劉曉東,趙文文,李 璇,陳嘉豪,徐曉萌

(1.中國計(jì)量大學(xué) 質(zhì)量與安全工程學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.中國計(jì)量大學(xué) 現(xiàn)代科技學(xué)院,浙江 杭州 310018)

為緩解城市快速發(fā)展過程中伴生的人口急劇增多、用地緊張等問題,帶連廊高層住宅建筑應(yīng)運(yùn)而生。帶連廊建筑主要通過將單元內(nèi)每層的設(shè)備管井、樓梯和電梯井集中設(shè)置,再使用水平聯(lián)系廊聯(lián)接樓層住戶單元[1]。消防連廊的引入有助于相對(duì)擴(kuò)充安全出口數(shù)量,為應(yīng)急疏散提供了便利,但現(xiàn)實(shí)中經(jīng)常出現(xiàn)住戶私自封閉占有消防連廊,將易燃物堆放在消防連廊中,從而構(gòu)成消防安全隱患。隨著城市高層樓宇數(shù)量的激增,加之,高層住宅建筑具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、致火因素多、救援難度大等特點(diǎn),高層建筑火災(zāi)事故日益頻發(fā),造成了大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[2]。

不同建筑結(jié)構(gòu)和火災(zāi)場景對(duì)高層建筑火災(zāi)特點(diǎn)和蔓延規(guī)律的影響一直是消防工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。Ahn等[3]針對(duì)高層建筑樓梯間內(nèi)窗戶的開閉對(duì)火災(zāi)煙氣行為的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究,指出全部關(guān)閉窗戶會(huì)縮短煙氣上升時(shí)間,但窗戶打開則會(huì)加劇火災(zāi)。Wang等[4]通過數(shù)值模擬分析高層建筑在不同吊頂高度下的火災(zāi)煙氣擴(kuò)散過程,認(rèn)為吊頂高度在16 m以上時(shí),溫度云圖變化較小,煙霧探測器的報(bào)警時(shí)間比能見度云圖的時(shí)間稍微滯后。Li等[5]研究了豎井高度對(duì)高層建筑火災(zāi)室內(nèi)煙囪效應(yīng)和煙氣控制的影響,指出當(dāng)豎井高度大于6 m,小于9 m時(shí)可防止火災(zāi)煙氣從室內(nèi)逸出。Kim等[6]研究室外風(fēng)速和風(fēng)向?qū)Ω邔咏ㄖ馂?zāi)的機(jī)械排煙系統(tǒng)的性能的影響,模擬結(jié)果表明,在16 m/s的風(fēng)速和θ=5°風(fēng)向的室外風(fēng)條件下可使機(jī)械排煙速度減小17%。Hu[7]利用Pyrosim模擬高層建筑內(nèi)防火門的開閉對(duì)火災(zāi)蔓延的影響,認(rèn)為關(guān)閉防火門可有效延遲火災(zāi)煙霧向高層擴(kuò)散,便于人員救援。王宇等[8]使用Pyrosim模擬連廊對(duì)高層建筑外立面火勢蔓延的影響,結(jié)果表明將連廊距外立面1.5 m、豎向三窗口火焰融合高度作為建筑外部阻隔區(qū)設(shè)置高度,可有效減緩?fù)饬⒚婊饎萋?。代長青等[9]對(duì)高層住宅建筑房間內(nèi)火災(zāi)蔓延情況進(jìn)行模擬研究,發(fā)現(xiàn)著火房間房門打開不利于著火層上方人員疏散。前述工作圍繞高層建筑進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,主要探索了防火門/門窗等的不同狀態(tài),以及室外風(fēng)速、豎井高度等因素對(duì)火災(zāi)發(fā)展規(guī)律的影響,但較少考慮消防連廊的參與下的火災(zāi)場景。針對(duì)目前市場占有率較高的兩梯連廊式高層住宅建筑[10],對(duì)于在自動(dòng)滅火系統(tǒng)參與以及連廊封閉場景下的火災(zāi)特點(diǎn)和蔓延規(guī)律,仍需進(jìn)一步探究。

相對(duì)傳統(tǒng)火災(zāi)實(shí)驗(yàn)需要投入大量經(jīng)費(fèi)和時(shí)間,利用仿真軟件進(jìn)行火災(zāi)模擬,能夠更直觀、經(jīng)濟(jì)、快速的獲取實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為探究帶連廊高層住宅建筑火災(zāi)蔓延規(guī)律,使用Pyrosim模擬分析在自動(dòng)滅火系統(tǒng)失效、連廊封閉等因素下火災(zāi)擴(kuò)散過程,旨在為帶連廊高層住宅建筑火災(zāi)防范和救援提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值模型建立

1.1 帶連廊高層住宅建筑概況

以層高3 m、共20層的帶連廊高層住宅建筑為例,進(jìn)行仿真建模。樓層平面布局如圖1,該高層住宅建筑包含2單元,2部電梯以及2個(gè)疏散樓梯,每層4戶,單元間由消防連廊連接。

圖1 樓層平面布局Figure 1 Floor plan

1.2 火災(zāi)場景設(shè)置

火災(zāi)場景設(shè)置如圖2,建筑模型層高3 m、墻體厚度0.2 m,樓層平面面積約498 m2,頂部通風(fēng)口面積為874 m2?；鹪次恢迷O(shè)置在住宅10層消防連廊內(nèi)距離1號(hào)樓梯間4 m處,以此模擬消防連廊堆放雜物引發(fā)火災(zāi)場景。消防連廊共有封閉/未封閉兩種狀態(tài),連廊未封閉狀態(tài)下與外界空氣流動(dòng)不受阻礙,連廊開口面積最大,為72.8 m2。自動(dòng)滅火系統(tǒng)采用水噴淋,參照《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[11],水噴淋作用溫度為68 ℃。

圖2 著火點(diǎn)設(shè)置圖Figure 2 Fire point setting diagram

火災(zāi)增長類型設(shè)定為t2增長型[12],本文模擬火災(zāi)場景是連廊內(nèi)堆積雜物引發(fā)火災(zāi),可燃物類型偏向于塑料泡沫、木質(zhì)貨盤托架,根據(jù)文獻(xiàn)[13],宜選用快速火。火源面積為1 m×1 m,火源功率為1 500 kW/m2。燃燒反應(yīng)物質(zhì)為聚氨酯,火災(zāi)模擬時(shí)長600 s。模擬網(wǎng)格大小設(shè)定為0.5 m×0.5 m×0.5 m[14],共計(jì)244 720個(gè)網(wǎng)格?？紤]火災(zāi)模擬的最不利原則,將建筑內(nèi)所有門窗均設(shè)置為開放狀態(tài)。針對(duì)消防連廊封閉,自動(dòng)噴淋滅火裝置失效兩種消防隱患,設(shè)定4種模擬場景,具體火災(zāi)模擬場景見表1。

表1 帶連廊高層住宅建筑火災(zāi)模擬場景設(shè)置

模型中共設(shè)置4處監(jiān)測點(diǎn):1號(hào)監(jiān)測點(diǎn),熱電偶等檢測裝置位于著火點(diǎn)上方1.5 m處,用來檢測火場頂棚溫度、CO質(zhì)量濃度以及煙氣層高度數(shù)據(jù);2號(hào)監(jiān)測點(diǎn),檢測裝置位于1號(hào)樓梯間(10層)防火門下方,高于樓梯間地板1.5 m處。3號(hào)監(jiān)測點(diǎn)和4號(hào)監(jiān)測點(diǎn)位于著火層上方樓層(11層),在11層的具體位置分別對(duì)應(yīng)1號(hào)和2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)。四處監(jiān)測點(diǎn)具體設(shè)置見表2。

表2 監(jiān)測點(diǎn)及檢測裝置設(shè)置

2 火災(zāi)模擬結(jié)果分析

2.1 火災(zāi)煙氣層高度及CO濃度分析

圖3為2處監(jiān)測點(diǎn)在4種火災(zāi)場景下的煙氣層隨溫度變化曲線。火災(zāi)發(fā)生后,1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)處快速生成大量煙氣。如圖3(a),A3火災(zāi)場景下生成的煙氣量最大,煙氣層高度最終穩(wěn)定在1.12 m處。A2和A4火災(zāi)場景,在自動(dòng)滅火系統(tǒng)作用下,煙氣層高度在50 s后逐漸上升,最終分別穩(wěn)定在2.4 m和2.5 m處。

2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)煙氣層高度變化如圖3(b)。A1火災(zāi)場景下,煙氣層高度在25 s后迅速降低并最終穩(wěn)定在2.2 m,低于A3火災(zāi)場景下煙氣層高度。說明在消防連廊封閉條件下,著火點(diǎn)生成的煙氣涌進(jìn)臨近樓梯間內(nèi),使得A3火災(zāi)場景下的1號(hào)樓梯間煙氣層高度低于2.5 m,嚴(yán)重影響人員安全疏散。A2和A4火災(zāi)場景,由于自動(dòng)滅火系統(tǒng)作用,煙氣層高度在25 s時(shí)下降至2.85 m,最終均穩(wěn)定在2.9 m處。

圖3 4種火災(zāi)場景下不同監(jiān)測點(diǎn)煙氣層高度隨時(shí)間變化曲線Figure 3 Time change curve of smoke layer height at different monitoring points in 4 fire scenarios

從2處監(jiān)測點(diǎn)煙氣層高度變化,可知火災(zāi)發(fā)生后,火源位置處迅速生成大量煙。由于著火點(diǎn)位于消防連廊內(nèi),在消防連廊封閉的條件下,著火點(diǎn)生成的大量煙氣無法直接排除,導(dǎo)致火災(zāi)煙氣涌進(jìn)樓梯間,嚴(yán)重影響人員通過樓梯間進(jìn)行逃生。而自動(dòng)滅火系統(tǒng)的參與可有效減少火災(zāi)煙氣的生成。

根據(jù)文獻(xiàn)[15],人員暴露在CO質(zhì)量濃度為8 000 mg·m-3下10～15 min內(nèi)可能會(huì)導(dǎo)致死亡。圖4(a)是1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)處CO質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化曲線。4種火災(zāi)場景下,著火點(diǎn)上方CO質(zhì)量濃度在75 s內(nèi)迅速增加,A3火災(zāi)場景下火災(zāi)生成的CO質(zhì)量濃度最高,達(dá)到13 000 mg·m-3。A2和A4火災(zāi)場景,在75 s后的CO生成量逐漸減少,可見自動(dòng)滅火系統(tǒng)對(duì)于減少火災(zāi)中CO有毒氣體的生成,效果顯著。

同煙氣層高度變化相似,2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)處CO質(zhì)量濃度變化如圖4(b)。A1火災(zāi)場景下,由于消防連廊封閉,著火點(diǎn)生成的煙氣涌進(jìn)臨近樓梯間內(nèi),使A1火災(zāi)場景下1號(hào)樓梯間CO質(zhì)量濃度最高。對(duì)比A1C2和A2C2曲線,自動(dòng)滅火系統(tǒng)能夠在火災(zāi)中減少CO生成。但未封閉的消防連廊更有助于煙氣排出和減少臨近樓梯間的CO質(zhì)量濃度。

圖4 4種火災(zāi)場景下不同監(jiān)測點(diǎn)CO質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化曲線Figure 4 Variation curve of CO concentration with time at different monitoring points in 4 fire scenarios

如圖5,11層樓梯間內(nèi)的CO質(zhì)量濃度在連廊封閉狀態(tài)下(A1C4曲線)穩(wěn)定在800 mg·m-3左右,高于連廊未封閉狀態(tài)下的CO質(zhì)量濃度(A3C4曲線)。

圖5 A1、A3火災(zāi)場景下,3、4號(hào)監(jiān)測點(diǎn)CO質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化曲線Figure 5 A1, A3 fire scene, the CO concentration at monitoring points No.3 and No.4 varies with time

2.2 煙氣蔓延及能見度分析

圖6是A1、A3、A4火災(zāi)場景在200 s時(shí)煙氣蔓延狀況圖。由于住宅建筑中電梯井、樓梯井、天井等豎井的存在,火災(zāi)發(fā)生后煙氣迅速生成并通過豎井向上蔓延,三種火災(zāi)場景下均有明顯的煙囪效應(yīng)。消防連廊封閉條件下,如圖6(a),火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣向周圍擴(kuò)散,最終通過著火樓層內(nèi)的兩處樓梯間等通風(fēng)口處向上蔓延;在火災(zāi)發(fā)生200 s時(shí),煙氣已蔓延至頂層。消防連廊未封閉條件下如圖6(b),火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣可以通過消防連廊快速向外排出;在火災(zāi)發(fā)生200 s時(shí),煙氣主要分布在著火點(diǎn)右側(cè)樓層。圖6(c)是A4火災(zāi)場景(即在自動(dòng)滅火系統(tǒng)參與下)火災(zāi)煙氣的蔓延狀況,在火災(zāi)發(fā)生200 s時(shí),A4火災(zāi)場景產(chǎn)生的煙氣量及蔓延范圍明顯低于無自動(dòng)滅火系統(tǒng)參與下的火災(zāi)場景,如圖6(b)。

圖6 不同火災(zāi)場景在200 s時(shí)煙氣蔓延狀況Figure 6 Smoke spread conditions at 200 s of different fire scenarios

根據(jù)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB51251—2017),將建筑允許的最小煙氣能見度設(shè)定為5 m。圖7為A1、A3、A4火災(zāi)場景下,2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)處煙氣能見度在不同時(shí)刻的分布云圖。將煙氣能見度5 m設(shè)定為臨界值,并用黑色色塊在云圖中做出標(biāo)示。2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)處在不同火災(zāi)場景下分別在80 s、53 s、62 s時(shí),煙氣能見度降至5 m,此時(shí)位于2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)的樓梯已不能保證人員疏散安全。

圖7 不同火災(zāi)場景下2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)處能見度分布圖Figure 7 Visibility distribution map at No.2 monitoring point under different fire scenarios

2.3 火場溫度分析

結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[16],將60 ℃設(shè)定為人員所能忍受的臨界環(huán)境溫度。

如圖8(a),4種火災(zāi)場景下1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)處的溫度,在火災(zāi)發(fā)生后的75 s內(nèi)迅速增高。A3火災(zāi)場景下(消防連廊未封閉且自動(dòng)滅火系統(tǒng)失效),1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)溫度在75 s后的增長趨勢減緩,最終溫度趨近于1 000 ℃,高于自動(dòng)滅火系統(tǒng)參與下的A4火災(zāi)場景和消防連廊封閉的A1火災(zāi)場景。由此得知,自動(dòng)滅火系統(tǒng)可有效降低火場溫度。對(duì)于封閉消防連廊下的火災(zāi)現(xiàn)場(A1T1曲線),由于通風(fēng)量減少,隨著火焰燃燒,現(xiàn)場含氧量降低?；饒鰷囟仍?5 s內(nèi)迅速增至800 ℃,75～150 s內(nèi)溫度逐漸下降,最終溫度保持在600 ℃左右,遠(yuǎn)低于消防連廊未封閉的火場溫度。

2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)處的溫度變化如圖8(b),消防連廊封閉場景下的火場的溫度(A1T2曲線)高于消防連廊未封閉下的火場溫度(A3T2曲線)。這是由于消防連廊的封閉導(dǎo)致火源產(chǎn)生的大量煙氣無法直接從走廊向外排除,轉(zhuǎn)而涌向相近的1號(hào)樓梯間內(nèi),導(dǎo)致2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)溫度增高。2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)在A1火災(zāi)場景下,溫度最終保持在90 ℃左右,高于臨界溫度60 ℃;A1火災(zāi)場景下,位于著火樓層內(nèi)人員無法安全通過1號(hào)樓梯間進(jìn)行疏散。

圖8 4種火災(zāi)場景下不同監(jiān)測點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線Figure 8 Temperature change curve of different monitoring points with time in 4 fire scenarios

如圖9,11層樓梯間內(nèi)的溫度在連廊封閉狀態(tài)下(A1T4曲線)穩(wěn)定在60 ℃左右,遠(yuǎn)高于連廊未封閉狀態(tài)下的溫度(A3T4曲線)。

圖9 A1、A3火災(zāi)場景下,3、4監(jiān)測點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線Figure 9 A1, A3 fire scene, 3, 4 monitoring point temperature change curve with time

3 總結(jié)與建議

本文通過對(duì)帶連廊高層住宅建筑在連廊封閉以及自動(dòng)滅火系統(tǒng)參與下的火災(zāi)場景進(jìn)行仿真模擬,得出以下結(jié)論。

1) 在封閉連廊火災(zāi)情景下,位于連廊內(nèi)的著火點(diǎn),因通風(fēng)量減少,含氧量降低,煙氣生成量減少。產(chǎn)生的煙氣層溫度、CO質(zhì)量濃度低于連廊未封閉火災(zāi)情景,對(duì)應(yīng)的煙氣層高度、能見度高于連廊未封閉火災(zāi)情景。

2) 封閉的消防連廊無法使著火點(diǎn)產(chǎn)生的煙氣及時(shí)向外排出,雖減緩煙氣直接通過連廊向上層蔓延,但會(huì)導(dǎo)致大量煙氣轉(zhuǎn)而涌進(jìn)逃生樓梯等空間,同時(shí)樓梯間內(nèi)溫度、CO量升高,煙氣層高度及可見度降低,嚴(yán)重影響人員疏散。

3) 自動(dòng)滅火系統(tǒng)參與能夠快速降低火場溫度、CO生成量,提升火場可見度,有效抑制火災(zāi)煙氣蔓延,有助于人員及時(shí)疏散。自動(dòng)滅火系統(tǒng)的合理配置以及有效運(yùn)作,是保證高層住宅建筑消防安全的不可或缺地重要組成部分。

4) 建議基層應(yīng)急管理單位以及小區(qū)物業(yè)加強(qiáng)消防安全知識(shí)的普及與宣傳,從源頭杜絕封閉消防連廊以及在連廊堆放可燃物的現(xiàn)象;加大消防檢查力度,確保水噴淋等自動(dòng)滅火系統(tǒng)正常運(yùn)作;建議定期舉辦消防演練,幫助居民熟悉逃生路線和方法。