■ 黃治成 河源市源城區(qū)消防救援大隊

■ 張浩 西安科技大學安全科學與工程學院

隨著經濟社會的快速發(fā)展，全國各地高層建筑、超高層建筑大量涌現。這些建筑一般體量龐大、功能復雜、火災荷載大、人員密集，給火災防控帶來巨大壓力與挑戰(zhàn)。高層公共建筑一旦發(fā)生火災，火災蔓延速度快，易出現“煙囪式”立體燃燒，極易造成“群死群傷”。在這些火災中，煙氣已然成了阻礙人們逃生和滅火行動并最終導致人員死亡的主要原因之一。因此，研究高層公共建筑火災煙氣蔓延規(guī)律具有重大意義。

自2000年2月美國國家標準與技術研究院（NIST）發(fā)布火災動態(tài)模擬軟件（FDS）以來，計算機數值模擬已成為國內外專家學者研究不同火災過程的重要方法[1]。此方法的關鍵是建立一個和火災現場較為相似的模型，從而實現對火災現場的整體把控。

GLASA J 等利用FDS 軟件對電影院進行了火災現場模擬，對其進行了安全危險性評估[2]。AHN C-S 等對開閉式樓梯間進行了實驗和數值研究，結果表明進入新鮮空氣會降低煙氣的流動速度[3]。李琰等運用Pyrosim軟件對連體宿舍樓發(fā)生火災時的煙氣蔓延特性進行數值模擬[4]。劉朝峰等對高層住宅建筑火災進行了應急疏散模擬與策略研究[5]。LONG-FEI H 以CCTV 北樓火災為背景，用FDS 模擬和分析火災得出火災蔓延的規(guī)律[6]。代長青等基于FDS 研究了高層住宅火災的煙氣蔓延特性、有害氣體濃度等，為人員疏散提供理論上的參考[7]。謝明峰等對高校教學樓火災與人員疏散進行了研究，對人員安全疏散進行了預估[8]。

綜上所述，文章基于Pyrosim 軟件以高層建筑火災煙氣為研究對象來進行火災模擬，從而為高層建筑滅火救援和人員緊急疏散提供理論指導。

一、高層公共建筑火災數值模擬

（一）模型建立

該高層建筑場所模型為30m×20m×27.8m 的建筑結構（如圖1所示），共10 層，每層600m2，每層設置2 條疏散樓梯，每條樓梯疏散寬度為1.4m，第二層至第十層空間布置一致。用于模擬火源的燃燒器設置在二樓地板（z=2.81m），x 坐標（28,29.2），y 坐標（13.2,14.4），并分別在辦公室內、疏散走道設置熱電偶、能見度、CO濃度監(jiān)測等測點，來分析不同狀態(tài)下的溫度變化、煙氣運移規(guī)律以及CO 濃度的變化情況。

圖1 該高層建筑場所模型的建筑結構

（二）火災數值模擬工況條件

研究設定兩種不同條件下的工況來模擬疏散門的開合對火災發(fā)展的影響情況。假設燃燒反應為聚氨酯泡沫燃燒反應，燃燒面積為1.44m2，火源熱釋放速率為3000kW/m2，產煙率0.1。數值計算的網格單元格大小為0.4m×0.4m×0.2m[9]，模擬運行時間為600s。

工況一：在10 層公共建筑第2 層靠近右側疏散走道的6 個辦公室開門7 扇，開門面積共32.4m2，火災煙氣可以通過疏散門進入房間，進入房間的煙氣可以通過窗戶向外擴散；兩個樓梯間設置1.2m×2m 的疏散門，疏散門敞開；電梯前室與樓梯間前室合用疏散門敞開，設置一個電梯井從2 樓至10 樓貫通；感煙火災探測器和自動噴淋系統整棟樓全覆蓋。

工況二：在10 層公共建筑第2 層靠近疏散走道右側盡端位置設置一處火源，疏散走道6 個辦公室門全部關閉，火災煙氣只能通過疏散樓梯門和合用前室門進行擴散；其他條件同工況一所述。

二、煙氣蔓延規(guī)律

圖2中的a～e 為工況1 條件下的煙氣變化。（a）可以看到煙氣在6.1s 時向四周擴散，燃燒器上方噴淋位置溫度達到68℃時，噴頭開始噴水滅火。煙氣在10s 時沿著樓層頂板水平運動，在頂板聚集，進行擴散。（b）可以看出煙氣在28s 時布滿著火層。（c）可以清楚看到在400s 時，左右側樓梯煙氣以及窗戶外煙氣布滿5 層。（d）表示煙氣在500s 時充滿著火層。（e）可以看出煙氣在250s 時布滿10 層樓層。圖2中的f～k 為工況2 條件下的煙氣變化。（f）顯示出煙氣在6.1s 時向四周擴散，燃燒器上方噴淋位置溫度達到68℃時，噴頭開始噴水滅火。（g）為煙氣在12.4s 時充滿二層室內疏散通道整個頂板。（h）可以看出在121s 時煙氣布滿5 層疏散走道。（j）顯示出在82s 時煙氣布滿8 層疏散走道，相較于從著火層蔓延至5 層的速度更快。（k）顯示出在64s 時，第10 層室內疏散通道整個頂板充滿煙氣。

圖2 工況1 以及工況2 條件下煙氣擴散至5、8、10 層變化情況

（一）著火層煙氣溫度切片情況分析

圖3中的a 為工況1 著火層第100s 時 坐標Y=13.6m 時疏散走道著火層的溫度切片圖?？梢钥闯鰺煔庾罡邷囟葹?70℃，高溫煙氣主要聚集在頂板位置，越靠近著火點煙氣溫度越高。

圖3中的b 為工況2 著火層第100s 時坐標Y=13.6m 時溫度切片圖?？梢钥闯鰺煔庾罡邷囟葹?20℃，高溫煙氣主要集中在著火點頂板位置，工況2著火層第100s 時坐標Y=13.6m 時最高溫度比工況1 最高溫度低150℃。

圖3 工況1 以及工況2 條件下著火層第100s 時坐標 Y=13.6m 時溫度切片圖

（二）著火層煙氣中CO 氣體濃度分析

圖4為工況1 和工況2 條件下著火層第100s 時坐標Y=13.6m 時CO 氣體云圖。從圖中可以看出兩種工況下煙氣CO 含量為9289ppm。研究表明[7]，當空氣中CO體積分數達到6400ppm 時，健康成年人1～2min 出現頭痛、惡心；10～15min，會造成人員死亡。

圖4 工況1 及工況2 條件下著火層第100s 時坐標 Y=13.6m 時CO 氣體圖

（三）著火層煙氣能見度分析

從圖5的工況1 條件下可以看出SD09、SD01、SD02、SD03 分別從t=3.01s、t=5.41s、t=9s、t=13.2s探測到煙霧，煙感探測器從探測到煙霧至煙霧不透明度達到100%平均時間為0.755s。從圖5的工況2 條件下可以看出SD09、SD01、SD02、SD03 分別從t=3.02s、t=5.41s、t=9.02s、t=13.2s 探測到煙霧，煙感探測器從探測到煙霧至煙霧不透明度達到100%平均時間為0.9s。

圖5 工況1 及工況2 條件下著火層煙感探測器數據圖

（四）著火層疏散走道煙氣溫度分析

圖6的a 為工況1 條件下著火層熱電偶數據圖，THCP 在0～6.62s 時煙氣溫度急劇上升，在6.62s 時溫度達到最高峰值為555℃，6.62～20s 煙氣溫度下降，20s 后煙氣溫度維持在200～330 ℃之間。THCP25、THCP26、THCP27 在0～40s 屬于煙氣溫度上升期，40s后溫度處于平穩(wěn)狀態(tài)，煙氣溫度保持在100～200℃之間，此溫度范圍人體最多能堅持1min 左右。

圖6的b 為工況2 條件下著火層熱電偶數據圖，THCP 在6.6s 和37.2s 時出現兩個峰值，分別為586℃和567 ℃；100s 后煙氣溫度趨于穩(wěn)定，溫度保持在100℃左右。THCP26、THCP27 在100s 后溫度處于平穩(wěn)，煙氣溫度保持在100℃左右，此溫度人體能堅持15～30min 左右。

圖6 工況1 及工況2 條件下著火層熱電偶數據圖

三、結語

控制高層建筑場所火災煙氣流動、降低煙氣溫度、提升場所能見度和降低有毒有害煙氣濃度是高層建筑火災防控的重要內容。文章基于研究煙氣蔓延的不同場景，通過在兩種不同工況下進行模擬研究，得出以下結論：

第一，煙氣水平流動速度為2.04m/s 時，在有熱對流、有氧氣補充的疏散走道（設置的工況1）煙氣溫度比相對封閉環(huán)境（設置的工況2）溫度高150℃左右，也就是疏散走道辦公室門處于敞開狀態(tài)時人員逃生的危險系數更大。

第二，煙氣濃度從頂板到底板逐漸下降，從著火點向擴散方向逐漸下降。在辦公室門處于全開啟的狀態(tài)下，底板幾乎沒有CO 的存在，而當辦公室門處于閉合狀態(tài)時，CO 的頂板底板含量幾乎一樣。

第三，著火層煙感探測器從檢測到煙氣至煙氣不透明度達到100% 平均時間小于1s；開門通風等有利于煙氣含氧量的提高，降低人員危險，但隨著著火時間的推進煙氣含氧量還是呈逐漸下降趨勢。