李逸舟,王自龍,黃鑫炎
建筑外立面火災(zāi)測(cè)試的腔室火與溢流火特性研究
李逸舟,王自龍,黃鑫炎
(香港理工大學(xué)建筑環(huán)境與能源工程學(xué)系消防安全工程研究中心,九龍 999077)
應(yīng)用建筑外立面火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試對(duì)外墻保溫系統(tǒng)的耐火性能進(jìn)行評(píng)價(jià),明確不同外墻保溫材料的耐火等級(jí),是保障高層建筑消防安全的重要組成部分之一.本文對(duì)比了國(guó)標(biāo)GB/T29416—2012、英標(biāo)BS 8414—2002、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO13785-2、美標(biāo)NFPA 285—2019和日標(biāo)JIS A 1310—2015五項(xiàng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),并重點(diǎn)關(guān)注各標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試中腔室火和溢流火特征,以及被測(cè)外墻材料的實(shí)際受熱狀況.該研究結(jié)果有助于揭示相同外立面材料在不同建筑外立面火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試中表現(xiàn)迥異的現(xiàn)象,為真實(shí)的外墻火災(zāi)分析和判定標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)合提供參考,以期為進(jìn)一步優(yōu)化并提出全球統(tǒng)一的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù).
高層建筑;外墻保溫材料;數(shù)值模擬;熱釋放速率;標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比
隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展、建筑結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化與升級(jí),高層建筑已成為城市繁榮的象征與經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的代名詞.對(duì)于高層建筑而言,外墻保溫系統(tǒng)可極大程度地降低建筑能耗、提高建筑性能、使建筑外形更加美觀,外墻保溫系統(tǒng)已成為高層建筑的重要組成部分之一[1].然而,由于建筑外墻保溫材料的可燃性[2],外立面又為腔室火災(zāi)發(fā)展形成開(kāi)口火溢流的擴(kuò)散提供了新的路徑,帶來(lái)嚴(yán)重的建筑外立面火災(zāi)隱患.目前,全球高層建筑的外立面火災(zāi)發(fā)生頻次較高,平均每個(gè)月都會(huì)產(chǎn)生新的案例[3].其中,2010年上海靜安區(qū)高層火災(zāi)(58人死亡),2011年北京央視新址北配樓火災(zāi)(1名消防員死亡),2016年迪拜阿德利斯酒店火災(zāi),2017年倫敦格倫費(fèi)爾火災(zāi)(72人死亡)等嚴(yán)重的外立面火災(zāi)事故,造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失、嚴(yán)重的人員傷亡和深遠(yuǎn)的社會(huì)影響.
為減少建筑外立面火災(zāi)事故,各國(guó)紛紛制定了適應(yīng)本國(guó)國(guó)情的建筑外立面火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試.然而當(dāng)今學(xué)界對(duì)建筑外立面火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試研究較少,大多數(shù)研究通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)來(lái)研究某類外墻保溫材料的耐火性能,或僅基于單一的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行材料的燃燒性能評(píng)估,進(jìn)而判斷特定外墻保溫材料導(dǎo)致火溢流擴(kuò)散的可能性大?。纾琙hou等[4]根據(jù)JIS A 1310—2015標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)試條件,對(duì)外墻保溫材料聚苯乙烯泡沫(EPS)進(jìn)行了詳盡的防火性能測(cè)試;Agarwal等[5]曾使用標(biāo)準(zhǔn)ANSI/FM 4880規(guī)定的測(cè)試裝置對(duì)夾芯板材料進(jìn)行測(cè)試,判斷其防火性能;Khan等[3]基于EN 13501—1標(biāo)準(zhǔn)重新評(píng)估了含有號(hào)稱“不可燃”的A2級(jí)和“有限可燃”的B級(jí)芯材的夾芯鋁復(fù)合板在外加熱輻射下的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn).關(guān)于測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的研究則相對(duì)較少,先前Van Hees[6]研究了ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中外立面火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的發(fā)展過(guò)程;Anderson等[7]對(duì)歐洲多國(guó)的外立面火災(zāi)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對(duì)比分析,為歐盟建立統(tǒng)一的外立面火災(zāi)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)奠定了一些基礎(chǔ).
目前,鮮有學(xué)者針對(duì)建筑外立面火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試中的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行研究.不同測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)尺度差異明顯,各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的燃燒規(guī)模絕對(duì)大小對(duì)比顯著,即外立面火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試規(guī)定的熱源和腔室大小及開(kāi)口大小不同導(dǎo)致開(kāi)口火溢流差異明顯,從而存在相同材料在不同測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)下表現(xiàn)迥異的可能.所以本文從腔室火和溢流火特性的角度出發(fā),研究各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在規(guī)定工況下火災(zāi)的發(fā)展?fàn)顩r與火災(zāi)行為的特征.該項(xiàng)研究的意義在于通過(guò)對(duì)比建筑外立面火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的腔室火與火溢流特性,對(duì)各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估,從而為外立面火災(zāi)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的后續(xù)優(yōu)化和外立面材料的燃燒等級(jí)判定提供參考依據(jù).
通常,建筑外立面火災(zāi)大多由腔室火災(zāi)發(fā)展而來(lái).當(dāng)房間內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后,火勢(shì)在房間內(nèi)發(fā)展蔓延,如圖1(a)所示.此時(shí)火勢(shì)的大小受燃料的載荷控制,被稱為燃料控制型火災(zāi).隨著火勢(shì)的不斷發(fā)展,房間內(nèi)發(fā)生轟燃,腔室火進(jìn)入完全發(fā)展階段[8],房間開(kāi)口處形成火溢流,如圖1(b).
圖1?無(wú)火溢流和有火溢流的腔室火示意
此時(shí)的腔室火的大小由房間的通風(fēng)條件控制,房間內(nèi)的最大熱釋放速率只與開(kāi)口或通風(fēng)的尺寸有關(guān)[8-9],可由經(jīng)典的Kawagoe公式表示:
然而,長(zhǎng)期以來(lái)不同國(guó)家采用不同的建筑外立面火災(zāi)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)外墻保溫材料的耐火性能進(jìn)行評(píng)價(jià),各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)試熱源規(guī)模、模擬建筑結(jié)構(gòu)布置、測(cè)試尺度差異顯著,從而造成建筑外立面材料判定標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一的局面.其中,部分標(biāo)準(zhǔn)模擬外立面火災(zāi)發(fā)展的全過(guò)程,設(shè)置燃燒腔室、布置熱源,形成腔室內(nèi)高溫火災(zāi)環(huán)境,模擬開(kāi)口火溢流的形成,完成對(duì)外立面材料的測(cè)試.部分標(biāo)準(zhǔn)則是基于其他標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試數(shù)值結(jié)果,直接利用熱源對(duì)被測(cè)材料進(jìn)行燃燒性能測(cè)試.鑒于前一類測(cè)試更加符合外立面火災(zāi)發(fā)生的實(shí)際過(guò)程,本文僅針對(duì)前一類測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展研究.
本文選取了國(guó)標(biāo)GB/T29416—2012、英標(biāo)BS8414—2002、美標(biāo)NFPA 285—2019、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO13785-2和日標(biāo)JIS A 1310—2015作為研究對(duì)象,各個(gè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中測(cè)試裝置的主體均由燃燒腔室和外立面構(gòu)成.特別注意的是ISO13785-2僅是一種參考標(biāo)準(zhǔn),并不是被全球各國(guó)都統(tǒng)一認(rèn)可的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn).具體測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)圖與參數(shù)對(duì)比如圖2和表1所示.其中,除英標(biāo)BS8414—2002、美標(biāo)NFPA 285—2019和日標(biāo)JIS A 1310—2015明確規(guī)定了作為火源的燃料類型外,國(guó)標(biāo)GB/T29416—2012和ISO13785-2均可使用符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的其他燃料作為替代.美標(biāo)NFPA 285—2019中規(guī)定建造了雙層腔室,與其他測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定設(shè)置的單腔室燃燒室不同.
此外,除美標(biāo)NFPA 285—2019和日標(biāo)JIS A 1310—2015標(biāo)準(zhǔn)外,其余3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均設(shè)有單側(cè)翼墻.而英標(biāo)BS8414—2002與國(guó)標(biāo)GB/T29416—2012中規(guī)定的測(cè)試結(jié)構(gòu)與火源大小類似,僅在外墻高度、燃燒腔室高度兩個(gè)方面存在微小差異,故后文僅展示國(guó)標(biāo)測(cè)試結(jié)果,不再另外展示英標(biāo)測(cè)試結(jié)果.就測(cè)試的外立面尺寸而言,以上5種測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)皆使用了大尺度(或全尺度)的外立面材料樣品.因此,國(guó)際上通常認(rèn)為這些測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)都是大(全)尺度的.
但是從測(cè)試中腔室火的角度而言,則有明顯的不同.將燃燒腔室空間、開(kāi)口尺寸與實(shí)際房間面積和房間開(kāi)口大小對(duì)照,則可以將研究的5個(gè)外立面火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試分別劃分為小尺度、中尺度和大尺度(或全尺度)腔室火實(shí)驗(yàn),可依次判定國(guó)標(biāo)GB/T29416—2012、英標(biāo)BS8414—2002、日標(biāo)JIS A 1310—2015為小尺寸腔室火實(shí)驗(yàn);美標(biāo)NFPA 285—2019為中尺度腔室火實(shí)驗(yàn);ISO13785-2近似于大尺度腔室火實(shí)驗(yàn).各標(biāo)準(zhǔn)尺度與大小差異可通過(guò)等比例縮放的圖2直觀判斷.
此外,各個(gè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中的火源熱釋放速率的大小和與時(shí)間變化的設(shè)定有明顯的區(qū)別,見(jiàn)圖3(其中國(guó)標(biāo)GB/T29416—2012與英標(biāo)BS8414—2002的曲線一致).
可以看出,作為研究對(duì)象的5個(gè)外立面火災(zāi)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)之中,ISO13785-2規(guī)定了最大的熱釋放速率,其測(cè)試峰值熱釋放速率反而最大,可達(dá)5600kW.國(guó)標(biāo)GB/T29416—2012(或英標(biāo))次之,其峰值熱釋放速率為3000kW.美標(biāo)NFPA 285—2019和日標(biāo)JIS A 1310—2015在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中熱釋放速率較小,其峰值熱釋放速率分別為1300kW和600kW.其中美標(biāo)NFPA 285—2019中燃燒室的開(kāi)口處設(shè)有專門(mén)的燃燒器對(duì)外立面材料進(jìn)行加熱;日標(biāo)JIS A 1310—2015中整個(gè)測(cè)試過(guò)程維持穩(wěn)定的熱釋放速率.除ISO13785-2之外,其余標(biāo)準(zhǔn)的火源熱釋放速率均小于腔室火熱釋放速率的理論峰值,理論上整個(gè)測(cè)試過(guò)程中將沒(méi)有火溢流產(chǎn)生.然而由于腔室尺寸的限制或窗口燃燒器的設(shè)置,各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試下均會(huì)有不同大小的火溢流產(chǎn)生.
表1?建筑外立面火災(zāi)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)特征參數(shù)對(duì)比
Tab.1?Comparisonof test parameters in facade fire standard tests
圖3?各外立面火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的熱釋放速率曲線
本節(jié)在不考慮火源功率大小關(guān)系的前提下,從測(cè)試結(jié)果、系統(tǒng)穩(wěn)定性、火焰蔓延、火焰燃燒、實(shí)驗(yàn)過(guò)程安全性這5個(gè)角度,對(duì)5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的判定進(jìn)行簡(jiǎn)單的定性對(duì)比,具體對(duì)比結(jié)果如表2所示.經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),外立面火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試中英標(biāo)BS8414—2002、日標(biāo)JIS A 1310—2015、ISO13785-2強(qiáng)調(diào)對(duì)于實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果的記錄,沒(méi)有提出具體的判定標(biāo)準(zhǔn),最終結(jié)果由測(cè)試方參考其他依據(jù)給出;而國(guó)標(biāo)GB/T29416—2012、美標(biāo)NFPA 285—2019兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)則對(duì)于外立面材料合格與否,提出定量的判定依據(jù).
表2?建筑外立面火災(zāi)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、判定標(biāo)準(zhǔn)定性對(duì)比
Tab.2?Qualitative comparison of evaluation criteria in all tests
除此之外,美標(biāo)NFPA 285—2019和ISO13785-2并未詳細(xì)考慮被測(cè)材料的破壞乃至垮塌.僅國(guó)標(biāo)GB/T29416—2012和英標(biāo)BS8414—2002對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的安全進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定.5個(gè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)都重視水平基準(zhǔn)線處熱電偶的溫度和火焰的蔓延路徑和傳播規(guī)模,其他詳細(xì)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)則因測(cè)試結(jié)構(gòu)差異而不同.總體而言,考慮到國(guó)標(biāo)GB/T29416—2012和美標(biāo)NFPA 285—2019規(guī)定了最終的測(cè)試判定結(jié)果,因此這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于被測(cè)材料的實(shí)際約束效力較強(qiáng),其余3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的約束效力則相對(duì)較弱.
本節(jié)通過(guò)參照Kawagoe公式和標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定參數(shù),對(duì)5個(gè)建筑外立面火災(zāi)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)進(jìn)行了分析,并對(duì)比了各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)外墻保溫材料耐火性能判定的約束能力.然而,由于多數(shù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置的火源功率小于腔室火熱釋放速率的理論峰值,此時(shí)的火災(zāi)行為無(wú)法通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行預(yù)測(cè).在具體的測(cè)試中,火溢流可能會(huì)點(diǎn)燃外墻材料,因此實(shí)際的火焰還會(huì)包括外墻材料產(chǎn)生的火焰,難以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行直接比較.因此,為了實(shí)現(xiàn)不同建筑外立面火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試動(dòng)態(tài)火災(zāi)行為的比較,需要通過(guò)數(shù)值模擬的手段對(duì)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的全過(guò)程進(jìn)行建模.
為了獲取關(guān)鍵燃燒參數(shù),本文采用FDS 6.7.5軟件[10]對(duì)以上外立面火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試進(jìn)行數(shù)值模擬.火災(zāi)模型通過(guò)大渦模擬(LES)的方法對(duì)火災(zāi)場(chǎng)景下的控制方程進(jìn)行求解[11],并在計(jì)算時(shí)考慮墻體的導(dǎo)熱以及通風(fēng)條件的影響.先前學(xué)者的研究工作[12-16]已經(jīng)驗(yàn)證了FDS在外立面火災(zāi)測(cè)試模擬上應(yīng)用的準(zhǔn)確性,當(dāng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中給定的熱釋放速率作為FDS模擬的輸入時(shí),數(shù)值模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間有著很好的一致性[17].使用FDS構(gòu)建以上5個(gè)外立面火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的數(shù)值模型,各個(gè)模型全過(guò)程中規(guī)定的熱釋放速率如前文圖3所示.由于英標(biāo)BS8414—2002的測(cè)試場(chǎng)景與國(guó)標(biāo)GB/T29416—2012基本相似,故統(tǒng)一呈現(xiàn)國(guó)標(biāo)GB/T29416—2012的模擬結(jié)果.
圖4?GB/T 29416—2012 網(wǎng)格獨(dú)立性溫度驗(yàn)證
熱源的規(guī)模和燃燒室的開(kāi)口尺寸是影響測(cè)試過(guò)程中腔室火和溢流火大小的關(guān)鍵因素.為了對(duì)各個(gè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中腔室火和溢流火的差異進(jìn)行評(píng)價(jià),本節(jié)通過(guò)數(shù)值模型獲取腔室火和溢流火的熱釋放速率大小隨時(shí)間的變化關(guān)系,見(jiàn)圖5(其中國(guó)標(biāo)GB/T29416—2012與英標(biāo)BS 8414—2002的曲線一致).腔室內(nèi)火災(zāi)熱釋放速率隨時(shí)間的變化如圖5(a)所示,比較發(fā)現(xiàn),國(guó)標(biāo)GB/T29416—2012(或英標(biāo))和ISO13785-2測(cè)試中由熱源產(chǎn)生的腔室內(nèi)火災(zāi)規(guī)模大小近似,遠(yuǎn)大于美標(biāo)NFPA 285—2019和日標(biāo)JIS A 1310—2015.值得注意的是,由于測(cè)試腔室和開(kāi)口的大小不同,直接比較腔室內(nèi)部火熱釋放速率的大小并無(wú)實(shí)際意義.真正點(diǎn)燃外立面測(cè)試材料的是腔室內(nèi)部發(fā)展形成的溢流火,因此本節(jié)的關(guān)鍵是比較不同測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中溢流火的大?。?/p>
圖5 各外立面火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試中腔室火和溢流火的熱釋放速率-時(shí)間曲線
圖5(b)對(duì)比了模擬中的溢流火熱釋放速率(HRR)的大小和與時(shí)間變化的規(guī)律,其峰值在表3中進(jìn)一步比較.模擬結(jié)果揭示了ISO13785-2有著5個(gè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中最大的溢流火熱釋放速率,峰值達(dá)到3.3MW,是國(guó)標(biāo)GB/T29416—2012(或英標(biāo))中溢流火峰值熱釋放速率753kW的4倍以上.美標(biāo)NFPA 285—2019測(cè)試過(guò)程中,外立面所受到的熱輻射由腔室產(chǎn)生的溢流火和窗口燃燒器共同構(gòu)成,其熱釋放速率會(huì)隨著室內(nèi)燃燒器和窗口燃燒器熱釋放速率的增大而增大,但最終峰值僅為753kW,依然小于國(guó)標(biāo).日標(biāo)JIS A 1310—2015中的溢流火熱釋放速率最小,僅為96kW,且在測(cè)試過(guò)程中始終保持恒定.值得注意的是,日標(biāo)中規(guī)定的測(cè)試火源僅為下限,實(shí)際測(cè)試中通常會(huì)使用更大的火源;因此判斷日標(biāo)的測(cè)試結(jié)果時(shí),需要注意測(cè)試過(guò)程中實(shí)際設(shè)置的火源大?。?/p>
同時(shí),根據(jù)各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的腔室和開(kāi)口大小還可以得到各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中燃燒腔室和外立面所受到的加熱強(qiáng)度(同列于表3).由于國(guó)標(biāo)GB/T29416—2012(或英標(biāo))和日標(biāo)JIS A 1310—2015均為小尺度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),采用了較小的腔室尺寸,導(dǎo)致國(guó)標(biāo)GB/T29416—2012和日標(biāo)JIS A 1310—2015的腔室所受到的加熱強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其他標(biāo)準(zhǔn).而ISO13785-2由于其最大的溢流火熱釋放速率,從而產(chǎn)生最大的開(kāi)口單位寬度加熱強(qiáng)度.從熱釋放速率的角度,ISO13785-2外立面火災(zāi)測(cè)試強(qiáng)度最大.國(guó)標(biāo)GB/T29416—2012、美標(biāo)NFPA 285—2019和日標(biāo)JIS A 1310—2015的開(kāi)口單位寬度的加熱強(qiáng)度差異較小,國(guó)標(biāo)GB/T29416—2012外立面火災(zāi)測(cè)試中開(kāi)口單位寬度的加熱強(qiáng)度略大于美標(biāo)NFPA 285—2019和日標(biāo)JIS A 1310—2015.
表3?數(shù)值模擬中各外立面火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試中的峰值熱釋放速率
Tab.3?Peak HRRs for each facade fire standard test based on numerical simulations
除外立面火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的熱釋放速率外,測(cè)試過(guò)程中的溫度分布也是外立面火災(zāi)測(cè)試評(píng)估的重要標(biāo)準(zhǔn)之一.圖6為各火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試在峰值熱釋放速率下的橫切面平均溫度分布(其中國(guó)標(biāo)GB/T29416—2012與英標(biāo)BS 8414—2002的曲線一致).
圖6?各外立面火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試在峰值熱釋放速率下的橫切面平均溫度分布
在測(cè)試工況的熱釋放速率達(dá)到峰值時(shí),國(guó)標(biāo)GB/T29416—2012(或英標(biāo))的腔室溫度最高,且溢流火的火焰溫度也高于其他3個(gè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn). ISO13785-2和美標(biāo)NFPA 285—2019中腔室火的高溫區(qū)域分布在開(kāi)口附近,其原因在于較大的燃料供應(yīng)速率(ISO 13785-2)和窗口燃燒器的燃燒(美標(biāo)NFPA 285—2019)阻斷了氧氣進(jìn)入腔室的途徑.由于美標(biāo)NFPA 285—2019增加了窗口燃燒器對(duì)火溢流進(jìn)行加強(qiáng),該測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有著僅次于國(guó)標(biāo)GB/T29416—2012的火焰溫度分布.而ISO13785-2盡管具有最大的溢流火熱釋放速率,但溢流火焰的溫度卻低于國(guó)標(biāo)GB/T29416—2012和美標(biāo)NFPA 285—2019.日本測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)JIS A 1310—2015在火源功率為600kW時(shí)火溢流的溫度最低,為了更有效地對(duì)外墻保溫材料的耐火性能進(jìn)行測(cè)試,實(shí)際測(cè)試時(shí)可能需要采用更大的火源功率.
各外立面火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試中窗口上邊緣中心點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化如圖7所示(其中國(guó)標(biāo)GB/T29416—2012與英標(biāo)BS 8414—2002的曲線一致),除了日本測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)JIS A 1310—2015以外,該位置的溫度在各外立面標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的峰值熱釋放速率下均達(dá)到800℃以上,而日本測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)JIS A 1310—2015中僅為700℃左右.美標(biāo)NFPA 285—2019中,該點(diǎn)的溫度隨著室內(nèi)燃燒器和窗口燃燒器熱釋放速率的增大呈現(xiàn)出階梯狀的升高.GB/T29416—2012(或英標(biāo))與ISO13785-2測(cè)試中,該點(diǎn)的溫度與其標(biāo)準(zhǔn)下的熱釋放速率呈正相關(guān).該位置的溫度變化可以反映出整個(gè)外立面火焰溫度的變化趨勢(shì),通過(guò)該位置的溫度對(duì)比可以直觀判斷被測(cè)材料的實(shí)際受熱狀況.外立面火焰溫度的差異可能影響被測(cè)材料的防火性能表現(xiàn),從而造成最終評(píng)判結(jié)果的偏差.
圖7?各外立面火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試中開(kāi)口上邊緣中心點(diǎn)溫度
綜上所述,國(guó)標(biāo)GB/T29416—2012(或英標(biāo))具有最大的局部加熱效率,在腔室開(kāi)口上邊緣處溢流火溫度最高;ISO13785-2的火溢流熱釋放速率最大,且開(kāi)口單位寬度的熱輻射強(qiáng)度最大,因此該標(biāo)準(zhǔn)下的外立面測(cè)試對(duì)外墻保溫材料有著最大的加熱面積;美標(biāo)NFPA 285—2019則由于窗口燃燒器的持續(xù)燃燒,使得溢流火的整體表現(xiàn)得到提高;日標(biāo)JIS A 1310—2015受限于實(shí)驗(yàn)尺度和規(guī)定的工況條件,對(duì)于被測(cè)材料的實(shí)際受熱效率較低,但實(shí)際測(cè)試中可通過(guò)增大熱源規(guī)模解決這一問(wèn)題.總體而言,國(guó)標(biāo)GB/T29416—2012和ISO13785-2對(duì)外墻保溫材料的測(cè)試強(qiáng)度較大.
外立面火災(zāi)作為全球普遍問(wèn)題,發(fā)生的頻次和帶來(lái)的危害隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展反而不斷增大.因此,學(xué)界亟需針對(duì)建筑外立面測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展相關(guān)研究.本文選取國(guó)標(biāo)GB/T29416—2012、美標(biāo)NFPA 285—2019、英標(biāo)BS8414—2002、日標(biāo)JIS A 1310—2015和ISO13785-2共5個(gè)建筑外立面火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試,從測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)、尺度、火源設(shè)置和判定標(biāo)準(zhǔn)等方面進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析,并通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試下的腔室火和溢流火特性進(jìn)行了研究.通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),國(guó)標(biāo)GB/T29416—2012(或英標(biāo))與ISO13785-2相對(duì)于美標(biāo)NFPA 285—2019和日標(biāo)JIS A 1310—2015而言,對(duì)被測(cè)材料產(chǎn)生更高的加熱強(qiáng)度,且只有國(guó)標(biāo)GB/T29416—2012和美標(biāo)NFPA 285—2019提出了對(duì)材料耐火性能的具體評(píng)判標(biāo)準(zhǔn).美標(biāo)NFPA 285—2019獨(dú)特的雙火源設(shè)計(jì)可以有效地提高火溢流的火焰溫度,從而達(dá)到較大的測(cè)試強(qiáng)度.日標(biāo)JIS A 1310—2015采用標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最低火源功率時(shí)測(cè)試強(qiáng)度較低,實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)需求適當(dāng)提高火源功率.本文通過(guò)對(duì)各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的綜合分析和對(duì)比,揭示了同一被測(cè)材料在不同外立面火災(zāi)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中表現(xiàn)迥異的原因,期望后來(lái)學(xué)者能將測(cè)試的加熱強(qiáng)度與評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑外立面火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試優(yōu)化乃至統(tǒng)一.
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Characteristics of Compartment Fire and Spilled Flame in Facade Fire Standard Tests
Li Yizhou,Wang Zilong,Huang Xinyan
(Research Centre for Fire Safety Engineering,Department of Building Environment and Energy Engineering,Hong Kong Polytechnic University,Kowloon 999077,China)
To ensure the fire safety in high-rise buildings,it is crucial to evaluate the fire performance of facade insulation materials under standard facade fire tests. This paper first makes a comparison among five standards for fire tests,namely,GB/T29416—2012,BS8414—2002,ISO13785-2,NFPA 285—2019 and JIS A 1310—2015,and attaches much importance to the characteristics of compartment fire and spilled flame to reveal fire intensity. The study is helpful in revealing different fire performance of the same facade insulation material under different experiment conditions and evaluation criteria. These findings provide a reference for the facade fire analysis and standard tests and eventually lay a foundation for the unified facade fire standard tests in the world.
high-rise buildings;external wall insulation material;numerical simulation;heat release rate;standard comparison
TK11
A
1006-8740(2023)02-0127-08
10.11715/rskxjs.R202302010
2022-03-10.
香港主題研發(fā)資助項(xiàng)目(T22-505/19-N).
李逸舟(1999—??),男,博士研究生,yizhou-b3e.li@connect.polyu.hk.
黃鑫炎,男,博士,助理教授,xy.huang@polyu.edu.hk.
(責(zé)任編輯:梁?霞)