陳 陣，王 霽，張 苗，吳欣田，張哲源

（1.中國科學(xué)院力學(xué)研究所高溫氣體動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190；2.天津工業(yè)大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，天津300387；3.中國人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院，河北 廊坊065000；4.天津公安消防總隊(duì)河北區(qū)消防支隊(duì)，天津300100；5.天津易景環(huán)境科技發(fā)展有限公司，天津300101）

地下車庫火災(zāi)由于其特殊的環(huán)境場合，火災(zāi)與煙氣蔓延情況復(fù)雜，一旦發(fā)生火災(zāi)其蔓延速度快、撲救困難［1］。對地下車庫火災(zāi)荷載的深入了解是研究其火災(zāi)與煙氣蔓延規(guī)律的前提，而對地下車庫設(shè)計(jì)合理的自動(dòng)消防滅火系統(tǒng)具有重要意義［2］。

地下車庫火災(zāi)荷載的研究主要包括兩部分內(nèi)容：一是可燃物的調(diào)查統(tǒng)計(jì)；二是不同類型可燃物燃燒熱的計(jì)算模型。對于可燃物的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，國際建筑研究會(huì)在開展性能化防火設(shè)計(jì)的同時(shí)曾做了大量的調(diào)查研究工作，得出了商業(yè)建筑、車庫、倉儲(chǔ)庫和辦公室等典型場所火災(zāi)荷載密度的平均值。此外，S.Kumar等［3—4］對35棟居住建筑進(jìn)行了調(diào)查，認(rèn)為相同功能建筑的火災(zāi)荷載密度分布符合正態(tài)分布；廖曙江等［5］對大型商場服裝層的活動(dòng)火災(zāi)荷載進(jìn)行了調(diào)查分析，結(jié)果顯示服裝層的火災(zāi)荷載密度采用二項(xiàng)式分布描述更合適。對于可燃物燃燒熱計(jì)算模型的研究，國內(nèi)一些高校開展了一系列很有價(jià)值的試驗(yàn)，如中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的張和平等［6］研究了可燃物表面積和厚度對火災(zāi)荷載的影響，并提出了一種簡單的計(jì)算模型；清華大學(xué)的孫旋等［7］對汽車進(jìn)行了全尺度火災(zāi)試驗(yàn)，得出了在不同工況下汽車火災(zāi)的蔓延規(guī)律。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與部分可燃物模型化相結(jié)合的方法，針對地下車庫火災(zāi)載荷提出了一種新的計(jì)算模型。該模型適用于地下車庫性能化消防設(shè)計(jì)前火災(zāi)載荷的確定，對于地下車庫防滅火的研究具有重要意義。

1 火災(zāi)荷載與計(jì)算方法

1.1 火災(zāi)荷載

火災(zāi)荷載是衡量建筑物室內(nèi)所容納可燃物數(shù)量多少的一個(gè)參數(shù)，也是研究火災(zāi)全面發(fā)展階段性狀的基本要素。在建筑物發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火災(zāi)荷載直接決定著火災(zāi)的持續(xù)時(shí)間、室內(nèi)溫度的變化以及煙氣蔓延等情況［8］。因此，采用合理的方法確定不同建筑場所內(nèi)火災(zāi)荷載的數(shù)值對于建筑物的防火設(shè)計(jì)具有重要意義。

火災(zāi)荷載分為固定火災(zāi)荷載、活動(dòng)火災(zāi)荷載和臨時(shí)火災(zāi)荷載三類［5］。在地下車庫中，固定火災(zāi)荷載數(shù)量很少，主要包括通風(fēng)、排水和電路等設(shè)施中所攜帶的一些塑料構(gòu)件等，而且所占比例很小。雖然單個(gè)汽車具有臨時(shí)火災(zāi)荷載的特點(diǎn)，但是車庫內(nèi)汽車數(shù)量符合一定的分布規(guī)律，所以整體上地下車庫內(nèi)的汽車屬于活動(dòng)火災(zāi)荷載，主要可燃物為汽車的幾種零部件，包括輪胎、塑料構(gòu)件、燃油和座椅。

1.2 火災(zāi)荷載的計(jì)算方法

為了方便分析與設(shè)計(jì)，在火災(zāi)理論和工程應(yīng)用的研究中經(jīng)常采用火災(zāi)荷載密度這一概念?；馂?zāi)荷載密度是指固定空間內(nèi)所有可燃物完全燃燒所釋放的熱量與空間特征參考積之比，也即空間單位面積上可燃物的發(fā)熱量。確定一個(gè)封閉空間內(nèi)的火災(zāi)荷載密度通常采用的方法有：參照以往調(diào)查結(jié)果直接評估、采用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算和模型化的火災(zāi)荷載計(jì)算方法。

1.2.1 參照以往調(diào)查結(jié)果直接評估

國外對火災(zāi)荷載密度的實(shí)際調(diào)查結(jié)果顯示［4］，相同場所的火災(zāi)荷載密度接近正態(tài)分布，因此可以根據(jù)以往調(diào)查結(jié)果評估目標(biāo)場所的火災(zāi)荷載。常見場所的火災(zāi)荷載密度如表1所示。

表1 不同場所火災(zāi)荷載密度的調(diào)查結(jié)果（MJ/m2）Table 1 Survey results of fire load density of different places

雖然根據(jù)表1的數(shù)據(jù)能夠方便、快捷地確定相應(yīng)場合火災(zāi)荷載密度的大概范圍，但是該方法所得的數(shù)據(jù)不夠精確，有很大的缺陷，只能作為參考。

1.2.2 采用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

根據(jù)火災(zāi)荷載的定義，可以采用如下公式計(jì)算不同場合內(nèi)的火災(zāi)荷載密度［9］：

式中：q為指定場所的火災(zāi)荷載密度（MJ/m2）；mi為第i種可燃材料的質(zhì)量（kg）；Hci為第i種可燃材料的燃燒熱（MJ/kg）；A為指定場所的面積（m2）。

常見可燃材料的燃燒熱見表2。

表2 常見可燃材料的燃燒熱Table 2 Combustion heat value of common combustible materials

上述計(jì)算方法只是考慮理想狀態(tài)下可燃物完全燃燒所釋放的熱量的累加，未對不同場所內(nèi)可燃物的類型、分布特點(diǎn)和布置方式等因素進(jìn)行全面的考慮。

1.2.3 模型化的火災(zāi)荷載計(jì)算方法

在建筑火災(zāi)中，將可燃物分為三類：固體可燃物、熱塑性可燃物和液體性可燃物［6］。固體可燃物在燃燒過程中，其表面會(huì)有一個(gè)向內(nèi)部縮進(jìn)的過程，該縮進(jìn)速度定義為燃燒線速度v，其燃燒熱可以通過下面公式計(jì)算［10］：

上式中：m′為可燃物單位面積質(zhì)量燃燒速率［kg/（s·m2）］；ρ為可燃物密度（kg/m3）；v為可燃物燃燒線速率（m/s）；A為暴露面積（m2）；q′為可燃物燃燒熱釋放率（MW）；m″為可燃物質(zhì)量燃燒速率（kg/s）；Hc為可燃物的平均燃燒熱（kJ/kg）；t為燃燒時(shí)間（s）；d為燃燒材料厚度（m）；β為可燃物的燃燒面，通常取1或2；Q為燃燒熱（kJ）。

熱塑性可燃物一般以圓形油類池火災(zāi)的燃燒過程為計(jì)算模型，該類可燃物的燃燒熱釋放率主要與其密度、燃燒熱和燃燒尺寸等參數(shù)有關(guān)，其計(jì)算公式與固體可燃物類似，本文不再詳細(xì)列出。此外，在地下車庫中液體性可燃物主要為汽油，為了簡化計(jì)算，直接取汽油的燃燒熱與質(zhì)量的乘積作為火災(zāi)荷載的一部分。

2 地下車庫火災(zāi)荷載的計(jì)算模型

前已述及，地下車庫內(nèi)的汽車屬于活動(dòng)火災(zāi)荷載，主要可燃物為汽車的零部件，包括輪胎、塑料構(gòu)件、燃油、座椅，因此要建立地下車庫火災(zāi)荷載的計(jì)算模型，需要對各種可燃物的火災(zāi)荷載進(jìn)行計(jì)算。

2.1 汽車輪胎火災(zāi)荷載的計(jì)算

汽車輪胎具有可燃性，且燃燒熱值很高，大約為9.968×106kJ/m3。汽車輪胎火災(zāi)載荷的計(jì)算可采用固體可燃物計(jì)算模型。為了方便計(jì)算，首先將輪胎模型簡化為具有一定厚度的環(huán)帶，然后參考相關(guān)試驗(yàn)確定輪胎燃燒的熱釋放速率。

2.1.1 輪胎簡化模型

本文以195/65R15型號汽車輪胎為例，根據(jù)輪胎的形狀特點(diǎn)，將其簡化為體積相同的環(huán)帶，并采用3Dmax建模軟件對輪胎模型進(jìn)行簡化處理，處理前、后的輪胎模型見圖1和圖2，其尺寸參數(shù)見表3。

2.1.2 輪胎燃燒的熱釋放速率

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的徐亮等［9］和許彬等［10］分別進(jìn)行了輪胎全尺寸的燃燒試驗(yàn)，并采用耗氧原理的方法在試驗(yàn)中測定了輪胎燃燒的熱釋放速率、質(zhì)量燃燒損失速率、燃燒熱和煙氣產(chǎn)生量等重要參數(shù)，同時(shí)對試驗(yàn)所得的輪胎質(zhì)量燃燒速率曲線（見圖3）進(jìn)行處理，得到了輪胎質(zhì)量損失速率的擬合方程，即輪胎的質(zhì)量燃燒速率m″（kg/s）隨燃燒時(shí)間t的變化曲線擬合方程：

圖1 實(shí)際輪胎的3D模型Fig.1 3Dmodel of an actual tyre

圖2 簡化的3D輪胎模型Fig.2 Simplified 3Dmodel of a tyre

表3 輪胎模型簡化處理前后的尺寸參數(shù)（mm）Table 3 Size parameters of tyre model before and after the simplification

圖3 燃燒試驗(yàn)中輪胎的質(zhì)量燃燒速率隨燃燒時(shí)間的變化曲線Fig.3 Variation curve of the line combustion rate in tyre combustion experiment

2.2 汽車塑料構(gòu)件火災(zāi)荷載的計(jì)算

汽車構(gòu)件中，保險(xiǎn)杠、立柱、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、儀表組件、散熱器格柵等均為塑料制品，塑料構(gòu)件一般占汽車自重的7%～10%。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，汽車零部件常用的塑料種類包括PP、PVC、PU、ABS、FRP、PA等。

多數(shù)汽車所用塑料屬于熱塑性可燃物，在火災(zāi)中先形成熔滴再進(jìn)行燃燒，其火災(zāi)荷載的計(jì)算可采用油類池火災(zāi)計(jì)算模型。

由于汽車內(nèi)部塑料構(gòu)件較多，如果將同一種塑料看作一塊截面積為0.1m×0.1m的長方體則會(huì)大大簡化計(jì)算過程。但是此時(shí)需要考慮兩方面的問題：一是實(shí)際燃燒過程中的暴露面積與理想化狀態(tài)下的誤差；二是實(shí)際燃燒過程中不連續(xù)塑料構(gòu)件的火焰蔓延方式與理想狀態(tài)下連續(xù)長方體塑料燃燒過程中的區(qū)別。根據(jù)對某一汽車的各個(gè)部件進(jìn)行計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果顯示，可采取η這一修正系數(shù)使模型化的火災(zāi)荷載計(jì)算結(jié)果與實(shí)際較為接近。幾種常見塑料在汽車中的用量及修正系數(shù)的取值范圍見表4。

表4 幾種常見塑料在汽車中的用量與修正系數(shù)Table 4 Dosage of several common plastics in the automobile and their correction coefficients

2.3 汽車燃油火災(zāi)荷載的計(jì)算

當(dāng)前汽車用燃油絕大多數(shù)為汽油，汽車油箱蓋一般都有泄壓設(shè)計(jì)，油箱在火災(zāi)高溫環(huán)境下會(huì)有汽油大量泄漏［11］。汽油的具體燃燒過程比較復(fù)雜，有時(shí)還會(huì)發(fā)生爆炸事故，本文在計(jì)算燃油中的火災(zāi)荷載時(shí)，只考慮汽油全部燃燒的熱值，不對火災(zāi)場景進(jìn)行討論。為了簡化計(jì)算，假設(shè)火災(zāi)過程中所有汽油完全燃燒，其火災(zāi)荷載為汽油燃燒熱與質(zhì)量的乘積。其中，汽油的燃燒熱值可通過查閱表2確定，取44 MJ/kg；汽油質(zhì)量則需要根據(jù)車輛油箱大小和充裝水平確定。

2.4 汽車座椅火災(zāi)荷載的計(jì)算

汽車座椅主要由表層和襯里兩部分構(gòu)成，一般都經(jīng)過阻燃處理，但在火災(zāi)環(huán)境下也可燃燒。表層材料一般為真皮、仿真皮或者纖維材質(zhì)，襯里一般為泡沫。汽車座椅的火災(zāi)荷載一般采用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，主要由座椅的表層材料及泡沫的燃燒熱和質(zhì)量確定。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 某地下車庫介紹

本文以某地下停車場為例，對其火災(zāi)荷載進(jìn)行計(jì)算分析。該地下車庫所在的地下一層尺寸為236.4m×191.2m，總面積達(dá)45 200m2，其中車庫所占面積為22 500m2，總計(jì)有936個(gè)車位，其平面圖見4。

圖4 某地下停車場平面圖Fig.4 Plan of an underground garage

該地下車庫有一對機(jī)動(dòng)車輛出入口，兩對非機(jī)動(dòng)車輛出入口，共分12個(gè)防火分區(qū)，采用自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)進(jìn)行消防防護(hù)。

3.2 車輛統(tǒng)計(jì)

本文在對該地下車庫火災(zāi)荷載進(jìn)行計(jì)算時(shí)，首先統(tǒng)計(jì)了車庫內(nèi)的汽車類型與數(shù)量。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，最常見的汽車型號有14種，為了方便計(jì)算，假設(shè)車庫內(nèi)所停留車輛沒有其他型號。14種汽車的型號與主要參數(shù)見表5。

表5 地下車庫中最常見的汽車型號與主要參數(shù)Table 5 Main parameters and proportion of the most common types of cars in the underground garage

3.3 地下車庫火災(zāi)荷載的計(jì)算

由于該地下車庫處于市區(qū)繁華地段，所以在確定火災(zāi)荷載時(shí)，按車位停滿的狀態(tài)計(jì)算。根據(jù)前述的火災(zāi)荷載計(jì)算模型，首先確定4種可燃物的數(shù)量，再進(jìn)行簡化處理與計(jì)算。

3.3.1 汽車輪胎火災(zāi)荷載的計(jì)算

由表5可見，14種車型的輪胎型號不盡相同，因此可分別采用第2.1節(jié)中輪胎簡化計(jì)算模型進(jìn)行處理，得出汽車輪胎的火災(zāi)荷載為

式中：n為車輛總數(shù)，取936輛；yi為第i種車所占的比例（%）；Vi為第i種車輪胎模型化后的體積（m3）；ˉHc為輪胎平均燃燒熱，取9.968×106kJ/m3。

3.3.2 汽車塑料構(gòu)件火災(zāi)荷載的計(jì)算

經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，14種車型中塑料構(gòu)件的材質(zhì)和用量見表4，因此塑料構(gòu)件的火災(zāi)荷載為

式中：mj為第j種塑料的用量（kg）；ηi為第i種塑料的修正系數(shù)；ˉH′c為塑料構(gòu)件的平均燃燒熱，取2.8×103kJ/kg。

3.3.3 汽車燃油火災(zāi)荷載的計(jì)算

根據(jù)汽車內(nèi)燃油充裝水平的調(diào)查結(jié)果，假設(shè)所有汽車的燃油充裝水平均為60%，因此，汽車燃油的火災(zāi)荷載為

式中：V′i為第i種汽車的油箱容積（L）；Hc為汽油的燃燒熱，取31.24MJ/L。

3.3.4 汽車座椅火災(zāi)荷載的計(jì)算

汽車座椅的材料由于經(jīng)過阻燃處理，其燃燒熱占總火災(zāi)荷載的比例較小。本文以奧迪A4汽車座椅為標(biāo)準(zhǔn)，每輛車座椅所含泡沫的質(zhì)量為40kg，表層材料質(zhì)量為12kg，對車庫內(nèi)936輛汽車的座椅燃燒熱進(jìn)行統(tǒng)一計(jì)算，得到該部分火災(zāi)荷載為

式中：m1和m2分別為汽車座椅泡沫和表層材料的質(zhì)量（kg）；Hc1和Hc2分別為汽車座椅泡沫和表層材料的燃燒熱（MJ/kg）。

3.3.5 地下車庫總火災(zāi)荷載的計(jì)算

該地下車庫總火災(zāi)荷載為

根據(jù)表1中不同場所火災(zāi)荷載密度的調(diào)查結(jié)果顯示，車庫的火災(zāi)荷載密度為300MJ/m2，而該車庫面積為22 500m2，可參照以往調(diào)查結(jié)果直接評估，即得到該地下車庫總火災(zāi)荷載為6.75×109kJ。這一數(shù)據(jù)與本文計(jì)算結(jié)果相差2.05×109kJ，分析原因認(rèn)為，這一誤差主要是由于汽車所用材料不斷改進(jìn)造成的，尤其是車廂內(nèi)阻燃材料的使用顯著地降低了火災(zāi)荷載值。

4 結(jié) 論

本文在前人火災(zāi)荷載調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，針對以往火災(zāi)荷載評估方法與傳統(tǒng)計(jì)算模型的缺陷，結(jié)合數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與可燃物模型化的方法，提出了一種新的地下車庫火災(zāi)荷載的計(jì)算模型，并通過實(shí)例應(yīng)用，得出以下結(jié)論：

（1）地下車庫火災(zāi)荷載主要由汽車輪胎、汽車塑料構(gòu)件、汽車燃油和汽車座椅構(gòu)成，其余可燃物的火災(zāi)荷載可以忽略不計(jì)。

（2）汽車塑料構(gòu)件的燃燒熱所占比例最大，因此要采用難燃或不燃塑料構(gòu)件以降低地下車庫的火災(zāi)荷載。

（3）通過采用模型化火災(zāi)荷載計(jì)算方法對一個(gè)有936個(gè)車位的地下車庫的火災(zāi)荷載進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為4.7×109kJ，參照以往調(diào)查結(jié)果直接評估的結(jié)果為6.75×109kJ，筆者認(rèn)為導(dǎo)致這一誤差的原因是評估的依據(jù)年份已久，不適用于當(dāng)前的大型地下車庫。

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