摘要：本文以某高層住宅樓為研究對(duì)象，借助數(shù)值模擬軟件FDS分析火災(zāi)發(fā)生時(shí)，煙氣沿非封閉式天井蔓延擴(kuò)散過程，并研究了相同天井結(jié)構(gòu)尺寸下，不同連廊開口寬度對(duì)天井內(nèi)煙氣上升蔓延的影響。結(jié)果表明：進(jìn)入天井內(nèi)的熱煙氣會(huì)在煙囪效應(yīng)下影響下快速上升，并蔓延擴(kuò)散至上層住戶內(nèi)，隨著時(shí)間的推移，煙氣會(huì)在戶內(nèi)蓄積并有可能對(duì)人員生命安全造成威脅；當(dāng)外廊寬度較大時(shí)，新鮮空氣更容易補(bǔ)入，天井內(nèi)氣流混合程度更劇烈，但煙氣熱輻射強(qiáng)度相對(duì)較低。

關(guān)鍵詞：高層住宅；煙囪效應(yīng)；數(shù)值模擬

為了保證住宅建筑背陰面室內(nèi)具備良好的采光和通風(fēng)條件，非封閉式天井正越來越多地應(yīng)用于住宅工程設(shè)計(jì)中，但非封閉式天井的設(shè)置在當(dāng)前《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50016-2014中并未提出明確要求。在實(shí)際使用中，如果非封閉式天井的開口寬度不足或者進(jìn)深較大時(shí)，其形狀結(jié)構(gòu)類似于一個(gè)三面圍擋的煙囪，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，進(jìn)入天井內(nèi)的煙氣會(huì)在煙囪效應(yīng)的作用下，快速拔升至上部空間，進(jìn)而蔓延擴(kuò)散至連廊及住戶內(nèi)，對(duì)人員生命安全造成威脅。研究表明，煙氣的上升速度與天井的形狀結(jié)構(gòu)、尺寸大小、連廊開口面積、起火位置、火源功率以及環(huán)境溫度、風(fēng)速等諸多因素相關(guān)。2010年11月15日，上海膠州路728號(hào)教師公寓在節(jié)能改造時(shí)因電焊作業(yè)引發(fā)火災(zāi)，并受煙囪效應(yīng)影響形成大面積立體火災(zāi)，共造成58人死亡，71人受傷。大量的火災(zāi)案例表明，煙囪效應(yīng)對(duì)于火勢(shì)發(fā)展具有非常大的促進(jìn)作用，容易形成火災(zāi)跳躍式蔓延，大大縮短人員的可用疏散時(shí)間。

一、工程概況

本文以某高層住宅單元樓為例，標(biāo)準(zhǔn)層如圖1所示，兩梯六戶，共33層，層高2.9m。單元樓左右兩側(cè)設(shè)置同樣大小的非封閉式天井，結(jié)構(gòu)對(duì)稱，長(zhǎng)4.1m，寬2.1m。非封閉式天井北側(cè)與敞開式外廊相連，左、右側(cè)外廊直接對(duì)外開口寬度分別為3.2m和5.4m，外廊底部設(shè)置高度為1.0m的檻墻；南側(cè)與住戶空中花園相通，東西兩側(cè)均與廚房相鄰，廚房設(shè)有可開啟外窗。

二、模型簡(jiǎn)介

為研究不同連廊外開口尺寸對(duì)進(jìn)入非封閉式天井內(nèi)的煙氣蔓延擴(kuò)散造成的影響，模擬選取了兩組火災(zāi)場(chǎng)景?？紤]到單元左右兩側(cè)天井及周邊住戶結(jié)構(gòu)相互對(duì)稱，因此，模型假定火災(zāi)均發(fā)生在5層住戶廚房?jī)?nèi)，具體參數(shù)設(shè)置詳見表1。模型采用0.3m×0.3m×0.3m的立方體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格化，尺寸大小滿足FDS技術(shù)文件要求，模擬時(shí)長(zhǎng)900s。

煙氣能見度、溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別設(shè)置在起火住戶及以上各層住戶客廳內(nèi)，距離樓板高度1.6m，熱輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在各樓層天井中心位置處。

三、結(jié)果分析

1.煙氣上升對(duì)各樓層住戶的影響性分析

為分析火災(zāi)發(fā)生后，煙氣進(jìn)入上層住戶內(nèi)對(duì)人員及物品可能造成的威脅，模擬分別獲取了煙氣進(jìn)入各層客廳的時(shí)刻以及到達(dá)危險(xiǎn)臨界的時(shí)刻，其中，危險(xiǎn)臨界時(shí)刻取煙氣能見度開始低于5m的時(shí)間點(diǎn)。以Case01為例，各參數(shù)模擬結(jié)果如圖2、圖3所示：

從圖2可以看出，火災(zāi)發(fā)生后，起火層人員的可用疏散時(shí)間不足30s；起火層以上樓層煙氣進(jìn)入客廳的時(shí)刻，有所滯后，但人員若不能在有限的時(shí)間內(nèi)疏散至安全區(qū)域，其生命安全仍然會(huì)受到威脅。從煙氣進(jìn)入各樓層的時(shí)刻可以看出，9層和10層，煙氣進(jìn)入的時(shí)刻相對(duì)較早，這是因?yàn)闊煔鈩傔M(jìn)入天井時(shí)溫度較高，煙囪效應(yīng)明顯，其豎直方向的上升速度相較于水平方向的蔓延速度較大，煙氣來不及進(jìn)入起火層鄰近的幾層住戶內(nèi)，但隨著煙氣上升，卷吸空氣量增加，溫度下降，到達(dá)9層、10層時(shí)，橫向蔓延明顯擴(kuò)大，煙氣開始穿過窗戶進(jìn)入室內(nèi)。

從圖3可以看出，火災(zāi)發(fā)展穩(wěn)定階段，除起火層外，各樓層客廳內(nèi)的煙氣溫度隨樓層的增加而下降，且最大不超過50℃，在此溫度下，煙氣很難會(huì)引燃室內(nèi)物品，不會(huì)對(duì)住戶財(cái)產(chǎn)造成損失。

2.不同外廊開敞寬度對(duì)天井內(nèi)煙氣蔓延的影響性分析

為研究外廊開敞寬度對(duì)進(jìn)入天井內(nèi)的煙氣上升蔓延的影響，模型分別在左右兩側(cè)天井中心位置處設(shè)置了熱輻射與速度監(jiān)測(cè)點(diǎn)。各樓層監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖4、圖5所示：

從圖4中可以看出，不同外廊開敞寬度下，天井內(nèi)部煙氣熱輻射強(qiáng)度隨著樓層的增加而下降，各曲線走勢(shì)基本一致，起火樓層天井處最大熱輻射強(qiáng)度不超過4kw/m2，此強(qiáng)度下難以造成火災(zāi)蔓延。通過同一樓層熱輻射強(qiáng)度對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，右側(cè)天井中心處熱輻射強(qiáng)度偏小，說明連廊對(duì)外開敞寬度越大，越有利于外界空氣的補(bǔ)入，天井內(nèi)熱煙氣卷吸、混合低溫空氣越容易。

圖5給出了穩(wěn)定時(shí)間段內(nèi)起火層及以上十五層的天井內(nèi)氣流速度變化情況，從中可以看出，隨樓層的升高天井內(nèi)氣流速度逐漸增大，且同等條件下，右側(cè)天井氣流速度大于左側(cè)，并隨樓層增高速度擴(kuò)大趨勢(shì)越明顯，這說明天井尺寸相同時(shí)，連廊對(duì)外開口寬度越大，越有利于外界空氣的進(jìn)入，煙氣上升蔓延及混合程度越劇烈。

四、結(jié)語

通過對(duì)設(shè)置非封閉式天井結(jié)構(gòu)的高層住宅建筑火災(zāi)模擬發(fā)現(xiàn)，煙氣會(huì)經(jīng)過天井向上蔓延并橫向擴(kuò)散至上部樓層住戶內(nèi)，且隨著時(shí)間的推移，進(jìn)入的煙氣量慢慢蓄積，能見度下降可能會(huì)對(duì)戶內(nèi)人員生命安全造成威脅。研究表明，當(dāng)非封閉式天井連廊對(duì)外開口寬度較大時(shí)，熱煙氣更容易卷吸外界新鮮空氣，氣流混合程度更劇烈，但天井內(nèi)熱輻射強(qiáng)度相對(duì)較小。

結(jié)合實(shí)際情況，建議住戶與天井相鄰的廚房、衛(wèi)生間采用下懸式外開窗，以降低煙氣進(jìn)入量。同時(shí)，考慮到火災(zāi)發(fā)生時(shí)人員可能處于睡眠狀態(tài)，建議高層住宅建筑各層連廊出設(shè)置聲光警報(bào)器，其聲響應(yīng)確保住戶內(nèi)人員在窗戶關(guān)閉時(shí)仍能聽清。

參考文獻(xiàn)：

胡曉軍，蔡李凱，應(yīng)小宇.一梯多戶高層住宅內(nèi)天井平面形態(tài)對(duì)中間戶型室內(nèi)風(fēng)環(huán)境影響研究[J].建筑學(xué)報(bào)，2015，（06）：58-62.

鄭雁秋.住宅防火設(shè)計(jì)典型問題探討[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2016，（01）：68-72.

張靖巖，霍然，王浩波等.煙囪效應(yīng)形成機(jī)理的實(shí)驗(yàn)[J].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，（01）：73-76.

方廷勇，曹必騰，喻菊芬.通風(fēng)條件對(duì)建筑豎井煙氣運(yùn)動(dòng)的影響模擬[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2010，（09）：755-759.

李一帆.高層建筑豎向通道內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)特性研究[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué).2013，（05）.

伍東.高層住宅建筑火災(zāi)情況下人員安全疏散研究[D].天津理工大學(xué).2009，（01）.

何懋.開口天井對(duì)高層住宅樓火災(zāi)危險(xiǎn)性的影響研究[C].2015年中國(guó)消防協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)年會(huì)，2015：29-34.

李德成，周天念，陳欽佩等.高層住宅樓小天井與外廊結(jié)構(gòu)的消防安全問題研究[J].火災(zāi)科學(xué)，2015，（04）：209-220.

霍然，袁宏永.性能化建筑防火分析與設(shè)計(jì)[M].合肥：安徽科學(xué)技術(shù)出版社，2003.

GB50016-2014.建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].2015.