酒店中庭防火设计策略分析
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本文在探讨酒店中庭防火设计时，采用比较分析和案例分析等方法，结合苏州凯悦酒店超高中庭的工程实例展开讨论，理论联系实际，规范结合案例。苏州凯悦酒店位于苏州工业园区，酒店主楼平面呈A字型，地下2层，地上25层，建筑高度99.8m，其中庭贯通地上全部楼层。鉴于酒店中庭的特殊性，其防火设计除了耐火等级、平面布置、建筑构造以外，尤其需要重点关注的是防火分隔、火灾探测、自动灭火、烟气控制等方面带来的重大挑战。
1．中庭与周围连通空间的防火分隔
酒店中庭作为一个上下层连通的共享空间，若不进行防火分隔，防火分区面积按上、下层相连通的建筑面积叠加计算，叠加计算后的建筑面积往往会超过规定的防火分区最大允许建筑面积，因此需要对酒店中庭进行水平和垂直的防火分隔。垂直防火分隔最为直接的就是利用结构楼板进行分隔，即以层间楼板分隔成若干防火分区。水平防火分隔是在中庭开口部位采取甲级防火门窗、复合防火卷帘、A类防火玻璃等进行有效分隔。房间与酒店中庭回廊相通的开口部位设置火灾时能自行关闭的甲级防火门、窗。与酒店中庭相通的过厅、通道等设置火灾时自动关闭或降落的甲级防火门和复合防火卷帘进行防火分隔，主要起防火、防烟分隔作用。[2]防火门平时保持开启状态，火灾时通过自动释放装置自行关闭，以利兼顾防火分隔和人员疏散的双重功能；防火卷帘的耐火极限大于3h，且符合推荐性国家标准《门和卷帘的耐火试验方法》（GB/T7633-2008）等有关耐火完整性和耐火隔热性的判定条件，并具有防烟性能和信号反馈等功能。酒店中庭与周围连通空间采用防火隔墙进行防火分隔时，其耐火极限不低于1h；采用A类防火玻璃进行防火分隔时，防火玻璃与其固定部件整体的耐火极限亦不低于1h。中庭回廊与酒店中庭之间设置挡烟垂壁，从顶棚下凸出不小于0.5m，每个防烟分区面积不超过500m2。
2．火灾探测及自动灭火系统
酒店中庭的灭火方式一般有边墙覆盖快速响应喷淋、消防水炮、智能射水器等。消防水炮一般用于机场、火车站、体育馆等人员众多的高大空间。酒店运营时中庭区域人员数量相对较少，中庭灭火系统采用流量适中、小巧灵活的智能射水器，可以克服消防水炮压力较大、可能影响人员安全疏散的负面因素。中庭智能射水器设独立控制系统，并自带火焰探测、扫描定位装置。智能射水器就近接入喷淋主干管，设计灭火时间不小于1h，用水量单独考虑并计入消防总用水量，其安装位置和间距确保覆盖整个酒店中庭，保证无灭火盲点。用于超高酒店中庭的火灾探测主要有吸气式感烟探测、反射光束感烟探测、图像对射感烟探测、普通光束对射探测、光电火焰探测、图像火焰探测等方式。苏州凯悦酒店中庭从首层一直贯通到屋面，中庭高度达到99.8m，且中庭屋顶设有采光顶棚。正常空调情况下，中庭室内温度在高度方向上呈现不一致性，尤其在夏季更不均匀。一般而言，中庭内的温度随着高度的增加而增加，出现“热障”现象。中庭地面火灾在初期或阴燃阶段，由于火灾规模小，烟羽流温度低、热浮力小，加上烟羽流不断卷吸周围冷空气而逐渐冷却，上升过程中遭遇“热障”失去热浮力后在某一高度悬浮，形成烟气“层化”现象，影响超高酒店中庭的火灾早期探测，为此在高度方向上分层设置红外光束感烟火灾探测器，并满足线型火灾探测器的设置要求。
3．中庭机械排烟系统酒店中庭独立设置
机械排烟系统，在中庭回廊与酒店中庭之间设置挡烟垂壁防止烟囱效应，进行防烟分区分隔，中庭回廊另设机械排烟系统，即在酒店中庭和中庭回廊分别设置机械排烟系统。采用这种看似保守的消防措施，主要是考虑最大限度地避免烟气在酒店中庭与中庭回廊之间相互蔓延。利用酒店中庭首层直通室外或间接通向室外的门作为自然补风口，与中庭顶部的排烟口一起组织烟气排放，防止烟气从回廊栏板与挡烟垂壁间侵入中庭各楼层。酒店中庭顶部3层（23～25层）采用A类防火玻璃进行防烟分隔，与中庭顶棚共同围合形成一个13m高的大型储烟空间，在凸出屋面的储烟仓侧壁设置机械排烟口。设储烟仓可以给客房层、尤其是高位客房层提供更长的火场耐受时间，以利酒店客人安全疏散。
4．装修材料和家具的燃烧性能
酒店中庭连通部位的顶棚、墙面采用A级装修材料，其他部位采用不低于B1级的装修材料。挡烟垂壁的主要作用是减缓烟气的扩散和蔓延，提高防烟分区的蓄烟能力和排烟口的排烟效果，因此其装修材料采用A级装修材料。中庭照明灯具的高温部位，若靠近非A级装修材料时，采取隔热、散热等防火保护措施，灯饰所用材料的燃烧性能等级不低于B1级，灯饰亦至少选用B1级材料。为有效控制火灾荷载，酒店中庭区域的桌椅沙发和艺术陈设品等的燃烧性能等级均不低于B1级。
二、确定火灾规模和火灾场景
火灾模拟软件能够将实际消防安全工程中的一系列物理参数和设施，如火场温度及速度、火源、火灾探测器、排烟风机、挡烟设施、喷头等建立在火灾模型中，并在模拟时让它们再现实际火灾中的动作时序，与真实火灾的相似性很高。利用火灾模拟软件进行数值模拟时，需要输入火灾规模和火灾场景作为火灾模拟的给定条件，模拟结果能实现可视化输出，还能以“热电偶”探测的方式通过Excel表格输出，来进行较为深入的量化分析。
1．设定火灾规模实际
上火灾不会立即达到稳态火灾的最高热释放速率，通常着火后有一个发展过程。火灾的发展可以看作是时间的函数，发展火灾又称“时间平方火灾”，快速发展火灾通常适用于酒店等火灾场景。在火灾模型中，从火灾发生到设定的火灾规模这段期间呈现时间平方火灾状态，火灾达到设定的火灾规模峰值后将保持不变。自动喷水灭火系统是有效的主动消防设施，具有安全可靠、经济实用、灭火成功率高等优点。通常将喷淋系统启动时的火灾热释放率作为最大火灾规模（即喷淋启动后，火灾规模将保持不变），并考虑火灾探测、报警和排烟系统的延迟。酒店火灾燃烧物质中危害最大的工程塑料，其主要原料有聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚亚氨酯等。工程塑料燃烧热量大、产烟率高，综合评估后确定酒店中庭火灾的燃烧热为20MJ/kg，发烟率为0.05，作为火灾模拟软件的输入参数。
2．火灾场景设计参考
上海市工程建设标准《建筑防排烟技术规程》（DGJ08-88-2006）的相关规定，将未受自动灭火系统保护和受自动灭火系统保护的酒店中庭设计火灾分别确定为4MW快速时间平方火灾和1MW喷淋控制条件火灾。酒店各楼层伸入中庭范围的功能区域，由于受到智能射水器灭火系统的保护，加之提高酒店家具的燃烧性能等级，如果发生火灾，其烟气蔓延形式与中庭回廊火灾相似，均为阳台型烟羽流类型，由于面积较小容易扑灭，此场景可不进行火灾模拟。综上，酒店中庭最不利的火灾场景是中庭地面火灾，消防顾问采用FDS火灾模拟软件模拟了2个火灾场景：一是中庭地面4MW快速发展火灾，轴对称烟羽流，燃烧热20MJ/kg，发烟率0.05，通过火灾模拟验证中庭机械排烟的实际效果；二是中庭地面1MW快速发展火灾，轴对称烟羽流，燃烧热20MJ/kg，发烟率0.05，小型火灾容易产生“烟气”层化现象，模拟此火灾场景就是为了验证小型火灾情况下中庭实际的机械排烟效果。
三、FDS火灾模拟及模拟结果
FDS软件由著名的美国国家标准与技术研究院（NationalInstituteofStandardsandTechnology，NIST）开发，是计算流体力学软件的一种，专门从数值计算方面解决一系列有关热驱动、低速流动的Navier-Stokes方程，适用于火灾导致的热烟传播和蔓延的数值模拟，FDS利用大涡流流体力学模型（LargeEddySimulation，LES）来模拟火场流体的紊态流动。
1．酒店中庭火灾模拟
苏州凯悦酒店中庭采用机械排烟，在屋顶设置机械排烟风机，沿中庭顶棚四周侧面均匀布置机械排烟口，排烟口采用常闭百叶形式，火灾时联动打开。结合上海市工程建设标准《建筑防排烟技术规程》（DGJ08-88-2006）中有关4MW火灾规模和清晰高度的概念计算方法，并结合国家2005年版《高层民用建筑设计防火规范》（GB50045-95）有关中庭换气次数的常规计算方法，考虑到机械排烟口的不同位置对中庭烟气运动有较大影响，通过模型试算对中庭机械排烟口的位置进行优化选取，初步确定模型中的总排烟量为50万m3/h，在模型中设置8个机械排烟口，即模拟在酒店屋顶布置8台机械排烟风机，每台机械排烟风机的风量为6.2万m3/h。补风则主要通过首层直通室外或间接通向室外的门，如酒店入口及首层疏散外门等，共考虑补风面积20m2。
2．中庭地面4MW火灾模拟结果
从中庭地面4MW火灾温度竖向剖面切片图来看，在600s内，大部分烟气温度未超过60℃；同时，从中庭地面4MW火灾能见度切片图（二十二层地面以上2m水平面）来看，火场可提供酒店内最不利楼层—二十二层酒店客人（23～25层中庭回廊与酒店中庭之间设有全封闭的防烟分隔）的安全疏散时间不小于600s。由于中庭烟气首先危及较高的客房楼层，模拟结果显示较高楼层的酒店客人拥有足够的安全疏散时间进入同层的安全出口（防烟楼梯间）。
3．中庭地面1MW火灾模拟结果为分析
小型火灾可能产生的烟气“层化”现象，又对中庭地面1MW火灾进行了模拟，模型输入参数中除火灾规模调整为1MW，其他所有输入参数及FDS整体模型均未变化。在中庭地面1MW小型火灾场景下，虽然烟气上升速度要比4MW火灾慢，且易产生烟气“层化”现象，但小型火灾本来产烟就较小，而高大中庭对烟气的稀释效果又较好，再加上自动灭火系统的及时启动和围护结构的吸热作用（约吸收1/3热量），使酒店中庭及中庭回廊区域的烟气温度降低、能见度提高。从模拟结果看，提供给酒店客人安全疏散的时间不小于1200。考虑到中庭地面酒店家具等影响人员安全疏散的不利因素，模拟结果表明酒店首层人员同样拥有足够的安全疏散时间从安全出口（疏散外门）离开火场。
四、结论和建议
1．结论人员安全疏散
所需的时间由探测时间、延迟时间和行动时间三部分组成。一般情况下，感烟探测器响应时间小于30s，考虑酒店内工作人员向消防控制中心报警的方式，探测时间为60s。参考公安部2009年《建设工程消防性能化设计评估应用管理暂行规定》，客房内设带蜂鸣器（床头处75dB）的感烟探测器，酒店客房和中庭回廊均设消防广播，延迟时间（消防报警时间、人员识别及反应时间）为120s。消防顾问采用Pathfinder疏散软件对客房层人员疏散的模拟结果显示，客房层酒店客人全部疏散到本层防烟楼梯间的时间为92s，考虑1.5倍的安全系数后为138s，再加上60s探测时间和120s延迟时间，客房层酒店客人疏散至本层安全出口的所需时间为318s，小于600s安全疏散时间。根据对中庭地面4MW快速时间平方火灾和1MW喷淋控制条件火灾的模拟结果，中庭地面4MW和1MW火灾场景下，火场允许酒店客人安全疏散的时间分别不小于600s和1200s。对比防火设计提供的人员安全疏散时间和酒店客人疏散所需的逃生时间，酒店中庭50万m3/h的机械排烟量可以为酒店客人，特别是为储烟仓下最不利的二十二层的酒店客人提供了宝贵的火场逃生窗口时间。而且此排烟量已相当于酒店中庭和中庭回廊总体量的6次换气次数，相比规范要求的4次换气次数具备一定的安全冗余。酒店中庭下部设置自然补风，中庭顶部排烟口均匀布置，每个排烟口的风速不大于10m/s，中庭机械排烟系统的排烟效果良好。
2．具体建议
基于前述分析和讨论，本文对酒店中庭，特别是高大酒店中庭的防火设计给出如下建议：第一，在中庭顶部若干楼层的中庭回廊与酒店中庭之间设置全封闭的防烟分隔措施，与中庭顶棚共同围合形成储烟空间，为中庭排烟创造有利条件；第二，虽然国内已有一些案例，如上海金茂大厦、郑州绿地中心等只在酒店中庭设置机械排烟系统，而未在中庭回廊设置独立的机械排烟系统，但为了有效控制和尽量减少火灾蔓延，仍然建议在酒店中庭和中庭回廊分别设置机械排烟系统；第三，高大中庭火灾探测可使用红外光束感烟探测器，由于中庭空间较高，建议分层设置探测器，在中庭高度方向上每隔30m左右设置一层红外光束感烟探测器，并错开设置以保证火灾探测效果；第四，可以采用智能射水器作为中庭自动灭火系统，智能射水器具有保护半径大、流量小、较为美观、主动探测扫描并定位灭火等优点，设计需满足相关国家、部委、行业、协会、地方等相关标准；第五，中庭防火设计应满足《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）第5.3.2条的规定，如中庭与周围连通空间进行防火分隔、中庭内不布置可燃物等；只有现行规范未作明确规定或虽有明确规定但执行该规定有困难时，才能采用性能化消防设计方法，且消防安全性能不得低于规范规定的安全水平。
作者：王怡匀 单位：华东建筑设计研究总院高级设计师
