筑建材业市场管理总站,2006.

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,四川绵阳人,中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室硕士研究生,研究方向为城市综合交通枢纽火灾安全。

联系作者:姚斌,副研究员,binyao@ustc.edu.cn。