劉啟金，李善麒

(舟山市公安消防支隊(duì)，浙江 舟山 316000)

0 引言

隨著我國建筑科學(xué)新技術(shù)的發(fā)展，辦公建筑也在向高檔化、大型化發(fā)展，城市中出現(xiàn)了大量集餐飲、娛樂、辦公于一體的高層辦公建筑，提高了人們的辦公品質(zhì)，方便了人們的辦公生活[1-2]。由于辦公建筑功能復(fù)雜、裝修材料使用量大，使得高層辦公建筑火災(zāi)呈現(xiàn)出火災(zāi)隱患多、火蔓延速度快、火災(zāi)撲救難度大等特點(diǎn)，一旦發(fā)生火災(zāi)，極易造成無法控制的立體式火災(zāi)，產(chǎn)生群死群傷的后果[3-4]。

針對辦公建筑火災(zāi)的研究方法主要有全尺寸火災(zāi)試驗(yàn)、縮尺寸火災(zāi)試驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬等，實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)會消耗大量的人力、物力、財(cái)力，且重復(fù)性較差，所以計(jì)算機(jī)模擬成為研究辦公建筑火災(zāi)的主要手段[5]?；馂?zāi)場景設(shè)計(jì)是火災(zāi)模擬最為重要的環(huán)節(jié)，只有準(zhǔn)確設(shè)置火災(zāi)增長速率、火災(zāi)熱釋放速率，選取合理的火災(zāi)持續(xù)時(shí)間，才能有效地描述整個(gè)火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展的過程。因此，火災(zāi)場景設(shè)計(jì)及火災(zāi)危險(xiǎn)性分析成為火災(zāi)領(lǐng)域一個(gè)重要的研究課題[6]。

目前，國內(nèi)學(xué)者對辦公建筑火災(zāi)進(jìn)行了大量研究，均借鑒國外的調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行火災(zāi)場景設(shè)計(jì)，且成果主要集中在辦公建筑火災(zāi)危險(xiǎn)性分析方面，并沒有根據(jù)我國辦公建筑特點(diǎn)，建立合適的火災(zāi)模型[7-8]。筆者以辦公建筑為研究對象，提出基于火災(zāi)荷載的火災(zāi)場景設(shè)計(jì)方法，并對比分析試驗(yàn)與模擬結(jié)果以驗(yàn)證其有效性。

1 辦公建筑火災(zāi)荷載分析

辦公建筑火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展的整個(gè)過程與建筑內(nèi)可燃物有著密切的關(guān)系，可燃物種類、數(shù)量以及分布對火災(zāi)的蔓延過程均有重要影響作用，要想降低辦公建筑火災(zāi)發(fā)生的概率、控制火災(zāi)的危害程度，就必須嚴(yán)格控制辦公建筑內(nèi)可燃物的分布?；馂?zāi)荷載是衡量建筑物內(nèi)可容納可燃物數(shù)量的指標(biāo)參數(shù)，決定了火災(zāi)增長速率、火災(zāi)熱釋放速率、火災(zāi)持續(xù)時(shí)間等基本參數(shù)，因此，火災(zāi)荷載調(diào)查統(tǒng)計(jì)在火災(zāi)場景設(shè)計(jì)中十分重要。辦公建筑內(nèi)火災(zāi)荷載主要分為以下三類：

1.1 固定火災(zāi)荷載

固定火災(zāi)荷載是指辦公建筑內(nèi)位置基本不變的可燃易燃物品，其主要包括裝修用的可燃易燃材料和建筑結(jié)構(gòu)上使用的可燃易燃材料[9]，如壁紙、地板、窗簾、木質(zhì)門窗、可燃吊頂?shù)取?/p>

1.2 活動(dòng)火災(zāi)荷載

活動(dòng)火災(zāi)荷載主要是指布置在房間內(nèi)的，位置、數(shù)量可變化的可燃物。通常辦公建筑內(nèi)活動(dòng)火災(zāi)荷載有辦公桌椅、沙發(fā)、電腦、書架等[10]。針對四類典型辦公建筑空間(綜合辦公室、行政辦公室、會議室、接待室)內(nèi)可燃物進(jìn)行調(diào)查分析，其活動(dòng)火災(zāi)荷載統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 活動(dòng)火災(zāi)荷載統(tǒng)計(jì)

1.3 臨時(shí)火災(zāi)荷載

臨時(shí)火災(zāi)荷載是指辦公人員臨時(shí)帶進(jìn)、短暫停留的可燃物，主要包括人員臨時(shí)帶入的衣服、書籍、文件檔案、書包行李等可燃物[11]。由于在辦公建筑中此類可燃物數(shù)量較少，占火災(zāi)荷載的總量比重較小，計(jì)算過程中一般不予以考慮。

通過統(tǒng)計(jì)分析三種火災(zāi)荷載的分布情況，可以計(jì)算出單位面積的火災(zāi)荷載，即火災(zāi)荷載密度q，計(jì)算公式為：

(1)

式中，q為火災(zāi)荷載密度，MJ·m-2；Mv為各種可燃物的質(zhì)量，kg；Δhc為各種可燃物的熱值，MJ·kg-1；AF為建筑地板面積，m2。

2 火災(zāi)場景設(shè)計(jì)

火災(zāi)場景設(shè)計(jì)是火災(zāi)模擬最重要的環(huán)節(jié)之一，只有合理確定火災(zāi)增長速率、火災(zāi)最大熱釋放速率以及火災(zāi)持續(xù)時(shí)間，才能最真實(shí)地描述火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展的全過程[12]。目前，國內(nèi)學(xué)者在研究辦公建筑火災(zāi)時(shí)，沒有考慮國內(nèi)外辦公建筑的較大差異，盲目借鑒國外調(diào)查的數(shù)據(jù)及模型，使得模擬結(jié)果并不具有較好的真實(shí)性、有效性。因此，本文提出基于火災(zāi)荷載的火災(zāi)場景設(shè)計(jì)方法，對辦公建筑內(nèi)火災(zāi)進(jìn)行模擬研究，分析辦公建筑火災(zāi)危險(xiǎn)性。

2.1 火災(zāi)增長速率

目前，國內(nèi)外較為認(rèn)可的火災(zāi)模型是著名的t2火模型，如式(2)所示：

Q=αt2

(2)

式中，Q是熱釋放速率，kW；α為火災(zāi)增長系數(shù)，kW·s-2；t為著火時(shí)間，s。

火災(zāi)增長系數(shù)的確定一般有兩種方法，分別為查表法和火災(zāi)荷載統(tǒng)計(jì)法[13]。目前，國內(nèi)大部分研究均采用查表法，即將建筑物內(nèi)可燃物的初期火災(zāi)增長速度分為超快、快速、中速、慢速四種類型，其對應(yīng)的火災(zāi)增長系數(shù)α分別為0.187 8，0.046 89，0.011 27，0.002 93 kW·s-2，如圖1所示。

圖1 熱釋放速率的t2模型描述

查表法簡單快捷，便于操作，但沒有充分考慮建筑內(nèi)可燃物的數(shù)量、種類以及分布狀態(tài)，并不能有效反映火災(zāi)的真實(shí)情況，因此利用火災(zāi)荷載法確定火災(zāi)增長系數(shù)會更加準(zhǔn)確，可以得到更貼近真實(shí)情況的火災(zāi)模擬數(shù)據(jù)。火災(zāi)荷載法綜合考慮了火災(zāi)荷載的影響以及頂棚墻壁的影響，可利用公式(3)對火災(zāi)增長系數(shù)進(jìn)行描述：

α=αf+αm

(3)

式中，αf是火災(zāi)荷載影響系數(shù)，由2.6×10-6q5/3計(jì)算可得；αm是頂棚墻壁影響系數(shù)，可以根據(jù)頂棚墻壁裝修材料的可燃等級來確定，如表2所示。

表2 頂棚墻壁裝修材料與αm的關(guān)系

通過計(jì)算火災(zāi)荷載影響系數(shù)和頂棚墻壁影響系數(shù)，進(jìn)而可確定火災(zāi)增長系數(shù)，如知道火災(zāi)各個(gè)階段的燃燒時(shí)間，就能準(zhǔn)確描繪出火災(zāi)發(fā)展階段的熱釋放速率。

2.2 火災(zāi)最大熱釋放速率

目前，辦公建筑火災(zāi)類型可以分為完全發(fā)展型火災(zāi)、局部火災(zāi)、密閉房間悶燃火災(zāi)和受水滅火系統(tǒng)控制的火災(zāi)。針對不同類型的火災(zāi)，最大熱釋放速率的設(shè)置方法不同。

2.2.1 完全發(fā)展型火災(zāi)

完全發(fā)展型火災(zāi)一般經(jīng)歷初期增長階段、充分發(fā)展階段和衰減階段等三個(gè)階段，其熱釋放速率隨時(shí)間的變化曲線如圖2所示。

圖2 完全發(fā)展型火災(zāi)的熱釋放速率曲線

由圖2分析可知，初期增長階段，火災(zāi)熱釋放速率按照t2火模型發(fā)展；充分發(fā)展階段，火災(zāi)熱釋放速率達(dá)到最大值，且處于穩(wěn)定階段；衰減階段，火災(zāi)熱釋放速率按照t2火或線型模型衰減。熱釋放速率的最大值一般發(fā)生在轟然階段，由公式(4)計(jì)算：

(4)

式中，At是封閉空間的總表面積，m2；A0是房間開口面積，m2；H0是房間開口高度，m。

2.2.2 局部火災(zāi)

局部火災(zāi)是指可燃物較少情況下，只在一定的區(qū)域內(nèi)燃燒，其最大熱釋放速率通常發(fā)生在所有可燃物全部起火的情況下。而該火災(zāi)的發(fā)展規(guī)律符合t2火模型，達(dá)到最大熱釋放速率的時(shí)間可以由公式(5)計(jì)算。

(5)

式中，L為可燃物的邊界范圍，m；v為火蔓延速度，m·s-1。

2.2.3 密閉房間悶燃火災(zāi)

在較小封閉空間內(nèi)，室內(nèi)與室外空氣交換很小，發(fā)生火災(zāi)后，火災(zāi)一般處于悶燃狀態(tài)。一般情況下，可燃物燃燒會快速消耗大量的氧氣，當(dāng)氧氣濃度下降到15%時(shí)，會出現(xiàn)氧氣供給不足的情況，熱釋放速率快速下降，此時(shí)的熱釋放速率達(dá)到最大值。

2.2.4 受水滅火系統(tǒng)控制的火災(zāi)

目前，大部分場所會設(shè)置自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)，火災(zāi)發(fā)生后，噴水滅火系統(tǒng)能有效開啟，控制火災(zāi)的增長。在水滅火系統(tǒng)有效的條件下，較為保守地認(rèn)為：火災(zāi)初期，火源熱釋放速率呈t2火增長；當(dāng)水滅火系統(tǒng)開啟后，火災(zāi)得到有效控制，火災(zāi)規(guī)模不再增大。在自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)有效，火災(zāi)得到控制或撲滅情況下的熱釋放速率如圖3所示。

圖3 水滅火系統(tǒng)作用下熱釋放速率曲線

2.3 火災(zāi)持續(xù)時(shí)間

火災(zāi)持續(xù)時(shí)間是指火源熱釋放速率達(dá)到最大值后到衰減開始所持續(xù)的時(shí)間，也就是火源熱釋放速率維持穩(wěn)定值的時(shí)間?；馂?zāi)的持續(xù)時(shí)間與火災(zāi)荷載的關(guān)系如式(6)所示。

(6)

式中，F(xiàn)d為火災(zāi)持續(xù)時(shí)間特征參數(shù)，可由公式(7)計(jì)算。

(7)

3 辦公建筑火災(zāi)危險(xiǎn)性實(shí)例分析

3.1 工程概況

某行政辦公室尺寸為3.6 m×4.8 m×3.3 m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，頂棚墻壁均采用不燃性材料。該房間主要開口有：南側(cè)墻面設(shè)有一0.8 m×2.3 m的外門，門上方設(shè)有一0.8 m×0.5 m的外窗，南側(cè)墻面和北側(cè)墻面各設(shè)一玻璃窗，尺寸分別為1.0 m×2.0 m、1.6 m×2.0 m。辦公室內(nèi)可燃物的種類、數(shù)量及熱值見表3。根據(jù)表3可得辦公室火災(zāi)荷載密度為479.7 MJ·kg-1。

表3 某行政辦公室火災(zāi)荷載統(tǒng)計(jì)

3.2 模型建立

根據(jù)辦公建筑的實(shí)際情況，利用FDS建立等尺寸模型。模型尺寸為3.6 m×4.8 m×3.3 m，墻厚0.5 m，頂棚墻壁設(shè)置成不燃材料。具體模型及參數(shù)如圖4所示。

圖4 辦公室實(shí)物圖及模型圖

3.3 火災(zāi)場景設(shè)計(jì)

3.3.1 火災(zāi)增長系數(shù)

火災(zāi)荷載影響系數(shù)αf=2.6×10-6q5/3=2.6×10-6×479.75/3=0.076 43 kW·s-2；由于頂棚和墻壁均采用不燃材料，經(jīng)查表可知頂棚墻壁影響系數(shù)αm為0.003 5 kW·s-2，因此火災(zāi)增長系數(shù)α=αf+αm=0.076 43+0.003 5=0.079 93 kW·s-2，處于快速火和超快速火之間。

3.3.2 最大熱釋放速率

一般保守考慮，會選擇最危險(xiǎn)的場景來設(shè)計(jì)火災(zāi)模型。針對本辦公建筑來說，最危險(xiǎn)的場景為室內(nèi)發(fā)生轟燃，因此最大熱釋放速率的確定由公式計(jì)算可得：

3.3.3 火災(zāi)持續(xù)時(shí)間

辦公建筑發(fā)生轟燃后，會持續(xù)一定時(shí)間的穩(wěn)定燃燒，火災(zāi)持續(xù)時(shí)間為：

因此，火災(zāi)發(fā)生后，該辦公建筑內(nèi)火災(zāi)熱釋放速率的變化曲線如圖5所示。

圖5 設(shè)計(jì)火災(zāi)熱釋放速率曲線

3.4 模擬與試驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本火災(zāi)場景設(shè)計(jì)方法的有效性，將辦公建筑室內(nèi)火災(zāi)溫度的試驗(yàn)與模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，如圖6所示。

由試驗(yàn)溫度曲線可知，辦公建筑火災(zāi)共經(jīng)歷了陰燃階段、火災(zāi)增長及轟燃階段、火災(zāi)穩(wěn)定階段和衰減階段。試驗(yàn)由點(diǎn)燃的布條作為起火源引燃棉被，經(jīng)歷了大約205 s的陰燃階段，才出現(xiàn)明火燃燒；而后快速引燃木柜和沙發(fā)等可燃物，火災(zāi)規(guī)模迅速增長，直到470 s時(shí)溫度升高到最大值，約為975 ℃，發(fā)生轟燃；轟燃發(fā)生后，室內(nèi)溫度基本維持在940 ℃，處于穩(wěn)定燃燒階段；在火災(zāi)燃燒到910 s左右時(shí)，建筑室內(nèi)溫度開始迅速降低，進(jìn)入衰減階段。

由于未考慮火災(zāi)前期的陰燃階段和衰減階段，辦公建筑模擬火災(zāi)經(jīng)歷了火災(zāi)增長及轟燃階段、火災(zāi)穩(wěn)定階段。火災(zāi)發(fā)生后，首先引燃木柜和沙發(fā)，火災(zāi)規(guī)模明顯增大，室內(nèi)溫度快速上升，直到235 s時(shí)溫度升高到最大值，約為1 010 ℃，與試驗(yàn)結(jié)果的相對誤差為3.6%，轟然發(fā)生，且轟然發(fā)生時(shí)間與試驗(yàn)結(jié)果(470-205=265 s)的相對誤差為12.8%；轟燃發(fā)生后，室內(nèi)溫度基本維持在980 ℃，且持續(xù)時(shí)間為478 s，與試驗(yàn)結(jié)果的相對誤差分別為4.3%，8.6%。通過對比室內(nèi)最高溫度、室內(nèi)穩(wěn)定燃燒時(shí)溫度、轟燃時(shí)間及火災(zāi)持續(xù)時(shí)間可知，該方法能有效預(yù)測辦公建筑火災(zāi)的危險(xiǎn)性。

(a)試驗(yàn)曲線

(b)模擬曲線

4 結(jié)論

以辦公建筑為研究對象，重點(diǎn)分析了辦公建筑內(nèi)火災(zāi)荷載的分布情況，提出基于火災(zāi)荷載的火災(zāi)設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合實(shí)際案例驗(yàn)證了其有效性，主要結(jié)論如下：(1)提出基于火災(zāi)荷載的火災(zāi)場景設(shè)計(jì)方法，利用統(tǒng)計(jì)獲得的火災(zāi)荷載參數(shù)，確定火災(zāi)增長速率、火災(zāi)最大熱釋放速率及火災(zāi)持續(xù)時(shí)間等主要參數(shù)，進(jìn)而設(shè)計(jì)火災(zāi)場景。(2)文中試驗(yàn)案例屬于行政辦公室，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析可知，火災(zāi)荷載密度是479.7 MJ·kg-1，火災(zāi)增長系數(shù)為0.079 93 kW·s-2，火災(zāi)最大熱釋放速率為4.62 MW，火災(zāi)持續(xù)時(shí)間0.133 h。(3)利用火災(zāi)荷載設(shè)計(jì)火災(zāi)場景進(jìn)行模擬，室內(nèi)最高溫度、室內(nèi)穩(wěn)定燃燒時(shí)溫度、轟燃時(shí)間和火災(zāi)持續(xù)時(shí)間的預(yù)測值與試驗(yàn)結(jié)果的相對誤差分別為3.6%，4.3%，12.8%，8.6%?；诨馂?zāi)荷載的火災(zāi)場景設(shè)計(jì)方法能有效預(yù)測辦公建筑火災(zāi)危險(xiǎn)性。

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