摘要：高層建筑火災的煙氣豎向擴散速度快、蔓延路徑復雜，對人員疏散和消防救援帶來較大挑戰(zhàn)?；贔DS數值模擬技術，研究不同火源位置對高層建筑煙氣擴散的影響，分析豎向煙囪效應對煙氣蔓延路徑的作用，并探討煙氣濃度與人員疏散安全之間的關系。研究結果表明，火源位置雖顯著影響煙氣的擴散特性，但煙氣主要沿豎向快速蔓延，不會沿窗口向建筑內部回流。低樓層起火時，煙氣迅速從窗口外溢，并在建筑內部水平擴散；高樓層起火時，煙氣受外墻與開口位置影響從不同方向的窗臺溢出。樓梯間是煙氣豎向擴散的主要通道，火災發(fā)生后的80～190s內，煙氣即可蔓延至1～5層樓梯口，人員必須在4min內完成疏散。研究結果為高層建筑火災的防排煙系統(tǒng)優(yōu)化、消防安全設計及人員疏散策略提供了科學依據，并為未來更復雜火災場景的模擬研究奠定了基礎。

關鍵詞：高層建筑火災；FDS；起火位置；煙氣蔓延

中圖分類號：TU998.1" " " 文獻標識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2025）07-0013-06

0 引言

高層建筑火災的發(fā)生，伴隨著煙氣的迅速擴散，而煙氣快速蔓延特性直接影響火災發(fā)展速度和人員可用安全疏散時間。這種特殊性意味著，不同區(qū)域的起火位置可能給煙氣蔓延帶來顯著差異，尤其是在核心筒和樓梯間等區(qū)域[1]。SunX等[2]細化樓梯間頂部開啟狀態(tài)的影響，當樓梯間頂部處于開啟狀態(tài)時，煙氣觸頂時間正比于豎向高度的1.227次方；而當頂部開口處于關閉狀態(tài)時，煙氣前鋒觸頂時間正比于豎向高度的2.135次方。對于高層建筑火災煙氣蔓延，前人主要關注的是豎向通道的一維蔓延機制，未充分考慮火源位置下的煙氣運動特性變化。因此，本文采用FDS構建高層建筑火災模型，研究不同高層建筑區(qū)域著火，煙氣豎向蔓延路徑、機制和變化規(guī)律。

1 基于FDS的火災模型搭建

火災模擬研究最早是針對單室空間內的穩(wěn)態(tài)燃燒現象進行數學分析，是一種簡化的單區(qū)數學模型，為后續(xù)火災模擬領域的發(fā)展奠定了基礎[3]。隨著大型高速計算機技術的迅速發(fā)展，求解復雜方程組的計算能力顯著提升，促使火災模擬技術的快速發(fā)展，計算精度與應用廣度也不斷提高，推動了眾多商業(yè)軟件的出現與普及。例如，基于分區(qū)模型的CFAST軟件具有較強的靈活性和便捷性，適用于初步評估和工程設計場景；基于場模型的FireFOAM與SMARTFIRE等軟件則在定制性和應用靈活性方面表現突出，能夠滿足特定情境下的工程需求與一般科研目的[4]。然而，上述軟件通常難以達到高保真度模擬所需的精細化水平。開源軟件FDS及其配套圖形化界面工具PyroSim，則具有更高的模擬精度與更全面的物理建模能力，可細致地描述火焰?zhèn)鞑ァ彷椛浜蜔煔饬鲃拥葟碗s現象[5]。此外，FDS開放源代碼的特性降低了使用成本和技術門檻，與Smokeview及Python腳本等工具的有效聯動，極大地提升了結果的可視化表現與自動化分析能力，因而成為眾多高保真度工程設計及前沿科研領域的首選工具之一[6-7]。

1.1" 搭建高層建筑模型

FDS是由美國國家標準與技術研究院（NIST）開發(fā)的一款計算流體力學（CFD）軟件，廣泛用于火災動力學模擬，特別是在建筑性能化火災研究中發(fā)揮重要作用[8]。FDS軟件在解決湍流燃燒問題時，主要采用直接數值模擬（DNS）和大渦模擬（LES）兩種方法。DNS方法基于完整求解納維-斯托克斯（N-S）方程，能夠涵蓋湍流燃燒過程的所有時空尺度，具有極高的精度，但計算負擔較大，僅限于低雷諾數、簡單流動結構的詳細燃燒現象研究，如細致的火焰?zhèn)鞑ヌ匦苑治?。LES方法則通過直接解析較大尺度的湍流運動，對更小尺度的湍流行為使用次網格尺度模型（SGS）進行封閉，顯著降低了計算量。LES方法尤其適用于建筑等較大空間場景的火災模擬，在高雷諾數條件下既能夠提供合理準確的模擬結果，又實現了計算效率與精度之間的平衡，因此在實際工程應用和復雜情景分析中被廣泛采用[9]。高層建筑內部空間復雜、人員密集、疏散困難，且火勢和煙氣的垂直蔓延速度快，給消防救援帶來了巨大挑戰(zhàn)[10]。同時，計算機發(fā)展給數值模擬計算帶來了巨大的便利，數值模型計算時間有效縮短，測量參數能夠滿足工程實驗所需精度。因此，基于FDS數值模擬軟件，研究高層建筑不同部位火災煙氣行為，可精確模擬煙氣擴散和溫度場變化情況。

本文選取某12層建筑作為研究對象，建筑呈現“十字架”型，是目前高層建筑中典型的核心筒建筑，建筑平面圖見圖1。建筑采用核心筒結構，整體呈方形布局，總寬度和進深均約37.0m。核心筒位于中心區(qū)域，容納電梯井、樓梯間及設備管道井，提供垂直交通支持，同時增強結構穩(wěn)定性和抗震能力。外圍戶型均勻分布，房間寬度3.6～5.4m，進深3.4～5.6m，通風與采光條件良好。主要通道寬度在1.5～2.0m之間，確保人員流動順暢。主入口設在建筑底部，內部配備雙向樓梯和合理的疏散通道，符合消防安全標準，為緊急情況下的人員疏散提供保障。這種核心筒設計符合現代高層住宅的需求，也能充分體現高層核心筒建筑帶來的消防設計挑戰(zhàn)。搭建完成的模型見圖2。

1.2" 參數設置

1.2.1" 火源

火源設置位于建筑1層、6層和10層，用于觀測不同部位火災煙氣呈現的蔓延特性；火源大小設置為1500kW，模擬高層建筑房間內家具著火實際情景。

1.2.2" 網格尺寸

在使用計算流體力學（CFD）方法求解火災動力學方程時，網格敏感性分析（Grid Sensitivity Analysis）是確保計算精度和計算效率不可或缺的步驟[11]。在數值模擬領域，網格定義指的是通過將連續(xù)計算區(qū)域劃分為若干離散單元，以便求解數值方程。網格的質量與分辨率直接影響模擬結果的精度與可靠性。網格敏感性分析（Mesh Sensitivity Analysis）則是一種通過改變網格尺寸或密度，評估數值模擬結果對網格劃分依賴性的過程。具體而言，通過逐步減小網格尺寸或增加網格密度，直至模擬結果的變化低于預定閾值，獲得足夠精確且計算成本合理的網格配置。這一分析過程能夠確保模擬結果的獨立性和穩(wěn)定性，避免因網格尺寸或密度不當而引起的數值誤差和誤導性的結論。網格大小是直接影響數值模擬精度的重要參數，選擇最適合的網格不僅要保證模擬結果的精確性，還要考慮計算成本。在FDS數值模擬中，一般采用無量綱表達式分辨率指數（RI）D*/δx來衡量計算域的網格度量，其中D*是特征直徑，并通過公式（1）計算[12-13]：

FDS使用手冊提出以分辨率指數衡量網格劃分質量，并建議RI取值在4～16之間，以兼顧精度和計算效率。有學者提出針對隧道火災的網格尺寸優(yōu)化標準，即網格尺寸建議為特征直徑（D*）的0.075倍。其他研究亦采用上述RI范圍開展數值模擬，并通過敏感性分析進一步驗證了RI值在4～16范圍時模擬結果的有效性與可靠性?；赗I在4～16范圍內，本文高層建筑火災模型選取0.8、1、2m3種網格尺寸，進行網格敏感性分析，結果見圖3。0.8m和1m網格尺寸下的火源熱釋放速率比較穩(wěn)定，基本維持在1500kW左右；而2m網格尺寸則存在較大數據波動，尤其是火災發(fā)展到中后期，熱釋放速率波動程度較為劇烈。因此，本文采用1m網格尺寸用于煙氣模擬，既能夠保證煙氣發(fā)展運動的可靠性，又能縮短計算網格單元過多而帶來的運行時間過長的問題。

1.2.3" 其他參數

高層建筑內可燃物種類復雜，火源增長采用t2增長形式，高層建筑考慮其特殊性，選取超快速火增長系數0.1878[14]。模型四周設置為開放邊界，用于火災時補入新鮮空氣，維持火源的燃燒，同時降低計算網格內的壓力。建筑室內不同方位都布置有火災煙氣測點，包括溫度、CO濃度和能見度，用于評估火災發(fā)生時室內煙氣運動；建筑內每一層樓梯間口都設置有CO和O2測點，用于測量煙氣豎向蔓延至該樓層的時間，以便評估人員疏散安全情況。建筑外墻主要采用混凝土材料，保證模型材料屬性盡可能與實際情況一致，具體參數見表1[15]。

2 數值模擬結果與分析

2.1" 煙氣蔓延路徑

圖4展示了高層建筑火災不同部位起火的煙氣模擬結果，圖中記錄了3個時間點（60、120、180s）下的煙氣擴散情況，并進行橫向對比。從圖4中可以得出，當火源位于1層時，煙氣率先溢出窗口向外蔓延，水平方向煙氣在建筑內部快速擴散，然而由于豎向煙氣羽流受到浮力羽流的驅動，豎向高程差存在較大壓差，使得煙氣快速向上蔓延[15]，在120s左右蔓延至建筑頂部空間。與此同時，水平方面煙氣越過房間門窗洞口開始向建筑出口蔓延，然后豎向蔓延至建筑頂部。值得注意的是，無論是火源位置位于1層、6層和10層，窗口外溢煙氣并不會向建筑內侵蝕，主要是呈現豎向煙囪效應形式，快速向上蔓延。而當火源位于6層和10層時，建筑內部煙氣受外墻制約，最終從不同方向的窗臺溢出。在豎向方向上，煙氣主要受浮力羽流的影響，向上擴散，但并未發(fā)現煙氣向下蔓延的跡象，即使是在豎井樓梯間內，煙氣侵蝕效果不明顯。

2.2" 煙氣濃度

為進一步量化煙氣擴散時間，以火源位于1層為例，繪制不同樓層樓梯口處煙氣濃度圖，用于判斷煙氣蔓延至不同樓層的時間。圖5和圖6分別顯示了高層建筑內樓梯口CO濃度和O2濃度隨時間的變化情況。

2.2.1" CO濃度

從圖5可以得出，不同樓層測點（F1、F2、F3、F4和F5）的CO濃度隨時間上升，表明火災發(fā)生后，樓梯間內煙氣向上蔓延，CO濃度逐漸增加，煙氣蔓延至各1～5樓層的時間分別為80、115、125、150和190s。豎向煙氣在250s內并未蔓延至最高層。隨著樓層高度的增加，CO濃度從最高7.2×10-6mol/mol降至2.3×10-6mol/mol，降幅達到68.05%。建筑室內火源達到額定火源熱釋放速率的時間在75s左右，這意味著煙氣抵達1層樓梯口處的時間與火源到達額定熱釋放速率的時間基本一致，對于5層的疏散人員，煙氣會在200s左右到達對應樓層的樓梯口，這意味著5層以下人員疏散必須在4min內完成，以減少火災煙氣造成的人員傷害。

2.2.2" O2濃度

從圖6可以得出，測點下降趨勢與一氧化碳測點下降趨勢呈現一致性，一層作為煙氣侵害最為嚴重的樓層，煙氣濃度只能達到20.45%左右，人員疏散在該濃度下存在明顯的頭暈、呼吸不暢等癥狀[16]。2層和3層氧氣濃度測點保持相對一致，基本維持在20.55%左右，而5層煙氣濃度可以保持在20.65%左右。

從模擬研究結果可以得出，高層建筑火災，煙氣濃度明顯受火源功率的制約，尤其是在高層部位，煙氣擴散卷吸新鮮空氣，降低煙氣的毒害性。此外，建筑內人員疏散時間往往與煙氣擴散時間密切相關，而不同樓層疏散人員所需要的時間必須小于煙氣蔓延至該樓層的時間。因此，本文研究不同樓層煙氣時間的預測，能夠為高層心桶建筑疏散提供科學的疏散時間指導。

2.3" 煙氣抵達時間

圖7匯總了火源位于1層時，火災煙氣在不同樓層的傳播時間變化情況，為火災安全評估和高層建筑消防設計提供了重要的參考依據。橫坐標表示樓層數，縱坐標表示煙氣抵達時間，即煙氣從火源位置擴散到相應樓層所需要的時間。圖7中的黑色方塊代表模擬計算得到的實驗數據，而黑色虛線則是基于這些數據擬合出的預測曲線，其數學表達式為y=75.58x0.5355。這一公式表明，煙氣傳播時間與樓層高度之間呈現冪次增長關系，即煙氣抵達更高樓層的時間雖然增加，但增長速度并非線性，而是逐漸趨緩。從數據可以看出，在低樓層（如1～2層），煙氣擴散速度較快，抵達時間較短，而在高樓層（如4～5層），煙氣傳播時間明顯增加，但上升幅度相對減少。這種變化趨勢與火災煙氣的動力學特性有關?；馂陌l(fā)生時，煙氣由于浮力作用沿著樓梯間或豎井上升，初始階段可能較快，但隨著高度增加，煙氣可能會受到層流影響和熱損失等因素的干擾，使得上升速度逐漸降低。

3 結論

本研究通過數值模擬分析了高層建筑火災中不同火源位置對煙氣蔓延的影響，并探討了煙氣擴散與人員疏散之間的關系。模擬結果表明：

1）火源位置顯著影響煙氣的擴散路徑與速度，但無論火源位于1層、6層還是10層，煙氣都呈現豎向蔓延特征，即受到浮力作用迅速向上擴散，而不會沿窗口向建筑內部侵蝕。這種現象表明，火災發(fā)生時，高層建筑內部的煙囪效應在煙氣擴散過程中起到了決定性作用。具體而言，低樓層起火時，煙氣首先從窗口外溢，并在建筑內部快速擴散，而高樓層起火時，煙氣的擴散路徑主要受到外墻和窗口開口位置的約束，最終從不同方向的窗臺溢出。

2）煙氣在豎向方向上受到浮力羽流的驅動，從而加快其向上的擴散速度，但研究中并未觀察到煙氣向下蔓延的跡象，即使在豎井和樓梯間，煙氣向下擴散的趨勢也不明顯。這意味著，在高層建筑火災中，樓梯間的防煙系統(tǒng)和排煙設施對減緩煙氣擴散具有重要作用。然而，由于煙氣在建筑內部快速積聚，樓梯間內的CO濃度和O2濃度變化明顯，隨著時間推移，CO濃度不斷上升，O2濃度逐漸下降，進一步加劇了火災環(huán)境對人員生存的威脅。

3）不同樓層的煙氣蔓延時間存在較大差異。例如，煙氣到達1層樓梯口的時間約為80s，而蔓延至5層樓梯口的時間約為190s。隨著樓層高度增加，煙氣的擴散速度逐漸減緩，在250s內未蔓延至最高層。這說明，雖然高層建筑的煙氣蔓延速度較快，但仍然存在一定的時間窗口供人員疏散。然而，在CO濃度方面，測點數據顯示，隨著煙氣向上擴散，CO濃度從7.2×10-6mol/mol（1層）下降至2.3×10-6mol/mol（5層），降幅達到68.05%，這說明煙氣在擴散過程中卷吸了大量新鮮空氣，降低了部分毒性，但仍然對人員健康構成嚴重威脅。與此同時，O2濃度的下降趨勢與CO濃度的上升趨勢基本一致，在1層，O2濃度僅為20.45%，在2～3層略高，維持在20.55%左右，而5層的氧氣濃度略高于20.65%。這表明，越靠近火源位置，空氣中的氧氣被燃燒消耗越嚴重，人員在低氧環(huán)境下會出現頭暈、呼吸困難等不適癥狀，影響逃生效率。

4）進一步分析煙氣蔓延與疏散時間的關系可以發(fā)現，高層建筑的疏散時間必須嚴格控制在煙氣蔓延至相應樓層之前。以5層為例，煙氣在約200s內擴散到該樓層的樓梯口，這意味著5層以下的住戶必須在4min內完成疏散，否則將面臨濃煙和高濃度CO的威脅。因此，在高層建筑火災中，人員的疏散時間與煙氣擴散時間密切相關，任何延誤都會大幅增加被煙氣困住的風險。因此，在消防設計中，必須合理規(guī)劃火災報警系統(tǒng)、樓梯間正壓送風系統(tǒng)和自動噴水滅火系統(tǒng)，以延緩煙氣擴散，為人員疏散爭取寶貴時間。

本研究的模擬結果還表明，煙氣擴散的速度和范圍受火源功率的影響，尤其是在高層區(qū)域，煙氣擴散過程中會卷吸大量新鮮空氣，降低毒害性。為了提高高層建筑火災的應對能力，建議進一步優(yōu)化豎井內消防設施布局，例如，加強火災報警系統(tǒng)和防排煙系統(tǒng)的設置；制定更加科學的疏散預案，優(yōu)先疏散著火樓層及以上兩層人員。這對于高層建筑火災的消防策略具有重要啟示，即合理布置排煙口和通風系統(tǒng)，可以有效降低煙氣對高層人員的危害。此外，疏散時間的預測對于優(yōu)化高層建筑的安全設計具有重要意義，通過分析煙氣蔓延速度，可為疏散時間的設定提供科學依據，確保人員在煙氣擴散前完成逃生。

4 展望

本研究的火災煙氣模擬分析，盡管采用FDS數值模擬技術取得了一定成果，但方法與數據仍存在一定的局限性。本文模擬中火源的設定相對單一，實際高層建筑火災中火源功率和分布更具有復雜性和多樣性，未來研究可增加不同類型、不同功率的火源場景，更加貼合實際情況。此外，本文的模擬研究未深入考慮外部環(huán)境因素，如風速、風向及外部溫度對煙氣蔓延規(guī)律的影響，后續(xù)研究可進一步整合環(huán)境風速及氣象因素，開展更加精細化的數值模擬。同時，現階段研究主要側重于數值模擬結果本身，缺乏與真實火災試驗數據的深入對比驗證，未來可探索通過實驗平臺或真實火災案例驗證數值模型的可靠性。

參考文獻

[1]哈明亮，顧正軍，彭亞洲.高層住宅建筑消防安全防控對策研究[J].城市開發(fā)，2024（12）：104-105.

[2]SunX，HuL，ChowW，etal.Atheoreticalmodeltopredict

plumeriseinshaftgeneratedbygrowingcompartmentfire

[J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer，2010，

54（4）：910-920.

[3]張媛媛，張志偉，張國維.不確定因素耦合作用下高層住宅建筑火災溫升概率模型[J].消防科學與技術，2023，42（12）：1663-1668.

[4]苗德方.室內火荷載模型數據庫與火災隨機場景構建[D].徐州：中國礦業(yè)大學，2021.

[5]王碩.基于FDS的超高層建筑觀光層消防安全研究[D].大連：大連交通大學，2024.

[6]王鐘寬.隧道火災自熄特性數值模擬研究[D].成都：西南交通大學，2020.

[7]王曦.高層住宅建筑防火設計要點分析研究[J].中華建設，2025（2）：60-62.

[8]ShenZSh，HuangYH，ChienSW.Usingfiredynamic simu-lation（FDS）toreconstructanarsonfirescene[J].Building

andEnvironment，2008，43（6）：1036-1045.

[9]RyderLN，SutulaAJ，SchemelFC，etal.Consequence mo-delingusingthefiredynamicssimulator[J].Journalof Ha-zardousMaterials，2004，115（1-3）：14-154.

[10]王宇，王馨瑤，齊琳，等.不同結構因子下帶連廊高層建筑外墻火豎向蔓延數值模擬[J].沈陽建筑大學學報（自然科學版），2024，40（2）：293-301.

[11]Long-feiH，MingL，Wu-yuanC，etal.Numericalsimu-lationandanalysisofon-buildinghigh-risebuilding fires[J].ProcediaEngineering，2011，11：127-134.

[12]王竟萱，裴雷.疏散樓梯對超高層建筑火災人員疏散影響研究[J].中國人民警察大學學報，2025，41（2）：66-71.

[13]邵芳琦，郭煒辰，李藝群，等.基于正交試驗和FDS的狹小面積高空間火災煙氣擴散規(guī)律研究[J].安全，2024，45（11）：45-51.

[14]陸凱華，向燕晴，徐華升，等.環(huán)境風條件下非對稱街道峽谷

的火災煙氣擴散與回卷機制[J].安全與環(huán)境工程，2024，31（5）：

80-86+94.

[15]BaiW，HuoY，ZouGW，etal.Simulationoffire evacua-tioninahigh-riseofficebuilding[C]//2015IEEE Inter-nationalConferenceonIndustrialEngineeringandEngi-neeringManagement（IEEM）.IEEE，2015：1704-1708.

[16]趙乾宏.基于FDS的高層建筑火災數值模擬研究[J].住宅與房地產，2023（8）：54-56.