高層建筑外立面U型結(jié)構(gòu)火蔓延的實驗研究

李建濤，閆維綱，朱紅亞，王青松，孫金華＊

（1天津市消防總隊重點保衛(wèi)處，天津，300090；2中國科學技術(shù)大學火災科學國家重點實驗室，安徽 合肥，230026）

0 引言

隨著中國城市化進程的深入推進，城市高層建筑的數(shù)量越來越多，高度越來越高，近年來房價的不斷攀升和居民對住房需求量的居高不下，刺激各房地產(chǎn)企業(yè)加快了開發(fā)建設(shè)商用高層住宅的速度。而在科學發(fā)展觀理念不斷深化和全球能源問題的日趨嚴峻，全社會大力倡導建設(shè)環(huán)境友好型社會的背景下，提倡低碳節(jié)能環(huán)保，使用外保溫材料進行建筑節(jié)能也得到了普遍推廣。同時，U型結(jié)構(gòu)外立面已廣泛為實際生活中的建筑，特別是高層住宅建筑所采用。一方面極大豐富了建筑構(gòu)造形態(tài)的造型和美感，增加了造型變化的元素，從美學角度具有不可替代的作用；另一方面，也是立體利用空間、增大空間使用率及采光、戶型設(shè)計的需要。但隨之而來的，則是其火蔓延特性的改變。當發(fā)生外立面火災時，高層建筑U型結(jié)構(gòu)的火蔓延特性將不同于一般的平面結(jié)構(gòu)，這很有可能導致火蔓延速度發(fā)生變化。因此，研究高層建筑外立面U型結(jié)構(gòu)對火蔓延特性規(guī)律的影響作用，具有重要的研究價值和意義。

目前國內(nèi)外對保溫材料的火災特性研究較多［1－5］，如 Stec等人研究了建筑保溫材料燃燒毒性［6］，然而建筑外立面結(jié)構(gòu)對火災特性的影響則較為少見。本文針對高層建筑中常見的U型外立面結(jié)構(gòu)，對典型有機保溫材料PU（硬質(zhì)聚氨酯泡沫）進行了小尺度條件下的U型結(jié)構(gòu)豎直火蔓延實驗研究，分析給出了高層建筑外立面U型結(jié)構(gòu)火蔓延區(qū)別于普通平面結(jié)構(gòu)火蔓延的特點。

1 實驗

1.1 實驗材料

硬質(zhì)聚氨酯泡沫（PU）［7－8］在工程實際中應用廣泛。在建筑圍護保溫、夾心板鋼結(jié)構(gòu)建筑、空調(diào)風管和門窗及供熱系統(tǒng)等領(lǐng)域均有廣泛應用［9］。因此實驗以PU為可燃物，不添加任何阻燃劑。聚氨酯泡沫的密度直接影響了聚氨酯的燃燒特性，其密度根據(jù)需要有多種規(guī)格，本文實驗中使用的聚氨酯泡沫的密度為60kg／m3。

1.2 實驗模型與裝置

典型的高層建筑外立面U型結(jié)構(gòu)見圖1所示，該U型結(jié)構(gòu)左右對稱，正面開口，背面和兩個側(cè)面覆蓋保溫材料。為了更好地研究U型結(jié)構(gòu)，將建筑的U型結(jié)構(gòu)簡化為如圖2所示的模型，該模型在高度方向上有無限長度，底部寬度為A，側(cè)面寬度為B，背面和側(cè)面覆蓋有熱厚型保溫材料。定義U型結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)因子α＝，該結(jié)構(gòu)因子反映了U型結(jié)構(gòu)形成的凹槽的進深程度。

圖1 典型高層建筑外立面U型結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical U shaped structure in high building

圖2 U型結(jié)構(gòu)簡化模型圖Fig.2 Simplified model of U shaped structure

基于上面提出的物理模型，本文實驗著重研究火焰在豎直布置的U型結(jié)構(gòu)的保溫材料表面的蔓延特性。實驗中由于U型結(jié)構(gòu)存在兩個側(cè)墻，加上正面的火焰以及煙氣對材料表面熱解區(qū)域的遮擋，使得無法確定材料的熱解區(qū)和熱解前鋒位置，因此本文采用火焰前鋒位置作為確定火蔓延速度的參數(shù)。聚氨酯泡沫為熱厚材料，在火蔓延過程中，其熱穿透厚度較小，只有當猛烈燃燒之后，背火面才有明顯溫升。而本實驗所研究的是火焰前鋒位置的蔓延特性，因此在實驗研究范圍內(nèi)聚氨酯泡沫厚度始終大于熱穿透厚度。

實驗裝置如圖3所示，實驗中U型結(jié)構(gòu)保溫材料PU的長度均為1m，厚度均為2cm，背板保溫材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)A＝10cm，其結(jié)構(gòu)參數(shù)B根據(jù)工況變化。在保溫材料的背面放置對應大小石膏板，可以防止火焰在背面蔓延。DV攝像機布置在裝置側(cè)前方，對實驗過程中影像進行記錄，材料表面每隔5cm使用記號筆劃水平線，方便后期處理。

實驗采用電子天平采集材料燃燒時的質(zhì)量變化數(shù)據(jù)，型號為METTLER TOLEDO，精度為0.01g，最大量程10kg。天平放置在實驗裝置下方，與實驗裝置主體之間隔有石膏襯板。

熱電偶測溫點沿實驗裝置背板豎直中線布置，從距離背板下邊沿10cm處開始，每隔10cm布置一個，到80cm位置止，測溫點測量貼近材料表面處的氣相溫度。本實驗中使用0.5mm直徑的K型鎧裝熱電偶進行測溫，由于直徑比較細，其響應速度比常用的1mm或更大直徑的熱電偶快。溫度數(shù)據(jù)采集模塊采用C－7018，7018產(chǎn)品具有內(nèi)置的微處理器和堅固的工業(yè)級塑料外殼，被廣泛的應用于各種工業(yè)環(huán)境。安全性高，通用性好，內(nèi)置485自適應芯片，可以很方便的組網(wǎng)連接。性能優(yōu)良，內(nèi)部有3000VDC隔離系統(tǒng)。

1.3 實驗設(shè)計

本實驗研究高層建筑U型結(jié)構(gòu)對火蔓延特性的影響，通過改變U型結(jié)構(gòu)簡化模型的結(jié)構(gòu)因子α的值，模擬不同工況下火蔓延行為，得到火焰的唯象特性、火蔓延速度、質(zhì)量損失速率以及溫度特性等參數(shù)。本實驗中結(jié)構(gòu)參數(shù)A的取值均為10cm，B的取值分別為4cm、6cm、8cm、10cm、12cm、14cm、16cm，因而對應的結(jié)構(gòu)因子α＝0.4，0.6，0.8，1.0，1.2，1.4，1.6。

2 結(jié)果與討論

2.1 唯象特性

保溫材料豎直方向火蔓延屬于順流火蔓延。圖4顯示的是結(jié)構(gòu)因子為1.2時的等時間間距實驗圖像序列。在該組實驗中，從點火的時刻開始，火焰在U型結(jié)構(gòu)中向上蔓延。開始階段，由于火勢較小，對預熱區(qū)的傳熱速度比較慢，導致火焰向上蔓延的速度較小。5s之后，火蔓延速度迅速增大。一方面由于火焰對預熱區(qū)的直接作用，另一方面也由于火焰產(chǎn)生的熱煙氣對預熱區(qū)的傳熱作用，使得預熱區(qū)溫度迅速升高，同時，由于比較強烈的氣流流動導致火焰被拉長，使得預熱區(qū)面積迅速增大，這些因素藕合在一起，導致熱解區(qū)迅速增大，進而導致熱解氣釋放速率增大，火勢迅速增大，釋放熱量增多，增大的熱量釋放對于預熱區(qū)有正反饋作用，最終導致火焰的蔓延速度急劇加快。

圖4 結(jié)構(gòu)因子為1.2時的實驗圖像序列Fig.4 Fire spread atα＝1.2

2.2 火蔓延速度

火蔓延速度是表征固體可燃物表面火蔓延行為的最重要參數(shù)?；鹇铀俣鹊亩x如式（1）所示。

對于固體可燃物表面火蔓延來說，火蔓延速度一般可定義為燃燒熱解前鋒相對于試樣表面的移動速度，而對于本文中的固體材料的豎直順流火蔓延，由于火焰貼壁的影響，熱解前鋒比較難以辨別，因此將其定義為火焰前鋒相對于試樣表面的移動速度。

通過對實驗錄像進行計算機圖像處理，得到火焰前鋒在特定時刻相對于點火位置的距離。圖5為結(jié)構(gòu)因子分別為0.4、1.0和1.6三種情況下，火焰前鋒位置隨燃燒時間的變化規(guī)律。其中，L表示距實驗材料底端點火位置的距離，t＝0的時刻是點火時刻。從圖5中可以看出，隨著時間的增加，火焰前端在相同時間段內(nèi)的距離增量越來越大，這說明同一工況下，火焰的蔓延速度處于一個不斷加速的過程中。對于不同的工況而言，蔓延到相同距離所需要的時間各不相同，結(jié)構(gòu)因子為1.6的工況用時總是最短的，而結(jié)構(gòu)因子為0.4的工況則總是最長的。這說明，結(jié)構(gòu)因子越大，火蔓延的速度也越快。這是因為結(jié)構(gòu)因子越大，U型結(jié)構(gòu)的進深越深，這導致產(chǎn)生的煙囪效應越明顯，煙囪效應對火蔓延的加速作用越大，導致火蔓延速度越大。

圖5 三種工況下火焰前鋒位置隨時間變化曲線圖Fig.5 Flame front varying with time in three cases

圖6顯示了不同工況下火焰前鋒蔓延至可燃物頂端所需要的時間，從圖中可以看出，隨著結(jié)構(gòu)因子的增大，火焰前鋒蔓延的整體速度越來越快，這是因為煙囪效應對火焰蔓延的加速作用?；鹧媛拥募铀匐S結(jié)構(gòu)因子的增大存在一個減速的趨勢，也即，火蔓延的速度隨結(jié)構(gòu)因子的增大呈現(xiàn)加速增加的趨勢，而火蔓延加速度則隨結(jié)構(gòu)因子的增大呈降低的趨勢，并趨于一穩(wěn)定值。

圖6 各工況下火焰前鋒蔓延至100cm處所用時間Fig.6 Time used when the flame spreads to 100cm

2.3 質(zhì)量損失速率

可燃物在燃燒時的質(zhì)量損失速率作為火災研究中的一個重要參數(shù)，可以反映出火勢的大小。而且從某種程度上，質(zhì)量損失速率可以反映出火蔓延速度的大小。

圖7是不同工況下有效火蔓延過程中的可燃物質(zhì)量隨時間變化的曲線，從圖中可以看出，對于某個工況而言，質(zhì)量損失呈加速趨勢，這是由于隨著燃燒的進行，火蔓延速度逐漸加快，熱解區(qū)域面積不斷擴大，這導致熱解氣的析出速率不斷增大，因此質(zhì)量損失呈加速趨勢。對于不同工況整體而言，隨著結(jié)構(gòu)因子的增大，質(zhì)量損失及在整體上呈增大趨勢，這是由于隨著結(jié)構(gòu)因子的增大，一方面由于煙囪效應對火蔓延的影響，火蔓延的加速度增大，導致熱解造成的質(zhì)量損失速率增大，另一方面由于結(jié)構(gòu)因子的增大，造成整體的可燃物表面積增大，這都有利于質(zhì)量損失的增大。

圖8顯示了不同工況的質(zhì)量損失速率曲線。從圖中可以看出，整體而言，質(zhì)量損失速率呈增大趨勢，這與火蔓延速率的加速有直接關(guān)系，火蔓延速率的加速導致在單位時間內(nèi)增加的熱解區(qū)面積隨時間增大，進而單位時間內(nèi)熱解氣析出加速，導致質(zhì)量損失速率增大。另外，對于不同工況，隨著結(jié)構(gòu)因子的增大，質(zhì)量損失速率也逐漸增大，這是由于火蔓延速率隨結(jié)構(gòu)因子的增大而增大以及可燃物表面積隨結(jié)構(gòu)因子增大而增大這兩種因素的耦合作用造成的。

對圖8進行更加深入的分析，發(fā)現(xiàn)本實驗中的U型結(jié)構(gòu)豎直火蔓延過程可以大致分為兩個階段，第一個階段中，質(zhì)量損失速率較小，并且質(zhì)量損失速率基本不變，同時，對于不同工況而言，這個階段經(jīng)歷的時長基本相同；在第二個階段中，質(zhì)量損失速率明顯不同于第一階段，開始變的更大，而且隨著時間的增大，質(zhì)量損失速率開始增加，此階段中，隨著結(jié)構(gòu)因子的增大，質(zhì)量損失速率也在增大。

圖7 質(zhì)量隨時間變化曲線Fig.7 The mass loss with time

圖8 不同工況下的質(zhì)量損失速率Fig.8 The mass loss rate in various cases

第一階段對應于剛剛點火的初始階段，此時火焰功率較小，而且火焰高度較小，同時，由于剛剛點火不久，熱煙氣的速度比較小，由于熱煙氣的運動引起的煙囪效應比較小，綜合起來對未燃區(qū)的加熱效率比較低，致使這一階段中火蔓延速率比較小，從圖5中也可以看出，這個階段的火蔓延近似于穩(wěn)態(tài)火蔓延，火蔓延速度近似于定值，因此這個階段的質(zhì)量損失速率較小，而且基本是定值。此外，由于第一階段近似于穩(wěn)態(tài)，則達到能夠產(chǎn)生強度足夠大的煙囪效應的時間也應該是相近的，這也就解釋了為什么第一個階段經(jīng)歷的時間是相近的。

對于第二個階段而言，這個階段對應于在煙囪效應作用下的豎直火蔓延，煙囪效應對于火蔓延的影響很大，對于本實驗而言，煙囪效應越強，火蔓延的加速就越快，因此，在第二階段中，隨著結(jié)構(gòu)因子的增大，質(zhì)量損失速率也在增大。

2.4 溫度特性

溫度是衡量燃燒特性的一種重要參數(shù)，一定程度上，溫度的大小能作為衡量燃燒劇烈情況的一種指標。在同樣實驗條件下，不同可燃物的燃燒溫度也不盡相同。在本次實驗中，測量的是U型結(jié)構(gòu)聚氨酯材料表面的火焰溫度。

每份樣品長均為100cm，從下方向上第15cm處開始放置熱電偶，每隔10cm放置一個，至85cm處結(jié)束，一共八個熱電偶。熱電偶固定在樣件后方支架，其前端穿過樣件上預先打好的孔，超出表面2cm～3cm，測量貼近材料表面處的氣相溫度。由于發(fā)生轟燃后，由于材料的燃燒變形導致熱透性改變，不再是熱厚性平板。因而我們分析只著重處理點燃至火焰前鋒到達頂端這一階段。

圖9和圖10分別是α為1.2與0.8時，同種工況內(nèi)不同點溫度變化情況。由圖中曲線可以發(fā)現(xiàn)，整體而言，位置越高的點，在實驗中最高溫度越高。除此之外，在不同工況下，各點溫度上升速率以及最高溫度值差別很小。比如，在55cm高度，兩種工況下的氣象最高溫度均在600℃到650℃之間。這是因為，可燃物的最高燃燒溫度，在外界條件幾乎一定的情況下，僅與可燃物本身性質(zhì)有關(guān)，在此實驗中，不同α值對燃燒速率以及火蔓延速率影響較大，但是對氧氣濃度，外界氣壓等影響燃燒的因素并無影響，因而并不會改變其本身的最高燃燒溫度。

圖11和圖12是不同工況下，高度分別為35cm和65cm時溫度變化情況。從上圖可以看出，在不同α值下，同一高度點溫度上升速率基本一致。考察每種α值下此點的最高溫度，同一高度點的最高溫度（圖中每條曲線的最高點）差別很?。?5cm高度為580℃左右，65cm高度為650℃左右），證明了前文中對最高燃燒溫度的分析。

圖9 α為1.2時同種工況內(nèi)不同點溫度變化情況Fig.9 The temperature history atα＝1.2

圖10 α為0.8時同種工況內(nèi)不同點溫度變化情況Fig.10 The temperature history atα＝0.8

另外，從火蔓延角度分析，不同α值下火焰蔓延至35cm處的時間差別，要遠大于火焰蔓延至64cm處所用時間。由圖11中可知不同α值下蔓延至35cm處時間差為12s左右，而圖12中可知至65cm處則僅為8s左右。這說明，火焰蔓延速率的增長率，也在隨著高度的增加在不斷增大，側(cè)面說明火焰的劇烈程度，也與火焰的燃燒時間以及火蔓延高度成正比。

3 結(jié)論

本文以常用的硬質(zhì)聚氨酯泡沫（PU）為外保溫材料，針對高層建筑中常見的U型外立面結(jié)構(gòu)，根據(jù)實際情況將建筑的U型結(jié)構(gòu)簡化為小尺度模型，定義了結(jié)構(gòu)因子和結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過改變U型結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)因子，實驗模擬了U型結(jié)構(gòu)對豎直火蔓延行為的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論：

圖11 不同工況下高度為35cm時的溫度變化情況Fig.11 The temperature history at height of 35cm

圖12 不同工況下高度為65cm時溫度的變化情況Fig.12 The temperature history at height of 65cm

（1）U型結(jié)構(gòu)豎直方向火蔓延是一個非穩(wěn)態(tài)的火蔓延過程，火蔓延速度會隨著時間的推進逐漸加速；

（2）U型結(jié)構(gòu)在著火的時候會產(chǎn)生煙囪效應，煙囪效應對火蔓延有促進作用。隨著結(jié)構(gòu)因子的增大，煙囪效應的促進作用逐漸增強，導致火蔓延速度逐漸增大，火蔓延加速度趨于穩(wěn)定；

（3）火蔓延的質(zhì)量損失隨時間的推進逐漸增大，并且質(zhì)量損失速率整體也呈增大趨勢；對于不同的結(jié)構(gòu)因子而言，結(jié)構(gòu)因子越大，質(zhì)量損失和質(zhì)量損失速率也越大；

（4）U型結(jié)構(gòu)豎直方向火蔓延在本實驗中呈現(xiàn)兩個階段：第一個階段屬于近似穩(wěn)態(tài)蔓延，蔓延速度較小，質(zhì)量損失較小，質(zhì)量損失速率近似定值；第二個階段屬于煙囪效應作用下的火蔓延，火蔓延速度和加速度明顯增大，質(zhì)量損失及其損失速率隨時間推進而增大，同時也隨結(jié)構(gòu)因子增大而增大。

（5）在各個結(jié)構(gòu)因子α值下，樣件表面氣相最高燃燒溫度與樣件測溫點高度成正比，測量點越高，最大溫度越大。而對與不同α值下樣件的同一高度測溫點，其最大溫度差別不大。同時由不同高度測溫點所測得的溫度峰值時間點也證明了火蔓延速率也隨著蔓延高度的增加而在不斷加大。

［1］孫垂海，張盼，康鏹.我國外墻外保溫防火技術(shù)現(xiàn)狀分析［J］.遼寧建材，2011（3）：24－26.

［2］卓萍，王國輝，杜霞，張曉穎，胡勝利.我國建筑外保溫系統(tǒng)發(fā)展動態(tài)及趨勢［J］.消防科學與技術(shù)，2011，30：8－11.

［3］李京，戰(zhàn)峰.建筑外墻保溫材料的火災危險性與防火措施［J］.安全技術(shù)，2009，9：16－18.

［4］張香萍.外墻外保溫材料的火災危險性研究及防火對策［J］.山西建筑，2010，36：242－244.

［5］章濤林，周曉冬，雷果，汪文君，龔俊輝，楊立中.高層建筑典型外墻保溫材料火蔓延特性數(shù)值模擬研究［J］.防災減災工程學報，2012，32：230－5.

［6］Anna AS，Richard HT.Assessment of the fire toxicity of building insulation materials［J］.Energy and Buildings，2011，43（2－3）：498－506.

［7］趙治安，魯廣斌，魯健.聚氨酯泡沫塑料火災危險性分析及其防火措施［J］.合肥工業(yè)大學學報（社會科學版），2002，16：143－147.

［8］祁曉霞，王寧，李方敏.聚氨酯泡沫塑料的火災危險特性及安全對策［J］.消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2000（10）：16－17.

［9］盛恩善，俞有湛.聚氨酯硬泡技術(shù)在建筑節(jié)能領(lǐng)域中的應用［J］.住宅科技，2008（1）：15－17.