李鈺，張亞龍

(1.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.大連交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

火災(zāi)初期是人員逃生的最佳時(shí)期，因此，采取合理的煙氣控制措施，保證火災(zāi)初期高層建筑中的樓梯間豎向疏散通道不遭受煙氣的侵害，使人員逃生更安全.根據(jù)我國(guó)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB51251-2017)[1]規(guī)定：建筑高度小于或等于50 m的公共建筑、工業(yè)建筑，其防煙樓梯間、獨(dú)立前室應(yīng)采用自然通風(fēng)系統(tǒng).建筑空間凈高小于或等于6m的場(chǎng)所，設(shè)置有效面積不小于該房間建筑面積2%的自然排煙窗(口).目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在高層建筑煙氣排放方面已經(jīng)做出了大量的研究[2-6]，得出了火災(zāi)過(guò)程中樓梯井內(nèi)煙氣流動(dòng)特性以及溫度、壓力等參數(shù)的分布規(guī)律；樓梯間內(nèi)開(kāi)窗方式及自然排煙總量對(duì)排煙效率的影響，并開(kāi)展實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn).以上幾位學(xué)者都是研究煙氣進(jìn)入樓梯間后的防煙分析.本文主要是對(duì)在自然防煙形式下的樓梯間與首層火源房間自然排煙窗面積的研究，以期得到最佳開(kāi)窗面積，使得煙氣不進(jìn)入樓梯間，樓梯間防煙效果更優(yōu)，為標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化與修訂提供參考.

1 數(shù)值模擬模型的建立

1.1 模型建立的基礎(chǔ)

本模型為12層，層高4 m，高度為48 m的辦公樓.該建筑模型主要由辦公室、會(huì)議室、疏散走道、電梯、樓梯間前室以及樓梯間幾部分組成，其平面示意圖與三維模型，如圖1和圖2所示.火源房間開(kāi)啟0.66 m2外窗，各組成部分建筑具體尺寸，如表1所示.

圖1 模型平面示意圖

圖2 三維模型示意圖

表1 模型建筑尺寸表 m

1.2 火源設(shè)置及網(wǎng)格劃分

在建筑首層辦公室室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)的情景中，考慮火災(zāi)最不利影響因素將火源設(shè)于首層樓梯間旁邊辦公室中央，尺寸為1 m×1 m.參照文獻(xiàn)[1]的規(guī)定：設(shè)有噴淋的辦公室內(nèi)火災(zāi)模擬場(chǎng)景內(nèi)，火源的最大熱釋放速率為1.5 MW.然而實(shí)際工況與數(shù)值模擬存在著差異，根據(jù)《性能化消防設(shè)計(jì)與評(píng)估導(dǎo)則》選定安全系數(shù)為1.5，即火源最大熱釋放速率為2.25 MW以使模擬結(jié)果與實(shí)際貼合.根據(jù)文獻(xiàn)[1]綜合考量辦公室內(nèi)部陳設(shè)材料燃燒性能，將火災(zāi)類(lèi)型設(shè)定為t2極快速增長(zhǎng)火，增長(zhǎng)因子為0.178 kW/s2，模擬時(shí)間600 s.

FDS數(shù)值模擬需要進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分越精密，計(jì)算越準(zhǔn)確；但同時(shí)網(wǎng)格越細(xì)，計(jì)算時(shí)間也會(huì)越長(zhǎng)，占用內(nèi)存越大.因此劃分單元網(wǎng)格時(shí)要兼顧準(zhǔn)確性與計(jì)算時(shí)間兩個(gè)因素.為防止網(wǎng)格規(guī)模過(guò)大導(dǎo)致計(jì)算過(guò)程繁復(fù)，在保證模擬結(jié)果可靠性的前提下，選定網(wǎng)格尺寸為0.20 m×0.20 m×0.20 m.

2 火災(zāi)模擬結(jié)果與分析

火源設(shè)置在首層時(shí)，有以下默認(rèn)條件：室外疏散門(mén)設(shè)置為開(kāi)啟狀態(tài)；樓梯間疏散門(mén)僅火源層且靠近火源房間的樓梯間設(shè)置為開(kāi)啟狀態(tài)，其他樓層設(shè)置為關(guān)閉狀態(tài)；樓梯間前室疏散門(mén)僅靠近火源房間一側(cè)設(shè)置為開(kāi)啟狀態(tài)；僅火源房間窗戶和疏散門(mén)設(shè)置為開(kāi)啟狀態(tài)；首層火源房間窗口面積試驗(yàn)以下四種分別為：0.66 m2(窗地比2.0%，下文“窗地比”省略不寫(xiě))、0.8 m2(2.42%)、0.85 m2(2.6%)和0.825 m2(2.5%).

根據(jù)文獻(xiàn)[1]可知，火源房間面積為33 m2，首層火源房間應(yīng)開(kāi)啟0.66 m2窗口，首層火源房間窗口面積為0.66、0.8、0.85、0.825m2的煙氣狀態(tài)見(jiàn)表2，不同窗口面積時(shí)煙氣蔓延情況，如圖3～圖6所示.

圖4 首層火源房間窗口面積為0.8 m2(2.42%)時(shí)煙氣蔓延情況

圖5 首層火源房間窗口面積為0.85 m2(2.6%)時(shí)煙氣蔓延情況

圖6 首層火源房間窗口面積為0.825 m2(2.5%)時(shí)煙氣蔓延情況

表2 首層房間窗口四種面積下的煙氣狀態(tài)對(duì)比

3 驗(yàn)證

火源設(shè)置在首層，改變圖1中③軸線到⑤軸線的距離為6m，使得火源房間面積為39.6 m2，火源房間窗口面積為0.99 m2(2.5%).火災(zāi)模擬結(jié)果得到圖7(為觀察更為直觀，放大首層).從圖7中可以得到煙氣狀態(tài)和表2中0.825 m2(2.5%)狀態(tài)一樣.

圖7 首層火源房間窗口面積為0.99 m2(2.5%)時(shí)煙氣蔓延情況

由此可知在火源在首層時(shí)，火源房間面積39.6 m2窗口面積按照建筑面積的2.5%設(shè)置時(shí)，煙氣沒(méi)有煙氣進(jìn)入樓梯間，排煙效果很好達(dá)到了樓梯間防煙的要求.

4 結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究了火源設(shè)置在首層房間內(nèi)時(shí)，可以得出以下結(jié)論：

火源在首層時(shí)火源房間窗口面積按照建筑面積的2%設(shè)置，有煙氣進(jìn)入樓梯間，在建筑凈高小于或等于6 m時(shí)，設(shè)置有效面積不小于該房間建筑面積2.5%的自然排煙窗(口)，可得到煙氣不進(jìn)入樓梯間的更優(yōu)的防煙效果.考慮到工程應(yīng)用，建議修訂為建筑空間凈高小于或等于6 m的首層場(chǎng)所，在自然排煙形式下應(yīng)設(shè)置有效面積不小于該房間建筑面積3%的自然排煙窗(口).