高層建筑外墻火災數(shù)值仿真研究

智會強 牛 坤

公安部天津消防研究所

高層建筑外墻發(fā)生火災后，火災豎向蔓延速度快，救援困難，且外墻玻璃破碎后，火災很容易進入室內(nèi)，給人員疏散造成困難，很容易造成人員傷亡。

隨著信息技術及計算科學的發(fā)展，數(shù)值模擬技術在消防工程中得到了廣泛應用，對消防工程的發(fā)展起到了良好的推動作用?；馂倪^程的數(shù)值模擬是在描述火災過程的各種數(shù)學模型的基礎之上進行的，它試圖從工程科學的角度出發(fā)，分析和研究火的發(fā)生、發(fā)展，煙氣的蔓延以及火災對周圍環(huán)境的影響[1,2]。數(shù)值模擬技術使科研人員不必投入大量的人力、物力、財力去進行全尺寸火災實驗,只需掌握火災相關參數(shù)并建立有效的火災模型即可進行模擬研究,是一種代價低、周期短且可多次復現(xiàn)的研究方法[3]。目前，數(shù)值模擬已在消防科研、性能化設計、火災調(diào)查、消防決策指揮系統(tǒng)等領域得到了廣泛應用。本文采用數(shù)值模擬的方法，對某高層建筑外墻火災進行了分析，研究了火災蔓延規(guī)律。

1 火災蔓延數(shù)值分析的實現(xiàn)

固體材料的燃燒過程，一般是先熱解為氣態(tài)物質(zhì)，然后再燃燒，因此火災蔓延模擬中一般需要熱解模型的支持，本文數(shù)值分析采用美國NIST開發(fā)的FDS軟件，因此，以FDS的固體熱解模型為例，說明火災蔓延數(shù)值分析的實現(xiàn)[4,5]。

FDS中的固體物質(zhì)可以由多層材料組成，每一層材料都可包含多種物質(zhì)成分。每種固體物質(zhì)可以進行多個反應，這幾個反應可能發(fā)生在不同的溫度下，消耗不同量的熱量。熱解反應需要確定每個反應的產(chǎn)物，F(xiàn)DS中熱解產(chǎn)物可以是固體殘留物、水蒸汽、燃料氣體等。反應物可通過參數(shù)：NU_RESIDUE（固體殘留物），NU_WATER（水蒸氣），和NU_FUEL（燃料）來設定。

熱解模型必須指定反應溫度和反應。在溫度Ts下，第i類材料的第j個熱解反應的反應速度由式（1）給定：

Ai,j是一指數(shù)因子，單位是s-1；Ei,j是活化能，單位是kJ/kmol。對于大多數(shù)材料，很難確定Ai,j和Ei,j。此時，可以通過指定參數(shù)reference rate(s-1)和reference temperature(℃)來進行計算。FDS會利用這兩個參數(shù)來完成計算。reference rate的默認值是0.1s-1。數(shù)值分析時，一般取reference rate為默認值，只指定reference temperature。

2 火災蔓延數(shù)值分析及蔓延規(guī)律研究

2.1 模擬場景設置

經(jīng)分析，共設置3個火源位置，火源位置A位于建筑東側(cè)中部位置，火源位置B位于建筑南側(cè)中部位置，火源位置C位于建筑東南側(cè)，如圖1。根據(jù)需要共設位置4個計算場景，場景設置，見表1。

圖1 火源位置示意圖

表1 火災場景分析匯總表

2.2 模擬參數(shù)設置

2.2.1 建模

建模過程中對實際模型進行了局部簡化，將外墻材料統(tǒng)一簡化為擠塑聚苯板，另外由于實際建筑體量巨大(長45m，寬30m，高90m)，進行火焰蔓延需要網(wǎng)格尺寸極小，進行整體模擬，計算系統(tǒng)難以承受，因此在考慮計算經(jīng)濟性的情況下，對實際建筑進行了1/3比例的縮尺建模，網(wǎng)格尺寸最小0.04m，最大0.08m。

2.2.2 輸入?yún)?shù)設置

環(huán)境初始溫度24℃，初始風速0m/s；湍流模型采用大渦模擬模型，燃燒模型采用混合分數(shù)模型，熱解模型采用固體材料熱分解模型；初始火源為1MW恒定火源，引燃外墻材料后，自行熄滅，外墻材料統(tǒng)一為模塑聚苯板，熱解溫度320℃，內(nèi)墻為混凝土。

2.2.3 測點布置

在模型各墻面上分上、中、下位置各布置3個熱電偶測點，位置分別距離地面5m、15m和25m，其中THCPB位于墻角，其余熱電偶位于各面墻的中部位置。各熱電偶具體位置和編號，如圖2。

圖2 測點布置圖

2.2.4 模擬結(jié)果

圖3為火災場景B的火焰蔓延過程圖，由于未考慮室外風的影響，火災在建筑外立面基本成對稱形式向上部和兩側(cè)蔓延，向上蔓延速度遠高于向兩側(cè)蔓延速度，從著火側(cè)立面向相鄰立面的蔓延首先發(fā)生在建筑上部，除著火側(cè)外，其他立面呈現(xiàn)火焰自上而下蔓延的現(xiàn)象，該場景火焰蔓延順序為南側(cè)、東側(cè)、西側(cè)、北側(cè)。圖4為測點THCPC和測點THCPD的溫度曲線，可以看到最高溫度可以達到1000℃以上。其他場景模擬結(jié)果，見表2。

圖3 火災蔓延過程

圖4 各測點溫度曲線

表2 模擬結(jié)果分析

3 結(jié)論和建議

通過模擬分析，可得如下結(jié)論：

（1）利用FDS軟件的熱解模型和燃燒模型可以較好地實現(xiàn)火災的蔓延仿真，但對超大體量建筑采用并行算法進行分析時，在網(wǎng)格尺寸較小的情況下，數(shù)值計算的穩(wěn)定性較差，極易出現(xiàn)數(shù)值發(fā)散的情況；

（2）在單點點火的情況下，火災首先從著火點沿著火面外墻向上及向兩側(cè)蔓延，火焰垂直蔓延速度遠遠高于水平蔓延速度，火災從單側(cè)向相鄰側(cè)蔓延一般首先會出現(xiàn)在建筑頂部區(qū)域，然后相鄰側(cè)火災會呈現(xiàn)自上而下的蔓延過程，最終會發(fā)展為整個建筑外表面全部參與燃燒的情形；

（3）有風情況下，火災的蔓延速度會明顯加快，尤其是火焰在下風向的水平蔓延速度會明顯加快，但風力會阻止火焰向上風向蔓延。

通過研究分析，對高層建筑的外立面防火提出如下建議：

（1）建議相關規(guī)范盡快完善對鋁塑板幕墻的防火要求。如可以對不同高度的高層建筑，規(guī)定可采用的鋁塑板材料的防火性能；

（2）建議相關規(guī)范盡快完善對外墻外保溫材料的防火要求。如規(guī)定防火隔離帶的做法，防火隔離帶不應只考慮水平隔離，還應考慮垂直隔離帶。從數(shù)值分析看，對于兩個立面交界處采用一定的防火措施，有利于阻止火災向相鄰側(cè)的蔓延；

（3）對于高層建筑，為防止外部火災向建筑內(nèi)部蔓延，應加強其外窗的防火要求,如規(guī)定超高層建筑外窗宜采用防火窗等。

[1] 范維澄，孫金華，陸守香，等. 火災風險評估方法學[M].北京：科學出版社，2004

[2] 霍然，袁宏永. 性能化建筑防火分析與設計[M]. 合肥：安徽科學技術出版社，2003

[3] 丁謝鑌. 通風受限單室火災回燃過程的大渦模擬[J].消防科學與技術，2009，28(6)：227-231

[4] 周慶，徐志勝. 多層建筑火災煙氣運動的數(shù)值模擬[J].消防科學與技術，2004，23(1)：20-24

[5] Kevin McGrattan,Simo Hostikka,Jason Floyd.Fire Dynamics Simulator (Version 5)Technical Reference Guide Volume 1: Mathematical Model[R]. 2009

[6] Randall McDermott，Kevin McGrattan，Simo Hostikka.Fire Dynamics Simulator Technical Reference Guide Volume 2: Verification[R]. 2009