浅析建筑物竖向防火设计及防止火灾竖向蔓延的措施
关键词：建筑外立面造型与构造,天井,中庭,竖井,防火设计及措施
建筑物发生火灾时，其蔓延扩大方式通常分为横向蔓延和竖向蔓延;横向蔓延可以通过控制防火分区面积和采用防火墙及防火门进行有效的防火分隔来降低危害程度;竖向蔓延的途径较多，也较难设防，一旦火势蔓延开则极易形成立体火灾，从而不利于开展有效，快捷的疏散和营救，给人们生命财产安全造成不可估计的损失。本篇重点就是探讨建筑竖向的防火设计和防止火灾竖向蔓延的有效措施，以便大家在今后的设计中能有所启发。
一、建筑火灾竖向蔓延的途径
建筑物发生火灾时，其竖向蔓延基本上都是沿建筑外墙及外墙上的门窗洞口，建筑幕墙，中庭、天井和各类管道井等部位上下扩大的，其中尤为中庭和天井的火灾最不易控制，造成的危害也最大。
二、建筑竖向防火分区的概念及划分
2.1 竖向防火分区的概念：
为把火灾控制在一定的楼层范围内，沿建筑物高度方向划分的防火分区称为竖向防火分区。
2.2 竖向防火分区的主要防火分隔物：
具有一定耐火能力的钢筋混凝土楼板，其中一级耐火等级建筑楼板的耐火时限不小于1.5小时，二级耐火等级建筑楼板的耐火极限不小于1.0小时。
三、防止建筑外墙构造材料引发火灾或助燃材料引发立体火灾
近年来，由于各地纷纷响应“绿色建筑，节能建筑”的倡导，在建筑外围护构造中大量采用保温节能材料，现在市场上的保温材料零零种种，许多保温材料的隔热保温性能良好，价格适中，施工方便，但耐火性能较差，不能达到A级或B1级的燃烧等级标准，但许多设计师为了让建筑能通过节能审查，或是甲方一味考虑经济和施工工期等原因，在实际工程中大量采用不符合规范或是不完全符合规范的保温节能材料和构造做法，给日后人员的生命和财产留下了极大的安全隐患。诸如2010年11月发生在上海静安区的高层公寓大火，正是因为该公寓在施行节能改造，外墙正在进行节能保温材料的改造施工，所采用的节能保温材料正是燃烧等级不符合规范要求的材料，结果由于电焊工的不慎操作引燃易然的塑料维护网，进而引燃外墙的保温材料，火势迅速蔓延扩大，很快，浓烟和大火就沿外墙将整栋大楼包围并吞噬，消防营救又未能在短时间内迅速有效的展开，结果酿成惨剧，至今仍发人深省。因此除加强设计人员的消防安全意识和专业技能之外，还应加大监管和审查的力度，坚决杜绝不符合国家和地方安全等级的建筑材料被大量采用。
四、防止火灾沿外墙门窗洞口竖向蔓延的措施
4.1 下层窗口上沿应设置宽度不小于1.0米的防火挑檐或在上下层窗口之间设置外挑阳台;
4.2 减小上下层窗口的面积;
4.3 尽量不设计落地窗，如设计落地窗应加大其下层窗口的上沿高度，使上下层窗间墙的高度不小于0.8米;
4.4 尽量不设计玻璃幕墙，如设计玻璃幕墙应采取必要的防火分隔措施;
五、防止火灾由玻璃幕墙竖向蔓延的措施
5.1 窗间墙、窗槛墙的填充材料应采用不燃烧材料，当其外墙面采用耐火极限不低于1.0小时的不燃烧材料时，其墙内填充材料可采用难燃烧材料;
5.2 无窗间墙和窗槛墙的玻璃幕墙，应在每层楼板外沿设置耐火极限不低于1.0小时，高度不低于0.8米的不燃烧实体裙墙;
5.3 玻璃幕墙与每层楼板和隔墙处的缝隙，均应采用防火封堵材料严密填实。
六、中庭、天井的防火设计
由于天井和中庭而引发的火灾逐年上升。诸如2000年日本“千日”百货大楼和2004年巴拉圭亚松森“伊瓜博拉尼奥斯”超市造成重大的财产损失和人员伤亡的火灾是层出不穷。在我们分析这些伤亡惨重的火灾案例，总结经验教训时，我们不难发现天井及中庭这种新颖的建筑形式在火灾中起的负面效应，它的出现虽创造了一种崭新的建筑形式，但同时也带来了特殊的火灾危险性。为此，针对这种以建筑内部空间为核心综合多种功能的空间结构形式一一天井及中庭，我们应当采取切实有效的防范措施，保证其安全。
6.1 中庭、天井的概念及特点：
天井——围合建筑中被建筑包围的露天庭院;亦或定义为短边长度不小于6m(或半径不小于6m)，横截面积不小于100m2，且其共享层数不少于三层的室内庭院。
中庭——天井上加上屋盖后形成的闭合空间即构成中庭，中庭是建筑中贯通上下层的共享空间，亦可称为“四季厅”。中庭与天井最大的区别就是中庭的上部带有顶盖，形成了一个室内相对封闭的庭院。
中庭的特点：属建筑内部贯通多个楼层的空间，多数以屋顶或外墙的一部分采用钢结构和玻璃幕，将阳光引入并充满建筑内部空间，其用途不可特定。
6.2 天井及中庭的火灾危险性：
火灾发生后将会在中庭空间内不受限制的急剧蔓延扩大，烟尘迅速扩散至中庭贯通的整个空间，造成人心恐惧，疏散危险;另由于中庭空间较高，火灾探测和自动灭火较为迟缓，极易形成立体燃烧，一旦屋顶塌陷后，就会形成天井的烟囱效应，难以准确确定起火点，屋顶倒塌或散落的玻璃会造成二次伤害，给灭火救援带来严重困难。天井及中庭的建筑形式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，潜在着较大的火灾危险性，主要表现在：
6.2.1 功能复杂，可燃物大量存在
天井和中庭大部分都设置于宾馆和商贸楼等公共场所，为了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，这样大大增加了建筑物内的火灾荷载，发生火灾时极易形成气体火灾且难以控制。
6.2.2 人员众多，物资集中，易造成重大伤亡和财产损失
天井和中庭由于环境舒适、装潢美观、交通方便，深受广大群众喜爱，天井和中庭部位人员相对密集，如发生火灾，由于场所较大且人员拥挤，极易引起混乱，造成重大人员伤亡。同时天井及中庭相对开放，如防火分区不合理，发生火灾时极易蔓延扩大，从而造成重大的财产损失。
6.2.3 流动人员众多，交通复杂，疏散难度大
具有天井及中庭的建筑一般都采用电梯、自动扶梯为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。
6.2.4 易形成“烟囱效应”，加快烟火蔓延速度
天井及中庭空间形似烟囱，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。
6.2.5 建筑综合性强，功能复杂、多变，防火设计困难
近年来，建筑功能均向着多元化、综合性的方向发展，即融餐饮、娱乐、办公、住宿与购物于一体，场所众多，功能复杂，防火设计涉及多类场所，涵盖各个方面。加之此类建筑在规划阶段往往为敞开式大空间设计，各楼层和各部分的使用功能是建设方按建成后的出售或租赁情况再作功能进行划分，使用的灵活性相对较大，这样给防火设计带来了相当大的困难，建筑防火设计人员在设计之初不能控制后期的使用性质，不能充分考虑各类场所的防火设计，给整个建筑在后期使用时带来了潜在的火灾危险性。
6.3 关于天井及中庭的防火分区问题
关于天井的防火措施在现行的《建筑设计防火规范》中并没有明确规定，考虑到天井及中庭上下连通各层，其防火分区应着重考虑竖向分隔。因此，当建筑采用天井时其防火分隔措施可以采用以下两种：一是参考《建筑设计防火规范》中对中庭防火分区的要求，在天井周围设置耐火极限大于3小时的防火卷帘进行防火分隔，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·m 。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。由于此方案所需防火卷帘分隔的区域面积较大，经济性不理想，加之防火卷帘、水幕系统还受产品质量、后期管理维护等方面的因素影响，通常不倾向于此方案;另一种方案是在进行天井设计时对天井的宽度进行规定，使其满足防火间距的要求，即在多层建筑中天井宽度应大于等于6米×6米，在高层建筑中天井宽度应大于13米×13米，并将天井四周砌1.2米的防火墙，同时在每层楼板处设置防火挑檐。而天井两侧的敞开楼梯和自动扶梯将上下各层连通，因此应在敞开楼梯和自动扶梯四周设置防火卷帘。
6.4 天井与中庭的防火设计：
高层建筑物中庭的防火分区面积，应按上、下层连通的面积叠加计算，当超过一个防火分区面积时，应符合下列规定：
房间与中庭回廊相通的门、窗，应设能自行关闭的乙级防火门、窗;与中庭相通的过厅、通道等，均应设置乙级防火门或采用耐火极限大于3.0小时的防火卷帘进行防火分隔;
中庭各层回廊均应设置火灾自动报警系统和自动喷淋灭火系统，并应设置排烟设施。
6.5 天井与中庭的防排烟问题
火灾统计资料说明，天井及中庭建筑尤其以烟气的火灾危险性最大，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。因此在天井及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。天井及中庭的排烟设计方法通常分自然排烟和机械排烟两种：
自然排烟：净空高度小于12米且具备自然排烟条件的中庭可采用自然排烟方法，以减少烟气层化现象;可开启的天窗或高侧窗的面积之和不应小于该中庭围合地面面积的5%;排烟窗应具有方便开启的装置，如自动启闭，集中控制，与火灾自动报警系统联动启闭。
如投资许可或建筑装修美观要求，则建议采用机械排烟措施较为稳妥。
机械排烟：不具备自然排烟条件或净空高度超过12米的中庭;排烟量计算要求：中庭体积小于17000立方米时，其排烟量按其体积的6次/小时换气计算;中庭体积大于17000立方米时，其排烟量按其体积的4次/小时换气计算;但最小排烟量不应小于102000立方米/小时;另排烟风机应与火灾自动报警系统联动控制。
6.5.1 天井的防排烟。由于天井是不带顶盖，因此在排烟方面具备良好的自然排烟条件。多层建筑中的天井，由于天井高度低，完全具备自然排烟条件，因此可不考虑机械排烟。而高层建筑中的天井，考虑到如建筑低层发生火灾时，烟气在上升过程中极有可能窜入较高楼层，可将烟气引入建筑四周的回廊(或阳台)，回廊与中庭之间设置挡烟垂壁，将回廊作为贮烟仓，并在回廊内设置机械排烟系统，将烟气排除。
6.5.2 中庭的防排烟。中庭的防排烟设计是一个比较复杂的问题，它建筑高度和中庭形式的影响较大，综合考虑各方面因素，笔者认为要较为理想的是采用自然排烟、机械排烟相结合的综合排烟法。设计时可在中庭四周的回廊(或阳台)与中庭之间设置挡烟垂壁，将回廊作为贮烟仓，并在回廊内设置机械排烟系统，将烟气引入回廊后排除，而其它楼层则与中庭采用卷帘等防火分隔方法封闭起来。回廓可防止发生火灾房间的烟气进入中庭，卷帘等防火分隔可防止烟气坚向蔓延，而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，一般可在多层建筑中使用。而当中庭高度过高时，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。
6.6 中庭钢结构构件的保护
在中庭的防火设计中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：一是冷却法。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;二是喷涂法。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;三是包封法。外包不燃烧材料，使构件达到规定的耐火极限。
七、建筑竖向井道的防火分隔措施
7.1 建筑中竖向井道的种类：
电梯井、电缆井、管道井、排烟井、送风井、排气井、垃圾道。
7.2 竖向井道的火灾危险性：
因为竖向井道贯通建筑的上下各层，火灾时极易形成烟囱效应，造成火势沿垂直方向迅速蔓延扩大，发展成立体火灾，给人员疏散和灭火救援造成困难，直接危害人体生命和经济财产的安全。
7.3 竖向井道的防火措施：
电梯井应独立设置，井内严禁敷设可燃气体和甲、乙、丙类液体管道，并不应敷设与电梯无关的电缆、管线等。电梯井道壁除开设电梯门洞和通气孔洞外，不应开设其他洞口，电梯门不应采用栅栏门。向大开间开门的电梯宜在门洞外侧设置甲级防火卷帘，或采用耐火时限不低于2.0小时的耐火时限墙围合成电梯前室，将电梯和大空间隔开;
电缆井、管道井、排烟井、送风井、排气井、垃圾道等竖向管道井，均应分别独立设置，其井道壁应为耐火时限不低于1.0小时的不燃烧体，开设在井道壁上的检查门应采用丙级防火门;
建筑高度不超过100米的高层建筑，其电缆井、管道井应每隔2～3层在楼板处用相当于地、楼板耐火极限的不燃烧体作防火分隔;建筑高度超过100米的高层建筑，应在每层楼板处采用相当于楼板耐火极限的不燃烧体进行防火分隔;
电缆井、管道井与房间、走道等相连通的孔洞，其空隙部分应采用防火材料填塞密室;
垃圾道宜靠外墙设置，不应设在楼梯间内，垃圾道的排气口应直接开向室外。垃圾斗宜设在垃圾道前室内，该前室应采用丙级防火门，且垃圾斗应采用不燃烧材料制作，并能自行关闭。
八、结束语
综上所述，在建筑设计过程中，应加强设计人员的消防安全意识和专业技能，还应加大政府职能部门的监管和审查力度，坚决杜绝不符合国家和地方安全等级的建筑材料被大量采用;对带有天井和中庭的建筑，在进行防火设计时，除了保证其美观实用的基础外，还必须依照国家规范及地方标准充分考虑到防火分区、防排烟和对钢结构的保护，从而有效解决建筑物竖向防火设计及采取正确的防止火灾竖向蔓延的措施，以保护人们生命和财产的安全。
参考文献
[1]惠忠玉.现代消防管理手册[M].北京：企业管理出版社，1996.
[2]《浅析建筑物天井及中庭的防火设计》欧阳浩.程道鹏.《攀枝花学院学报》.2007.
[3]中华人民共和国公安部消防局.高层民用建筑设计防火规范条文说明[S]