衛(wèi)文彬，劉松濤，劉文利

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.中國建筑科學(xué)研究院建筑防火研究所，北京 100013；3.住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部防災(zāi)研究中心，北京 100013）

高層建筑典型房間及共享空間火災(zāi)溫度場分布規(guī)律

衛(wèi)文彬1，劉松濤2，3，劉文利2

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.中國建筑科學(xué)研究院建筑防火研究所，北京 100013；3.住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部防災(zāi)研究中心，北京 100013）

基于高層建筑的空間布局和結(jié)構(gòu)特性，分析了其可燃物荷載和火災(zāi)發(fā)展類型，并建立了熱傳遞模型。以某高層建筑綜合體的辦公層為典型場所，運(yùn)用火災(zāi)動態(tài)模擬軟件，對高層建筑典型功能房間及共享空間火災(zāi)條件下的溫度場分布進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。分析結(jié)果表明：在研究場所典型的可燃物分布條件下，辦公室的火災(zāi)功率可在500 s內(nèi)增長至14.27 MW，房間和共享空間溫度分層明顯，房間的最高溫度可達(dá)到1 250℃，回廊內(nèi)最高溫度可達(dá)165℃。

火災(zāi)；高層建筑；溫度場；數(shù)值模擬

0 引言

隨著城市經(jīng)濟(jì)與建筑科技的發(fā)展，為了解決城市日益突出的用地緊張等問題，各類高層建筑開始在城市建設(shè)中蓬勃發(fā)展。中國的高層建筑在經(jīng)過了近30年的發(fā)展之后，逐漸呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)：建筑高度不斷增加，結(jié)構(gòu)體型日趨復(fù)雜，以鋼－混凝土混合、組合結(jié)構(gòu)為主，涌現(xiàn)一些新型結(jié)構(gòu)體系［1－2］。

日趨復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體型以及高層建筑中密布的管井、風(fēng)筒、電纜井、走廊等共享空間，導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生時高溫有毒煙氣的蔓延途徑增多，增大了建筑內(nèi)人員的危險性。不斷增加的建筑高度導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生時消防車外部射水效果差，消防救援登高困難，消防人員進(jìn)入火場的通道少，無法有效進(jìn)行救助，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的火災(zāi)后果［3］。

目前，眾多學(xué)者對建筑火災(zāi)進(jìn)行了探討，并取得了一系列研究成果。文獻(xiàn)［4］對火災(zāi)高溫下鋼筋混凝土的變形、位移進(jìn)行了分析，得出了連續(xù)梁結(jié)構(gòu)的荷載最不利位置。文獻(xiàn)［5］對混凝土構(gòu)件進(jìn)行高溫試驗(yàn)，得出了混凝土結(jié)構(gòu)破壞分析與缺陷診斷的方法。文獻(xiàn)［6］對高層建筑內(nèi)火災(zāi)煙氣擴(kuò)散進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，確定了合理的排煙設(shè)計方案。文獻(xiàn)［7－8］對高層建筑的火災(zāi)隱患及成因進(jìn)行了分析，并提出了有效的消防預(yù)防對策。

上述研究成果主要是針對建筑主體結(jié)構(gòu)，研究煙氣蔓延擴(kuò)散、火災(zāi)成因、撲救及消防預(yù)防對策等，對于高層建筑室內(nèi)及共享空間的火災(zāi)溫度場分布規(guī)律的研究尚不充分。本文經(jīng)過對高層建筑火災(zāi)特點(diǎn)的分析，提出蔓延性火災(zāi)是造成高層建筑火災(zāi)嚴(yán)重后果的一個主要原因?；趯馂?zāi)蔓延特性的研究，通過火災(zāi)動態(tài)模擬軟件（FDS）進(jìn)行數(shù)值模擬，得出高層建筑典型房間及共享空間火災(zāi)溫度場的基本分布特征，可以為建筑結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計，防排煙系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)及火災(zāi)探測器系統(tǒng)的設(shè)計提供合理有效的依據(jù)，對于提高建筑整體防火性能，減少高層建筑火災(zāi)損失具有重要意義。

1 高層建筑火災(zāi)基本特性分析

1.1 火災(zāi)荷載分析

在現(xiàn)代高層建筑中，由于建筑標(biāo)準(zhǔn)高、功能多、裝修量大、電氣化程度密集，加之部分可燃性建材的使用，導(dǎo)致高層建筑中可燃物的火災(zāi)荷載往往較高。酒店和辦公室是高層建筑中比較常見的兩種業(yè)態(tài)形式。酒店客房的房間內(nèi)可燃物包括床上用品、家具、內(nèi)裝修等；辦公用房的房間內(nèi)可燃物包括紙張用品、辦公家具、內(nèi)裝修等。

考慮到高層建筑中的可燃物均為固體，因此，可以采用固體木材可燃物燃燒模型對高層火災(zāi)載荷進(jìn)行評估。模型計算公式如下［9］：

其中：m″為單位面積質(zhì)量損失速率，kg／（s·m2）；ρ為可燃物的密度，kg／m3；vp為線速率，m／s，取0.67 mm／min；R為質(zhì)量損失速率，kg／s；A為暴露表面積，m2；Q為熱釋放速率，MW；△Hc為燃燒熱，MJ／kg。

同時，可以根據(jù)下式預(yù)測可燃物不斷燃燒的時間：

其中：Td為燃燒時間，s；D為燃料厚度，m；β為常數(shù)（一個面燃燒取1，兩個面燃燒取2）；其他符號同上。

在對建筑火災(zāi)進(jìn)行一定程度的簡化之后，可以根據(jù)下式計算出其火災(zāi)載荷：

其中：q為載荷密度，MJ／m2；mi為單個可燃物的質(zhì)量，kg；△hi為單個可燃物的熱值，MJ／kg；At為著火房間內(nèi)表面的總面積，m2。

因此，根據(jù)上述模型便可對高層建筑火災(zāi)載荷進(jìn)行合理的評估。

以某高層建筑綜合體的辦公層為研究對象，選取固體木材的燃燒熱值為17 MJ／kg，密度為0.54×103kg／m3。假設(shè)房間內(nèi)所有可燃物換算為熱值等量的木材后，其體積在房間內(nèi)形成的薄板厚度為層高的10%，在通風(fēng)條件充足的情況下，通過已建立的燃燒模型進(jìn)行火災(zāi)載荷分析，結(jié)果如表1所示。

表1 火災(zāi)載荷分析結(jié)果統(tǒng)計表

1.2 火災(zāi)發(fā)展趨勢分析

火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展一般包括引燃、轟燃發(fā)生前、轟燃、轟燃發(fā)生后和衰減等幾個階段。大量試驗(yàn)表明：在實(shí)際火災(zāi)的初期和增長期，熱釋放速率隨時間的推移不斷增長，大多數(shù)常見可燃物著火時，熱釋放速率增長遵循時間的平方規(guī)律。

其中：Q為熱釋放速率，kW；a為火災(zāi)增長系數(shù)，kW／s2；t為時間，s。

不同的可燃物火災(zāi)增長的時間常數(shù)不同，按熱釋放速率增長的快慢通常將t2火分為4類，即超快、快速、中速和慢速火。根據(jù)文獻(xiàn)［10］中關(guān)于t2火特征及典型可燃材料的表述，高層辦公室火災(zāi)發(fā)展趨勢可用中速－快速火表征。

1.3 火災(zāi)熱傳遞模型

火災(zāi)的蔓延往往通過熱傳遞來進(jìn)行，火災(zāi)中可燃物燃燒產(chǎn)生的熱量總和包括傳導(dǎo)熱、輻射熱和對流熱3部分［11］，可分別對這3部分熱量建立模型進(jìn)行分析。

（Ⅰ）傳導(dǎo)熱

傳導(dǎo)熱遵循熱力學(xué)第二定律，是指熱量從高溫物體向低溫物體傳遞，其大小取決于兩物體之間的溫差、距離等。式中：q″為單位面積的熱流量，W／m2；k為熱傳導(dǎo)率，W／m K；α為熱發(fā)散系數(shù)，m2／s；x為熱流量方向的距離，m；T為傳熱物體的溫度，K；t為傳熱時間，s。

根據(jù)點(diǎn)源模型將火源看作是一個熱輻射的中心，其向四周輻射的熱量為［12］：

式中：QR為輻射強(qiáng)度，kW；χR為輻射能比率；Di為火焰直徑，m；τ為空氣透射率；li為輻射距離，m；mpi為質(zhì)量流率，kg／s；△Hci為燃燒熱，MJ／kg；S為交界面面積，m2。

（Ⅲ）對流熱

對流熱的強(qiáng)度大小取決于熱煙氣質(zhì)量流量，單位質(zhì)量熱煙氣溫升所需熱量。

式中：Qc為對流熱強(qiáng)度，kW；cp為流體定壓熱容，k J／（kg·K）；ρ為流體密度，kg／m3；v為交界面體積流率，m3／s；T為熱交界面流體溫度，K；T0為交界面流體初始溫度，K。

2 數(shù)值模擬分析

數(shù)值模擬采用FDS［13］大渦模擬技術(shù)進(jìn)行研究。FDS場模擬是基于質(zhì)量、動量、化學(xué)組分等多種守恒定律建立的由連續(xù)方程、動量方程、能量方程、組分方程和輔助方程構(gòu)成的數(shù)學(xué)方程來進(jìn)行求解的物理模型。其大渦模擬通過把研究區(qū)域劃分為許多微元控制體，可以得到較為真實(shí)的瞬態(tài)流場，能給出較詳細(xì)的各種物理量的分布，且精度較高，適用于建筑火災(zāi)中的著火房間或有強(qiáng)通風(fēng)的房間。

2.1 模型建立及參數(shù)設(shè)定

對建筑設(shè)計圖紙進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕筮M(jìn)行建模，如圖1所示。

圖1 FDS數(shù)值模型

為便于計算機(jī)計算，數(shù)值模擬過程中做以下幾點(diǎn)假設(shè)：

部分人追求美觀效果,喜歡加濕器噴出白霧,而白霧的實(shí)質(zhì)是水中礦物質(zhì)隨水霧噴出的結(jié)果。這些含有礦物質(zhì)的霧滴有很強(qiáng)的吸附能力,霧滴吸附細(xì)菌、病毒或裝修時殘留在室內(nèi)的有毒物質(zhì),這種帶有致病因素的“毒霧”被孕婦吸入過多可能是加濕性肺炎導(dǎo)致呼吸系諸多統(tǒng)疾的發(fā)病根源。孕、產(chǎn)婦這一易受疾病的群體,如果冬季室內(nèi)過于干燥,可盡量選擇無“霧”加濕器,并劑量在室內(nèi)配置濕度表,將室內(nèi)濕度保持在45%~50%之間,此時人體感覺最舒適,濕度過高容易致病[8]。而不使用加濕器時,務(wù)必將加濕器中水倒掉、擦干,防止細(xì)菌滋生,危害孕婦健康。

（Ⅰ）火災(zāi)在建筑整體之間蔓延的影響因素較多，且建筑整體模型較大，計算機(jī)計算存在較大困難，因此，本次模擬不考慮火災(zāi)在建筑整體內(nèi)的蔓延。

（Ⅱ）火災(zāi)燃燒全過程持續(xù)時間（含熄滅）較長（628 m in），考慮計算機(jī)的計算能力，在模擬過程中只針對火災(zāi)增長蔓延及充分發(fā)展階段進(jìn)行模擬分析。

（Ⅲ）假設(shè)酒店客房（辦公室）只有一間起火，并且在火災(zāi)發(fā)展的過程中其他各個房間的邊界構(gòu)件均未失效。

（Ⅳ）初始階段的陰燃火以及非轟然火發(fā)展階段簡化為火源功率為1.0 MW的快速t2火。

（Ⅴ）火災(zāi)蔓延通過不同位置的“heat detector”來觸發(fā)。

（Ⅵ）模型中的溫度場通過設(shè)置不同位置、不同高度的溫度測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測。

模型中參數(shù)設(shè)置如表2所示。

2.2 火災(zāi)熱釋放功率模擬結(jié)果分析

圖2為1.0 MW的初始設(shè)定火災(zāi)規(guī)模條件下，由于火災(zāi)蔓延辦公室內(nèi)部火災(zāi)熱釋放功率增長趨勢圖。

表2 FDS場模型參數(shù)設(shè)置一覽表

圖2 辦公室內(nèi)部火災(zāi)熱釋放功率增長趨勢

從圖2中可以看出：在0～110 s時，初始設(shè)定火源呈t2火增長趨勢。在110～220 s時，由于火源燃燒釋熱及熱傳遞導(dǎo)致與火源直接接觸的小范圍桌椅被引燃，火災(zāi)熱釋放速率的增長趨勢也呈現(xiàn)出小范圍波動，其中在t＝205 s前后，辦公室房門被引燃，煙氣開始流入回廊。在220～310 s時，t＝220 s前后窗戶玻璃破裂，創(chuàng)造了良好的通風(fēng)條件，持續(xù)增長的火災(zāi)將與火源間接接觸的大范圍內(nèi)的桌椅引燃，整個辦公室內(nèi)部出現(xiàn)轟燃，火災(zāi)熱釋放功率急劇上升。在310～500 s，在轟然階段過后，火災(zāi)熱釋放功率增長率逐漸降低，火災(zāi)熱釋放功率逐漸趨近于最大釋熱功率。在500～900 s時，火災(zāi)熱釋放功率達(dá)到最大值，火災(zāi)呈穩(wěn)定燃燒狀態(tài)，最大釋熱功率為14.27 MW。

圖3 辦公室內(nèi)部軸向溫度變化曲線

2.3 辦公室內(nèi)溫度場模擬結(jié)果分析

圖3為設(shè)定模擬條件下辦公室內(nèi)部溫度軸向分布圖。

從圖3中可以看出：當(dāng)火災(zāi)發(fā)生后，燃燒釋熱使房間內(nèi)的空氣溫度升高，軸向各測點(diǎn)溫度開始隨時間增長而迅速上升，且在前220 s內(nèi)，各測點(diǎn)升溫速率隨時間迅速增大。當(dāng)t＝220 s時，窗戶玻璃發(fā)生破裂，熱空氣向外流動，導(dǎo)致各測點(diǎn)溫度在短時間內(nèi)均產(chǎn)生不同程度的下降。隨后，各測點(diǎn)溫度繼續(xù)上升，最后在400 s前后趨于穩(wěn)定，距離地面4.2 m的測點(diǎn)溫度最高，可達(dá)1 250℃。

2.4 回廊溫度模擬結(jié)果分析

圖4為辦公層回廊各個測站平均溫度變化曲線。從圖4中可以看出：客房房門未被引燃失效前，回廊各測點(diǎn)的溫度保持不變；當(dāng)t＝200 s時，測站2附近的房門首先被引燃失效；隨后t＝215 s時，測站1附近的房門被引燃失效，房間內(nèi)的高溫高壓氣體流出，回廊內(nèi)的溫度迅速上升。房門失效約30～40 s后煙氣流動到測站3和測站4，進(jìn)而充滿整個回廊。之后回廊內(nèi)各測點(diǎn)溫度隨時間迅速上升，在t＝750 s之后各測站溫度趨于穩(wěn)定，測站1和測站2平均溫度較高，達(dá)165℃，測站3和測站4溫度稍微偏低，平均達(dá)130℃。

圖4 回廊各測站平均溫度變化曲線

3 結(jié)論

（1）通過火災(zāi)載荷分析模型計算得出高層辦公室的火災(zāi)載荷為1 114.9 MJ／m2，其火災(zāi)發(fā)展類型可用中速－快速t2火表征。

（2）FDS數(shù)值模擬表明蔓延性火災(zāi)條件下，初始火災(zāi)功率為1.0 MW的辦公室火災(zāi)，可在500 s內(nèi)發(fā)展成為14.27 MW，房間內(nèi)的最高溫度可達(dá)1 250℃。

（3）當(dāng)邊界構(gòu)件（房門）失效后，辦公層的熱煙氣在30～40 s便可蔓延至整個回廊，回廊溫度測站表明其溫度可達(dá)165℃。

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TU998.1

A

1672－6871（2015）05－0068－05

國家科技支撐計劃基金項(xiàng)目（2012BAJ07B01）；中國建筑科學(xué)研究院自籌基金項(xiàng)目（20140111330730049）

衛(wèi)文彬（1990－），男，河南焦作人，碩士生；劉松濤（1978－），男，安徽阜陽人，高級工程師，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事安全工程、火災(zāi)及消防工程等方面的研究.

2015－03－24

基金項(xiàng)目：國家科技支撐計劃基金項(xiàng)目（2012BAJ04B02）

作者簡介：方 偉（1988－），男，湖北應(yīng)城人，碩士生；田 琦（1966－），男，山西汾陽人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榕照{(diào)新技術(shù)、新能源利用.

收稿日期：2014－10－31