芻議高層建筑火災(zāi)煙氣特性和其防控

葉一帆

【摘要】現(xiàn)階段，我國社會(huì)主義經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，隨著國家城市化的不斷向前，城市有效的土地與持續(xù)增加的人口之間的問題越來越明顯，因此，我們選擇在城市中建設(shè)高樓大廈成為了一種有效的決絕途徑。但是這種方式將帶來人口密集、高樓大廈結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝修易燃物增多以及數(shù)量較多的電器裝置，如果在高樓里出現(xiàn)火災(zāi)，火勢(shì)必將迅速蔓延開來，根據(jù)相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)表明，有七成受害者由于煙氣窒息致死。本文主要研究城市高樓大廈中發(fā)生火災(zāi)后對(duì)煙氣的及時(shí)控制以及煙氣流動(dòng)性等的相關(guān)技術(shù)和影響。

【關(guān)鍵詞】建筑；煙氣；火災(zāi)

1.高層建筑火災(zāi)煙氣流動(dòng)的特性

1.1 高層建筑火災(zāi)產(chǎn)生的原因

對(duì)于在高樓大廈中出現(xiàn)火災(zāi)的原因，有多種因素。由于高樓大廈特殊的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致人員流動(dòng)有一定的難度，因此火勢(shì)的蔓延程度較迅猛，對(duì)火災(zāi)發(fā)生之后的救助工作也帶來了極大的困難。其中高樓引發(fā)火災(zāi)的因素主要有以下幾點(diǎn)：1.高樓大廈中的可燃物相對(duì)較多，以裝修材料居多；2.高樓大廈普遍具備數(shù)量較多的用電裝置，形成自動(dòng)化模式，隨著電路的老化，引起火災(zāi)的線路增多；3.在高樓大廈建筑初期，一些不法工程隊(duì)伍為了降低成本，導(dǎo)致防火規(guī)劃性不足；4.高樓的使用者的防火意識(shí)仍需要增強(qiáng)；6.樓層中消防設(shè)備不足。

1.2 火災(zāi)煙氣的危害

在火災(zāi)發(fā)生之后，煙氣的產(chǎn)生對(duì)人流的疏散、火勢(shì)的發(fā)展、財(cái)物的損害具有明顯的作用。在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，煙氣的主要危害性可以歸納為以下幾個(gè)方面：

（1）對(duì)人體損傷。

經(jīng)過研究表明，煙氣里含有高濃度的有毒成分，是一種有毒氣體，人體吸入部分煙氣后，達(dá)到一定的量將直接導(dǎo)致死亡。在相關(guān)數(shù)據(jù)分析中顯示，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，人體損傷甚至死亡的首要因素就是煙氣的吸入。

（2）灼傷溫度。

在引發(fā)火災(zāi)過程中，煙氣能夠有效的幫助火勢(shì)的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)人體構(gòu)成高溫燙傷，在生物上，超過45攝氏度，人體將感到疼痛，而火勢(shì)中的高溫?zé)煔饽軌蚴沟萌梭w灼傷問題達(dá)到150攝氏度，對(duì)人體造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷；

（3）降低氧氣濃度。

在生物上，如果人體呼吸的空氣中氧氣含量不足百分之六，則將引起腦部缺氧，甚至導(dǎo)致死亡。

（4）降低能見度。

由于煙氣將帶來一定含量的固體顆粒，從而阻擋人員逃離的能見度；

（5）精神上帶來恐懼。

人們?cè)跓煔鈴浡沫h(huán)境中，容易造成慌亂，不能有效的進(jìn)行逃生行為。

1.3 煙氣流動(dòng)的特性

對(duì)煙氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究，能夠有效的指導(dǎo)建筑物中消防設(shè)備的布置和規(guī)劃。

1.3.1 火羽流

在火災(zāi)發(fā)生后，火羽流是指火災(zāi)上燃燒形成的煙氣流以及火勢(shì)上端的火焰。絕大部分的火焰將進(jìn)行自由擴(kuò)散。在擴(kuò)散區(qū)域中主要分為間接性和連續(xù)性的火焰范圍。其中，羽流區(qū)通過空氣浮力完成流動(dòng)方向的把控，主要是位于火焰區(qū)域的上部，也叫浮力羽流。在火勢(shì)發(fā)展過程中，上述區(qū)域帶來了絕大多數(shù)的熱量，并將空氣流的下層熱量一同吸收傳遞到上層，使得煙氣不斷獲得能量。

1.3.2 頂棚和窗口射流

根據(jù)高樓中空間形態(tài)的變化，在火災(zāi)發(fā)生過程中，煙氣將逐漸形成垂直方向和水平方向的流向。在圖1中可以看到，假如煙氣受到頂棚的阻礙，火羽流將由垂直方向變成水平方向。其中，頂棚射流的高度能夠達(dá)到頂棚的百分之五至百分之十二。在引發(fā)火災(zāi)的區(qū)間內(nèi)，進(jìn)行相應(yīng)對(duì)流換熱的估算，需要根據(jù)頂棚射流的最大速度和最高溫度作為基本數(shù)據(jù)，最終得到水噴頭響應(yīng)和火災(zāi)探測(cè)儀的數(shù)據(jù)。從室內(nèi)往外部空間流出的煙氣稱為窗口射流?；馂?zāi)過程煙氣的發(fā)展如示。

1.3.3 煙氣蔓延的驅(qū)動(dòng)力

在高層建筑中，引發(fā)火災(zāi)后，煙氣將迅速在室內(nèi)得到發(fā)展，跟著火區(qū)域相通的電梯井、過道、樓道等區(qū)域隨時(shí)會(huì)被煙氣彌漫，進(jìn)一步阻礙人員的疏散和救援工作。在高樓中，推動(dòng)煙氣的持續(xù)流動(dòng)性作用的主要是外界風(fēng)向、空氣浮力、氣體膨脹、煙囪反應(yīng)等，另外還包括空調(diào)、暖通系統(tǒng)的活塞作用。

2.煙氣控制模擬技術(shù)

2.1 Fluent計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)

FLUENT是用于計(jì)算流體流動(dòng)和傳熱問題的程序。它提供的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成程序，對(duì)相對(duì)復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成非常有效，可以生成的網(wǎng)格包括二維的三角形和四邊形網(wǎng)格；三維的四面體、六面體及混合網(wǎng)格。FLUENT還叫根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整網(wǎng)格，這種網(wǎng)格的自適應(yīng)能力對(duì)于精確求解有較大梯度的流場(chǎng)有很實(shí)際的作用。由于網(wǎng)格自適應(yīng)和調(diào)整只是在需要加密的流動(dòng)區(qū)域里實(shí)施，而非整個(gè)流場(chǎng)，因此可以節(jié)約計(jì)算時(shí)間。

2.2 模型建立及模擬結(jié)果分析

模擬對(duì)象為公寓類高層建筑，平面圖如圖3所示。建筑模型大小為：房間門尺寸lm*2m（寬*高），前室門尺寸1.6m*2m（寬*高），走廊尺寸26m*2m（長(zhǎng)*寬），走廊兩端外窗尺寸為血，lm（寬*高），共10層，層高3m，起火層為第5層，起火房間位于501 客房，火源位于客房?jī)?nèi)床上?；馂?zāi)功率為1.5MW，模擬時(shí)間為1200s，模擬時(shí)設(shè)定起火房間房門開啟，樓梯電梯前室門開啟，非起火房間的房門關(guān)閉。

模擬結(jié)果表明，自然排煙情況下，發(fā)生火災(zāi)的樓層CO濃度和煙氣溫度隨著火災(zāi)的發(fā)展而不斷升高，在200s-300s升高最為劇烈。離火源最近的測(cè)點(diǎn)a的溫度變化尤為明顯，發(fā)生轟燃，直到900s時(shí)才穩(wěn)定下來。樓層內(nèi)CO濃度最高達(dá)到470PPM，煙氣溫度最高達(dá)到950℃。煙氣層高度隨著時(shí)間推移先降低后上升，并且離火源越遠(yuǎn)，煙氣層高度越小，尤其是離火源較遠(yuǎn)的e、g測(cè)點(diǎn)的煙氣層高度降到0.8m以下。隨著火災(zāi)功率的增人，CO濃度和溫度都明顯升高，煙氣層高度和能見度顯著降低，甚至影響到火災(zāi)層以上3層。因此，火災(zāi)功率越大，其危險(xiǎn)性越大。在實(shí)際的消防設(shè)計(jì)中必須考慮到高層建筑可能發(fā)生的大功率火災(zāi)，提前準(zhǔn)備必要的消防裝備器材和疏散逃生路線。

圖3 模型平面圖

3.煙氣控制系統(tǒng)的性能化設(shè)計(jì)

火災(zāi)發(fā)生，會(huì)產(chǎn)生大量有毒煙霧，為控制煙氣蔓延的速度，增加人員獲救的機(jī)會(huì)，需要對(duì)建筑進(jìn)行性能化防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)。性能化防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程一般是：

（1）根據(jù)建筑功能和部局進(jìn)行防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇，然后按照設(shè)定方案確定一系列的火災(zāi)場(chǎng)景作為設(shè)計(jì)的依據(jù)；

（2）采用合適的火災(zāi)模型對(duì)設(shè)計(jì)火災(zāi)場(chǎng)景的煙氣蔓延情況進(jìn)行模擬計(jì)算，最后根據(jù)這些分析的結(jié)果對(duì)選擇的防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)；

（3）根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)防排煙方案進(jìn)行調(diào)整，直至最終確定建筑采取的最優(yōu)方案。

影響性能化防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)的因素主要有：自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)和火災(zāi)發(fā)生位置。由于噴水滅火系統(tǒng)動(dòng)作，火災(zāi)熱釋放的速率會(huì)降低，產(chǎn)生的煙量也會(huì)隨著下降，同時(shí)，噴淋系統(tǒng)動(dòng)作會(huì)使煙氣溫度下降，造成煙氣的熱浮升力減少，煙氣層厚度降低，從而對(duì)防排煙系統(tǒng)的工作產(chǎn)生影響。高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙氣的蓄積和排放與火源點(diǎn)為位置有密切關(guān)系。例如在緊鄰建筑中庭和大空間的區(qū)域發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火災(zāi)煙氣在蔓延是根可能進(jìn)入中庭或大空間內(nèi)，在火災(zāi)區(qū)域滯留的煙氣反而會(huì)很少，此時(shí)科適量減個(gè)著火區(qū)域的設(shè)計(jì)排煙量。

4.結(jié)束語

總之，高層建筑火災(zāi)煙氣蔓延直接影響到建筑內(nèi)人員疏散和救援展開。研究表明，煙氣蔓延速度快慢除受火災(zāi)規(guī)模、起火位置、建筑布局、空間高度影響外，還與建筑內(nèi)的墻、地板、門等隔煙措施及機(jī)械風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的壓差等有關(guān)。