. . . . .大型商業購物中心中庭防火分隔與人員疏散消防設計韓雷1，況凱騫2（1. 山東省淄博市消防支隊，山東，淄博，2550002. 廣州中國科學院工業技術研究院城市公共安全技術研究中心，廣東，廣州，511458）摘要：以某大型商業購物中心中庭區域的防火分隔方法是否滿足防火性能要求為工程案例, 采用性能化防火設計的思想，設定了多個個最不利的火災場景，針對這些火災場景采用CFD方法，計算相應的火災動力學參數，并將計算的結果與人員疏散安全性能判據進行對比分析。研究結果表明, 在該商業購物中心使用防火玻璃結合其他綜合分隔方法作為隔斷是可行的。關鍵詞：商業購物中心；性能化防火設計；防火玻璃；中庭；人員疏散Case Study on the Performance-based Design of Fire Separation in Atrium and Human Evacuation for the Shopping MallLei Han1, K.Q.Kuang2（1. Fire Department of Zibo, Shandong, 255000.2. Research Center of Urban Public Safety Technology, Institute of Industry Technology of Guangzhou, Guangzhou, 511458）Abstract：A case on whether the fire glass separation with additional fire-resistant partition method in the atrium of a shopping mall conformed to certain fire performance was studied.A few scenarios were designed to calculate the fire parameters by CFD method. The calculated results were compared to the performance criteria. The result showed that using fire glass as the separat ion in the shopping mall is practical, but the effectiveness of its fire equipment should be ensured.Key words: Shopping mall; performance-based fire protection design; fire-resistant partition; atrium; human evacuation1 引言近年來，隨著我國經濟的快速發展，各種形式的商業建筑發展迅猛，經營規模不斷擴大。商業建筑一旦發生火災，不僅會造成巨大的經濟損失，而且會成為社會不穩定的重要因素。大型商業建筑具有建筑體量大、建筑內部要求視覺通透性強、商業環境相對復雜等特點，其建筑結構的主要特征包括1-3：(1) 占地面積大，建筑層數有所控制，建筑層數一般控制在10層以內。(2) 多采用中庭貫穿結構。綜合性商業建筑內部商業環境氛圍要求較高，基于商品對室內裝飾、燈光等環境要求和不同商位裝修等多種因素考慮，建筑在室內設計時單個商鋪不設計開窗，而是在建筑的公共部分如中庭等設立玻璃天窗。(3) 防火分區和疏散人數較多。大型商業建筑一般均設置火災自動報警系統及自動噴水滅火系統，但由于其單層面積多在10000m2以上，因此每層均設置多個防火分區。而劃分防火分區一般多采用防火墻、防火卷簾，但在家電、家居商場的實際應用中這些分隔方法可能與室內商業環境要求相沖突。建筑商場內多以商位招租為主要經營模式，各商位業主為突出商品招攬生意，所以在攤位裝修及商品擺放上各有不同，致使整個商業建筑內布局變化增加，疏散走道較復雜等在客觀上都增加了疏散時間。大型商業購物中心的中庭結構，使得中庭、回廊及自動扶梯互相連接，創造出一個開放、通透的連續室內空間，每個中庭頂部均有高側窗。中庭的這種開放通透的設置，使得廣場內購物的人員能夠較輕松的認清方向，對緊急狀況下的疏散非常有利。但由于中庭、走廊和自動扶梯的高低連接，給防火卷簾或水幕等分隔設施的設置造成較大困難，如中庭等區域設置防火卷簾進行分隔，有可能會阻礙商場內的疏散路線，導致商業中心改變局部外觀，使建筑內的人員迷失方向，而且在緊急情況下選擇疏散路線時，會擾亂人的方向感，并影響人群的流動。針對大型商業購物中心的這些特點，必須制定整體消防策略，綜合考慮防火分隔、人員疏散、煙氣控制、消防設置等各方面因素，進行整體消防安全性能化論證。筆者將以淄博市某大型商業購物中心為研究對象，綜合運用現有消防規范和基于性能化的火災風險評估方法，研究建筑中庭防火分隔措施的有效性以及對人員疏散的影響。2 建筑概況與問題提出2.1 建筑概況與功能定位淄博市某大型商業購物中心位于淄博市淄川區中心路段交匯處。建筑層數4層，建筑最高處32.5m，主要屋面高度22.5m。總用地面積為71919.16m2，總建筑面積為150813m2，其中地上建筑4層，面積為116744m2，地下1層，建筑面積為34069m2。建筑耐火等級為一級，柱、梁、樓板、墻、樓梯、屋頂承重構件和吊頂等均采用不燃燒體。項目屬于綜合性商業建筑，各層功能為：地下一層為設備房、超市商鋪及車庫，地上一至四層為百貨、商鋪、車庫，四層局部為電影院。建筑平面呈通過中間大范圍中庭結構連接的兩翼結構（圖1）。建筑除各層車庫及超市區域（E、F、G）高度超過24m（為30.5m）外，建筑中其他區域總高度均未超過24m，各層車庫及超市區域與其他區域采用防火墻分隔。建筑北翼商業區、建筑東南面翼商業區以及連接兩區的中部設有多個中庭。中部中庭高度為32.5m，兩翼內部中庭高度為22.5m。圖1建筑防火分區示意圖2.2 項目存在的消防安全難點根據對項目建筑結構分析，其在消防安全設計方面存在如下難點：1、面向中庭商鋪營業面及公共回廊與中庭之間防火分隔未采用防火卷簾。2、建筑中部與兩翼中庭排煙未采用機械排煙，而是采用在火災時消防聯動整體開啟屋頂側面玻璃窗的自然排煙方案。3、建筑E、F、G區域與其它區域采用防火墻或防火卷簾進行分隔，其它區域高度不超過24米。A、B、C區域按照建筑設計防火規范4進行設計，其它區域按照高層民用建筑設計防火規范5進行設計。2.3為確保消防安全采取的特殊消防設計方法為確保本建筑的消防安全，在依據國家有關消防規范的基礎上，采用了如下的特殊消防設計方案：1、建筑商業區域店鋪（A-D）營業面與中庭回廊之間依據建筑用安全玻璃 第1部分：防火玻璃（GB 15763.1-2009）6規范采用耐火極限為1.0h的A類隔熱型防火玻璃分隔。其他區域用特級防火卷簾或防火墻把店鋪分隔為不大于4000m2的防火分區；整個中庭的防火分隔措施將采用消防性能化的方法進行論證。2、租戶區的店鋪之間的分隔砌至梁、板底部。中庭回廊的自動噴水滅火系統安裝使用快速響應灑水噴頭，連接各區中庭走廊內均不設置可燃物，不設商業性經營設施，只作為人員流動連通的準室外場所。3、中庭采用在火災時消防聯動整體開啟屋頂側面玻璃窗的自然排煙方案。中庭屋頂頂棚側面玻璃窗可開啟自然排煙口面積不小于中庭投影面積的20%。4、建筑地上商業區域A、B、C區域各防火分區按照建筑設計防火規范（GB 50016-2006）7要求設置了疏散樓梯，D、E、F、G區域借鑒建筑設計防火規范（整合版）設置了疏散樓梯和安全出口，疏散樓梯數量和寬度均滿足新規范的要求。5、建筑內人員疏散將采用分區域分階段的疏散策略，通過不同火災規模和危險性大小，如有必要再疏散著火樓層所在的整樓層人員。疏散指示標志燈采用智能應急疏散指示控制系統。該系統出口標志燈具有頻閃、語音功能，方向標志燈具有方向可調和頻閃功能，可根據火災的具體部位指示最佳疏散路徑，使疏散指示更加準確、及時、高效，提高人員疏散的安全性。3 消防設計難點定量分析與討論作為淄博市擬建的單體建筑面積最大的商業購物中心（shopping mall），本建筑體量較大，多個中庭貫穿地下1層直至建筑4層，因而在防火區域分隔及人員疏散安全性上均受到一定的影響，必須制定整體消防策略，綜合考慮防火分隔、人員疏散、煙氣控制、消防設置等各方面因素，進行整體消防安全性能化論證，并經專家論證定案。3.1 消防安全設計目標本項目中，針對不同的消防問題，提出以下防火目標：l 防火分區：擴大的防火分區或替代的防火分隔方法其火災蔓延性、煙氣控制效果、人員疏散安全水平均達到或高于按規范設計的水平。l 自然排煙策略滿足人員安全疏散要求，能提供安全的疏散環境，達到規范要求的安全度。l 確保人員快速疏散火場并將對建筑的干擾降到最低限度。一般條件下，人員安全疏散的判定準則是從火災發生到危險狀態的時間（Available Safety Egress Time，ASET）是否大于從火災發生到建筑物內人員全部疏散完畢的時間（Required Safety Egress Time，RSET），參見圖2。圖2建筑火災人員安全疏散判據示意圖對于人員可用安全疏散時間（ASET），主要通過對人員對煙氣層高度、溫度、空間能見度等耐受性量化來決定的8。3.2 火災場景設置與計算結果火災場景是對一次火災整個發展過程的定性描述，該描述確定了反映該次火災特征并區別于其他可能火災的關鍵事件。火災場景通常要定義引燃、火災增長階段、完全發展階段和衰退階段，以及影響火災發展過程的各種消防措施和環境條件等。設定火災場景就是在建筑物火災風險評估與性能化防火設計中，針對特定的火災安全目標，綜合考慮火災的可能性和潛在的后果，從可能的火災場景中選擇出供分析的火災場景。確定火災場景是火災風險評估中的一個關鍵環節，其設置遵循“可信最不利”原則，即所確定的設定火災場景可能導致的火災風險最大，如發生自動滅火系統或排煙系統由于某種原因而失效等最不利情況。在設定火災場景時，主要考慮火源位置、火災發展速率和火災的最大熱釋放速率、消防系統的可靠性等要素，項目建筑設計火災場景如表1所示。表1火災場景設計與計算結果表9編號火災場景描述場景設計目的可用安全疏散時間F-1地下1層中庭起火，假設消防設施失效，排煙系統失效，火災類型為完全發展的t2快速火災，最大熱釋放速率穩定在4MW分析該區域煙氣蔓延過程和中庭自然排煙效果，計算場景危險到達時間，為論證人員疏散的安全性提供比較依據。1200sF-21層中庭走廊區域起火，t2快速火，火源功率3.3MW。分析該區域煙氣蔓延過程和中庭自然排煙效果，計算場景危險到達時間，為論證人員疏散的安全性提供比較依據。1200sF-31層中庭走廊區域起火，假設消防設施失效，排煙系統失效，火災類型為完全發展的t2快速火災，最大熱釋放速率穩定在4MW。同上894sF-43層防火分區商鋪內起火，消防系統正常啟動，t2快速火，火源功率3.3MW分析該區域煙氣蔓延過程，計算場景危險到達時間，為論證人員疏散的安全性提供比較依據。1200sF-53層防火分區商鋪內起火，假設消防設施失效，排煙系統失效，火災類型為完全發展的t2快速火災，最大熱釋放速率穩定在8MW。同上750s3.3 人員疏散場景設置與計算結果本項目中考慮的火災危害是指對人員的直接危害（如煙氣危害）。緊密圍繞如前所述的安全目標，根據3.2確立的可能的火災場景，分析人員特性并結合設定的火災探測時間與模擬計算得到的人員準備運動時間和運動時間，分析火災危險性，即火災煙氣到達危險狀態的可能性，最終評估人員能否安全疏散。人員疏散場景設置如表2所示：表2人員疏散場景設計與計算結果表編號場景描述樓層疏散時間/sS-1該疏散場景對建筑進行整體疏散，所有安全出口與對外出口均正常運行。1層:386s2層:620s3層:336s4層:244s-1層:293sS-2分區疏散，火災發生在地下一層的防火分區E的中央，人員可以通過三個樓梯進行疏散。123sS-3火災發生在一樓中庭走廊區域中央附近，防火分區A和防火分區B內的人員可以通過三個主出口向室外疏散。265sS-4火災發生在三樓防火分區B的一家商店內，B分區內的人員通過該分區內的樓梯向下疏散199s3.4 結算模擬結果與消防安全難點分析筆者利用目前世界上火災安全工程界常用的火災動力學場模擬軟件Fire Dynamic Simulator（FDS）對已設定的火災場景中商場和中庭火災蔓延煙氣運動過程進行模擬。同時采用由格林威治大學的EXODUS的開發團隊采用C+語言編制的人員疏散工程軟件BuildingExodus定量模擬人員疏散過程。該軟件模型中考慮了人與人之間、人與結構之間和人與環境之間的相互作用，并嘗試在軟件中引入人與人之間、人與火之間以及人與結構之間的交互作用。模型跟蹤每一個人在建筑物中的移動軌跡，他們或者走出建筑物，或者被火災產物，如熱、煙和有毒氣體等所傷害，進而影響疏散過程。3.4.1 中庭與公共回廊之間防火分隔中庭走廊商鋪設置防火分隔玻璃和自動噴水滅火系統的目的是為了防止火災在起火層商鋪和中庭之間發生蔓延，當近中庭走廊商鋪發生火災時，煙羽流在浮力作用下上升并撞擊頂棚產生沉降（或浮力驅動力不足時也會產生沉降）。在這種情況下，防火分隔的作用為阻隔煙氣的蔓延，使其對人員疏散不產生重大影響。同時通過中庭的自然排煙設置，將蔓延至中庭的部分煙氣通過頂部高側窗排出。綜合分析如下：1. 火災場景F-5計算結果可知，1200s內在3層各測點和頂棚各測點中，均沒有出現溫度高于60的情況，說明煙氣溫度不會對人的身體造成影響。圖3也顯示著火店鋪附近位置及頂棚位置溫度均在安全范圍內。建筑三、四層區域在著火后1200s內在2m高度處關鍵部位均沒有出現能見度低于10m的情況，而3層人員的局部疏散時間為265s，說明煙氣能見度不會對人員身體和疏散造成影響，因此可以認為防火分隔方式是有效的。圖3 三層近中庭店鋪火災場景F-5測點位置溫度變化情況2. 關于建筑中庭的防火分隔問題，在美國消防協會生命安全規范（NFPA101，Life Safety Code）第8.6.7節中提出了相應的要求10，在本項目的防火分隔措施設置上，工程設置均符合NFPA的相關規定。同時根據人員疏散結果分析，在1.5倍計算疏散時間基礎上，且在發生火災并有安全出口失效的情況下，發生火災的防火分區ASET均遠大于RSET，能夠保證煙氣層界面的高度高于該疏散口地面上方人員安全高度，可以確保人員疏散的安全性。3. 中庭內部或與之相鄰的走廊部位，存在的可燃物較少，而且中庭又是人員活動頻繁，24小時值班有人的場所，很難想象在這個地方能發生有規模的火災。水噴淋頭加防火玻璃（鋼化玻璃或防火玻璃）作為中庭防火分隔的做法，參考了NFPA101的有關規定，符合國際通用做法，同時，又有相關科研院所的相關實驗作為依據，與復合防火卷簾相比，這種做法更為經濟、效果更為理想，是較為可行中庭防火分隔解決方案，已經在一些大型商業建筑及會展中心工程中使用11-14。表3中庭及周邊區域采用防火玻璃分隔的工程案例建筑名稱建筑及中庭參數防火分隔方法廣州太古匯總建筑面積462388m2，其中地上面積293393m2。裙樓商業中心設計有多個中庭，每個中庭上有天窗。商場與回廊之間采用防火玻璃分隔。沿商場店鋪玻璃墻和玻璃門的一側，安裝加密噴淋保護。北京京澳中心主題建筑為兩棟高22層，66m*68m的方形大廈。兩棟建筑的1-5層位共享型中庭，中庭高24m，長68m，寬為13m。該中庭與3-5層主樓的辦公區相連。原設計擬采用復合防火玻璃，后改為水噴淋頭保護12mm厚鋼化玻璃的方案廣州正佳廣場基地東西長229m，南北長237m，建筑面積約為295950m2，地上七層，建筑內部圍繞幾個七層通高的中庭，防火墻和防火固定玻璃墻作防火分隔，中庭走廊設置噴淋系統3.4.2中庭排煙根據高層民用建筑設計防火規范規定：凈空高度超過12m的中庭，應設置機械排煙設施，這主要是考慮空間太高，煙氣由于“層化”現象而缺乏浮力，停止上升。這種現象取決熱壓、空間密閉性、空間體量等各種因素影響。根據計算結果分析:1. 以火災場景F-1為例，表4列出了此火災場景下的中庭自然排煙煙氣運動和溫度變化模擬結果。表4 火災場景F-1-Y截面不同時刻的煙氣運動情況模擬時間動態截圖120s300s600s1200s表5 火災場景F-1-Y截面不同時刻的煙氣溫度分布模擬時間動態截圖120s300s600s1200s火災場景F-1自然排煙的模擬結果顯示，地下1層中庭區域發生火災后，煙氣在中庭空間內迅速垂直上升，到達到頂層。自然排煙口全部聯動打開，煙氣由排煙口排出室外。計算結果顯示，從火源中心Y方向及各層2m處的能見度溫度截圖來看，20min內，各層中庭區域回廊內的能見度均大于10m，空氣層溫度除火源羽流外均不超過60C。因此，在中庭最不利火災場景情況下，中庭自然排煙環境可提供不小于20min的人體耐受時間，這段時間內人員可以安全疏散。因此，目前設計中采用的中庭自然排煙策略能達到相應的排煙效果和安全度。2. 連接建筑各商業區域的中庭頂部設置的可開啟的高側窗，作為“近室外的準安全區域”實際上將建筑劃分出了合理的防火分隔，頂部高側窗可全部打開進行自燃排煙，保證了“準安全區域”的可能性11。中庭設置防火玻璃和可開啟窗戶后，中庭內連接各單元之間的走廊可作為人員疏散最直接的方向，人員不僅可以垂直疏散，更可以水平向相鄰建筑區塊疏散，從而大大增強了疏散能力；同時窗戶的開啟，可將火災產生的煙氣迅速排出，防止高溫煙氣對人員造成傷害，為人員疏散爭取時間。3.4.2人員疏散安全性中庭發生火災時，由于中庭將各層貫通，疏散時考慮整座商業建筑將同時進行疏散，而位于火源附近的人員將優先疏散。各層疏散寬度及疏散距離均按照規范要求設置。分析中運用計算結果偏保守的疏散軟件BuildingExodus對整個疏散過程進行模擬，可得到如下結論：整棟大樓中人數約35472人，所有人員疏散至室外時間約為17分30秒。各層人員疏散時間總結如表2。從疏散模擬中可以看出，地下1層由于部分人員可以直接疏散至室外，雖然疏散人員較多，但疏散時間并未延長很多，人員在5min之內即全部進入室外或樓梯間。1層人員雖然可以直接疏散至室外地面，但由于樓上各層疏散人員均在樓梯間等待，因此人員在7min之內即全部疏散至室外安全區域。而2-4層人員主要通過樓梯垂直疏散，各層人員在樓梯口安全走道處會出現短暫排隊現象，所有人員在11min內全部進入樓梯間內。各中庭區域僅做人員流通用途，人員較少，均能很快疏散完畢。當建筑內發生火災時，按照現有疏散樓梯的設置，也能保證了人員疏散的安全性。根據人員疏散模擬結果，圖4列出了最不利情況下（疏散過程中，人員不能越過著火區域進行逃生，同時乘以1.5倍的疏散時間）的ASET與RSET比較，由圖可以看出，在發生火災并有安全出口失效的情況下，發生火災的防火分區ASET均遠大于RSET，可以確保人員疏散的安全性。圖4 火災發生時最不利情況下：ASET與RSET時間比較4 結論筆者采用了消防性能化設計的方法，對某大型商業購物中心的火災危險性、防排煙措施的有效性和人員安全等方面進行了分析評估。通過分析論證，主要得出以下結論：1. 通過相關消防安全裝備和設施，商業建筑形成了設定在商場和中庭之間：l 將火勢及煙氣控制在租戶區的店鋪范圍內；l 將火勢及煙氣蔓延控制在著火樓層；l 排出流入中庭空間煙氣；的三道防線，有效防止在火災發生時煙氣直接進入中庭。因此，經過項目組的模擬計算證明中庭回廊和中庭之間不設置防火卷簾的防火分隔措施是可行的。2. 中庭防火分隔措施雖然有所變化，但通過嚴格控制中庭內部的火災荷載，并未擴大中庭的危害。而從中庭的煙氣蔓延及人員疏散安全分析也可知，在選取的中庭可信最不利火災場景下，RSET均小于ASET，且留有一定的安全余量，可見中庭的防火分隔措施能夠保障人員的安全。3. 中庭自然排煙系統可以有效排除中庭火災的煙氣。而通過煙氣模擬及人員疏散模擬，在選取的中庭可信最不利火災場景下，RSET均小于ASET，且留有一定的安全余量，在各火災場景下環境均不會影響人員疏散安全。4. 通過消防性能化設計，經送專家評審組評審，認為本項目整體消防策略具有一定的合理性和可靠性，能夠達到國家相關消防規范所要求的安全等級。同時專家組還對項目提出了如下建議：a) 建筑首層與地下部分應完全分開。b) 面向十字交叉通道的門均應采用甲級防火門，單個商鋪面積不應大于300m2，商鋪之間應采用耐火時間大于2.00h的不燃燒實體墻進行分隔。c) 十字交叉通道