建筑空間、煙氣蔓延與安全疏散距離設(shè)定

1、建筑空間、煙氣蔓延與安全疏散距離設(shè)定曾 杰上海市消防總隊(duì)摘要：本文通過建筑火災(zāi)中煙氣在空間里堆積現(xiàn)象規(guī)律和人員疏散涉及的因素及特征的揭示，提出了基于在建筑空間和人群基本特性，區(qū)分火災(zāi)報(bào)警、自動(dòng)滅火、排煙設(shè)施的配置情況，根據(jù)充煙時(shí)間的研判，分類設(shè)定不同建筑空間的安全疏散距離的設(shè)計(jì)指標(biāo)。主題詞：建筑空間 煙氣蔓延 安全疏散距離 人民生活的改善必然帶來社會(huì)公共交流與活動(dòng)的需求，商場(chǎng)、影院、飯店等大空間公共場(chǎng)所，展覽館、體育館、圖書館、科技館等公共建筑和機(jī)場(chǎng)、碼頭、火車站的候機(jī)（船、車）樓等大空間建筑的迅猛建設(shè)正是當(dāng)下經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的一個(gè)顯著時(shí)代特征，在這些建筑的設(shè)計(jì)中，常常遇到如何設(shè)計(jì)合理的安全疏散

2、體系，最大限度地創(chuàng)造人員快捷便利疏散條件的困惑，即有時(shí)簡單地按照規(guī)范處理會(huì)抓頸見肘，難以全面符合消防技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；有時(shí)翻遍規(guī)范仍是黔驢技窮，難以用規(guī)范指標(biāo)去約束明顯不合理的疏散設(shè)計(jì)方案。因此，掌握煙氣蔓延的規(guī)律并正確地引導(dǎo)和控制煙氣，研究建筑空間與安全疏散的關(guān)系，對(duì)消防設(shè)計(jì)和監(jiān)督都顯得極為重要和必需。1煙氣在空間里的堆積現(xiàn)象和規(guī)律建筑火災(zāi)所伴隨著的大量煙氣，其堆積規(guī)律是火災(zāi)科學(xué)研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。建筑火災(zāi)的過程可以簡單描述如下：先是可燃固體開始燃燒，發(fā)生陰燃，當(dāng)達(dá)到一定高的溫度并遇到適合的通風(fēng)條件時(shí)，陰燃便轉(zhuǎn)變?yōu)槊骰鹑紵S后，可燃物的燃燒速率迅速增加，在火源上方形成向上流動(dòng)的煙羽流，當(dāng)煙羽

3、流受到房間頂棚的阻擋后，便在頂棚下方向四面擴(kuò)散開來，受到墻壁阻擋后，又開始轉(zhuǎn)向下降沉。通過大量的實(shí)驗(yàn)分析，人們逐步認(rèn)識(shí)了煙氣在建筑空間里的規(guī)律，當(dāng)室內(nèi)建筑面積較大的建筑發(fā)生火災(zāi)后，其煙氣和溫度場(chǎng)具有以下主要特性：1.1煙氣體量特性通常情況下，對(duì)于空間高度較高的建筑場(chǎng)所，火災(zāi)呈穩(wěn)定燃燒態(tài)勢(shì)，煙氣量產(chǎn)生的大小主要取決于燃燒材料的性質(zhì)和燃燒狀態(tài)，除非火災(zāi)已造成建筑的轟燃既全室燃燒，煙氣量與樓層面積或防火單元體積大小無直接關(guān)系。因此，對(duì)大空間建筑的排煙量不能簡單設(shè)定成排煙口面積與樓層面積為一定百分比或以一定每小時(shí)換氣次數(shù)的倍數(shù)為總量的簡單計(jì)算公式。1.2煙氣溫度特性火災(zāi)發(fā)生時(shí)，高度較低的普通建筑物由于

4、火焰高度與空間高度接近，火和煙幾乎融為一體，室內(nèi)將是幾百度的高溫?zé)釤煭h(huán)境，而大空間建筑內(nèi)的煙氣區(qū)與燃燒區(qū)一般都有明顯豎向分層，頂部煙氣層的溫度與燃燒部位的高溫大相徑庭。即使功率為幾個(gè)兆瓦（MW），火災(zāi)煙氣的溫度也僅升高2030。因此，在大空間建筑內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙氣的危害主要來自于它的毒性和遮光性。1.3煙氣分布特點(diǎn)煙氣在向上部升騰堆積的過程中，不斷卷吸周圍的空氣，總的質(zhì)量流逐漸增加，體積也不斷增加，但平均溫度和濃度則逐漸降低。在過高的大空間建筑物內(nèi)，產(chǎn)生的火災(zāi)煙縷在空中升降過程中，煙溫逐漸變冷，出現(xiàn)降到一定溫度時(shí)（不超過環(huán)境溫度的15），而失去它的浮力，停留在半空中的現(xiàn)象，煙氣具有層化分布特點(diǎn)

5、。1.4煙氣蔓延特點(diǎn)實(shí)驗(yàn)過程中，煙氣沿大空間建筑頂棚移動(dòng)水平速度約12m/s。在具有中庭的大空間建筑內(nèi)一旦發(fā)生火災(zāi)，由于中庭內(nèi)沒有分隔物，煙氣在十幾到幾十秒內(nèi)就升到20多米高的頂部，并進(jìn)一步形成煙氣層。在建筑高度不高的建筑里，煙氣層的下降速度很快，在中型功率（幾百千瓦）火強(qiáng)度條件下約10min就到了對(duì)人構(gòu)成危害的高度。2人員疏散涉及的因素及特征人員在建筑空間內(nèi)的疏散受到許多因素影響，包括：警覺度、行動(dòng)能力、所處位置、環(huán)境熟悉度、群居的社會(huì)性、防災(zāi)意識(shí)和知識(shí)等。這些影響因素造成了復(fù)雜的結(jié)果，提出了多元的疏散要求。2.1 自身能力人員的疏散能力主要與人的身體狀況有著密切關(guān)系，如是否有身殘腿傷，是否

6、有耳聾眼盲，是否心理脆弱或精神智障都會(huì)產(chǎn)生不同的疏散現(xiàn)象；疏散能力還與人的警覺度有關(guān)，受報(bào)警方式的不同，人員處于清醒還是睡眠狀態(tài)的不同，對(duì)疏散設(shè)施熟悉程度的不同等各種情況的影響（人的反應(yīng)速度與響應(yīng)時(shí)間等警覺能力見表1）；疏散能力還與人的行動(dòng)能力有關(guān)，不同年齡、不同性別的人群的疏散速度其差異性還是很大的，成年人的平面行走速度一般在1.15-1.35m/s，小孩或老人則為0.8-0.9m/s。表1：不同用途的建筑采取各種報(bào)警系統(tǒng)的人員確認(rèn)時(shí)間建筑類型及內(nèi)部人員特征識(shí)別時(shí)間（min）報(bào)警系統(tǒng)類型W1W2W3辦公樓、工業(yè)廠房、學(xué)校（人員處于清醒狀態(tài)，對(duì)建筑物、報(bào)警系統(tǒng)和疏散措施熟悉）134商店、展覽館

7、、博物館、休閑中心及其他公共建筑（人員處于清醒狀態(tài)，對(duì)建筑物、報(bào)警系統(tǒng)和疏散措施不熟悉）236住宅、公寓、寄宿學(xué)校（人員可能處于睡眠狀態(tài)，但對(duì)建筑物、報(bào)警系統(tǒng)和疏散措施熟悉）245賓館、旅店（人員可能處于睡眠狀態(tài)，對(duì)建筑物、報(bào)警系統(tǒng)和疏散措施不熟悉）246醫(yī)院、療養(yǎng)院及其它社會(huì)公共機(jī)構(gòu)（有相當(dāng)數(shù)量的人員需要幫助）358W1來自閉路電視系統(tǒng)控制室的現(xiàn)場(chǎng)廣播，或是配合身著制服訓(xùn)練有素的工作人員所發(fā)出的實(shí)時(shí)指令，所有在場(chǎng)的人員都可以看見或聽見這些工作人員和指令。W2非指令性的語言信息，如事先錄制好的聲音廣播系統(tǒng)，或可視警報(bào)提示牌與經(jīng)過培訓(xùn)的工作人員。W3采用警鈴、警笛或其他類似報(bào)警裝置的報(bào)警系統(tǒng)。2

8、.2 環(huán)境影響火災(zāi)環(huán)境對(duì)建筑內(nèi)人員的生命安全至關(guān)重要，是決定人員疏散成敗的非常重要的影響因素，煙的遮光性、CO濃度，火場(chǎng)的溫度和輻射強(qiáng)度都是火場(chǎng)的隱性殺手，對(duì)人的疏散直接形成威脅，一旦火場(chǎng)環(huán)境中這些因素的控制值超過人可耐受條件，將導(dǎo)致人員的中毒或恐慌甚至死亡，引發(fā)群死群傷的慘痛事件，建筑的空間特性也相應(yīng)影響著人員疏散所需的極限指標(biāo)（見表2）。單雙向疏散環(huán)境也是一個(gè)重要的影響因子，當(dāng)只有一個(gè)方向可供逃生時(shí)，勢(shì)必會(huì)引發(fā)人員呼吸緊張和急于達(dá)到安全區(qū)域的緊迫心理，以至于造成可耐受的疏散距離較短的驚恐狀況。表2：人員疏散所需的極限指標(biāo)建筑場(chǎng)所能見度溫度CO濃度煙層溫度輻射強(qiáng)度候車（船）廳、航站樓 、展覽

9、廳、體育館、影劇院、會(huì)堂等公眾聚集的高大空間15m40200ppm1802.2kw/m2中庭、大堂、等候廳等高大的廳堂場(chǎng)所；商場(chǎng)、餐廳、大空間辦公等使用較大面積的場(chǎng)所10m40300ppm2002.2kw/m2物流中心、工業(yè)廠房等高大空間的工業(yè)建筑 10m60500ppm2002.5kw/m22.3 疏散條件 圖1：移動(dòng)速度和人員相隔間距的關(guān)系人員在疏散過程中，人員的疏散能力和疏散時(shí)的心理狀態(tài)還受到疏散條件的影響和制約。首先，人的移動(dòng)速度與人員相隔間距是有一定的關(guān)系（見圖1），在樓梯間內(nèi)，人平均行走速度一般只能在0.5m/s左右，當(dāng)環(huán)境人員密度過高時(shí)，會(huì)降低疏散出口的通行流量（見表3），形成擁

10、擠狀態(tài)，甚至由于人員堆積而出現(xiàn)踩踏等惡性后果。其次，疏散環(huán)境中，清晰度也對(duì)人員能否快速逃離火場(chǎng)和煙區(qū)起著關(guān)鍵作用，煙氣的減光和刺激程度會(huì)造成環(huán)境的不斷惡劣，給人員疏散帶來困難（見圖2），當(dāng)減光系數(shù)大于0.4 （1/m）人員的步行速度將急劇減慢，如果在有刺激性煙氣的場(chǎng)所人員的步行速度將減慢并接近于在黑暗處的步行速度。表3：各種擁擠情況下出口的流量設(shè)備擁擠情況密度（人/m2）速度（m/min）每米寬度每分鐘通過的人數(shù)樓梯最小0.5445.6024.25樓梯一般1.0936.4839.50樓梯適中2.0728.8859.19樓梯擁擠3.2612.1639.50走廊最小0.5476.0039.50走廊

11、一般1.0960.8065.79走廊適中2.1736.4878.99走廊擁擠3.2618.2459.19門口通道一般1.0951.6855.95門口通道適中2.3936.4885.48門口通道擁擠3.2615.2049.34圖2：煙濃度和步行速度的關(guān)系3不同建筑空間的安全疏散距離的設(shè)定建筑空間的安全疏散設(shè)計(jì)必須結(jié)合建筑的自身?xiàng)l件和功能布置，充分考慮環(huán)境因素和人群特征以及擁擠度影響，分類別、分空間地實(shí)現(xiàn)疏散設(shè)計(jì)的總目標(biāo)，即確保人員在可耐受環(huán)境和可行動(dòng)的條件下，逃離火場(chǎng)和煙區(qū)。為此，必須根據(jù)煙氣在空間里的堆積現(xiàn)象和規(guī)律、人員疏散涉及的因素及特征這些基礎(chǔ)依據(jù)，保證有效的疏散寬度和設(shè)定可允許的最大疏散

12、距離，疏散寬度指標(biāo)主要是為了防止疏散時(shí)相互阻礙，不要產(chǎn)生過分擁擠現(xiàn)象，在疏散寬度已經(jīng)保證的前提下，最大允許疏散距離就是安全疏散設(shè)計(jì)中的最主要的控制指標(biāo)。由于建筑功能的需求不同，不同類型的建筑在設(shè)計(jì)中，其內(nèi)部的空間特征一般會(huì)有所不同，由此，對(duì)其具體安全疏散設(shè)計(jì)要求的控制指標(biāo)也應(yīng)該是不同的。3.1 建筑空間高度低于4m的建筑賓館、飯店、公寓、學(xué)校、醫(yī)院等建筑，其室內(nèi)空間高度通常都較低，煙氣極易充滿全室，加上人員可能處于睡眠狀態(tài)，要清醒地正常疏散是有困難的，必然會(huì)增加人員疏散的危險(xiǎn)，因此，只能根據(jù)人在應(yīng)急狀態(tài)生命可承受的本能來設(shè)定允許的疏散指標(biāo)。一般在煙氣環(huán)境中，對(duì)懂得基本消防逃生知識(shí)的人員來說，基

13、于人可以屏住呼吸一口氣跑15m的生理?xiàng)l件，一般規(guī)定人在房間里從室內(nèi)任何一點(diǎn)到最近的疏散出口最大允許距離就只能是15m左右，對(duì)老弱特殊人員的場(chǎng)所以及環(huán)境中人員反應(yīng)能力較差的娛樂場(chǎng)所或沒有設(shè)置火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的住宅應(yīng)適當(dāng)調(diào)整為到12m。設(shè)有報(bào)警系統(tǒng)的或設(shè)有噴淋系統(tǒng)的可以適當(dāng)增加疏散距離。建議采用表4的相關(guān)數(shù)值控制建筑的最大允許疏散距離。表4 室內(nèi)空間高度低于4m的建筑最大允許的疏散距離（m）住宅、學(xué)校類建筑賓館、飯店類建筑娛樂、醫(yī)療類建筑有報(bào)警或有噴淋系統(tǒng)181512無報(bào)警且無噴淋系統(tǒng)15129注：1、住宅的室內(nèi)任一點(diǎn)至戶門最大允許的總疏散距離可按上表增加5m； 2、娛樂類系指鼓舞娛樂放映游藝場(chǎng)所；醫(yī)

14、療類系指醫(yī)院、養(yǎng)老院、幼兒園等福利機(jī)構(gòu)。同樣道理，對(duì)只有一個(gè)疏散方向的袋形走道的布局，也應(yīng)控制袋形走道上的房間門至安全出口最大允許疏散距離控制在表6的相應(yīng)指標(biāo)內(nèi)，對(duì)具有不同方向的走道，在煙氣可及時(shí)處理的情況下，即設(shè)有可開啟外窗或機(jī)械排煙時(shí)，由于人員可相對(duì)正常地朝煙氣流動(dòng)的反方向疏散，其走道上的房間門至最近的安全出口的最大允許疏散距離就可放寬為40m左右。3.2 建筑空間高度在46m的建筑當(dāng)建筑空間的高度在46m時(shí)，由于建筑空間的儲(chǔ)煙條件有限，這類建筑這種空間的疏散距離設(shè)計(jì)是需要穩(wěn)妥把握的，盡管疏散時(shí)間可能有保證，但考慮人的警覺能力所造成的延時(shí)時(shí)間，其實(shí)際的安全系數(shù)就不大，有的還要在排煙系統(tǒng)充分

15、發(fā)揮作用的條件下，方可安全疏散，因此就必須合理界定這類場(chǎng)所的最大允許疏散距離。根據(jù)2.5MW的火災(zāi)規(guī)模，在2000m2的儲(chǔ)煙倉內(nèi)，對(duì)建筑高度在4m的空間，保持2.5m的清晰高度，其充煙時(shí)間一般在34min，因此可提供人員的疏散時(shí)間一般也就是1min左右，人在這些時(shí)間里也就可以疏散3045m。因此，對(duì)設(shè)有兩個(gè)以上不同方向安全出口的商場(chǎng)或大空間辦公場(chǎng)所，其室內(nèi)任何一點(diǎn)到最近的安全出口的最大允許疏散距離也就應(yīng)該控制在直線距離30m，步行距離45m。對(duì)于場(chǎng)所內(nèi)局部區(qū)域至兩個(gè)安全出口的直線夾角小于30°的，其最大允許疏散距離控制在直線距離12m，步行距離18m。當(dāng)然，這些指標(biāo)是基于建筑設(shè)有自動(dòng)

16、噴水滅火系統(tǒng)和火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)等消防設(shè)施的前提下的。對(duì)于沒有這些自動(dòng)消防設(shè)施且建筑高度難以保證大于3min充煙時(shí)間的建筑，應(yīng)嚴(yán)格限制最大允許疏散距離，一般可按照上述的數(shù)據(jù)減半為宜，即控制在15-22m以內(nèi)，同時(shí)，除面積小于120m2的單元外，盡量不出現(xiàn)只有一個(gè)或類似一個(gè)安全出口的平面布局。3.3 建筑空間高度高于6m的建筑不少公共建筑由于標(biāo)志性和功能性的需要，設(shè)計(jì)為空間較高的場(chǎng)所，這類建筑的高度和空間可以使人員疏散全過程中處于有效清晰環(huán)境的情況下，疏散的安全性基本是可以保證，人員可以相對(duì)平靜正常地離開建筑室內(nèi)，即人員疏散至安全區(qū)域所需的時(shí)間（以下簡稱疏散時(shí)間）小于煙氣在空間中的保持清晰高度的堆

17、積時(shí)間（以下簡稱充煙時(shí)間）。這個(gè)目標(biāo)也是當(dāng)前消防性能化工作中科學(xué)判定安全疏散設(shè)計(jì)正確與否的標(biāo)準(zhǔn)。一般對(duì)于建筑空間高度8m左右的展覽廳等大空間場(chǎng)所，按照3MW的火災(zāi)規(guī)模功率，在3000m2的儲(chǔ)煙倉內(nèi)，保證4m的清晰高度，其充煙時(shí)間一般在10min，扣除人的警覺能力所需的8-9min（報(bào)警時(shí)間加上識(shí)別時(shí)間），其較為安全的疏散時(shí)間也就在1-2min，根據(jù)人在人員密集場(chǎng)所的適中疏散移動(dòng)速度，最大的疏散距離也就在3080m之間。火災(zāi)時(shí)，滾滾濃煙迅速充滿空間是常見的形態(tài)，要實(shí)現(xiàn)充煙時(shí)間可有較高數(shù)值，為人員疏散提供安全環(huán)境，就必須有一定的燃燒制約條件。首先，建筑中的燃料通常要可受控的，一般要么空間自身就有足夠大，且平面布置形成燃料島或防火艙等可分離的布局，要么是整個(gè)建筑平面在自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的保護(hù)下。其次還需要采取加強(qiáng)的防范技術(shù)措施來提高警報(bào)反應(yīng)和維持清晰環(huán)境，有的采用火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警設(shè)備，有的采取機(jī)械或可開啟窗等排煙措施。但這些技術(shù)不可能始終生效，也存在不同的安全度，其可靠性的差異會(huì)影響實(shí)際效果。為了切實(shí)保障安全疏散，應(yīng)該設(shè)定報(bào)警響應(yīng)方式影響系數(shù)、設(shè)備聯(lián)動(dòng)影響系數(shù)等參數(shù)值（見表5）來更合理地修正和更有效地控制需設(shè)定的最大允許疏散距離（表6）。表5 室內(nèi)空間高度大于6m的建筑安全疏散距離設(shè)定影響系數(shù)表充煙時(shí)間（t,min）t1210