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建築研究簡訊第102期 《專題報導》

內政部頒106年度自辦研究甲等獎–建築火災煙控性能設計現地排煙驗證精進計畫

近10餘年來國內都會地區發展相當迅速,在有限的區域範圍內,為滿足民眾對居住與空間的需求,建築物已呈現高層化、大型化、集合化、多元複合化的趨勢發展。隨著新材料、新工法、新設備及新技術的發展,加上新穎的空間設計理念,導致部分建築物無法適用傳統的建築防火及消防「規格式法規」,或產生互相牴觸之情事。因此,建築技術規則於93年增修總則編第三條及第三條之四將性能設計納入規定,隨後消防法亦於99年增修第六條納入性能設計規定。統計我國性能評定機構財團法人台灣建築中心自94年至104年評定完成之性能式設計案件已近156件,其中約58件以電腦模擬評估,而性能設計大都集中於防火避難設計(主要以煙控性能評估人員避難),但在此10年間主要由評定機構邀請之專家學者,依其專長大都就設計者之評估資料進行書面審查,偶有地方消防機關會就個案於結構體與設備完成後,要求以熱煙試驗測試確認其電腦模擬評估效能,如102年基隆海洋科技博物館、105年高雄衛武營藝術文化中心,由財團法人台灣建築中心94 年至105 年間建築物防火避難性能設計案件採用數值模擬或試驗方法統計顯示94年至96年有4.8%、97年至99年有1.7%採全尺寸試驗驗證,100年後完全以電腦模擬。日本專家指出,電腦模擬因程式裡有太多假設前提條件過於單純,不足以反映真實情況,且電腦程式有許多未透露用途目的的原始碼,只有設計者清楚,旁人難以檢核其正確性。因此在日本即使是歐美已常使用的電腦模擬軟體,其模擬結果仍然受到質疑,在實務應用上實在有必要輔以實驗證明,以確保其安全性。本所102年依澳洲標準AS 4391進行研究並研擬為CNS標準草案,此草案已於105年10月5日公告為CNS 15937(2016)煙控系統性能現場試驗法-熱煙試驗。

由CNS 15937「煙控系統性能現場試驗法-熱煙試驗」標準中作為煙氣部分,於用語及定義為示蹤煙氣(Tracer smoke),係以造煙器產生,經由導管送入火羽流中,就目前國內常用造煙機係經由加熱器加熱煙油,此煙油經過如美國食品藥物局(FDA)核可不具汙染性、pH值應接近中性、顏色為白色,且殘留物少,經由高壓CO2吹出造煙機進入火羽流,造煙機只能產生固定煙量,如單位時間內產生特定煙濃度(以能見度表示)煙量,而送出造煙機煙量則可由高壓CO2氣壓值決定送出造煙機之煙量,由於標準並未規範可視化之煙量,其煙量係以火源大小、熱釋放率、溫度,以及煙層溫度估算羽流捲吸空氣的質量流量(kg/s),於主要出口路徑內輔以使用遮光計測定由於煙使光源強度降低之煙遮蔽效應量測(此值被用作一個基準),以作為煙氣流動過程中的量化評估。或以一個多點吸氣式偵煙探測器系統,協助確定不可見的煙通過建築內受阻或蓄積情況,以作為判斷煙控效果。

惟此法之熱煙僅為示蹤性質,並未規範以實際煙量進行驗證,雖已可較真實性驗證主管機關審核通過之煙控性能設計,但於驗證過程因無法具體以煙量驗證實際設計完成建築物火災發生時可能產生之煙量,故仍難以避免發生有效性之爭議。

本計畫已成功開發可依火災時間歷程之發煙量,控制造煙機輸出之煙量,以具體特定濃度之煙量取代示蹤性,以遮光計測定避難通道或出口之遮蔽基準,以及建立發煙時間歷程校驗方法。本法主要構成係依ISO 16735計算所得之煙捲吸流率,採用風機與造煙機結合提供足夠之捲吸流率煙量,以CNS 15781-1光源及接收器,光徑同採3 m長,並參採CNS 15781-2所建議之透射率60 %(Franck GYPPAZ(2014)整體共識是,人們對建築物的安全撤離需要10 m 的能見度限制。其對應於透射率約60%; 這也是IEC 61034標準中用於評估電纜在煙霧產生方面的性能的基準。)做煙層之認定,經試驗結果顯現具有良好之再現性,可作為現地熱煙試驗煙層量測與設備之規範,量化的煙流率與煙密度,可對電腦模擬結果進行可靠性之驗證,因此,煙流率與煙密度之測定亦可供作參考與規範,本項開發業於107年8月21日取得新型專利,專利證書號數M565585。

開發階段在以密閉式量測與動態式量測發煙率,密閉式量測係以CNS 14818(2004)/ISO5659-12(固體材料燃燒煙濃度試驗法-比光學密度垂直式驗法/Plastics -- Smoke generation -- Part 2: Determination of optical density by a single-chamber test)標準於0.51m3密閉箱體量測煙油煙產生之比光學密度及產生率,CNS 15781-2(2015)電(光)纜於特定條件下燃燒之煙密度量測-第2部:試驗程序及要求,標準於27m3密閉箱體內造煙系統可控煙產生率,另以CNS 14705-2(2016)建築材料燃燒熱釋放率試驗法-第2部:煙產生率(動態檢測),於良好通風條件下小尺度煙油加熱之動態煙產生率及CNS 15048(2007)建築材料耐燃性試驗法-全尺度燃燒試驗法,大尺度量測可控造煙之動態煙產生率量測,可經由動態煙產生率與密閉式蓄煙狀態比較分析其關係,作為造煙可控模式之建立。

實測系統則於本所防火實驗中心消防實驗室空間容積約325m3(CNS 15937(煙控系統性能現場試驗法-熱煙試驗)建議用於空間容積250m3以上)進行實驗並與造煙時間歷程比對、分析與修正,測試以風機產生捲吸流率,以造煙機產生固定煙密度之煙霧,再配合適當熱源提供熱浮力方式與模擬比對之結果,由於該實驗空間為矩形立方體在模擬與實驗相對單純,為進一步驗證本方法用於較複雜空間之適用性與實驗結果之再現性,乃於本所防火實驗中心會議廳以相同模式進行(如圖1)。由於會議廳具不規則之空間,且有室內裝修,而電腦模擬並無法模擬裝修狀況,空間變化僅能以矩形型式趨近模擬,故於模擬於逃生出口處煙層隨時間沉降,且至模擬結束(300秒)尚於安全高度以上,但經熱煙試驗發現該逃生出口處,在安全高度(2 m)煙透射率已降至60%以下,反於高度3 m處煙透射率至300秒才降至60%以下,模擬與試驗結果比較顯現有明顯差異性(如圖2);因此,以熱煙試驗定性驗證電腦模擬評估設計,有其必要性,而本研究所提出之量化試驗模式,則可具定量驗證參考。

 

本研究並獲得以下重要發現:

  1. 以風機產生可程控之流率(如t平方),配合發煙機提供固定之煙密度以及適當熱源提供基本熱浮力方式,可供作實尺度空間煙層計算模擬量化之驗證。
  2. 熱煙試驗量測煙層之設備可依CNS 15781-1之光源及接收器,煙層之判定可依CNS 15781-2所建議在量測光徑3 m長之透射率60 %為基準。
  3. 偵煙探測器可作為現場熱煙試驗煙層輔助觀測之參考。
  4. 以3 m光徑之透射率60 %做為煙層判定,經多次試驗結果具有良好之再現性。

圖1.會議廳熱煙試驗與電腦模擬比較

圖2.會議廳逃生出口處試驗與模擬結果比較