機(jī)械式立體停車庫中巷道防火分隔效果研究

李 力，李 治，劉長城，陸 松＊

（1.安徽省公安消防總隊(duì)，合肥，230000；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長和城市化進(jìn)程的加速，日益增多的汽車與停車場不足的矛盾日益凸顯。汽車數(shù)量的激增必然導(dǎo)致嚴(yán)重的停車難問題，發(fā)達(dá)城市的這一問題更加嚴(yán)重。高效率、高利用率、節(jié)約土地的停車庫、停車設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，機(jī)械式立體停車庫就是解決此難題的良好途徑之一。機(jī)械式立體停車庫在解決城市停車難問題的同時(shí)也帶來了新的消防安全問題。

《汽車庫、修車庫、停車場設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB50067－97）［1］中對機(jī)械式立體停車庫的防火分隔和排煙等問題進(jìn)行了說明和規(guī)定：機(jī)械式立體汽車庫的停車數(shù)量超過50輛時(shí)，應(yīng)設(shè)防火墻或防火隔墻進(jìn)行分隔。面積超過2000m2的地下汽車庫應(yīng)設(shè)置機(jī)械排煙系統(tǒng)。對類似于平面移動(dòng)式立體停車庫，根據(jù)其工作原理中間設(shè)置有一個(gè)供存取車的巷道，巷道兩側(cè)的車輛不可能進(jìn)行防火分隔。在實(shí)際應(yīng)用中，只能靠巷道的空間距離或是增設(shè)側(cè)壁噴淋起到防火分隔作用，然而這并沒有規(guī)范和理論依據(jù)作為指導(dǎo)。

針對上述問題，本文在大量文獻(xiàn)調(diào)研和數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，對機(jī)械式立體停車庫內(nèi)的煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及車庫內(nèi)溫度和熱流密度分布規(guī)律進(jìn)行了分析，重點(diǎn)研究了巷道在機(jī)械式立體停車庫中的防火分隔作用，以及發(fā)生火災(zāi)時(shí)巷道頂部開設(shè)的排煙窗對煙氣的控制情況，為機(jī)械式立體停車庫的消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 消防設(shè)計(jì)概況

某項(xiàng)目包括一棟機(jī)械式立體停車庫及其配套設(shè)施（所需地下消防泵房、消防水池、設(shè)備管理間、公共衛(wèi)生間及車輛道閘系統(tǒng)），其中機(jī)械式立體車庫占地面積約為1708.6m2，高度不超過13.9m，采用平面移動(dòng)式立體停車庫設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)車位299個(gè)，共分為四層，每層一組橫移臺(tái)車和一部機(jī)械手取車器，設(shè)置6個(gè)出入口，6個(gè)升降井道。為了提高存取車效率，299車位為一個(gè)整體庫，每個(gè)出入口都可以取任何一個(gè)車位車輛。圖1是機(jī)械式立體停車場平面圖（a）和剖視圖（b）。本工程按II類汽車庫、中危險(xiǎn)II級(jí)進(jìn)行消防設(shè)計(jì)，按照國家標(biāo)準(zhǔn)配置室內(nèi)消火栓滅火系統(tǒng)、自動(dòng)噴淋滅火系統(tǒng)及滅火器等。

圖1 機(jī)械式立體停車場平面圖和剖面圖Fig.1 Plan and cross－section of the mechanical and stereo garage

2 火災(zāi)發(fā)生概率與熱釋放速率

2.1 火災(zāi)發(fā)生概率

結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并依據(jù)2008年～2012年的《消防統(tǒng)計(jì)年鑒》對機(jī)械式立體停車庫內(nèi)火災(zāi)發(fā)生的原因進(jìn)行分析。在火災(zāi)事故統(tǒng)計(jì)中，我國常將火災(zāi)原因歸納為：放火、電氣、生產(chǎn)作業(yè)、用火不慎、玩火、自燃、雷擊、靜電等因素。圖2給出了我國2008年～2012年全國車輛火災(zāi)起火原因分布。

從圖2中可以看出，電氣引起的汽車火災(zāi)占比最大，其次是自燃、生產(chǎn)作業(yè)和放火，其中放火引起的車輛火災(zāi)不足3%，而電氣和自燃導(dǎo)致的火災(zāi)卻占到總數(shù)的一半以上。

圖2 2008年～2012年汽車起火原因分布Fig.2 Distribution of reasons of the car fires

結(jié)合我國2008年～2012年全國機(jī)動(dòng)車輛保有量情況，可以計(jì)算得出我國機(jī)動(dòng)車輛的火災(zāi)發(fā)生頻次，并依據(jù)汽車數(shù)量占機(jī)動(dòng)車輛總數(shù)的百分比，給出我國2008年～2012年汽車火災(zāi)的發(fā)生頻次，見表1。

表1 全國機(jī)動(dòng)車保有量及車輛火災(zāi)頻次Table 1 Quantity of vehicle in China and frequency of vehicle fires

以2008年～2012年汽車火災(zāi)平均發(fā)生頻次計(jì)算，1輛汽車發(fā)生火災(zāi)的頻次為0.0000263起／（輛·年）。假定本項(xiàng)目停車庫滿額存放299輛車，則按此汽車發(fā)生火災(zāi)頻次，該車庫發(fā)生火災(zāi)為0.00786起／年。

2.2 熱釋放速率

程［2，3］對一輛兩廂式個(gè)人小汽車進(jìn)行了系統(tǒng)的火災(zāi)試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明汽車火場最高溫度1190℃，最大熱釋放速率為4.08MW。張［4］對該試驗(yàn)進(jìn)行分析，認(rèn)為小汽車火災(zāi)熱釋放速率的數(shù)學(xué)模型可簡化為Q·＝0.0097t2（kW），保守地將火災(zāi)類型確定為t2快速火災(zāi)，同時(shí)確定自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)失效情況下汽車火災(zāi)最大熱釋放速率介于4.0MW～4.5MW。王等人［5］經(jīng)計(jì)算，認(rèn)為自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)有效的情況下汽車火災(zāi)最大熱釋放速率取為1.0MW較合適，本文保守取為1.5MW。NFPA 502在研究隧道火災(zāi)中建議小汽車的火源功率設(shè)為4.5MW，火災(zāi)為t2火，增長系數(shù)為0.01445kW／s2，給出的火災(zāi)HRR設(shè)計(jì)參數(shù)建議值基本與現(xiàn)有隧道火災(zāi)實(shí)體實(shí)驗(yàn)一致。

綜合以上文獻(xiàn)，可以得出在研究汽車火災(zāi)中采用4.0MW～5.0MW作為汽車火災(zāi)的最大熱釋放速率是符合實(shí)際的。本機(jī)械式立體停車庫中，同一存放單元最多可同時(shí)停放3輛汽車，相鄰汽車被引燃的時(shí)間在起火汽車起火后約10min［3］。一個(gè)存放單元的火災(zāi)熱釋放速率則為三輛汽車熱釋放速率的平移疊加?？紤]到引燃旁邊車輛的順序，故分如下兩種情況：順序依次間隔10min引燃一個(gè)存放單元的汽車，此時(shí)一個(gè)存放單元的火災(zāi)熱釋放速率曲線如圖3（a），最大熱釋放速率為8.2MW；若存放單元中間車輛著火，此時(shí)將在著火10min后同時(shí)引燃兩邊的兩輛車，則一個(gè)存放單元的火災(zāi)熱釋放速率曲線如圖3（b），最大熱釋放速率為10.2MW［6］。

圖3 三輛車同時(shí)起火時(shí)的熱釋放速率曲線圖Fig.3 HRR of 3cars burning together

3 模擬分析

3.1 場景設(shè)計(jì)

由于車庫內(nèi)平時(shí)無人員進(jìn)入，僅在存車系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，有1～2名維修人員進(jìn)入，因此僅考慮2人位于最頂層時(shí)的最不利情況，在模擬煙氣運(yùn)動(dòng)的時(shí)候?qū)θ藛T疏散進(jìn)行分析，同時(shí)在設(shè)置火災(zāi)場景時(shí)主要考慮發(fā)生火災(zāi)時(shí)溫度及熱輻射對巷道對側(cè)車輛的影響及整個(gè)車庫內(nèi)的煙氣輸運(yùn)［5］。根據(jù)車庫結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)置如下兩種工況分別對煙氣及輻射情況進(jìn)行研究。

工況一：對整個(gè)車庫建立模型，研究煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律及排煙窗的設(shè)置，模型如圖4所示。整個(gè)車庫四周墻壁采用金屬并開設(shè)自然排煙窗，車庫頂部非巷道部位不設(shè)排煙窗，車庫內(nèi)部除防火隔墻外所有結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)。

工況二：選取車庫總長度約五分之一的部位，研究不同火源功率下起火車輛臨近車輛受到的溫度影響以及輻射影響，檢驗(yàn)車庫防火分隔措施的有效性，模型如圖5所示。在起火車輛前后左右及上方設(shè)置一系列溫度及輻射熱流密度探測點(diǎn)。

圖4 工況一模型示意圖Fig.4 Model of condition 1

圖5 工況二模型示意圖Fig.5 Model of condition 2

針對第一個(gè)工況設(shè)置了3個(gè)火災(zāi)場景，編號(hào)為場景1～場景3，火源功率根據(jù)上一節(jié)的分析，設(shè)為4.5MW，增長方式為t2，增長速率α＝0.04689kW／s2。其中，場景1和場景2的火源分別位于一層和三層的中間位置，如圖6所示。場景3火源位于三層中間位置且在巷道頂部開設(shè)了側(cè)面自然排煙百葉，研究頂部排煙窗對于煙氣的控制情況，如圖7所示。

針對第二個(gè)工況設(shè)置了3個(gè)火災(zāi)場景，編號(hào)為場景4～場景6，火源功率根據(jù)上一節(jié)的分析，設(shè)為1.5MW～10.2MW不等。特別地，在場景6中，考慮到最不利情況，熱釋放速率直接達(dá)到最大?；鹪次恢脼槎又虚g位置，如圖6所示，其中深色方框內(nèi)為場景4～場景6模擬的區(qū)域示意。兩種工況下火災(zāi)場景參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

圖6 場景1～場景6火源位置示意圖Fig.6 Locations of fire sources of scene 1to scene 6

圖7 屋頂側(cè)開自然排煙窗示意圖Fig.7 Smoke exhaust shutter up on the roof

表2 場景1～場景6參數(shù)匯總表Table 2 Parameters of scene 1to scene 6

火災(zāi)從起火停車單元向巷道另一側(cè)停車單元汽車蔓延的方式主要有兩種，一是飛火，二是輻射。而在汽車火災(zāi)過程中產(chǎn)生的飛火影響距離很小，只有在油箱破裂時(shí)飛火的影響較大［5］，因此只需要在停放車輛時(shí)將車頭朝向巷道一側(cè)即可避免由于油箱破裂產(chǎn)生的飛火引燃相對停車單元的車輛，然而，車輛起火形成的熱輻射則有可能對巷道另一側(cè)的車輛構(gòu)成直接威脅。楊等［7］在文獻(xiàn)中考慮到當(dāng)前多數(shù)汽車在表面涂上了聚氨酯之類的熱塑性材料，因此，引燃的臨界熱流量可取值為16kW／m2。保守考慮，本文以15kW／m2作為車輛被輻射引燃的判據(jù)。

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 工況一：車庫煙氣運(yùn)動(dòng)情況

圖8為場景1～場景2發(fā)生火災(zāi)100s、300s、600s、1200s時(shí)煙氣蔓延情況。從圖8中可以看出，火災(zāi)發(fā)生后熱煙氣迅速上升并在頂部積蓄，隨著火災(zāi)的發(fā)展煙氣層厚度逐漸穩(wěn)定在三層頂棚高度處。圖9為開設(shè)巷道頂部側(cè)面排煙百葉的煙氣蔓延情況。整個(gè)1200s計(jì)算時(shí)間內(nèi)，煙氣在車庫兩端并沒有形成較厚的煙氣層，只在車庫中間部位有約3m厚的煙氣層，相對于前2個(gè)場景，煙氣蔓延至車庫兩端的時(shí)間也增加了近300s。少量煙氣在起火單元內(nèi)向下蔓延，但對能見度影響不大且溫度較低。圖10為500s時(shí)三個(gè)場景10m高度處煙氣能見度分布，從圖10中可以明顯看出，巷道頂部的排煙窗能夠有效地將煙氣排出車庫，將煙氣控制在中間區(qū)域。由此得出，巷道頂部的排煙窗對于排煙的效率有很大提升，本場景頂部排煙窗采用兩段式設(shè)計(jì)，開窗面積為首層面積的3%，若繼續(xù)增大排煙窗面積，將兩段貫通，排煙效果會(huì)進(jìn)一步提升。

圖8 場景1～場景2火災(zāi)發(fā)生后100s、300s、600s、1200s煙氣蔓延情況Fig.8 Smoke movement at 100s，300s，600sand 1200s after the fire occurred of scene 1to scene 2

圖9 場景3火災(zāi)發(fā)生后100s、300s、600s、1200s煙氣蔓延情況Fig.9 Smoke movement at 100s，300s，600sand 1200s after the fire occurred of scene 3

圖10 場景1～場景3火災(zāi)發(fā)生500s后10m高度處能見度分布Fig.10 Visibility 500safter the fire at 10mheight

3.2.2 工況二：起火車輛對巷道對側(cè)車輛的影響

距離起火車輛火源中心為R處的汽車受到的火源輻射和火源熱釋放速率的關(guān)系可以用Modak輻射模型［8］表示為：

式中，q為汽車受到的輻射熱流密度，kW／m2；C為輻射系數(shù)；R距火源中心的距離，m。

輻射系數(shù)C的取值在0.15到0.6之間，燃燒過程中產(chǎn)煙量越大其取值越大。由于汽車火災(zāi)包含各種類型可燃物，燃燒種類繁多，會(huì)產(chǎn)生大量煙氣［3］，本研究保守取為0.5。公式與FDS模擬值對比如圖11所示，在火源附近及相對較遠(yuǎn)的距離處模擬值與公式相差不大，在3m～7m之間比公式計(jì)算值略小。

由C＝0.5，式1可以寫成：

式中，Rc為起火停車單元內(nèi)的汽車引燃相對停車單元汽車的臨界距離；qc為臨界輻射熱流密度，根據(jù)本章首節(jié)研究取為15kW／m2。

圖11 火源為1.5MW情況下輻射熱流密度FDS計(jì)算值與公式計(jì)算值對比Fig.11 Values of heat flux with a 1.5MW fire source，theoretically calculated and FDS simulated

由計(jì)算得出，最不利條件下，三輛車著火，臨界距離為5.2m，而巷道兩側(cè)兩個(gè)停車單元之間距離為6.0m，因此即使在最不利條件下，火源的輻射引燃汽車的影響范圍小于相對停車單元的距離。上述所選用的輻射模型已經(jīng)考慮了煙氣對于結(jié)果的影響，其結(jié)果已反映在計(jì)算所得的臨界引燃半徑中。因此，經(jīng)過上述分析，在三輛車著火的最不利情況下，火源不能通過輻射引燃巷道另一側(cè)的車輛。各個(gè)火源功率下臨界輻射引燃半徑如表3所示。

表3 各個(gè)火源功率下臨界輻射引燃半徑Table 3 The critical radiation ignition radius

圖12為場景4和場景5起火車輛前方后方上方及右方探測點(diǎn)溫度及輻射熱流密度值。從圖12中可以看出，當(dāng)噴淋系統(tǒng)有效時(shí)（場景4），巷道對側(cè)輻射熱流密度只有0.6kW／m2，溫度為20.4℃，因此巷道對面單元的車輛不會(huì)因輻射作用被引燃，也不會(huì)因溫度過高引起火勢蔓延。同時(shí)，與起火車輛同處一個(gè)停車單元的左右兩側(cè)及前方車輛受到的輻射熱流密度也不超過10kW／m2，溫度在200℃以下，危險(xiǎn)性較小。當(dāng)噴淋系統(tǒng)失效時(shí)（場景5），巷道對面單元車輛在距離起火車輛超過6m的情況下，受到的輻射熱流密度為1.6kW／m2，不會(huì)被輻射引燃，而左右兩側(cè)的車輛距離起火車輛較近，在149s時(shí)受到的輻射熱流密度超過15kW／m2，會(huì)被輻射引燃。

圖12 場景4、場景5起火車輛右方、后方、前方及上方探測點(diǎn)溫度與輻射熱流密度值Fig.12 Temperature and heat flux of sensing points of scene 4and scene 5

從圖12中火源上方的溫度及輻射熱流密度曲線可以看出，該車庫中設(shè)置的汽車托盤能夠有效地抑制火災(zāi)在豎向的蔓延，因此在實(shí)際使用過程中要求每輛車的托盤都采用防火材料進(jìn)行包裹封堵，防止火災(zāi)豎向快速蔓延。

圖13為場景6車輛后方（巷道方向）溫度及輻射熱流密度值。該場景考慮三輛車起火的情況，并將熱釋放速率在火災(zāi)一開始就設(shè)為最大，研究這種最極端情況下對巷道另一側(cè)車輛的影響。從圖13中可以看出，巷道另一側(cè)溫度在25℃左右，受到的輻射熱流密度約為2.0kW／m2，不會(huì)引燃巷道另一側(cè)車輛，這說明利用巷道空間作為防火分隔措施是有效可行的。

4 結(jié)論

本文著重對機(jī)械式立體停車庫中巷道的防火分隔作用以及巷道頂部的排煙窗對煙氣的控制情況進(jìn)行了研究。分析了機(jī)械立體停車庫的火災(zāi)發(fā)生概率，調(diào)研了汽車火災(zāi)的熱釋放速率，采用FDS對不同火災(zāi)場景進(jìn)行模擬計(jì)算，得出如下主要結(jié)論：

（1）以2008年～2012年汽車火災(zāi)平均發(fā)生頻次計(jì)算，該機(jī)械式立體停車庫內(nèi)在滿額299輛汽車時(shí)，停車庫發(fā)生火災(zāi)的頻次為0.00786起／年。

（2）巷道一側(cè)一輛車著火后，噴淋系統(tǒng)正常動(dòng)作時(shí)，巷道另一側(cè)車輛受到的輻射熱流密度為0.6kW／m2；當(dāng)噴淋系統(tǒng)失效時(shí)，輻射熱流密度約為1.2kW／m2；三輛車同時(shí)著火時(shí)，巷道另一側(cè)車輛受到的輻射熱流密度約為2.0kW／m2。此三種情形均不會(huì)引燃巷道另一側(cè)車輛，利用巷道空間作為防火分隔措施是可行的。

（3）場景4中托盤下方溫度175℃，托盤上方溫度約為50℃；場景5中托盤下方溫度約為325℃，托盤上方溫度僅有約100℃。由此可見位于每輛車底部的汽車托盤能夠起到明顯的防火阻火作用，在實(shí)際使用中應(yīng)采用防火材料對汽車托盤進(jìn)行包裹、封堵，保證其阻火效果。

（4）基于煙氣輸運(yùn)的計(jì)算結(jié)果，巷道頂部設(shè)常開式自然排煙百葉后煙氣濃度明顯降低，在頂層距地面10m高度處，500s時(shí)僅起火停車單元及其對側(cè)停車單元能見度不超過10m，其他區(qū)域在11m以上；未開設(shè)排煙窗時(shí)整個(gè)車庫能見度均降至10m以下，局部區(qū)域在2m以下。巷道頂部的排煙窗對于控制煙氣有著顯著作用。

圖13 場景6兩側(cè)及中間車輛起火后方探測點(diǎn)溫度與輻射熱流密度值Fig.13 Temperature and heat flux of sensing points of scene 6

［1］GB 50067－97，《汽車庫、修車庫、停車場設(shè)計(jì)防火規(guī)范》［S］.

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