中庭建筑的防火安全设计探讨

中庭建筑的防火安全设计探讨

1

中庭建筑的防火安全设计探讨

1.2.2

开敞式中庭

它是指除部分房间装有玻璃分隔之外，多数层间与中庭完全相通。这类中庭在火灾时 的主要威胁来自与中庭直接相通的疏散通道及回廊， 因此， 需设计烟气控制系统防止烟气进 入疏散通道。

1.2.3

封闭式中庭

它是指用普通玻璃分隔出来的空间，具备使用功能，通常可作为娱乐场所或餐厅。封 闭式中庭在火灾中即使整个空间充满烟气，危险性也不太大，考虑周围的回廊，房间全渗进 烟气，通常要设置机械排烟装置防止烟气扩散。

二、中庭的火灾危险性

“中庭”能使建筑的内部空间达到最大范围连接性，并形成整体的内部空间视觉效果 以及大面积自然采光，其庄重美观、内部采光性能好、环境舒适，但同时也带来了一系列新 的问题。例如：1967 年比利时布鲁塞尔伊若巴施格百货商店二楼起火，共造成 325 人死亡， 其中 260 人死于四楼食堂， 损失约 70 亿丹。 此次火灾是由于建筑中中庭部分未设防火分区， 中庭设置的感烟探测器未动作，由于中庭的烟囱效应，使烟气迅速扩散，火势扩大，起火 45 分

钟后，玻璃屋顶很快遭到破坏，一部分钢结构被烧而倒塌，楼内人员无法安全、迅速 的疏散，从而造成了此次悲惨事件。

中庭建筑的火灾危险性：

2.1

易燃、可燃物多

中庭大部分都设置于宾馆和商贸楼等公共场所，满足诸多功能的需求，建筑标准高， 内部装修豪华，在装潢过程中，为追求效果，大量使用木质，化纤及高分子合成等易燃、可 燃材料，发生火灾时极易形成气体火灾且难以控制。

2.2

易性形成“烟囱效应” ,烟火蔓延快

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烟囱效应是指由建筑内、外部空气的温度及密度差而引起的在建筑内部垂直的方向上 的自然空气流动现象。中庭空间形似烟囱，当大楼发生火灾，室内火场温度升时，往往形成 “烟囱效应” ,风助火势，火借风威，烟气顺着中庭快速向垂直和水平方向扩散，造成竖向、 横向延烧。

2.3

疏散困难大

具有中庭的建筑一般都有相当的高度，电梯、自动扶梯是主要的垂直交通工具。火灾 时因断电致使电梯和自动扶梯不能使用，人员只能依赖楼梯进行紧急疏散。然而，这类建筑 一般供人员使用的步行楼梯设计时位置安排的比较隐蔽， 每天进出的大量非固定人员对楼内 结构不熟悉。火灾时，大量人员同时疏散，极易出现拥挤、混乱，造成疏散通道堵塞，加上 火场内烟气浓度大，有害气体成分多，极易造成群死群伤的悲惨局面。

2.4

火灾扑救困难大

2.4.1

消防队同时要在数楼层进行灭火，需要调集大量兵力；

2.4.2 相撞；

消防队员不得不沿着疏散人员逃生的相反方向进入， 这就会在出入的通道上

2.4.3

火灾迅速扩大，应当阻止火势扩大的开口很多，很难确定从何处着手；

2.4.4

烟雾迅速扩散并充满空间，严重影响消防活动；

2.4.5

火灾时，屋顶和壁面玻璃爆裂散落，对消防队员构成威胁。

三、中庭建筑的防火安全设计

由于中庭建筑存在上述的火灾危险性，尤其以烟气的火灾危险性最大，火灾统计资料 说明，火灾死亡的人数中，由于烟熏死亡的占一半以上，在被火烧死的人当中多数也是因为 先中毒、窒息晕倒后被火烧死的。日本“千日”百货大楼火灾，死亡的人 118 人当中就有

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93 人是被烟熏死的。因此，有必要在中庭设计一种合理的烟气控制系统以阻止着火空间的 热气流和有毒烟气通过中庭向公共空间扩散是极其重要的。 下面本人就以防排烟设计为重点 谈谈中庭建筑的防火安全设计。

3.1

防排烟设计

中庭的防排烟设计是一个比较复杂的问题，检验防排烟系统能否及时、有效的防排烟， 必须满足以下的目的：

(1)在人员撤离所需时间内，利用排烟设施保持大容量空间建筑出口的有序环境；

(2)控制并减少烟在着火区向附近空间扩散；

(3)在着火区外提供有利条件，使之有助于消防人员进行搜索和救援行动，及探明和 控制火势；

(4)保护生命和财产的损失；

(5)火灾发生后使烟散去。

基于上述目的，对于那些通过中庭连接的楼层，最重要的一点是确保人们从各层之间 向有保护的疏散通道(前室 、楼梯间)疏散时烟和热控制在人们所能忍受的范围内，中庭

建筑火灾时烟的生成和流出分为几个阶段， 着火房间发生的火灾， 经开口向中庭等相邻空间 流动，或在中庭底层发生火灾，烟气向上部流动；烟气在流动过程中卷吸周围空气在火焰上 方升起，形成烟柱。根据烟气的流动特征，我们可以对中庭的控制采取以下几种方法:

(1)利用中庭顶部的排烟设施，将烟层保持在与中庭相通的最高居住面上部，称之为 对流贯穿式排烟法；

(2)利用挡烟垂壁等辅助设施形成贮烟仓，将起火层产生的烟气就地排除，阻止烟气 进入中庭，称之为起火间排烟法；

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(3)将烟气引入中庭四周的回廊(或阳台) ,回廊与中庭之间设置挡烟垂壁，将回廊 作为贮烟仓，利用回廊内的排烟系统，将烟气排除，称之为回廊排烟法；

(4)对于高度较高，或层数较多的中庭，下面几层中采用对流贯穿式排烟，使烟层的 高度符合这几层的疏散要求，上面几层中庭采用挡烟垂壁，使烟气不侵入上面几层的中庭， 称之为混合排烟法。

(5)对于高度较低或层数较少的中庭，可以借助室内外气体温度差引起的热压作用和 室外风力造成的风压作用而形成的室内烟气和室外空气的对流运动进行排烟， 称之法； 排为 自然烟

上述中庭的排烟方法其适用条件有所不同，我们根据其中庭形式的不同区别对待。

3.1.1 对流贯穿式排烟法

对流贯穿式排烟法由于其对中庭建筑的辅助要求最少，因此是比较理想的方法。但对 其使用却有条件上的限制，根据国外资料表明，第一、当烟气质量流量达到 150—200Kg/s 时，烟气控制系统将不再具有实用价值；第二、如果烟气卷吸冷空气使热量损失较大，烟层 会出现比预想的高度低很多的情况，实验数据显示当烟气比周围环境温度仅 15—20℃时， 利用自然和机械排烟系统排烟都将是无效的，因此理想的烟层应保持较高温。

3.1.2

起火间排烟法

由于对流贯穿式排烟对于三层以上的中庭已经受到限制，因此一些层数多，沿中庭四 周布置的大型商业厅可以采用起火间排烟法， 将烟气控制在起火间内， 防止向其它区域扩散， 可采用设于火灾区域内的专用排烟设备， 也可以与通风和空调系统兼用。 向中庭敞开部分应 设置固定挡

烟垂壁或由火灾自动报警系统联动的活动式挡烟垂壁， 挡烟垂壁的设置应使烟层 的底部不低于垂壁的底部， 防烟分区可选择在 2000 ㎡左右， 烟气的形式按轴对称烟缕确定。

3.1.3

回廊排烟法

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对于中庭建筑中常见购物中心，这类中庭四周布置许多单元商店，每个店的面积较小， 如果每个商店均要设置排烟设备是非常困难的， 而且绝对是不经济的， 因为排烟系统要运用 于每一个店，甚至是小店铺，才能保护整个建筑，况且排烟系统的控制又很复杂。如果火灾 在着火间形成，烟气将经过房间开口流入回廊，再向中庭扩散。为了防止烟气涌入中庭，应 该在回廊将烟气排除，因此回廊边缘设置挡烟垂壁，利用回廊作为“贮烟仓” ,回廊内的排 烟设备将烟气排除。

3.1.4

混合排烟法

对于结构较为复杂，用途广泛的中庭建筑，可以采用混合排烟法。如常见的一些中庭 建筑下面几层为公共场所，上面几层为办公场所，对于此类型的建筑，火灾时为确保下面公 共层人员疏散的安全，可采用混合排烟法，即下部采用对流贯穿式排烟法，使烟层底部的高 度维持在人员的居住面之上， 而其它的楼层则与中庭封闭起来， 封闭的方式可以采用设置卷 帘等防火分隔方法。

3.1.5

自然排烟法

它利用高温烟气积聚在开敞的最高部位这一特点，在中庭的顶部设置面积大于中庭地 面面积 5%的天窗或高侧窗，统一将烟气排至室外。但这种排烟方法对中庭的高度有一定的 限制，一般在 2-5 层之间。当中庭高度过高时，由于火灾初期烟气温度较低，烟气在上升 过程中遇冷(如受空调影响等)而使其密度加大。当热烟气流到与其密度相等的空气高度时 便转由水平方向扩展并随着温度的降低还会下降， 使得烟气无法从顶部高窗排到室外。 因此， 对于使用性质极为重要的建筑在投资条件许可的情况下，虽然具有开启外窗的自然排烟条 件，仍应采用可靠的机械防烟装置。

3.1.6

排烟系统的补风

要有效地进行中庭的排烟，必须考虑补风，以替换被排放出去的烟气，补风量应不小 于排烟量的 70%,补充的空气可以采用自然的补风系统，如果可利用的进风口面积有限，可 以考虑设置机械的补风系统。补风系统通过安全门入口的风速必需小于 5m/S,以避免对这

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些出口疏散的人群造成伤害，补风口设于下部，补充的空气必须低于烟层，排烟时应采用相 邻防烟分区补风，但补风口应远离排烟口，补风系统应与排烟系统联动起来。

3.2

防火分隔措施

在中庭建筑中开敞式中庭的火灾危险性最大，根据国内有关中庭防火设计规定并结合 本人在学习中的体会，当中庭上下层连

通的面积超过一个防火分区时，应采取以下的设计。

3.2.1 中庭回廊的防火设计

中庭的每层回廊要设火灾自动报警系统和自动喷水灭火系统。对于中庭较高的回廊还 应设防火卷帘。

3.2.2

房间，过厅等处的防火分隔

对于房间与中庭回廊相通的门窗应是能够自行关闭的乙级防火门窗，而与中庭相通的 过厅、通道则要设乙级防火门或耐火极限大于 3 小时的防火卷帘。在一些要求不占空间、不 影响建筑装潢的防火分隔设计中可以使用防火卷帘。 卷帘平时收藏在吊顶上， 发生火灾时可 以自动或手动降下隔断火焰，若采用防火防烟卷帘还可以起到防火隔烟的双重功能。

3.2.3 水幕系统的设计与应用

对于人员较多，设置防火卷帘会影响人员疏散的回廊等处可采用水幕系统。对水幕系 统的设计要求是一定要形成水幕带，其有效宽度不应小于 6m,喷头布置不少于 3 排，喷头 的供水强度为 2-3L/S·㎡。水幕系统的启动可采用自动或手动开启装置，确保火灾发生时 水幕系统起到防火隔烟作用。

3.3 安装双自动系统

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在中庭顶盖及各层走道、房间等部位遍设感烟探测器和自动喷水灭火系统。感烟探测 器应与排烟天窗及自动喷水系统联动， 并且由大楼的消防中心自动或手动控制。 当火灾发生 在中庭范围内而烟感器报警后，自动喷水系统就可立即启动。

3.4 中庭钢结构构件的保护

除了要对建筑整体作统一的防火设计外，还应充分考虑各种类型中庭结构本身的消防 安全。 中庭钢结构构件主要承受的是采光玻璃， 对其所需的耐火极限应根据中庭在建筑物中 的位置、中庭内火灾荷载的大小、以及钢结构对主体建筑的影响提出了不同的要求。对于中 庭上部就是主体高层建筑的， 其钢结构的耐火极限应不小于 1.5 小时 (参照楼板的耐火极限 要求) ,采光玻璃也应为 1 小时以上的防火玻璃，对于展览馆、商场等火灾荷载较大的建筑 物的中庭，其钢结构耐火极限应更高些，而办公楼、宾馆等建筑的中庭，其钢结构耐火极限 的要求可适当降低，封闭式中庭，其钢结构可不予保护。目前常用保护措施有三种： (1)冷 却法。设置喷淋系统，火灾情况下对结构实施冷却保护。但对于设置了喷淋系统保护的中庭 在考虑其应具有充分排烟量的同时，还应于中庭顶棚部分设计有效的“贮烟仓” 。否则，火 灾情况下喷淋设备会因其周围空间温度达不到动作温度而无法自动打开； (2)喷涂法。将防 火涂料直接喷涂在构件表面， 形成保护层， 使钢结构构件的耐火极限达到或大于 1 小时； (3) 包封法。外包不燃烧材料，使构件达到规定的耐火极限。三种方法相比之下，

后两种措施更 为安全有效和方便易行。

四、总结

采取了以上多方面的措施，可以做到，当发生火灾时，感烟探测器首先报警喷水设备 使立即启动，机械送风、排烟系统亦随之启动排除火灾产生的烟气。整个系统也可以由手动 来启动。再加上自动喷水灭火系统的设置，有效的防火分隔措施和中庭自身的钢结构保护， 中庭建筑的防火安全问题便基本上得以解决。

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随着现代建筑的发展，设有中庭的多层民用建筑如商场、会展中心等建筑大量涌现。这类建筑的中庭建筑高度大多超过12m，屋面采用大跨度轻型钢结构、玻璃采光顶。它具有内部空间大、使用功能复杂、人员密度大、可燃物较多、火灾强度大等特点。一旦发生火灾，人员的疏散、火灾的救援难度较大。鉴于以上特点，这类建筑的中庭的确有设置防排烟设施的必要。成都人民商场、上海友谊商城、上海心族商厦和上海名品商厦等均为此类建筑，其中庭均设置有防排烟设施。而在现行的《建筑设计防火规范》GBJ 16-87（2001年版）（以下简称《建规》）中无此类建筑防排烟设计的相关规范条文。本文仅就笔者以前设计的××商场（多层建筑），结合切身经验，从具体操作上谈谈多层建筑中庭的排烟系统设计。

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根据上条内容之规定，该商场在房间、过厅与中庭相通的开口部位等处，设置乙级防火 门或防火窗，一、二层每层一个防火分区，三层设两个防火分区，中庭单独作为一个防火分 区(见图 1)。同时，中庭每层回廊还必须设置火灾自动报警系统和自动喷水灭火系统；中 庭封闭屋盖设置自动排烟设施。 图 1 一层平面图 3 中庭排烟设施的方式选择 建筑物的排烟设施分为机械排烟设施和可开启外窗的自然排烟设施。 机械排烟是设置专 用的排烟口、排烟管道及排烟风机等，把火灾时产生的烟气和热量排至室外。自然排烟是利 用火灾时产生的热压，通过可开启的外窗或排烟窗(包括在火灾时破碎玻璃以打开外窗)把 烟气排至室外。 多层建筑中庭的自动排烟设施究竟该选用哪种方式， 《建规》 尚无明文规定。 虽然《高层民用建筑设计防火规范》GB 50045-95(2001 年版)(以下简称《高规》)不适 用于多层建筑，但在具体设计中，消防从严，不妨予以参照借鉴，用以确定此类中庭的排烟 方式和排烟量。 参照《高规》第 8.4.1.3 条： “不具备自然排烟条件或净空高度超过 12m 的中庭应设置 机械排烟设施。”也就是说，净空高度小于 12m、且具备自然排烟条件的中庭，可采用自然 排烟设施；其可开启外窗的面积也可参照《高规》第 8.2.2.5 条：“净空高度小于 12m 的中 庭可开启的天窗或高侧窗的面积不应小于该中庭地面积的 5%”的规定执行。不具备自然排 烟条件或净空高度超过 12m 的中庭，必须采用机械排烟设施。 该商场中庭的净空高度为 14.4m,因此设计采用机械排烟设施。 4 中庭机械排烟设施的设置 多层建筑的中庭， 屋面一般采用大跨度轻型钢结构、 玻璃采光顶， 因此， 中庭顶部通风、 排烟管道的设置，无论从建筑自然采光、美观的角度还是从结构安全性的角度上来看，都是 不太现实和经济的。文献[3] [4]则系统地介绍了高层建筑中庭常见的三种类型和相应的防 烟、排烟设计方法，但对于多层民用建筑，仍具有较高的参考价值。在具体工程设计中，为 简化排烟系统， 节省投资， 同时又能保证系统的排烟效果和火灾自动报警系统的集中控制的 可靠性，笔者认为，有条件时

应尽可能采用设置多台屋顶风机来进行集中排烟的方式。 另外，中庭排烟设施采用此种设置方式，主要还基于其具有如下优点：①排烟系统与通风系 统合用，节约投资；②对排烟风机经常使用可保持其良好的工作状态；③系统无风管，不影 响建筑美观和采光； ④风机分散布置， 有效的降低屋面荷载； ⑤火灾自动报警系统控制量少， 系统更可靠。

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在该商场中庭的排烟系统设计中，设计选用4台高温双速屋顶排烟风机，均分设置于屋面上（见图2）。由于该商场（包括中庭）设置有集中空调系统，空调时，屋顶风机可关闭。为了防止玻璃屋顶部的热滞留现象，也可开启风机低速运转；并根据室内空气品质状况，确定屋顶风机的开启台数，进行全面通风换气，排除集聚在屋顶下的热空气。中庭发生火灾时，由火灾自动报警系统自动将屋顶风机转入火灾运行模式，电机高速运转，及时排除高温烟气和热量。

图2 中庭排烟风机布置平面图

5 中庭排烟量的确定

《建规》同样也缺乏建筑中庭排烟量的计算标准。在设计过程中，也可参照《高规》第

8.4.2.3条之规定“中庭体积小于17000 m3时，其排烟量按其体积的6次/h换气计算；中庭体积大于17000 m3时，其排烟量按其体积的4次/h换气计算；但最小排烟量不应小于102000 m3/h。”来确定中庭的排烟量和排烟风机的风量。

该中庭筒体直径37.0m，建筑面积1080㎡，体积15552 m3，计算排烟量为93400 m3/h；排烟风机计算风量为102000 m3/h。设计选用4台高温双速屋顶排烟风机（高速时：1450rpm，风量31421~26012m3/h，全压600~723Pa），平时需要时可低速排风，火灾时高速排烟。 6 其他相关消防设施的设置

为了早期发现和通报火灾，并及时采取有效措施，控制和扑灭火灾，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全，在现代重要公共建筑中，火灾自动报警系统已成为必不可少的消防设施。

该建筑分类：二类；耐火等级：二级，属重要公共建筑；同时，根据《建规》第5.1.2条之规定，该建筑中庭每层回廊设有火灾自动报警系统和自动喷水灭火系统。在设计中，整个建筑物火灾自动报警系统采用集中报警控制器，中庭单独设置1个区域报警控制器，每层回廊设置有感温探测器、感烟探测器、手动火灾报警按钮等设施（见图1）。

7 结论

由于建筑技术的进步（结构、建筑设计等），随着新型建材的大量使用，设有多功能中庭的多层建筑的规模日趋庞大，此类建筑中庭应当设置防排烟设施。而对于其设置依据、方法、排烟量计算等诸多问题，尚无统一规定，目前问题显得日益突出；而现行《建规》在此方面也是一个空白。因此，有必要加紧对这一系列问题进行深入的研究和讨论，制订出相应的规范条文。

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