摘要：本文作者分析了大空间公共建筑烟气的流动特性，指出了目前大空间公共建筑在防排烟方面存在的问题，据此提出了设置吹吸式空气幕墙、软性活动式挡烟垂壁、带有伸缩管道的排烟口等大空间建筑有效防排烟设计对策。
关键词：大空间建筑；烟气流动；防排烟；设计对策
1 大空间公共建筑火灾条件下烟气流动特性
对普通建筑火灾来说，一般认为：由于物质燃烧产生大量的热和烟，建筑内空气因受热而具有较高的温度，根据V1/T1=V2/T2可知，V2=V1#T2/T1，因T2>T1，所以T2/T1>1，所以V2>V1，即空气体积急骤膨胀。同时，若该建筑为密闭型建筑，即在总体积不变时，根据P1/T1=P2/T2，P2=P1#T2/T1，同理P2>P1，即空气受热后，在总体积不变时，压力增高，空气体积不断膨胀，压力逐步增大，产生烟气量也越来越多，且烟气的比重一般比空气小，因此，烟气在浮力的作用下，向普通建筑顶部迅速升腾。当烟气到达顶部后即转向四周呈水平方向扩散，随着火灾的增大，上部烟气越积越多，形成烟气层，并自上而下逐渐加厚下沉。这样，普通建筑的内部空间就会被划分为两部分：上部烟气层，下部空气层。烟气层越低，对人员生命的侵害就越大.烟气层越高，人员就越安全。建筑内之所以设置机械防排烟设施，其目的就在于把上部烟气排走，使烟气层上升，下部空气层加大，以利于人员逃生，防止烟气对人员生命的侵害。
但对于大空间建筑，其烟气运动就不同于普通建筑，有其自身的运动规律和特性。烟气在大空间上升过程中，随着高度的增加，烟气通过上部墙壁开口、缝隙、建筑导热构件等散热很大，烟气温度逐步降低，其上浮力越来越小。实验证明，相当多的烟气在上升到22m后，再上升的速度已相当缓慢，常常无法到达大空间建筑顶部而悬浮在大空间中部偏高处形成烟气层。特别是火灾初期生成的烟气在距大空间顶部很高处便开始下降，聚集成烟气层向下扩展、沉降。
其次，我们通过对烟气层的受力分析，不难看出，大空间建筑发生火灾时，悬浮的烟气层将受到两个力的作用；一是本身重力，二是上浮力。二力平衡的支撑面则是/中性面0，即室内压力等于室外压力的一个理论分界面。中性面对人的危害作用很大。中性面的主要特征是：在中性面的范围内，既不进风，又不排气。人处在中性面范围内将很难生存。中性面越低，对人的危害越大。一般情况下，中性面以下空间，空气从外部通过门窗、缝隙等向内部渗入；中性面以上空间，空气则由内部向外部逸出。而处在中性面范围内的空气却几乎是不流动的。大空间建筑发生火灾时，烟气量越大，其本身重力越大，中性面越低；反之，烟气排出量越大，烟气重力越小，中性面越高。大空间建筑底部开口越多（大），进入的空气量越多，燃烧越猛，烟气温度越高，上浮力越大，中性面越高；反之，下部开口越少（小），进入的空气量越少，物质燃烧越不完全，产生的温度越低，烟气的上浮力越小，中性面越低。
再次，外部风力对大空间建筑内部的烟气中性面也有较大的影响。上部迎风面若开口，大量空气被压入，烟气层下降，中性面下降。因此，上部迎风面开口，不仅不利于排烟，反而促使烟气向下运动，中性面降低，对人员的危害也就越大。
2 大空间公共建筑防排烟系统存在的主要问题
2.1 大空间公共建筑缺少必要的防火防烟分隔
5高层民用建筑设计防火规范6（简称5高规6）规定：每个防烟分区的面积不宜超过500m2，且防烟分区不应跨越防火分区。现已建成的大空间建筑在防火分区、防烟分区方面已大大超过规范的规定，使规范对大空间建筑防烟分区的要求已失去强制约束作用。
2.2 建筑空间高大，机械排烟难以达到要求
实验证明，排除空间较高建筑内的烟气比排除空间较低建筑内的烟气要困难得多。对大空间建筑顶部排烟而言，较低的大空间建筑可以直接在屋顶高天窗进行自然排烟，较高的大空间建筑往往不能进行自然排烟，其机械排烟效率也随其高度的增加而降低。其主要原因是：上部空气温度比下部空气温度高。一般情况下，这个差值随着大空间建筑高度的增加而增大，从而导致其内部烟气层温度比贴近屋顶的空气层的温度低，在离屋顶一定距离处，烟气层便失去了浮力作用，烟气层将很难上升到屋顶，并且上升到一定高度转而下沉。另外，目前一些大空间建筑设置的排烟机，从其实际动作看，排出的除烟气外，还大量渗入空气。且建筑高度越高，渗入的空气量越大，烟气将被大量空气稀释，大大减少了排烟机的排烟量，降低了排烟效率。
2.3 大空间建筑现有防烟分隔设施难以发挥挡烟作用，形同虚设
大空间烟气的流动规律告诉我们：烟气层很难达到大空间建筑顶部，而是悬浮在一定高度的空间中。规范规定，挡烟垂壁高度的下限值为50cm，同时若按挡烟垂壁至地面的高度为1. 8m设计。试想，若大空间建筑的高度为30m，则需挡烟垂壁的理论高度为：28. 2m。现实建筑中很少有如此高的挡烟垂壁。据调查，大多数大空间建筑的挡烟垂壁无一超过50cm。我们知道，挡烟垂壁的高度取决于烟气层的厚度、烟气层与顶部的距离。由此可见，50cm高的挡烟垂壁是不能发挥其挡烟作用的。
2.4 排烟口设置不合理，烟气难以有效通过排烟口排出
据调查，大空间建筑的排烟口都是按目前5高规6的要求，设置在顶棚基靠近顶棚的墙面上。若按这一规定设置排烟口，对大空间建筑来说，是难以达到排烟要求的。因为大空间建筑内的烟气层不可能到达其顶部，因而也就不可能接近排烟口，烟气也就难以高效通过排烟口排出。
3 改进大空间高效排烟的设计对策
3.1 设置柔性隔断，建立吹吸式空气幕墙
早在20世纪80年代，日本林太郎先生就提出了“空气幕墙”理论，并对理想模型进行了实验。该理论在工业通风和空调工程中已经证明其隔断性是非常有效的。实验证明，空气幕墙适合于火灾初期和中期烟气的层流和紊流状态。空气幕墙的基本原理是利用吹吸气流形成流动的空气幕墙，实施防烟分隔，形成防烟分区，同时排放高温烟气和有毒气体。特别是对大空间建筑，由于空气幕墙为柔性隔断物，利用它可将大空间划分为多个防烟分区。同时，空气幕墙系统吹风口吹进的空气完全被排出，使火灾处于缺氧状态，特别是对高层建筑，可以避免烟囱效应的不良影响。对大空间建筑来说，如果在空气幕墙上方再设置水幕系统，则更有利于防火防烟分隔，更有利于人员安全疏散，更有利于有效控制烟气的流动与火势的蔓延扩大。
3.2 设置软质活动式挡烟垂壁与水幕联合系统
设置软质活动式挡烟垂壁与水幕联合系统，将烟气团有效地控制在一定的空间内，建立大空间中上部防烟分区，为实施有效机械排烟创造条件。软质活动式挡烟垂壁，平时卷缩在大空间建筑顶部；火灾时，通过自动、手动按钮，使软质活动式挡烟垂壁下降至有效防排烟的高度。同时，水幕系统开启，对其进行保护。
3.3 设置具有伸缩式排烟管道的活动排烟口，插入烟层内机械排烟
平时，带有/伸缩式排烟管道的排烟口0设置在大空间建筑顶部，火灾时，通过手动、自动按钮，使位于大空间建筑顶部的排烟口下移，伸入到上部烟层内进行排烟，把烟气层底面高度控制在对人员没有危害的高度。
大空间建筑必须采取特有的排烟方式，否则，将普通建筑的防排烟设施用于大空间建筑是难以达到排烟效果的。本文提出的“吹吸式空气幕墙”、“软性活动式挡烟垂壁”、“带有伸缩管道的排烟口”等排烟设施具体如何设计制作，并有效地应用于实践中去，则需要进行一系列的科学试验和深入研究。
参考文献：
[1] 周燕来，朱国英.浅析我国高层建筑防排烟工程设计[J].知识经济，2011，（12）.
[2] 程远平，陈亮.建筑火灾过程中烟气与热排放作用分析[J].消防科学与技术，2012，（06）.