消防性能化設計在地下商業煙控設計中的應用

        隨著社會經濟迅速發展，各種商業群發展迅速，許多商業設施利用地下空間開發，并依托地鐵或交通樞紐，形成地下商業綜合體。這些地下商業建筑，一般具有面積大、人員數量多、疏散路徑復雜等特點，給消防安全帶來了較大的隱患。筆者針對這類建筑特點，結合工程實例進行了分析研究。

1  地下商業建筑的火災危險性

        地下建筑功能也逐漸向商業化、便利化方向發展，地下商場從地下封閉式到半開放式，從平戰結合的防空洞到專門開挖的地下街，從品類單調的路攤到綜合性的百貨店，其形式日趨多元化。以上海地區為例：

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

        上海五角場萬達地下商業街則是依托五角場商業群落，作為商業群的一部分，五角場地下商業約40000m2，由三條長約800m的商業步行街連結，在中部設有數個下沉廣場供采光。商業街兩側為店鋪，面積約數百平米不等。

        上海虹橋樞紐則是依托交通樞紐，集火車、地鐵、公交等運輸功能與一體，人流量較大，在各個功能轉換區域會設置相當規模的商業經營場所。虹橋樞紐地下商業與公共區域向結合布置，部分單個單元面積約500-600m2。

        地下商業建筑中可燃物密集。火災原因主要有電氣火災、廚房火災、裝修材料火災、人為管理不當等，如果管理不善，發生火災可能性較大，且后果嚴重。另一方面，地下商業具有人員密集，人員組成復雜，地下空間狹小，無法自然采光，通風不便利，各種開口少，熱量容易聚集，發煙量較大，產生的熱煙氣難以擴散，導致火災初期升溫迅速。地下商業人員密集且不易辨別方向，人員的逃生方向和煙氣的擴散方向都是從下往上，使疏散變得很困難。滅火救援時，在濃煙、有毒氣體的阻礙下，大型消防設備及滅火人員難以進入，一般的無線通訊設備難以使用，聯絡困難，這些都要求其消防設計必須安全可靠。

2  某地下商業街概況

        某大型商業廣場，其地下一層為地下商業廣場，商業廣場兩側為商業區域，商業區域間為大通道，通道寬度為12m，高5.4m，長226.8m，見圖1。

       通道的中間位置設有半圓形采光天井區域，半圓形挑高采光頂，采光頂的最高處與地面凈高為7.7m，投影面積為209 m2，而靠近右側處設置矩形風雨棚，長度為24m，寬為6.3m，面積約為151.2m2，見圖2和圖3。

        在這兩處下沉廣場直接與室外相通，但由于防雨等要求，在頂部設置風雨棚，在通道區域主要依靠風井自排排煙窗進行排煙，因此針對該種工況對地下商業街進行FDS建模，并考慮在幾種不同排煙面積時，排煙效果以確定合適的排煙口面積。

3  火災場景選擇

        本文所建立的CFD模型，其幾何尺寸主要依據某地下商業街的建筑設計，如圖4所示。

地下商業業態種類多，包括有餐飲、超市、零售攤點，經營物品也包羅萬象，家電、服飾、書本等一應俱全，因此如何合理設計商業火災場景，計算商業火災荷載對整個地下商業煙控策略的選擇及相應防火措施的制定影響重大。

        根據地下商業街內可燃物的分布與荷載等情況對危險源進行辨識，是評估地下商業街火災危害性、控制危險發生的依據，也是地下商業街防火分析的基礎。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。應根據“可信最不利”原則確定，選擇火災風險較大且最可能發生的火災場景作為設定火災場景。如火災發生在疏散出口附近并令該疏散出口不可利用、自動滅火系統或排煙系統由于某種原因而失效等。商業街CFD數值模擬場景的設定如表1和圖5所示。

4  火災煙氣分析

4.1  火災煙氣流動及相關特性分析

        地下商業街相對空間較低，當地下商業街商鋪發生火災時，在火災區域形成高溫煙氣火場。若氧氣供給不足，物質燃燒不充分，將產生大量的固體微粒。而熱空氣的比重較周圍冷空氣低，所以形成一明顯的上升氣流，尤其在商業街通道內，隨著氣流移動，使高溫高熱煙流快速在通道內擴散和蔓延。

        使火災產生的煙和高溫氣體流動有兩個主要因素：

（1）煙氣層本身流動性：因為高溫氣體比周圍空氣的密度低。

（2）地下空間內空氣流動：因空氣的流動，會將煙送至地下商業街內各處。

這兩個因素作用的相對大小，取決于地下空間中不同的情況。通常，靠近火源的區域，煙氣層本身的流動性將處于支配地位，相反，距離火源較遠的地方，地下空間空氣流動就變得相當重要。由以上兩個主要因素，可知地下空間內部造成煙層流動的驅動力主要分為以下幾種：

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

（2）煙氣的熱浮力效應：因火焰上方的高溫氣體與周圍冷空氣之間的密度不同，煙的密度較低，相對的產生煙氣的浮力。

（3）氣體熱膨脹效應：由于燃燒所產生的高溫使氣體膨脹。

（4）風的影響效應：在地下空間不同方位的開口，因風向的關系，便有不同的壓力，使地下空間的空氣產生流動。

       下面將針對設定的不同火災場景研究地下商業街的煙氣蔓延情況。

4.2  場景1-4煙氣蔓延

        圖6為場景1-4位于商業街左側商鋪，從圖中可以看出，火災發生在商鋪內，約200s時，煙氣充滿商鋪，并從商鋪中溢出，進入商業街區域，在熱浮力的作用下，煙氣上升至頂棚，部分煙氣通過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擴散蔓延，并進入商業街通道，煙氣在通道內繼續擴散，部分煙氣冷卻并開始下降，逐漸形成了較為明顯的分層。

        場景1-2半圓形區域排煙口面積為18.58m2，在400s時，煙氣基本已經蔓延至商業街通道的大部分區域，由于排煙口無法迅速排除煙氣，熱煙主要以橫向擴散，順著商業街通道蔓延至大部分區域。場景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，煙氣基本停留在商業街半圓形廣場處，只有少部分煙氣進入通道區，比較場景3、4可以看出，使用頂窗效果較僅使用側窗方式更為有利。

4.3  場景1-4可見度

        場景1-4可見度到達不可耐受時間如圖7所示，場景1-2，由于煙氣擴散較快，當發生火災460s和500s時，商業街大部分區域可見度小于10m，部分區域到達0m，只有在靠近右側矩形天井處，可見度較好，主要因為矩形天井離火源較遠，只有少量煙氣會蔓延至該處，而矩形天井也設有排煙窗，通風條件較好，少量煙氣進入矩形天井能通過矩形天井排煙窗排出。

        場景3-4在模擬結束1200s時間內，可見度基本在12m左右，未達到耐受條件，說明排煙窗到達一定面積后，排煙能力增強，能保持商業街的煙氣層在一定的高度，除了火災發生的商鋪內，商業街，半圓形區域煙氣基本能控制在距人員2.0m以上高度，對人員影響較小。

4.4  場景1-4溫度及有毒氣體

        從圖8可以看出，在模擬1200s時間內，4個場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，說明熱煙在蔓延過程中卷吸周圍冷空氣，煙氣溫度降低并下沉，在距地2.0m處的煙氣溫度只比環境溫度稍高，溫度對人員不會產生影響。

        圖9、圖10所示，分別為模擬1200s時間內CO與CO2濃度分布圖，兩者分布規則基本類似，在模擬1200s結束是CO濃度除火源附近外，基本都小于2500ppm，CO2濃度低于1%。證明商業街通道內的煙氣有毒有害氣體未對人員造成傷害。

4.5  不同排煙面積比較

        火災場景1-4模擬了不同排煙面積的煙氣分布情況，從結果比較得出，在2%開啟面積情況下，由于地下空間高度地，煙氣聚集較快，煙氣無法順利排出，煙氣在頂棚射流作用下，向商業街通道蔓延，煙氣影響范圍較大，在較短時間內，商業街通道的可見度下降至10m以下。5%開啟面積下，能夠有效的排出煙氣，控制煙氣的蔓延擴散，在模擬結束時，走道區域可見度都大于10m。火災場景3與4比較可以看出，在設有頂窗的情況下，煙氣排放效率更高，相應的可見度、溫度條件更佳。

5  結論

         基于地下商業建筑的特點，結合地下建筑和地下商業的發展歷史及未來地下商業的發展趨勢，本文對地下商業發生火災的特點及危害進行分析，并對地下商業形式進行分類比對，通過對不同建筑功能的地下商業業態分析，研究相應的策略。

（1）地下商業火災場景設定可采用“可信最不利”的原則；火源位置可選擇疏散距離較長的地下商鋪；火災規模可結合參照國內外商鋪火災相關研究及實驗的結果來確定，本文建議取6MW；熱釋放速率曲線的設定為快速t平方火，在地下商鋪火災設計中可以采用。

（2）地下商業街6MW火災采用自然排煙時，煙氣從商鋪內蔓延至地下商業街通道，通道內沿商鋪兩側煙氣（濃度）、能見度、溫度、CO濃度、CO2濃度等火災參數呈近似對稱的模式發展，在使用地面面積2%排煙窗時，在500s左右，通道大部分區域可見度小于10m，使用地面面積5%排煙窗時，模擬1200s內，各項數值均滿足耐受條件。

（3）地下商業形式多樣，其可燃物種類眾多，現僅以兩種典型形式的的地下商業作為研究對象，分析討論了煙氣蔓延特性，并以此為依據對排煙面積，排煙量及擋煙垂壁高度進行了分析，對其他不同形式的地下商業火災特性尚需進一步研究。