【中圖分類號(hào)】：TU998.1 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：C 【文章編號(hào)】：1008-3197(2025）03-53-05

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.03.013

Numerical Simulation of Fire Smoke Spread from High-rise Residential Based on Pyrosim

LI Na，SUN Peng，LU Wenyuan

(The Instituteof Architectura Designand Research ofTaiyuan Universityof Technology，Taiyuan O3OO24，China)

【Abstract]:Conductafire review analysis ona high-rise residential accidentcase，anduse Pyrosim software to numerically simulate and restore the smoke spread situation，the sources of smoke in the shared front room，evacuation staircase，and electric pipewell were identified，and details，standards，and solutions that should be paid attention to in high-rise building fire engineering were proposed.

【Key words】: fire review；high-rise residential；smoke spread

高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)采取必要措施和方法來(lái)預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生和減少火災(zāi)帶來(lái)的危害，其中疏散樓梯間是火災(zāi)發(fā)生時(shí)建筑內(nèi)人員安全疏散的通道，前室是消防救援隊(duì)員開展火災(zāi)救援前整裝、準(zhǔn)備的安全區(qū)域。高層建筑的防煙系統(tǒng)通過(guò)自然通風(fēng)和機(jī)械加壓送風(fēng)的方式，保障疏散樓梯間和前室不受火災(zāi)時(shí)產(chǎn)生的高溫?zé)煔庥绊?，為人員疏散和火災(zāi)救援提供一個(gè)安全通道。

本文結(jié)合一起高層住宅的真實(shí)火災(zāi)案例，根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)備案施工圖紙、現(xiàn)場(chǎng)火調(diào)數(shù)據(jù)和Pyrosim數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)火災(zāi)時(shí)煙氣在高層住宅安全疏散口處的流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬分析，為火災(zāi)時(shí)建筑內(nèi)人員安全疏散和快速消防救援提供參考。

1現(xiàn)場(chǎng)概況

事故現(xiàn)場(chǎng)為一棟一類高層住宅樓，地下1層，地上32層，層高 2.9m ，總建筑高度約 92.8m ；標(biāo)準(zhǔn)層為東、西2個(gè)單元，每個(gè)單元有4戶，設(shè)置剪刀樓梯和消防電梯。其中疏散樓梯間和合用前室采用自然通風(fēng)系統(tǒng)，疏散樓梯間前室采用機(jī)械加壓送風(fēng)系統(tǒng)，屋頂設(shè)置加壓送風(fēng)機(jī)。見圖1。

注：紅色區(qū)域采用自然通風(fēng)系統(tǒng)；黃色區(qū)域采用機(jī)械加壓送風(fēng)系統(tǒng)

事故起火原因?yàn)殡姽芫畠?nèi)的供電元器件短路，造成電纜PVC絕緣護(hù)套燃燒，引燃周圍其他可燃物；起火點(diǎn)位于東單元8層電管井內(nèi)，火災(zāi)在電管井內(nèi)豎向蔓延，8\\~32層電管井內(nèi)電纜的PVC絕緣護(hù)套已燃燒殆盡，露出內(nèi)部的銀色鋁制纜芯。

1.1防火門開關(guān)情況

前室門1位于合用前室和東單元走道連通處，因住戶日常使用頻繁，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)前室門1基本均開啟；合用前室與電管井東單元火源處，火災(zāi)煙氣受損基本一致。前室門2位于西單元防煙樓梯間前室和東單元走道連通處，根據(jù)住戶日常使用習(xí)慣，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，前室門2部分樓層開啟，部分樓層關(guān)閉。前室門2開啟時(shí)東戶與西戶火災(zāi)煙氣受損一致，前室門2關(guān)閉時(shí)東戶受損嚴(yán)重，西戶受損輕微。防煙樓梯間門1、2位于剪刀樓梯間與兩個(gè)前室連通處，根據(jù)住戶日常使用習(xí)慣，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，防煙樓梯間門1、2部分樓層損壞、半開或障礙物撐開，僅少部分樓層關(guān)閉。

電管井防火門因住戶日常使用需求，部分防火門未關(guān)閉，部分防火門因施工質(zhì)量關(guān)閉不嚴(yán)縫隙較大；其中10層和31層處于開啟狀態(tài)，還有5處的縫隙比較大。電管井內(nèi)的橋架穿樓板處洞口尺寸約 1000mm× 400mm ，豎向貫通，不僅未進(jìn)行防火封堵，而且內(nèi)部堆放了雜物。

1.2防煙措施

合用前室采用自然通風(fēng)系統(tǒng)，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)救援人員口述，合用前室靠屋頂側(cè)有一處外窗往外冒煙。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，31層合用前室的外窗因火災(zāi)時(shí)的高溫?zé)煔馐軣嶙冃?、玻璃破碎，東單元走道和合用前室的墻壁、屋頂?shù)孛鏌熝圹E明顯、受損嚴(yán)重；前室外窗可開啟面積為 0.9m² ，不滿足合用前室可開啟外窗面積不應(yīng)<3m² 的要求[]。

剪刀樓梯間采用自然通風(fēng)系統(tǒng)，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)救援人員口述，樓梯間中部靠上有一處窗戶往外冒煙。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，剪刀樓梯間每層外窗可開啟面積為0.45m² ，不滿足靠外墻的防煙樓梯間每五層內(nèi)可開啟外窗總面積之和不應(yīng) <2m² 的要求1；32層剪刀樓梯中間的防火隔墻未封閉到頂，導(dǎo)致其中一條剪刀樓梯間的煙氣由于熱壓作用上升到32層后經(jīng)未封閉的防火隔墻蔓延到另一條剪刀樓梯間，最終導(dǎo)致煙氣彌漫整條剪刀樓梯間。

防煙樓梯間前室采用機(jī)械加壓送風(fēng)系統(tǒng)，屋面正壓送風(fēng)機(jī)的風(fēng)管與出屋面豎井未有效連接，正壓送風(fēng)井不僅沒(méi)有起到防煙系統(tǒng)的作用，反而變成事故現(xiàn)場(chǎng)連通各層前室的“煙肉”；屋面正壓送風(fēng)機(jī)的開關(guān)處于“斷開\"狀態(tài)，正壓送風(fēng)口的消防聯(lián)動(dòng)線未連接，部分正壓送風(fēng)口處于“常開\"狀態(tài)；火災(zāi)時(shí)不能滿足前室正壓送風(fēng)口應(yīng)常閉，火災(zāi)時(shí)開啟著火層及其上、下層的風(fēng)口的要求[1]。

1.3 其他洞口

水暖管井與電管井中間的隔墻上，在9、11、12、16、17、24、27、28、32層有洞口，洞口尺寸約50\\~400mm 之間；電梯機(jī)房電梯轎箱的纜繩穿屋面處，有2處尺寸約 300mm×300mm 的洞口，電梯機(jī)房電梯井道上，有2處尺寸約 50mm×80mm 的洞口，電管井內(nèi)電纜穿屋面樓板預(yù)埋鋼管直徑尺寸約 150mm 。

2數(shù)值模擬分析

利用Pyrosim軟件依據(jù)工程備案施工圖紙建立火災(zāi)仿真模型，火源為 t² 中速火[3，環(huán)境初始溫度 20°C ，環(huán)境室外風(fēng)速為 0m/s ，網(wǎng)格大小為 0.25m×0.25m× 0.25m 。本次火災(zāi)的主要燃燒物為電纜的PVC絕緣護(hù)套和電管井內(nèi)的其他可燃物，電纜型號(hào)為YJLHV，YJ為黑色外絕緣為保證電纜燃燒的數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)一致，模擬中PVC的質(zhì)量損失率平均值去 0.05g/s ，峰值為 0.12g/s^[4] 。

2.1火災(zāi)煙氣在前室的蔓延規(guī)律

火災(zāi)時(shí)煙氣從東單元電管井的門縫溢出后，經(jīng)未關(guān)閉的前室防火門1、2直接進(jìn)入部分合用前室和防煙樓梯間前室；部分煙氣經(jīng)合用前室進(jìn)入樓梯間，因熱壓的作用高溫?zé)煔庠跇翘蓍g豎向蔓延，高溫?zé)煔饨?jīng)未關(guān)閉的樓梯間防火門1、2進(jìn)入其他層的前室；火災(zāi)時(shí)電管井防火門關(guān)閉，且樓梯間門和前室防火門同時(shí)關(guān)閉的樓層，前室內(nèi)煙氣濃度很小。火源位于8層電管井內(nèi)，因電管井內(nèi)樓板處未封閉，高溫?zé)煔庋仉姽芫Q向蔓延；高溫?zé)煔鈴?10、14、20、23、31 層的電管井未關(guān)閉的防火門向外蔓延，經(jīng)未關(guān)閉的前室防火門1、2直接進(jìn)入各層的合用前室和防煙樓梯間前室，并逐漸蔓延整棟樓的交通核。見圖2。

擴(kuò)散范圍變大，少量煙氣溫度相對(duì)降低和因墻壁的卷吸和貼壁作用產(chǎn)生“逆煙肉效應(yīng)\"5，短時(shí)間內(nèi)煙氣向下蔓延；隨著樓層內(nèi)煙氣的不斷上升與蔓延，煙氣的溫度和壓力發(fā)生變化，逆煙囪效應(yīng)消失，之后煙氣開始向上蔓延，最終煙氣蔓延整個(gè)樓梯間。見圖4。

火災(zāi)初期， 10，20～23 層前室東部局部位置溫度達(dá)到了 90°C 左右，前室其他位置和其余樓層前室溫度均在 左右；隨著高溫?zé)煔獾牟粩嗦樱?0層前室溫度約 300° 左右， 20～23.31 層前室溫度達(dá)到了200°C 左右， 10～14AA，25～30 層前室溫度約 80°C 左右，其余樓層前室溫度大約都在 50°C 以下。見圖3。

火源位于8層電管井內(nèi)，因電管井內(nèi)樓板處未封閉，高溫?zé)煔庋仉姽芫Q向蔓延，從10、14、20\\~23、31層的電管井未關(guān)閉的防火門向外蔓延，經(jīng)未關(guān)閉的前室防火門1、2直接進(jìn)入各層的合用前室和防煙樓梯間；樓梯間中部呈微正壓壓狀態(tài)，樓梯間上、下部呈微負(fù)壓狀態(tài)；樓梯間內(nèi)壓力因燃燒吸入空氣和生成的高溫?zé)煔?，壓力不斷發(fā)生變化。樓梯間下部呈負(fù)壓狀態(tài)，約為 0～-50Pa ；樓梯間上部呈正壓狀態(tài)，樓層越高正壓值越大；樓梯間內(nèi)壓力因燃燒吸入空氣和生成的高溫?zé)煔?，壓力不斷發(fā)生變化。見圖5。

2.2火災(zāi)煙氣在樓梯間的蔓延規(guī)律

火災(zāi)時(shí)高溫?zé)煔庖来螐?10，14，20～23，31 層經(jīng)前室進(jìn)入樓梯間，因樓梯間和前室防火門開啟導(dǎo)致煙氣

2.3火災(zāi)煙氣在電梯井的蔓延規(guī)律

10層右側(cè)電梯門開啟狀態(tài)下與轎廂之間的洞口尺寸為 30～100mm ，煙氣經(jīng)該洞口進(jìn)入的最大量達(dá)到了 6.5m³/s ；10層右側(cè)電梯門關(guān)閉狀態(tài)下的門縫寬約為 5mm ，煙氣經(jīng)電梯門縫隙進(jìn)入的最大量約為 3× 10^-3m³/s ，量極少。見圖6。

17層右側(cè)電梯門開啟狀態(tài)下與轎廂之間的洞口尺寸為 30～100mm ，煙氣經(jīng)該洞口進(jìn)入的最大量為2×10^-3m³/s ，量極少；電梯門關(guān)閉狀態(tài)下門縫寬約為5mm 左右，煙氣經(jīng)電梯門縫隙進(jìn)入的最大量為 6× 10^-3m³/s 。見圖7。

電梯井道被證明是高溫?zé)煔庠谡麄€(gè)建筑物中蔓延的豎向通道。因電梯門閉合不嚴(yán)密，頂部有電梯轎箱操作升降纜繩的開口，電梯井道的“煙肉效應(yīng)\"的熱壓作用為高溫?zé)煔庳Q向蔓延提供了動(dòng)力，使煙氣在電梯井道內(nèi)蔓延、擴(kuò)散。造成本次火災(zāi)時(shí)電梯井道灌滿高溫?zé)煔獾脑蛑皇?，火?zāi)時(shí)電梯門未及時(shí)關(guān)閉，因“煙肉效應(yīng)\"的熱壓作用，大量煙氣通過(guò)電梯井道豎向蔓延至屋頂電梯機(jī)房。

2.4火災(zāi)煙氣在水暖管井的蔓延規(guī)律

在現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)部分樓層的水暖管井與電管井中間的隔墻上有洞口，洞口的尺寸大小不一，約50\\~400mm ；模擬工況設(shè)置中也同樣與現(xiàn)場(chǎng)情況相同，模擬結(jié)果顯示在水暖管井與電管井中間的隔墻上有洞口的樓層，煙氣會(huì)從電管井經(jīng)洞口蔓延到水暖管井，煙氣進(jìn)入水暖管井之后擴(kuò)散蔓延，而部分樓層水暖管井墻壁表面的抹灰與防火門之間封閉不嚴(yán)密時(shí)，會(huì)有部分煙氣從縫隙外溢。

2.5火災(zāi)煙氣在正壓送風(fēng)井的蔓延規(guī)律

火災(zāi)前期4層和8層因正壓送風(fēng)井內(nèi)的壓力比前室高，高溫?zé)煔鈴恼龎核惋L(fēng)井進(jìn)入前室，火災(zāi)后期樓梯間內(nèi)壓力下低上高，樓梯間中和面以下為負(fù)壓，前室壓力變低，高溫?zé)煔庥謴那笆疫M(jìn)入正壓送風(fēng)井；中和面18層處因樓梯間壓力變化，煙氣在正壓送風(fēng)口處有進(jìn)有出；24、26、32層因前室壓力比正壓送風(fēng)井內(nèi)的高，高溫?zé)煔鈴那笆疫M(jìn)入正壓送風(fēng)井。隨著火災(zāi)的發(fā)展，建筑內(nèi)前室和樓梯間的壓力不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致風(fēng)口處的壓力也隨著不斷發(fā)生改變，進(jìn)而風(fēng)口處煙氣的速度大小和方向也在不斷變化，最終呈現(xiàn)出部分風(fēng)口往正壓送風(fēng)井內(nèi)吸煙，部分風(fēng)口往前室冒煙的現(xiàn)象。見圖8。

3結(jié)論

1)該項(xiàng)目電管井內(nèi)未做防火封堵措施造成火災(zāi)在電管井內(nèi)快速豎向蔓延，電管井防火門未關(guān)閉造成多處樓層火勢(shì)加大，部分樓層前室和樓梯間的防火門未關(guān)閉造成高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)樓梯間豎向蔓延至其他樓層的前室，對(duì)人員疏散和消防救援造成嚴(yán)重安全隱患；電梯井道“煙囪效應(yīng)\"是高溫?zé)煔庠诮ㄖ胸Q向蔓延的現(xiàn)成管道，火災(zāi)時(shí)如果電梯門沒(méi)有及時(shí)關(guān)閉，電梯并道的頂部有開口，使高溫?zé)煔鈴奈搓P(guān)閉的電梯門縫的電梯井道中進(jìn)出，形成嚴(yán)重的安全隱患。

2)該項(xiàng)目屋面正壓送風(fēng)風(fēng)機(jī)與豎井未有效連接，火災(zāi)時(shí)不能為人員疏散和火災(zāi)救援提供安全的通道；部分前室正壓送風(fēng)口處于開啟狀態(tài)，正壓送風(fēng)井成了“煙肉”，高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)正壓送風(fēng)井和正壓送風(fēng)口進(jìn)、出蔓延至其他樓層的前室；樓梯間、合用前室的開啟外窗面積不滿足規(guī)范要求，且火災(zāi)時(shí)未及時(shí)開啟沒(méi)有起到防煙系統(tǒng)的作用。

3)滅火救援前打開樓梯間最高處的應(yīng)急排煙窗可以及時(shí)排出火災(zāi)煙氣和熱量，為建筑內(nèi)人員疏散提供安全環(huán)境，也可為救援人員提供較好的救援條件。

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