廈門市公安消防支隊翔安區(qū)大隊 施華杰廈門市公安消防支隊 薛文秀

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計算流體力學(xué)在現(xiàn)代建筑消防設(shè)計中的應(yīng)用

廈門市公安消防支隊翔安區(qū)大隊 施華杰
廈門市公安消防支隊 薛文秀

【摘要】在現(xiàn)代計算機技術(shù)廣泛應(yīng)用的今天，在建筑消防設(shè)計中計算流體力學(xué)也發(fā)揮了越來越重要的作用。本文與實際的工程實例相結(jié)合，對現(xiàn)代建筑消防設(shè)計中計算流體力學(xué)的應(yīng)用進行了分析和介紹。

【關(guān)鍵詞】計算流體力學(xué)；消防；煙氣流場模擬

如今現(xiàn)代建筑水平發(fā)展的越來越高，與此同時，現(xiàn)代建筑的消防設(shè)計也受到人們的普遍關(guān)注。發(fā)達國家從上世紀80年代開始對建筑消防設(shè)計管理體制進行審視，并且將性能化設(shè)計體系提了出來。所謂的性能化設(shè)計體系主要是指的表現(xiàn)型設(shè)計，其并非是對傳統(tǒng)消防設(shè)計技術(shù)要求的生搬硬套，而是以火災(zāi)原理、新建筑的設(shè)計和疏散的具體情況為根據(jù)對建筑在火災(zāi)時的防災(zāi)能力進行模擬。在對火災(zāi)進行模擬的時候其中最為主要的一個分支就是火災(zāi)的煙氣疏散，而計算流體力學(xué)則是模擬煙氣擴散的主要依據(jù)，所以性能化設(shè)計中非常重要的一個工具就是計算流體力學(xué)。

1 某建筑消防設(shè)計的案例以及性能化評估

1.1 建筑消防設(shè)計案例

本案例中原建筑消防設(shè)計并不符合我國強制性防火規(guī)范要求，因此無法在消防驗收中通過，后委托建筑設(shè)計研究院以及當(dāng)?shù)叵谰值嚷?lián)合針對該建筑實施火災(zāi)模擬設(shè)計，從而將是否需要對排演系統(tǒng)進行加設(shè)確定下來[1]。首先，該建筑的概況為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，具有2萬多平米的建筑面積，可以將其建筑形式劃分為塔式核心桶式，其具有19層的建筑層數(shù)，具有60.6m的建筑主體高度。其南北建筑都設(shè)置了疏散樓梯，在北樓梯對疏散樓梯間前室進行了設(shè)計，在南樓梯對合用前室進行了設(shè)計。在南北樓梯間和前室該建筑都對消防機械加壓設(shè)施進行了設(shè)置，這樣就能夠確?；馂?zāi)的煙氣無法向樓梯間和前室侵襲。在其工字型內(nèi)走道中雖然對外窗自然排煙裝置進行了設(shè)計，然而由于設(shè)計變更導(dǎo)致其自身排演通道失效。其次是人員情況。作為辦公建筑，該建筑中的本單位的職工是其主要的人員組成，因此具有相對固定的特點，該建筑物中的人員只要能夠?qū)κ讓咏ㄖ枭⑼ǖ啦季趾退趯咏ㄖ季钟兴私?，就可以實現(xiàn)疏散目標。再次是火災(zāi)荷載，辦公區(qū)是該建筑的主要火災(zāi)荷載分布，辦公用紙張、資料、電氣設(shè)備、辦公家具等屬于主要的火災(zāi)荷載。最后是需要解決的問題，該建筑具有全長44米的工字型內(nèi)走道，沒有對排煙設(shè)施進行設(shè)置，因此與相關(guān)規(guī)定不符合。

1.2 性能化評估內(nèi)容

首先，以該建筑內(nèi)火災(zāi)荷載為根據(jù)對多種火災(zāi)可能性進行設(shè)計，同時將最危險的一種火災(zāi)情況確定下來，隨后利用計算流體力學(xué)的方式將火災(zāi)煙氣蔓延和堵塞通道在這種火災(zāi)情況下的需要的時間計算出來，也就是ta。其次，以計算流體力學(xué)為根據(jù)將火災(zāi)煙氣上升到報警閥值的時間計算出來，也就是tb。再次，利用模擬手段將獲得火災(zāi)信息后的人們疏散到安全地帶的時間計算出來，也就是tc。最后對上述的幾個時間進行比較，對△t=ta-(tb+tc)進行計算。如果計算結(jié)果為△t<0，那么結(jié)果就表明在人員沒有疏散到安全地帶之前火災(zāi)煙氣就已經(jīng)將疏散通道堵塞，這時候建筑就需要對排煙等消防設(shè)施進行增設(shè)，從而使該建筑的消防安全得到確保；如果計算結(jié)果為△t>0，就表明在火災(zāi)煙氣沒有將疏散通道堵塞之前人員就能夠疏散到安全地帶，因此該建筑就不需要對排煙設(shè)施進行增設(shè)。但是人們的疏散過程必須要從△t的時間內(nèi)開始，而允許的“疏散開始時間”也就是△t。其主要指的是火災(zāi)報警設(shè)備感知火災(zāi)時間和建筑內(nèi)人員開始疏散時間之間的時間差[2]。

2 該建筑性能化評估方法

在我國的建筑設(shè)計防火規(guī)范中明確規(guī)定，如果一類高層建筑的內(nèi)走道大于20m，這時候就需要對排煙設(shè)施予以加設(shè)。而該建筑正好是一類高層建筑的性質(zhì)，而且其具有大于20米的工字型內(nèi)走道，因此按照規(guī)范要求必須要對排煙設(shè)施進行設(shè)置。由于該建筑工字型內(nèi)走道中濃煙會封堵一個安全出口，這樣就會導(dǎo)致一些人員無法利用具有最短距離的安全出口疏散出去，只能夠選擇距離較遠的安全出口疏散出去。如果濃煙封堵住其中一個安全出口，那么在這種非常不利的條件下，要想全部人員都可以在樓梯間安全進入，這時候就可以不對排煙設(shè)施進行設(shè)置。那么只能夠在這一建筑的三層至十七層設(shè)置工字型內(nèi)走道，這時候具體的評估對象就可以確定為具有最大人員密度以及最多工作位的標準層，也就是該樓層中的第四層。

2.1 計算并確定ta

如果疏散通道中的煙氣層在疏散過程中具有大2m的高度，而同時具有不高于160℃，那么疏散人員在這種情況下就是安全的；如果無法使這兩個性能指標得到同時滿足，那么疏散人員在這種情況下就是不安全的，也就是危險來臨的時刻。這時候只要將三維瞬態(tài)的煙氣運動的溫度場和濃度場計算出來，也就可以將煙氣蔓延和堵塞通道時間計算出來。

2.2 計算并確定tb

在危險到來之前建筑中的全部人員是否可以安全地實現(xiàn)轉(zhuǎn)移，這是確定是否成功疏散的關(guān)鍵。這樣對人們是否安全疏散進行判定的最為關(guān)鍵的參數(shù)就是疏散逃生時間。在計算之后，我們發(fā)現(xiàn)，由于其具有不一致的東、西側(cè)走道高度，也具有不完全一樣的時間，如果燃燒已經(jīng)開始5s，這時候可能就會具有超過20cm的煙層高度，這樣就會產(chǎn)生大于感煙探測器的保護面積，所以可以按照5s計算報警時間[3]。

2.3 計算并確定tc

從人員得到火災(zāi)報警通知，直到完全向安全出口疏散結(jié)束，這就是逃生時間。選擇四層平面這一個最大一層的最不利點作為最不利的情況進行考慮，同時對煙氣會對最不利點的安全出口的影響進行考慮。利用模擬計算將人員疏散在各種條件下需要的最長時間計算出來，這就是所謂的tc。

3 該建筑消防設(shè)計的模擬結(jié)果分析

出于對煙氣的影響的考慮，如果設(shè)定“門1”著火房間距離火源最近，那么“安全出口1”就是最近的疏散樓梯間入口，那么“安全出口2”和“門2”就是疏散樓梯間入口和較遠的門。計算結(jié)果見表1。

表1　各出口位置被煙氣堵塞的時間

同時，會議室疏散完成需要7s，西辦公區(qū)疏散完成需要31s，東辦公區(qū)疏散完成需要32s，全部疏散完成需要46s。最后經(jīng)過一系列的計算之后，我們發(fā)現(xiàn)，tc為46s，ta為5s，ta為121s，因此△t=70s>0，也就是如果煙氣會對安全出口2產(chǎn)生威脅。直到最后完成整個疏散過程，就可以將應(yīng)該大于70s的疏散開始時間△t采用逆向的方式計算出來。因此可以判斷，一旦人們確認報警信號70s內(nèi)在上述的假設(shè)條件下開始疏散是最安全的。同時也可以采用類似的方法將其他辦公區(qū)著火的情況下的△t計算出來，比如△t=110 s>0，也就是一旦人們確認報警信號110s內(nèi)在上述的假設(shè)條件下開始疏散是最安全的[4]。

4 結(jié)語

通過對計算模擬的評估結(jié)果進行分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，在具有一定的人員數(shù)量和可燃物數(shù)量的情況下，能夠不按照規(guī)范對排煙設(shè)施進行增設(shè)，就可以使人員安全得到保證。通過評估過程我們可以發(fā)現(xiàn)，計算流體力學(xué)在案例性能化評估中發(fā)揮了非常關(guān)鍵的作用。因此，在建筑消防設(shè)計領(lǐng)域中計算流體力學(xué)的應(yīng)用將會變得越來越重要。不過在該測評中并未對疏散工作受到的有毒氣體的影響進行考慮，所以必須要嚴禁使用會由于燃燒而產(chǎn)生大量毒氣的材料。

參考文獻

[1]雷有秀.民用建筑消防設(shè)計中的常見的相關(guān)問題探討[J].科技風(fēng),2012(1).

[2]王海濤.有關(guān)民用建筑消防設(shè)計問題的思考[J].現(xiàn)代裝飾(理論),2012(1).

[3]張惠遠.建筑消防設(shè)計及系統(tǒng)運行維護分析[J].中國科技信息,2012(9).

[4]謝鑫.闡述建筑消防設(shè)計及監(jiān)督管理工作體制[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2012(12).