消防性能化設(shè)計(jì)在地下商業(yè)煙控設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

        隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，各種商業(yè)群發(fā)展迅速，許多商業(yè)設(shè)施利用地下空間開(kāi)發(fā)，并依托地鐵或交通樞紐，形成地下商業(yè)綜合體。這些地下商業(yè)建筑，一般具有面積大、人員數(shù)量多、疏散路徑復(fù)雜等特點(diǎn)，給消防安全帶來(lái)了較大的隱患。筆者針對(duì)這類(lèi)建筑特點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行了分析研究。

1  地下商業(yè)建筑的火災(zāi)危險(xiǎn)性

        地下建筑功能也逐漸向商業(yè)化、便利化方向發(fā)展，地下商場(chǎng)從地下封閉式到半開(kāi)放式，從平戰(zhàn)結(jié)合的防空洞到專(zhuān)門(mén)開(kāi)挖的地下街，從品類(lèi)單調(diào)的路攤到綜合性的百貨店，其形式日趨多元化。以上海地區(qū)為例：

        上海人民廣場(chǎng)地下商場(chǎng)是依托地鐵交通的地下商城，總面積約32000m2，包括地下商業(yè)街和地下商場(chǎng)，商業(yè)街長(zhǎng)300m，寬36m的長(zhǎng)街，兩旁共有近百家店鋪，每間約20-50m2。商店主要經(jīng)營(yíng)服飾皮鞋、鐘表、眼鏡、攝影、美食、咖啡屋、銀行、超市等。地下商業(yè)街與地下商場(chǎng)相通。

        上海五角場(chǎng)萬(wàn)達(dá)地下商業(yè)街則是依托五角場(chǎng)商業(yè)群落，作為商業(yè)群的一部分，五角場(chǎng)地下商業(yè)約40000m2，由三條長(zhǎng)約800m的商業(yè)步行街連結(jié)，在中部設(shè)有數(shù)個(gè)下沉廣場(chǎng)供采光。商業(yè)街兩側(cè)為店鋪，面積約數(shù)百平米不等。

        上海虹橋樞紐則是依托交通樞紐，集火車(chē)、地鐵、公交等運(yùn)輸功能與一體，人流量較大，在各個(gè)功能轉(zhuǎn)換區(qū)域會(huì)設(shè)置相當(dāng)規(guī)模的商業(yè)經(jīng)營(yíng)場(chǎng)所。虹橋樞紐地下商業(yè)與公共區(qū)域向結(jié)合布置，部分單個(gè)單元面積約500-600m2。

        地下商業(yè)建筑中可燃物密集。火災(zāi)原因主要有電氣火災(zāi)、廚房火災(zāi)、裝修材料火災(zāi)、人為管理不當(dāng)?shù)龋绻芾聿簧疲l(fā)生火災(zāi)可能性較大，且后果嚴(yán)重。另一方面，地下商業(yè)具有人員密集，人員組成復(fù)雜，地下空間狹小，無(wú)法自然采光，通風(fēng)不便利，各種開(kāi)口少，熱量容易聚集，發(fā)煙量較大，產(chǎn)生的熱煙氣難以擴(kuò)散，導(dǎo)致火災(zāi)初期升溫迅速。地下商業(yè)人員密集且不易辨別方向，人員的逃生方向和煙氣的擴(kuò)散方向都是從下往上，使疏散變得很困難。滅火救援時(shí)，在濃煙、有毒氣體的阻礙下，大型消防設(shè)備及滅火人員難以進(jìn)入，一般的無(wú)線(xiàn)通訊設(shè)備難以使用，聯(lián)絡(luò)困難，這些都要求其消防設(shè)計(jì)必須安全可靠。

2  某地下商業(yè)街概況

        某大型商業(yè)廣場(chǎng)，其地下一層為地下商業(yè)廣場(chǎng)，商業(yè)廣場(chǎng)兩側(cè)為商業(yè)區(qū)域，商業(yè)區(qū)域間為大通道，通道寬度為12m，高5.4m，長(zhǎng)226.8m，見(jiàn)圖1。

       通道的中間位置設(shè)有半圓形采光天井區(qū)域，半圓形挑高采光頂，采光頂?shù)淖罡咛幣c地面凈高為7.7m，投影面積為209 m2，而靠近右側(cè)處設(shè)置矩形風(fēng)雨棚，長(zhǎng)度為24m，寬為6.3m，面積約為151.2m2，見(jiàn)圖2和圖3。

        在這兩處下沉廣場(chǎng)直接與室外相通，但由于防雨等要求，在頂部設(shè)置風(fēng)雨棚，在通道區(qū)域主要依靠風(fēng)井自排排煙窗進(jìn)行排煙，因此針對(duì)該種工況對(duì)地下商業(yè)街進(jìn)行FDS建模，并考慮在幾種不同排煙面積時(shí)，排煙效果以確定合適的排煙口面積。

3  火災(zāi)場(chǎng)景選擇

        本文所建立的CFD模型，其幾何尺寸主要依據(jù)某地下商業(yè)街的建筑設(shè)計(jì)，如圖4所示。

地下商業(yè)業(yè)態(tài)種類(lèi)多，包括有餐飲、超市、零售攤點(diǎn)，經(jīng)營(yíng)物品也包羅萬(wàn)象，家電、服飾、書(shū)本等一應(yīng)俱全，因此如何合理設(shè)計(jì)商業(yè)火災(zāi)場(chǎng)景，計(jì)算商業(yè)火災(zāi)荷載對(duì)整個(gè)地下商業(yè)煙控策略的選擇及相應(yīng)防火措施的制定影響重大。

        根據(jù)地下商業(yè)街內(nèi)可燃物的分布與荷載等情況對(duì)危險(xiǎn)源進(jìn)行辨識(shí)，是評(píng)估地下商業(yè)街火災(zāi)危害性、控制危險(xiǎn)發(fā)生的依據(jù)，也是地下商業(yè)街防火分析的基礎(chǔ)。火災(zāi)場(chǎng)景是對(duì)一次火災(zāi)整個(gè)發(fā)展過(guò)程的定性描述，該描述確定了反映該次火災(zāi)特征并區(qū)別于其他可能火災(zāi)的關(guān)鍵事件。火災(zāi)場(chǎng)景通常要定義引燃、火災(zāi)增長(zhǎng)階段、完全發(fā)展階段和衰退階段，以及影響火災(zāi)發(fā)展過(guò)程的各種消防措施和環(huán)境條件。應(yīng)根據(jù)“可信最不利”原則確定，選擇火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)較大且最可能發(fā)生的火災(zāi)場(chǎng)景作為設(shè)定火災(zāi)場(chǎng)景。如火災(zāi)發(fā)生在疏散出口附近并令該疏散出口不可利用、自動(dòng)滅火系統(tǒng)或排煙系統(tǒng)由于某種原因而失效等。商業(yè)街CFD數(shù)值模擬場(chǎng)景的設(shè)定如表1和圖5所示。

4  火災(zāi)煙氣分析

4.1  火災(zāi)煙氣流動(dòng)及相關(guān)特性分析

        地下商業(yè)街相對(duì)空間較低，當(dāng)?shù)叵律虡I(yè)街商鋪發(fā)生火災(zāi)時(shí)，在火災(zāi)區(qū)域形成高溫?zé)煔饣饒?chǎng)。若氧氣供給不足，物質(zhì)燃燒不充分，將產(chǎn)生大量的固體微粒。而熱空氣的比重較周?chē)淇諝獾停孕纬梢幻黠@的上升氣流，尤其在商業(yè)街通道內(nèi)，隨著氣流移動(dòng)，使高溫高熱煙流快速在通道內(nèi)擴(kuò)散和蔓延。

        使火災(zāi)產(chǎn)生的煙和高溫氣體流動(dòng)有兩個(gè)主要因素：

（1）煙氣層本身流動(dòng)性：因?yàn)楦邷貧怏w比周?chē)諝獾拿芏鹊汀?/p>

（2）地下空間內(nèi)空氣流動(dòng)：因空氣的流動(dòng)，會(huì)將煙送至地下商業(yè)街內(nèi)各處。

這兩個(gè)因素作用的相對(duì)大小，取決于地下空間中不同的情況。通常，靠近火源的區(qū)域，煙氣層本身的流動(dòng)性將處于支配地位，相反，距離火源較遠(yuǎn)的地方，地下空間空氣流動(dòng)就變得相當(dāng)重要。由以上兩個(gè)主要因素，可知地下空間內(nèi)部造成煙層流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力主要分為以下幾種：

（1）煙囪效應(yīng)：因地下空間內(nèi)部空氣與室外空氣溫度不同產(chǎn)生壓力差所造成。在地下空間內(nèi)部空氣產(chǎn)生上升成為煙囪效應(yīng)或下降的流動(dòng)稱(chēng)為反煙囪效應(yīng)，這些因素取決于地下空間內(nèi)部空氣與室外空氣的溫度差異高低。

（2）煙氣的熱浮力效應(yīng)：因火焰上方的高溫氣體與周?chē)淇諝庵g的密度不同，煙的密度較低，相對(duì)的產(chǎn)生煙氣的浮力。

（3）氣體熱膨脹效應(yīng)：由于燃燒所產(chǎn)生的高溫使氣體膨脹。

（4）風(fēng)的影響效應(yīng)：在地下空間不同方位的開(kāi)口，因風(fēng)向的關(guān)系，便有不同的壓力，使地下空間的空氣產(chǎn)生流動(dòng)。

       下面將針對(duì)設(shè)定的不同火災(zāi)場(chǎng)景研究地下商業(yè)街的煙氣蔓延情況。

4.2  場(chǎng)景1-4煙氣蔓延

        圖6為場(chǎng)景1-4位于商業(yè)街左側(cè)商鋪，從圖中可以看出，火災(zāi)發(fā)生在商鋪內(nèi)，約200s時(shí)，煙氣充滿(mǎn)商鋪，并從商鋪中溢出，進(jìn)入商業(yè)街區(qū)域，在熱浮力的作用下，煙氣上升至頂棚，部分煙氣通過(guò)自然排煙口排放出室外，但煙氣量較大，煙氣在頂棚射流作用下向兩側(cè)擴(kuò)散蔓延，并進(jìn)入商業(yè)街通道，煙氣在通道內(nèi)繼續(xù)擴(kuò)散，部分煙氣冷卻并開(kāi)始下降，逐漸形成了較為明顯的分層。

        場(chǎng)景1-2半圓形區(qū)域排煙口面積為18.58m2，在400s時(shí)，煙氣基本已經(jīng)蔓延至商業(yè)街通道的大部分區(qū)域，由于排煙口無(wú)法迅速排除煙氣，熱煙主要以橫向擴(kuò)散，順著商業(yè)街通道蔓延至大部分區(qū)域。場(chǎng)景3-4為46.45m2排煙口面積，從圖中看出排煙面積的增大能有效排除煙氣，降低煙氣的蔓延速度，在400s時(shí)，煙氣基本停留在商業(yè)街半圓形廣場(chǎng)處，只有少部分煙氣進(jìn)入通道區(qū)，比較場(chǎng)景3、4可以看出，使用頂窗效果較僅使用側(cè)窗方式更為有利。

4.3  場(chǎng)景1-4可見(jiàn)度

        場(chǎng)景1-4可見(jiàn)度到達(dá)不可耐受時(shí)間如圖7所示，場(chǎng)景1-2，由于煙氣擴(kuò)散較快，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)460s和500s時(shí)，商業(yè)街大部分區(qū)域可見(jiàn)度小于10m，部分區(qū)域到達(dá)0m，只有在靠近右側(cè)矩形天井處，可見(jiàn)度較好，主要因?yàn)榫匦翁炀x火源較遠(yuǎn)，只有少量煙氣會(huì)蔓延至該處，而矩形天井也設(shè)有排煙窗，通風(fēng)條件較好，少量煙氣進(jìn)入矩形天井能通過(guò)矩形天井排煙窗排出。

        場(chǎng)景3-4在模擬結(jié)束1200s時(shí)間內(nèi)，可見(jiàn)度基本在12m左右，未達(dá)到耐受條件，說(shuō)明排煙窗到達(dá)一定面積后，排煙能力增強(qiáng)，能保持商業(yè)街的煙氣層在一定的高度，除了火災(zāi)發(fā)生的商鋪內(nèi)，商業(yè)街，半圓形區(qū)域煙氣基本能控制在距人員2.0m以上高度，對(duì)人員影響較小。

4.4  場(chǎng)景1-4溫度及有毒氣體

        從圖8可以看出，在模擬1200s時(shí)間內(nèi)，4個(gè)場(chǎng)景的溫度分布基本相似，距地2.0m溫度除了火源出的溫度較高，其余基本在40℃以下，說(shuō)明熱煙在蔓延過(guò)程中卷吸周?chē)淇諝猓瑹煔鉁囟冉档筒⑾鲁粒诰嗟?.0m處的煙氣溫度只比環(huán)境溫度稍高，溫度對(duì)人員不會(huì)產(chǎn)生影響。

        圖9、圖10所示，分別為模擬1200s時(shí)間內(nèi)CO與CO2濃度分布圖，兩者分布規(guī)則基本類(lèi)似，在模擬1200s結(jié)束是CO濃度除火源附近外，基本都小于2500ppm，CO2濃度低于1%。證明商業(yè)街通道內(nèi)的煙氣有毒有害氣體未對(duì)人員造成傷害。

4.5  不同排煙面積比較

        火災(zāi)場(chǎng)景1-4模擬了不同排煙面積的煙氣分布情況，從結(jié)果比較得出，在2%開(kāi)啟面積情況下，由于地下空間高度地，煙氣聚集較快，煙氣無(wú)法順利排出，煙氣在頂棚射流作用下，向商業(yè)街通道蔓延，煙氣影響范圍較大，在較短時(shí)間內(nèi)，商業(yè)街通道的可見(jiàn)度下降至10m以下。5%開(kāi)啟面積下，能夠有效的排出煙氣，控制煙氣的蔓延擴(kuò)散，在模擬結(jié)束時(shí)，走道區(qū)域可見(jiàn)度都大于10m。火災(zāi)場(chǎng)景3與4比較可以看出，在設(shè)有頂窗的情況下，煙氣排放效率更高，相應(yīng)的可見(jiàn)度、溫度條件更佳。

5  結(jié)論

         基于地下商業(yè)建筑的特點(diǎn)，結(jié)合地下建筑和地下商業(yè)的發(fā)展歷史及未來(lái)地下商業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，本文對(duì)地下商業(yè)發(fā)生火災(zāi)的特點(diǎn)及危害進(jìn)行分析，并對(duì)地下商業(yè)形式進(jìn)行分類(lèi)比對(duì)，通過(guò)對(duì)不同建筑功能的地下商業(yè)業(yè)態(tài)分析，研究相應(yīng)的策略。

（1）地下商業(yè)火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)定可采用“可信最不利”的原則；火源位置可選擇疏散距離較長(zhǎng)的地下商鋪；火災(zāi)規(guī)模可結(jié)合參照國(guó)內(nèi)外商鋪火災(zāi)相關(guān)研究及實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來(lái)確定，本文建議取6MW；熱釋放速率曲線(xiàn)的設(shè)定為快速t平方火，在地下商鋪火災(zāi)設(shè)計(jì)中可以采用。

（2）地下商業(yè)街6MW火災(zāi)采用自然排煙時(shí)，煙氣從商鋪內(nèi)蔓延至地下商業(yè)街通道，通道內(nèi)沿商鋪兩側(cè)煙氣（濃度）、能見(jiàn)度、溫度、CO濃度、CO2濃度等火災(zāi)參數(shù)呈近似對(duì)稱(chēng)的模式發(fā)展，在使用地面面積2%排煙窗時(shí)，在500s左右，通道大部分區(qū)域可見(jiàn)度小于10m，使用地面面積5%排煙窗時(shí)，模擬1200s內(nèi)，各項(xiàng)數(shù)值均滿(mǎn)足耐受條件。

（3）地下商業(yè)形式多樣，其可燃物種類(lèi)眾多，現(xiàn)僅以?xún)煞N典型形式的的地下商業(yè)作為研究對(duì)象，分析討論了煙氣蔓延特性，并以此為依據(jù)對(duì)排煙面積，排煙量及擋煙垂壁高度進(jìn)行了分析，對(duì)其他不同形式的地下商業(yè)火災(zāi)特性尚需進(jìn)一步研究。