上海科技馆消防排烟系统设计

1 引言
　　
　　上海科技馆工程位于开发中的浦东世纪广场南侧，以"天地、生命、智慧、创造、未来"为主题，充分反映"人、科技、自然"三者关系，寓教娱乐为一体，是具科普教育、旅游休闲、科技交流等功能的新型科技中心。
　　主体建筑面积约88000m²，呈半圆弧螺旋上升状，总高度从12m逐渐上升至48m，地下一层、地上四层。
　　科技馆内分布有展示厅、博物馆、活动场所等区域。由于这些场所往往是面积大高度高，甚至有些空间连成一体，给消防防排烟设计带来极大的困难。防火分区防烟分区面积的划分、防排烟系统的确定、烟气控制的分析等一系列问题需要解决。
　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　图1　总平面
　　
2 防火、防烟分区的划分
　　
　　有效可靠的消防防排烟控制系统对于人身安全和财产十分重要。有效的消防设施通过对着火区域的烟雾控制，使人们赢得更多时间在火灾中撤离，同时为人们安全撤出建筑物提供清晰的可见层，为专业消防人员的进入及配合来火提供方便。由于建筑的特点，展示和活动场所、公共聚集区是一个巨大的连通空间不易分割，因此烟雾往往能够散布整个空间，从火层升起的烟雾会散布在高层空间，这时可通过有效的防烟措施，限制烟雾在高层空间的传播，也可将设计的消防排烟量和烟雾产生量大致相当，那么在人们头顶上方就能保持一个一定高度无烟的清晰可见层。
　　设计当时我国消防规范及消防防排烟控制理论相对滞后，不能完全适应科技馆工程，主要表现为防火分区、防烟分区分割较小，缺乏成熟的消防防排烟理论，过小的分区划分会导致消防排烟系统的繁杂，同时也无法满足布展的需要。为此在设计中结合工程的实际，参照国外的有关规范，并取得上海消防局的支持和指导，为消防防排烟设计提供了充分的设计依据。从目前来看设计和已颁布的民用建筑防排烟技术规程基本一致。
　　根据有效的防排烟控制理论防火、防烟分区面积划分见下表：

　　在防火分区内用自动挡烟帘将防火分区分隔成合适的烟雾控制区即防烟分区，使之防烟分区面积进入有效的防排烟控制理论范围内。并且在任何一个防烟分区内烟雾流动至排烟口的距离控制在30m之内。
　　鉴于共享空间的地面至吊顶高度（从28～40m），以及建筑的美观性、统一性、完整性，采用防火隔板或挡烟垂帘来对空间进行实际分隔是不可行的，而且当采用柔性材料进行防烟分隔，着火时由于垂帘两侧在不同热压的作用下导致柔性垂壁移位，挡烟失败。因此设计将共享空间确定为独立的防火分区。并以此为原则，进行消防防排烟设计。
　　各层防火分区、防烟分区分隔见下图：
　　　　　
　　　　　　　　　　　　图2 地下层防火、防烟分区图
　　　　
　　　　　　　　　　　　　图3 一层防火、防烟分区图
　　　　
　　　　　　　　　　　　　图4 二层防火、防烟分区图
　　　　
　　　　　　　　　　　　图5 三层防火、防烟分区图
　　　　　　　　
　　　　　　　　　　图6 四层防火、防烟分区图
　　
　　防烟分区将确定消防防排烟的具体形式，根据烟雾控制理论，展厅、B区共享空间采取机械排烟的方式，A、C区共享空间采取自然排烟方式。
　　

3 消防防排烟的计算及分析
　　
　　3．1 消防防排烟应用烟雾控制理论通过了解烟雾质量流量率、烟温和自然堆积效应，进行计算、分析，主要计算参数有设计火势规模、火势面积、火势发生地、清洁可见层高度等。

　　清洁可见层高度应给予尽可能高的层面提供最大的可能保护。烟雾上升的最大高度是依靠最小烟温所产生的热浮力来确定的，通常考虑烟温应比周围环境温度高15℃。但在科技馆工程项目中，由于共享空间是一个巨大的空间，并且不能设置挡烟设置来限制烟雾的传插，为此烟温应比周围环境温度高20℃更为可靠，通过对烟雾质量流量和热烟气温度的计算确定排烟率是保证排烟设计的必要条件。烟雾质量流量计算如下：
　　
　　烟雾质量流量=Q×0.8/(1.01×ΔT)kg/s
　　
　　式中：Q----设计火势规模，kW，取3000kW；
　　　ΔT----烟温和周围温度之差，℃取20℃。
　　　0.8----热消耗率。
　　结果：烟气质量流量= 3000×0.8/1.01×20=118kg/s

　　根据"轴对称"烟流理论中的清晰可见上升高度即：

　　烟气质量流量 = 0.188×P×Y^3/2
　　
　　式中：烟气质量流量为118kg/s；
　　　P----火灾周长，m，(P=12m)；
　　　Y----清晰可见层高度，m。
　　　计算结果：Y=14m

　　由计算结果分析共享空间烟雾控制的情况：（见下图）
　　　
　　　　　　　　　　图7 A、C区共享空间烟雾控制示意图
　　
　　3．2 A区共享空间其场地面积约3500m²，二～四层的挑台均伸展在该大空间中，净高度达40m。来自一层地面火灾的烟雾能够不受限制地到达顶部，在高处进行排烟。在了解了烟雾的质量流量、烟温、自然堆积效应后，认为采用自然通风排烟系统是可行的。从第一层楼面升起的烟雾会扩散在包括三、四层的上层空间，由于烟雾热压浮力的作用，当火源位于一层时最低的储烟腔层高超过14m，离一层楼面14m的可见层高度的烟温比环境温度高20℃。烟雾将堆积在14m以上各层，考虑上部各层区域面积较小人员及疏散条件较好等各方面的因素，此区域清晰可见高度保持在14m是实际的。
　　C区共享空间场地面积约2860 m²，高度27 m。来自地下层地面火灾的烟雾能够不受限制地到达顶部，在高处进行排烟。不包括影院区域，其防烟分区面积在2000 m²以内，符合防烟分区的面积。影院区域为独立的防火分区，为此C区共享空间是一个防烟分区。
　　采用自然排烟方式涉及有效的排烟面积，可由以下公式计算确定：

　 　　　A_v×C_v=M/ρ₀×[(T²+( A_v×C_v/ A₀×C₀) ×T×T₀)/2×g×db×ΔT×T₀]^1/2

　　式中：M----烟气质量流量，kg/s；
　　　A_v----排烟口的截面积，m²；
　　　A₀----所有进气口的总面积，m²；
　　　C_v----排烟口流量系统（通常选定在0.5～0.7之间）；
　　　C₀----进气口的流量系数（通常约为0.6）；
　　　ρ₀----环境温度下气体的密度，kg/m³；
　　　g----重力加速度，m²/s；
　　　db----排烟窗下烟气的厚度，m；
　　　T----烟气的绝对温度，K，T=ΔT+T₀；
　　　T₀----环境的绝对温度，T=K 。

　　计算A_v×C_v时应采用试算法进行。
　　计算结果：

　　注：由于A区面积过大且无法设置挡烟设施，考虑烟雾传播和排烟分配的目的，A区共享空间假设为2个防烟分区，为了达到排烟的要求量，实际排放的有效面积应加倍。

　　A、C区共享空间自然排烟方式的特点：结合建筑使之融合，平时可做为通风窗使用，以排除聚集在高处的废热，形成自然通风方式，室内空气品质得到保证、节省能耗。
　　自然通风排烟设备采用气动式排烟窗，具有设备简单、安装维修方便、性能可靠等特点，同时具有日常开启通风功能，其自动装置能接受雨点信号，关闭排烟窗设备。
　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　图8 B区共享空间消防排烟图
　　
　　3．3 B区共享空间采用按容积气次数确定消防排烟量，采用机械排烟、自然补风系统（见下图），排烟量为240000 m³/h。在天桥球体外侧二边设消防排烟风机及送排风机，送排风系统排除球体上部空间聚集的热量和防止冬季球体玻璃幕墙结露的现象。
　　3．4 展厅部分根据防烟分区设置机械消防排烟系统，同一防火分区不同防烟分区采用柔性挡烟卷帘分隔，消防排烟量按烟雾控制理论计算得出。按照其理论，设定展厅为有喷淋的公共场所，确定火势类型、火势规模、火势面积、周长、清晰火灾高度（满足展厅的保护高度要求）、烟气质量流量、烟气排烟温度等参数，做为选择、确定系统的设备及形式的依据，计算公式参阅上海市《民用建筑防排烟技术规程》中有关公式。
　　　　　 　　　
　　　　　　　　　　　　　图9 展厅烟雾控制示意图
　　
　　展厅排烟计算结果见下表：
　　3．5 四层多功能厅

　　　　采用自然排烟方式。
　　
4 消防防排烟系统
　　
　　上海科技馆设有13个消防机械防烟系统，用于楼梯间和前室的加压送风。13个消防机械排烟系统，用于展厅、走道、影
院、地下层等区域。另有3个消防自然排烟系统。
　　系统设置时考虑设备运行的可靠性、安全性，在同一防烟分区内依照消防排烟量。原则上设置二路独立的消防排烟系统，保证每路的消防排烟时至少有大于50%的总排烟量。由于空调系统按防烟分区设置即每一消防防烟分区设置独立的空调系统，消防补风则按同一防火分区内的相邻防烟分区的空调系统进行，这样充分利用了空调设备，降低工程投资，整个系统更为合
理、实用。
　　封闭式楼梯间及合用前室设置机械消防送风系统，保证消防时候楼梯间和前室的压力。
　　封闭式走道设置机械消防排烟系统，以保持消防时走道的安全。
　　影院设置机械排烟系统，自然补风。排烟量按国家标准确定，以确保人员、财产的安全。
　　地下车库设排烟系统，排烟系统利用平时通风系统。
　　
5 结束语
　　
　　随着科学的发展，人类对消防防排烟不断的认识和提高，顺应时代的要求，科技馆做为上海的标志性建筑之一，我们正是心怀此愿对这样的大型项目消防系统的设计进行认真思考，力求精益求精，打破传统，尝试新的方式，从实践中学习、积累、总结。总之科技馆工程中消防防排烟系统设计在确保安全、满足消防要求的同时，使消防防排烟系统更为简化、实用、先进，做到安全实用、技术先进、经济合理、有所创新发展。
　　在设计过程中，我们得到了业主和各级领导的大力支持，并得到产品生产厂家和供应商等多方面的技术合作。在此表示最大的敬意和真挚的感谢。
　　本文仅对科技馆消防防排烟系统设计做一粗略的介绍，由于经验不足对系统的认识需要有一个过程，加之设计过程时间急促，可能在某些技术问题上考虑不周，不妥之处请指教。
　　
　　
参考文献
　　
　　1 高层民用建筑设计防火规范，（GB 50045-95）
　　2 民用建筑防排烟技术规程。（DGJ 08-88-2000）（J 100035-2000）
　　3 中庭建筑物烟雾控制设计手段，（英国标准258）
　　4 封闭购物中心烟雾排放设计标准。（英国标准186）