何夕平，張地，陳冉

(安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601)

0 引言

近年來我國高層建筑的建設(shè)規(guī)模和數(shù)量日益增多，建筑主體結(jié)構(gòu)施工期因各種原因?qū)е聡乐氐幕馂?zāi)事故時有所聞[1]，如：2017年3月，蘇州某在建的研發(fā)大樓工地四樓腳手架附近區(qū)域發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)原因是由工人電焊施工操作不當、引燃可燃物所致；2017年11月，成都某小區(qū)在建工程發(fā)生火災(zāi)為某棟樓第三層堆放的膠木板燃燒所致，同時因室外風影響致使火災(zāi)范圍擴大，造成嚴重財產(chǎn)損失更引起附近居民恐慌等社會影響。

目前盡管國內(nèi)外專家學者對既有建筑的高層建筑火災(zāi)煙氣及人員疏散做了很多卓有成效的理論及實驗研究，然而對高層建筑主體結(jié)構(gòu)施工期在室外風下發(fā)生火災(zāi)的時的煙氣規(guī)律及疏散研究非常少，研究此類問題具有十分重要的實際意義[2][3]。

本文通過建立某施工至11層的高層住宅樓為背景，建立物理模型并設(shè)立邊界條件進行火災(zāi)模擬分析，研究建筑物在不同室外風速、不同風向下煙氣的蔓延規(guī)律，為實現(xiàn)高層建筑施工期火災(zāi)預(yù)防、施工期間火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案制定及施工人員安全疏散提供理論依據(jù)及參考[4-6]。

1 建筑火災(zāi)模型建立與邊界條件

1.1 物理模型

某鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)住宅樓，該住宅樓地上19層，地下1層，層高2.9 m，單層建筑面積約407 m2，模型設(shè)置施工至11層，模型如圖1所有的墻體寬度統(tǒng)一設(shè)定為200 mm，每層樓板厚度全部設(shè)定為100 mm，1～5層外填充墻完成施工，其余樓層完成剪力墻、樓梯和樓板施工，內(nèi)部廚房、衛(wèi)生間部分填充墻、輕質(zhì)隔墻未施工，所有門窗設(shè)定為孔洞，符合本文所研究的高層建筑主體結(jié)構(gòu)施工期火災(zāi)煙氣運動。

1.2 邊界條件設(shè)定

火源位置設(shè)置在一層門廳(靠近電梯井)位置，如圖2所示，著火源尺寸設(shè)定為1.5 m×1.5 m，著火源以快速平方火開始發(fā)展，設(shè)定火源最大熱釋放速率為3000 kw，考慮建筑物的大小和計算精度，設(shè)定軟件選取模型網(wǎng)格尺寸為0.28×0.28×0.28 m，網(wǎng)格總數(shù)為1 137 500個。

1.2.1 前提假設(shè)

(1)著火源范圍為設(shè)定的范圍，不考慮其燃料界面的變化；

(2)著火源設(shè)定為軟件材質(zhì)庫中的聚氨酯和參數(shù)；

(3)不考慮建筑內(nèi)部施工人員走動對氣流的影響，假定建筑內(nèi)部氣流穩(wěn)定。

1.2.2 邊界條件

(1)模型建筑內(nèi)部的氣流、火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣均為理想氣體；

(2)模型建筑室內(nèi)與室外無溫差，設(shè)定外界溫度均為20℃，大氣壓為常壓；

(3)考慮施工期無遮擋，100 m高建筑物2 min內(nèi)火勢即可串至屋頂，模型的火災(zāi)模擬時間設(shè)定為120 s；

(4)模型四周及高度z=34 m處(網(wǎng)格邊界)設(shè)定為通風口[7][8]。

圖1 模型南立面

圖2 著火源及探測點位置

1.3 風速及風向設(shè)定

各工況設(shè)定條件如表1所示，重點研究工況1～3之間對比，工況2、工況4、工況5之間的對比，及不同工況情形下模型建筑物火災(zāi)煙氣的蔓延規(guī)律，根據(jù)施工規(guī)范，大于5級風不可施工，因此風速設(shè)定最大2 m/s。

表1 各類工況參數(shù)設(shè)定

2 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

2.1 不同工況下煙氣蔓延規(guī)律

圖3為各工況下的建筑物煙氣蔓延分布，工況1下當著火源剛被引燃時煙氣朝上層蔓延速度極快，這是樓體處于主體結(jié)構(gòu)施工過程中，所有門窗均是孔洞，與空氣接觸為著火源提供了充足的氧氣與穩(wěn)定的通風條件，著火源燃燒產(chǎn)生的部分煙氣迅速在1樓門廳蔓延，一部分煙氣通過門廳大門處孔洞向著北側(cè)蔓延至建筑室外，接著迅速的朝上面蔓延，另一部分煙氣通過1樓走廊迅速蔓延至樓梯間和電梯井與天井中，豎井結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生煙囪效應(yīng)，在火災(zāi)發(fā)生20 s后，煙氣通過天井、電梯井、設(shè)備電器井已蔓延至11層施工區(qū)，危害正在11層的施工人員安全。

在工況2下，火災(zāi)發(fā)生10 s時，位于1層處的著火源燃燒產(chǎn)生的煙氣通過電梯井、天井及設(shè)備井蔓延至第2層，受北側(cè)風影響，天井處煙氣一部分通過窗口流動至廚衛(wèi)房間內(nèi)；20 s時，煙氣向南側(cè)蔓延至客廳和臥室房間，45 s后，樓層南側(cè)整個房間區(qū)域充滿煙氣，隨后煙氣繼續(xù)朝著室外風向方向蔓延并通過外墻窗口流動至室外，室外煙氣受自身密度影響沿著建筑外墻垂直向上蔓延。北側(cè)風風速越高，煙氣流動在水平方向越快。

在工況4下，受南側(cè)風影響，火災(zāi)煙氣主要朝北側(cè)蔓延，大部分煙氣通過樓梯間孔洞及走廊處流出室外，而南側(cè)房間區(qū)域煙氣量明顯較少，隨著時間增加，天井及設(shè)備井煙氣部分蔓延至走廊，煙氣量減少，但樓梯間煙氣量有所增加。

在工況5下，煙氣仍主要通過豎井結(jié)構(gòu)蔓延至上層，在西側(cè)風影響下電梯井及設(shè)備井部分煙氣擴散蔓延至走廊區(qū)域，走廊區(qū)域煙氣濃度明顯增加；而天井部分煙氣則在西側(cè)風影響下蔓延至南側(cè)房間區(qū)域，使樓層客廳區(qū)域煙氣濃度明顯增加；煙氣通過走廊擴散至建筑物北側(cè)樓室外，并隨時間增加而煙氣不斷聚集。

圖3 各工況火災(zāi)60 s時建筑物煙氣蔓延圖

2.2 火災(zāi)場溫度分析

對比工況1～3的模擬結(jié)果，圖4為火災(zāi)發(fā)生60 s時溫度切片分析，x=13 m處切片通過著火源，此處火焰溫度中心位置溫度最高。工況1在1層樓著火源附近最高溫度達到420℃，煙氣均勻分散蔓延至四周房間區(qū)域內(nèi)；工況2下著火源附近最高溫度下降至320℃，煙氣在1層沿室外風朝南側(cè)偏移，且南側(cè)方向房間高溫煙氣區(qū)域集中在1層樓板下部區(qū)域，高溫煙氣量明顯增加；工況3處著火源溫度下降至120℃，其火源向南側(cè)偏移更加明顯，南側(cè)房間處溫度明顯高于工況1與工況3，且高溫煙氣充斥整個南側(cè)房間區(qū)域，同時建筑物在中間樓層區(qū)域內(nèi)煙氣溫度高于前面2種工況。

當火災(zāi)煙氣從1層蔓延至10層時，建筑物10層電梯井處溫度變化如圖5，工況1無室外風情形下10層電梯井處溫度從23 s時開始發(fā)生變化，溫度變化范圍在20～76℃之間；在工況2下，10層電梯井處溫度從27 s時開始發(fā)生變化，溫度變化范圍在20～45℃之間；而在工況3下，10層電梯井處溫度變化很小，最高溫度僅為20.09℃，溫度無明顯上升，變化幅度可忽略不計。同時通過設(shè)備井10層處對比分析總結(jié)得出以下規(guī)律：在室外風作用下的建筑物豎井結(jié)構(gòu)中，1層發(fā)生火災(zāi)時煙氣蔓延至10層時間會有所延長，這是室外風影響下使豎直上升的煙氣運動軌跡發(fā)生了變化，煙氣在5層以上時呈順風向傾斜上升的趨勢，從而延緩了煙氣垂直上升至頂層時間；在10層處溫度變化幅度明顯隨著室外風風速增大而變小，這是由于煙氣順著室外風方向蔓延和移動，致使該探測點處煙氣量減少，溫度也隨之降低。

圖4 東立面T=60 s時x=13 m切片處各工況溫度分布

圖5 不同工況下建筑物10層電梯井探測點b10處溫度變化

對比工況2、工況4、工況5的模擬結(jié)果，由圖6可以看出：工況2在1層樓著火源附近最高溫度達到320℃，煙氣朝著南側(cè)房間區(qū)域移動；在工況4情形下著火源附近最高溫度下降至120℃，火源煙氣沿室外風方向朝北側(cè)蔓延，并通過北側(cè)門窗洞口后并順著室外墻面垂直向上移動；在工況5情形下火源附近煙氣最高溫度最高達470℃，煙氣向四周擴散蔓延；對比分析可得出，在西側(cè)風影響下火源附近處煙氣溫度最高，嚴重危害施工人員的生命安全，在北側(cè)及南側(cè)風影響下火源附近煙氣溫度有所降低，且南側(cè)風對火源附近煙氣溫度影響更明顯。

圖6 T=60 s時x=13 m切片處不同風向下溫度分布

2.3 火災(zāi)煙霧速度分析

對比工況1～3，由圖7看出，北側(cè)室外風風速為2 m/s時樓梯間煙氣速度明顯高于其他兩種工況情形，通過計算工況3在圖7(a)-圖7(d)中的煙氣平均速度為分別為 6.15 m/s、5.62 m/s、4.31 m/s、2.53 m/s，工況 2 分別為 3.35 m/s、2.95 m/s、2.08 m/s、1.25 m/s，工況 1 分別為 0.89 m/s、0.52 m/s、0.41 m/s、0.38 m/s，因此隨著樓層的增高，工況2與工況3情形在樓梯間煙氣速度下降明顯，而工況1情形下樓梯間煙氣速度也有所下降但相對平穩(wěn)，下降幅度低，變化幅度小。

圖8顯示了在3種工況情形下不同樓層走廊處(d點)煙氣運動速度，其煙氣運動速度規(guī)律與樓梯間處相似，室外風速越大，建筑物走廊處煙氣流動速度越快，5層以下樓層在不同風速情形下速度差異明顯，5層以上樓層3種工況下煙氣速度差變小；樓層越高，工況2和工況3煙氣速度呈逐漸下降的趨勢。同時通過對天井及電梯井內(nèi)探測點煙氣速度對比分析，發(fā)現(xiàn)上述規(guī)律并不適用于模型建筑物的豎井結(jié)構(gòu)中，在不同室外風影響下，煙氣速度在豎井結(jié)構(gòu)中都很快且變化幅度大，煙氣運動復(fù)雜多變。

對比工況2、工況4、工況5，圖9對比了不同風向情形下在各樓層樓梯間煙氣運動速度，火災(zāi)發(fā)生前20 s左右，在北側(cè)、南側(cè)室外風影響下各層樓梯間處煙氣速度發(fā)展極快，這是室外風通過南北側(cè)窗口、門洞口迅速擴散至樓梯間所致；而西側(cè)室外風受整棟樓建筑結(jié)構(gòu)約束，無法通過洞口流入樓梯間，因此對樓梯間處煙氣速度影響較?。?層樓樓梯間處于建筑物中性層，煙氣運動復(fù)雜多變，無明顯規(guī)律；整體上室外風對樓梯間處煙氣速度影響為北側(cè)風＞南側(cè)風＞西側(cè)風；在5層以下區(qū)域，煙氣運動速度和變化幅度大，在5層以上區(qū)域，因未施工填充墻，煙氣運動速度下降明顯且變幅度趨于平緩。

圖7 工況1～3不同樓層樓梯間煙氣運動速度

2.4 火災(zāi)煙霧一氧化碳濃度分析

對比工況1～3，如圖10，通過觀察在不同風速影響下樓梯間的CO濃度變化情況，對比分析發(fā)現(xiàn)在4層以下樓層中，工況2、工況3在樓梯間CO濃度明顯小于工況1情形，說明北側(cè)室外風削弱了樓梯間CO濃度，這是由于樓梯間位于建筑物北側(cè)，室外風通過樓梯間窗口滲入，阻礙了煙氣向樓梯間內(nèi)擴散，北側(cè)室外風風速越快，樓梯間CO濃度越小；4層處在前60 s內(nèi)3種工況CO濃度接近并緩慢上升，在火災(zāi)后期工況1濃度較高，如下圖10(a)；5層樓梯間處3種工況CO濃度接近；6層樓梯間如圖10(b)所示，工況3濃度較高；6至10層樓梯間處濃度與4層以下樓層樓梯間處接近。

由上分析得出，室外風對建筑物樓樓梯間CO濃度影響很大，除中間4至6樓外，室外風風速越高，樓梯間內(nèi)CO濃度越低，有利于人員通過樓梯間疏散，但同時易導致火災(zāi)蔓延速度及發(fā)展過程加快，更易引燃周邊的建筑材料使火情危害更大。

圖10 工況1～3不同樓層樓梯間處煙氣CO濃度

對比工況2、工況4、工況5，觀察圖11在不同風向影響下各層樓梯間的CO濃度變化情況，在5層以下樓層，西側(cè)室外風下樓梯間CO濃度最高，北側(cè)與南側(cè)室外風通過樓梯間門窗孔洞，使其空間內(nèi)壓力升高，煙氣進入量減少導致樓梯間CO濃度降低；在5層以上區(qū)域，3種工況下煙氣CO濃度相對很低，且濃度變化幅度不大。同時分析對比了不同樓層走廊處的CO濃度情況，如圖12所示，由于建筑物走廊是開放式的，與外界相通，在北側(cè)、南側(cè)室外風影響下走廊處煙氣濃度減弱明顯，CO濃度很低，走廊處煙氣濃度在側(cè)風向下CO濃度比其他2種風向高，說明側(cè)風向情形下對走廊處煙氣無減弱作用。

3 結(jié)論

(1)室外風會降低施工中主體結(jié)構(gòu)建筑內(nèi)著火源附近溫度，風速越大，降低越明顯；離著火源距離遠的樓層，電梯井等豎井結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度變化幅度隨室外風風速增大而變小。在相同風速不同風向下，針對本工程結(jié)構(gòu)和火源位置，在西側(cè)風影響下火源附近處煙氣溫度最高，嚴重危害施工人員生命安全。

(2)室外風風速越高，煙霧流動速度越快；在不同風向下，整體上室外風對樓梯間處煙氣速度影響為北側(cè)風＞南側(cè)風＞西側(cè)風。

(3)北側(cè)室外風影響下削弱了樓梯間CO濃度，外風風速越快，樓梯間CO濃度越??；不同風向下，在5層以下樓層，西側(cè)室外風下樓梯間CO濃度最高，在5層以上區(qū)域，不同風向下下煙氣CO濃度相對很低，且濃度變化幅度不大。

需要說明的是，本文是以某施工至11層的高層住宅樓為背景，設(shè)置了一定的邊界條件并進行火災(zāi)模擬分析。在不同的風向下，對樓梯間煙氣、溫度等的影響不具有普遍性，但全文的研究方法和研究思路值得施工現(xiàn)場安全預(yù)案分析時借鑒。

圖11 不同風向在各樓層樓梯間煙氣CO濃度

圖12 不同風向在各樓層走廊煙氣CO濃度