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消防性能化设计在地下商业烟控设计中的应用

        随着社会经济迅速发展，各种商业群发展迅速，许多商业设施利用地下空间开发，并依托地铁或交通枢纽，形成地下商业综合体。这些地下商业建筑，一般具有面积大、人员数量多、疏散路径复杂等特点，给消防安全带来了较大的隐患。笔者针对这类建筑特点，结合工程实例进行了分析研究。

1  地下商业建筑的火灾危险性

        地下建筑功能也逐渐向商业化、便利化方向发展，地下商场从地下封闭式到半开放式，从平战结合的防空洞到专门开挖的地下街，从品类单调的路摊到综合性的百货店，其形式日趋多元化。以上海地区为例：

        上海人民广场地下商场是依托地铁交通的地下商城，总面积约32000m2，包括地下商业街和地下商场，商业街长300m，宽36m的长街，两旁共有近百家店铺，每间约20-50m2。商店主要经营服饰皮鞋、钟表、眼镜、摄影、美食、咖啡屋、银行、超市等。地下商业街与地下商场相通。

        上海五角场万达地下商业街则是依托五角场商业群落，作为商业群的一部分，五角场地下商业约40000m2，由三条长约800m的商业步行街连结，在中部设有数个下沉广场供采光。商业街两侧为店铺，面积约数百平米不等。

        上海虹桥枢纽则是依托交通枢纽，集火车、地铁、公交等运输功能与一体，人流量较大，在各个功能转换区域会设置相当规模的商业经营场所。虹桥枢纽地下商业与公共区域向结合布置，部分单个单元面积约500-600m2。

        地下商业建筑中可燃物密集。火灾原因主要有电气火灾、厨房火灾、装修材料火灾、人为管理不当等，如果管理不善，发生火灾可能性较大，且后果严重。另一方面，地下商业具有人员密集，人员组成复杂，地下空间狭小，无法自然采光，通风不便利，各种开口少，热量容易聚集，发烟量较大，产生的热烟气难以扩散，导致火灾初期升温迅速。地下商业人员密集且不易辨别方向，人员的逃生方向和烟气的扩散方向都是从下往上，使疏散变得很困难。灭火救援时，在浓烟、有毒气体的阻碍下，大型消防设备及灭火人员难以进入，一般的无线通讯设备难以使用，联络困难，这些都要求其消防设计必须安全可靠。

2  某地下商业街概况

        某大型商业广场，其地下一层为地下商业广场，商业广场两侧为商业区域，商业区域间为大通道，通道宽度为12m，高5.4m，长226.8m，见图1。

       通道的中间位置设有半圆形采光天井区域，半圆形挑高采光顶，采光顶的最高处与地面净高为7.7m，投影面积为209 m2，而靠近右侧处设置矩形风雨棚，长度为24m，宽为6.3m，面积约为151.2m2，见图2和图3。

        在这两处下沉广场直接与室外相通，但由于防雨等要求，在顶部设置风雨棚，在通道区域主要依靠风井自排排烟窗进行排烟，因此针对该种工况对地下商业街进行FDS建模，并考虑在几种不同排烟面积时，排烟效果以确定合适的排烟口面积。

3  火灾场景选择

        本文所建立的CFD模型，其几何尺寸主要依据某地下商业街的建筑设计，如图4所示。

地下商业业态种类多，包括有餐饮、超市、零售摊点，经营物品也包罗万象，家电、服饰、书本等一应俱全，因此如何合理设计商业火灾场景，计算商业火灾荷载对整个地下商业烟控策略的选择及相应防火措施的制定影响重大。

        根据地下商业街内可燃物的分布与荷载等情况对危险源进行辨识，是评估地下商业街火灾危害性、控制危险发生的依据，也是地下商业街防火分析的基础。火灾场景是对一次火灾整个发展过程的定性描述，该描述确定了反映该次火灾特征并区别于其他可能火灾的关键事件。火灾场景通常要定义引燃、火灾增长阶段、完全发展阶段和衰退阶段，以及影响火灾发展过程的各种消防措施和环境条件。应根据“可信最不利”原则确定，选择火灾风险较大且最可能发生的火灾场景作为设定火灾场景。如火灾发生在疏散出口附近并令该疏散出口不可利用、自动灭火系统或排烟系统由于某种原因而失效等。商业街CFD数值模拟场景的设定如表1和图5所示。

4  火灾烟气分析

4.1  火灾烟气流动及相关特性分析

        地下商业街相对空间较低，当地下商业街商铺发生火灾时，在火灾区域形成高温烟气火场。若氧气供给不足，物质燃烧不充分，将产生大量的固体微粒。而热空气的比重较周围冷空气低，所以形成一明显的上升气流，尤其在商业街通道内，随着气流移动，使高温高热烟流快速在通道内扩散和蔓延。

        使火灾产生的烟和高温气体流动有两个主要因素：

（1）烟气层本身流动性：因为高温气体比周围空气的密度低。

（2）地下空间内空气流动：因空气的流动，会将烟送至地下商业街内各处。

这两个因素作用的相对大小，取决于地下空间中不同的情况。通常，靠近火源的区域，烟气层本身的流动性将处于支配地位，相反，距离火源较远的地方，地下空间空气流动就变得相当重要。由以上两个主要因素，可知地下空间内部造成烟层流动的驱动力主要分为以下几种：

（1）烟囱效应：因地下空间内部空气与室外空气温度不同产生压力差所造成。在地下空间内部空气产生上升成为烟囱效应或下降的流动称为反烟囱效应，这些因素取决于地下空间内部空气与室外空气的温度差异高低。

（2）烟气的热浮力效应：因火焰上方的高温气体与周围冷空气之间的密度不同，烟的密度较低，相对的产生烟气的浮力。

（3）气体热膨胀效应：由于燃烧所产生的高温使气体膨胀。

（4）风的影响效应：在地下空间不同方位的开口，因风向的关系，便有不同的压力，使地下空间的空气产生流动。

       下面将针对设定的不同火灾场景研究地下商业街的烟气蔓延情况。

4.2  场景1-4烟气蔓延

        图6为场景1-4位于商业街左侧商铺，从图中可以看出，火灾发生在商铺内，约200s时，烟气充满商铺，并从商铺中溢出，进入商业街区域，在热浮力的作用下，烟气上升至顶棚，部分烟气通过自然排烟口排放出室外，但烟气量较大，烟气在顶棚射流作用下向两侧扩散蔓延，并进入商业街通道，烟气在通道内继续扩散，部分烟气冷却并开始下降，逐渐形成了较为明显的分层。

        场景1-2半圆形区域排烟口面积为18.58m2，在400s时，烟气基本已经蔓延至商业街通道的大部分区域，由于排烟口无法迅速排除烟气，热烟主要以横向扩散，顺着商业街通道蔓延至大部分区域。场景3-4为46.45m2排烟口面积，从图中看出排烟面积的增大能有效排除烟气，降低烟气的蔓延速度，在400s时，烟气基本停留在商业街半圆形广场处，只有少部分烟气进入通道区，比较场景3、4可以看出，使用顶窗效果较仅使用侧窗方式更为有利。

4.3  场景1-4可见度

        场景1-4可见度到达不可耐受时间如图7所示，场景1-2，由于烟气扩散较快，当发生火灾460s和500s时，商业街大部分区域可见度小于10m，部分区域到达0m，只有在靠近右侧矩形天井处，可见度较好，主要因为矩形天井离火源较远，只有少量烟气会蔓延至该处，而矩形天井也设有排烟窗，通风条件较好，少量烟气进入矩形天井能通过矩形天井排烟窗排出。

        场景3-4在模拟结束1200s时间内，可见度基本在12m左右，未达到耐受条件，说明排烟窗到达一定面积后，排烟能力增强，能保持商业街的烟气层在一定的高度，除了火灾发生的商铺内，商业街，半圆形区域烟气基本能控制在距人员2.0m以上高度，对人员影响较小。

4.4  场景1-4温度及有毒气体

        从图8可以看出，在模拟1200s时间内，4个场景的温度分布基本相似，距地2.0m温度除了火源出的温度较高，其余基本在40℃以下，说明热烟在蔓延过程中卷吸周围冷空气，烟气温度降低并下沉，在距地2.0m处的烟气温度只比环境温度稍高，温度对人员不会产生影响。

        图9、图10所示，分别为模拟1200s时间内CO与CO2浓度分布图，两者分布规则基本类似，在模拟1200s结束是CO浓度除火源附近外，基本都小于2500ppm，CO2浓度低于1%。证明商业街通道内的烟气有毒有害气体未对人员造成伤害。

4.5  不同排烟面积比较

        火灾场景1-4模拟了不同排烟面积的烟气分布情况，从结果比较得出，在2%开启面积情况下，由于地下空间高度地，烟气聚集较快，烟气无法顺利排出，烟气在顶棚射流作用下，向商业街通道蔓延，烟气影响范围较大，在较短时间内，商业街通道的可见度下降至10m以下。5%开启面积下，能够有效的排出烟气，控制烟气的蔓延扩散，在模拟结束时，走道区域可见度都大于10m。火灾场景3与4比较可以看出，在设有顶窗的情况下，烟气排放效率更高，相应的可见度、温度条件更佳。

5  结论

         基于地下商业建筑的特点，结合地下建筑和地下商业的发展历史及未来地下商业的发展趋势，本文对地下商业发生火灾的特点及危害进行分析，并对地下商业形式进行分类比对，通过对不同建筑功能的地下商业业态分析，研究相应的策略。

（1）地下商业火灾场景设定可采用“可信最不利”的原则；火源位置可选择疏散距离较长的地下商铺；火灾规模可结合参照国内外商铺火灾相关研究及实验的结果来确定，本文建议取6MW；热释放速率曲线的设定为快速t平方火，在地下商铺火灾设计中可以采用。

（2）地下商业街6MW火灾采用自然排烟时，烟气从商铺内蔓延至地下商业街通道，通道内沿商铺两侧烟气（浓度）、能见度、温度、CO浓度、CO2浓度等火灾参数呈近似对称的模式发展，在使用地面面积2%排烟窗时，在500s左右，通道大部分区域可见度小于10m，使用地面面积5%排烟窗时，模拟1200s内，各项数值均满足耐受条件。

（3）地下商业形式多样，其可燃物种类众多，现仅以两种典型形式的的地下商业作为研究对象，分析讨论了烟气蔓延特性，并以此为依据对排烟面积，排烟量及挡烟垂壁高度进行了分析，对其他不同形式的地下商业火灾特性尚需进一步研究。