小天井住宅楼的火灾特性与防火安全设计
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【摘 要】：随着我国建筑业的迅速发展，建筑用地日趋紧张。因而，一种可以节省占地面积的建筑形式——小天井大进深住宅楼在上世纪70年代便应运而生。文章分析了小天井住宅楼的火灾特性，介绍了小天井住宅楼火灾的传热形式，提出了小天井住宅楼的防火安全设计注意事项。
【关键词】：小天井；住宅楼；防火安全
【 abstract 】 : along with the rapid development of the construction industry, building land increasingly nervous. Thus, a can save covers an area of form of construction-small courtyard building large width in the 1970 s will come into being. This paper analyzes the characteristics of the small courtyard building fire, introduces the small courtyard of residential building fire heat transfer form, and put forward the small courtyard building fire safety design matters.
【 key words 】 : small courtyard; Residential buildings; Fire safety
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
引言
建筑中的小天井，其主要功能是采光、通风，所以天井壁上都需要按功能设计窗口。有的是两个井壁上开窗，有的是三个井壁上开窗，甚至四个井壁上都开有窗口。然而，这种天井在火灾情况下利弊如何的问题却引起了争议，并且突出地反映在建筑设计单位与消防建审机关之间。
1小天井住宅楼的火灾特性
为从理论上解决这一实际矛盾，由公安部消防局牵头，邀请了有关大学、设计院、研究所、工厂、消防队以及建筑施工等单位的教授、研究员、高级工程师等工程技术人员共同对小天井住宅楼的火灾特性进行了专题研究。通过研究组对六层楼的实际楼房和不同比例的模型楼房的火灾试验，得出下述结论：
1.1小天井有良好的排烟、降温作用,起火室愈靠近天井,这种作用就愈加明显。试验表明,烟、火进入天井后,一直向上排入天空,并不进入中途各层房间、走道和楼梯间。各层房间都有冷气流不同程度地流向天井,并保护了自己。这对灭火和人员疏散都是十分有利的。
1.2当各层靠天井的房间的室门全部关闭,而朝向天井的窗户全部打开时,是最不利状态。因为这时,阻碍了大量冷气流及时流入天井,使窗口失去冷气流的保护,起火室的烟、火会较容易地闯入对面窗口,随着热量的迅速积蓄而引燃窗框、窗帘,以致整个房间。
1.3天井内两个相对的窗口相距3.3米时,是安全间距。但,这个数值可否确定为小天井安全尺寸,仍需听取各方面有关专家意见后,报请上级审定。
紧靠天井的任何房间一旦发生或蔓延成火灾之后都会烧坏玻璃，使室内烟火因热压作用而进入天井。此时天井便被迅速加热，从而产生了天井上下的压头差——即“烟囱效应”。在这种效应的作用下，不仅促使起火室内的烟、热直接排上天空，而且能使其他各层有窗口的且与天井相通的房间内的常温气流进入井道，排向天空，这些常温气流在迅速流入天井的过程中能够不停地冷却着各自的窗口，无形中起着保护自身的作用。同时也不停地降低着天井内热气流的温度。在这种“气流组织”作用下，起火室内的烟和热气只能循天井直接排上天空，而不能在中途进入其他有常温气流进入天井四周的非起火房间窗口。并且，试验证明：火势愈大，烟、热气流排向天空的速度愈快，从各个非起火房间进入天井的冷气流也愈多。这样，烟、热气流也就更难于从天井闯入非起火房间窗口之内。这一点，从任何一次气流组织测试结果中都可以得到证实，各个测点温度最高的时刻，恰恰也是天井流速最大的时刻，仅将第四次试验数据列于表1。
由表1得知，气流速度愈高，带走的热量也愈多，小天井的排烟、排热作用也愈明显。
由于小天井充分的排烟、排热作用，起火室外的走道、楼梯间等公共疏散通道内就没有烟气袭扰，能见度良好，各种气体含量都不能构成对疏散者的威胁。可想而知，居民疏散和消防队的灭火救生工作也就容易得多了。
关于小天井的安全截面尺寸问题，通过火灾试验证明：天井内任何两个最小的水平开口距离应不小于3.3米。因为小于这个数据时，天井一侧窗口喷出火之后容易透过天井引燃对面窗口悬挂着的窗帘或木窗框等可燃物，从而导致火势继续向窗口内部蔓延。
2小天井住宅楼火灾的传热形式
需要进一步阐明的是，既然天井内有高速气流排向天空已经排走了大量的热，同时各非起火房间也有冷空气流入天井起着保护自身窗口的作用，为什么起火室对面窗口在3.3米以内仍有被引燃的危险，就要从热量传递的基本原理来分析。传热的主要形式有三种，即传导、对流和辐射。
1）传导传热：火灾情况下，由于热源———即起火房间，与受热体———即起火室窗口对面，也就是天井另一侧的窗口上存在着可燃物如木窗框、窗帘等。二者之间存在着空间———天井。所以，火灾热量若以传导方式传递给对面窗口，需要起火室两侧的天井壁来完成。但是，由于砖墙的导热系数很低传热时间太长，根据我国建筑构件耐火极限测试结果，仅2400mm厚的红砖墙标准火灾温度下使火背面达到220℃就需要11.5h。可想而知，要通过3h左右的转角砖墙将要花费很漫长的时间。而发生在靠天井的房间里的火灾，从成长期进入旺盛期达到火灾最高温度1130℃仅需10min左右，然后就逐渐下降，如此短暂的火灾持续时间是难以使热量通过砖墙传递到天井另一侧窗口的，或者更加确切地说，传导传热可以忽略不计。
2）对流传热：火焰喷出窗口进入天井之后，激烈地加热着传热介质———空气。由于火焰强大的喷射力造成热气冲击对面墙壁或窗口。但是由于温度愈高，天井的抽力也愈大，况且对方窗口也有冷空气流进天井保护着自己。所以绝大部分的载热空气被迅速排走而来不及使对方窗口的可燃物得到很多热量。这就是说通过对流传热与对方窗口进行热交换的效果也比较差。
3）辐射传热：这种传热方式并不与上述两种方式一样，必须有传热介质才能传热。它可以在没有任何介质传递的条件下由波长0.4u~40u的电磁波的形式直接向受热体发射热量。所以，它在传热过程中一般是不受气流干扰的。即起火室对面窗口的木窗框或窗帘之类的可燃物所吸收的热量主体是辐射热。
可是，为什么在那样强大的辐射热源——即起火房间和这样短的距离——3.3m条件下仍然不能使窗帘或木窗框燃烧呢？这是由于辐射热也有很大损失的缘故。
人们知道，只要物体不是处于绝对零度，它既可以吸收周围的辐射热，也要放射辐射热。窗帘、木窗框之类的物体也同样如此。当其吸收辐射热后，一部分被自己吸收，另一部分反射给天井内不断向上流动的烟气。前已述及，一般空气是不能阻挡辐射热传播的，但是，烟气中会有大量的三原子甚至多原子气体，如水、二氧化碳、甲烷等，这些三原子气体有吸收辐射能的特性，所以，热量又被这些不断上升的三原子气体带走一部分。另外，由于热量通过介质向冷端传递的作用，窗帘、窗框吸收辐射热之后通过自身传递到背表面，再由背表面向室内其他物体辐射。与此同时，室内流向天井的冷气流也将被表面的热量不断带走，连同向火面所吸收的一部分热量一起进入天井随气流排向天空。这就意味着，窗帘窗框等可燃物在火灾过程中不断地接受辐射热，同时也不断地损失辐射热，这就是窗帘、窗框虽然在那样强大的辐射热源的辐射热之下和间距只有3.3m的条件下而未被引燃的主要原因。反言之，如若没有非起火室的冷气流不停地加入天井的气流循环组织，那么在同样条件下，起火室对面窗口将不可避免地引燃。这一点国外均有火灾案例可查。火灾时仅因辐射热能使距火灾现场数十米，乃至一百米的木板房烤燃的情况并不罕见。由此也可以充分证明小天井排烟排热的特殊功能。
3小天井住宅楼的防火安全设计注意事项
（1）小天井内不宜设置凹阳台或挑阳台。因为下部的热气流受其阻挡后,会形成动力旋涡,导致烟、火卷入室内。
（2）紧靠天井并与之相通的房间,其房门应开向室内。这样,当发生火灾时,由于天井抽力的作用,有可能使房门自动推开,增强冷气流,减小起火室对该室的威胁。
（3）紧靠天并四周的房间应尽量与天井保持经常性的空气流通,例如可在门上或墙上设百页窗、花格或通风孔等。
（4）小天井底部应设有固定的进气口或进气门。
（5）与小天井相邻的楼梯间不宜设置朝向天井的门窗洞口。
（6）小天井的出口处或开向天井的门窗洞口,都不应设置任何阻挡气流的挡火板或遮阳板。
结束语
专题讨论会中大家认为建筑防火是与建筑设计密切相关的科研工作,今后应该继续配合和协作;同时希望工作继续深入下去,对更多种起火状况进行研究,例如天井四面开窗、非紧靠天井房间起火、高层小天井住宅,等等。另外,同志们认为,安全间距的确定还要与其它因素结合起来考虑,例如目前使用的多为钢窗,可燃性小。这样,使小天井住宅类型能在“小”的前提下更好地发挥其优势。
参考文献：
[1] 《住宅建筑规范》GB50368-2005
[2] 《住宅设计规范》GB50096-1999(2003年版)
[3] 《自动喷淋灭火系统设计规范》（GB50084-2001-2005年版）
[4] 《建筑设计防火规范》(GB50016-2006)
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。