基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的大型建筑火災(zāi)蔓延模擬研究

貢招峰　李軍

摘 要：在現(xiàn)代社會(huì)生活中，由于火災(zāi)現(xiàn)象會(huì)經(jīng)常發(fā)生，但是火災(zāi)科學(xué)自身的特性可以使得建筑火災(zāi)的發(fā)展和蔓延得以控制。因此，在研究大型建筑火災(zāi)蔓延現(xiàn)象時(shí)，需要在收集大量的火災(zāi)數(shù)據(jù)的前提上，并且結(jié)合利用模擬研究的手段而進(jìn)行科學(xué)的統(tǒng)計(jì)和分析。文章立足于當(dāng)代社會(huì)大型建筑火災(zāi)蔓延的現(xiàn)象，探索和分析了火災(zāi)蔓延的相關(guān)特性和外部風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)利用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)深入研究了相關(guān)模型的試驗(yàn)和模擬情況，從中發(fā)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)模擬火災(zāi)蔓延的方法，以此為大型建筑的火災(zāi)蔓延模擬研究做出了前期的準(zhǔn)備。此外，通過(guò)實(shí)際的工程案例，做出了相關(guān)的火場(chǎng)分析和調(diào)查，最終實(shí)現(xiàn)了建筑內(nèi)外的模擬場(chǎng)景，并且研究了火場(chǎng)的溫度及其對(duì)建筑結(jié)構(gòu)安全性的威脅。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)技術(shù)；大型建筑；火災(zāi)蔓延；模擬研究

中圖分類號(hào)：TK121 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）05-0083-01

隨著現(xiàn)代化社會(huì)改革的進(jìn)程不斷深入，使得我國(guó)的科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)總值也隨之迅猛的發(fā)展，從而促進(jìn)了建筑事業(yè)的蓬勃發(fā)展。然而無(wú)論是從建筑的結(jié)構(gòu)上，還是功能上分析，其都在社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中不斷的發(fā)生著變化。但是，在這一變化發(fā)生的過(guò)程中，同時(shí)出現(xiàn)了大量的建筑耗能問(wèn)題，而建筑節(jié)能問(wèn)題的日益顯現(xiàn)，使得這一問(wèn)題在隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的進(jìn)程中也越來(lái)越受到社會(huì)和人民群眾的重視。當(dāng)建筑的外墻增加了外保溫構(gòu)造系統(tǒng)后，會(huì)在一定程度上降低建筑能源的損失和耗散，但由于建筑材料自身保溫板的防火性能差的緣故，會(huì)給建筑本身的安全造成一定的威脅和火災(zāi)的隱患。因此，面對(duì)火災(zāi)發(fā)生時(shí)是否會(huì)給建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，以及影響的程度的大小的問(wèn)題，就需要利用當(dāng)前計(jì)算機(jī)的火災(zāi)蔓延模擬技術(shù)來(lái)對(duì)此進(jìn)行深入的研究。

1 相關(guān)理論概述

1.1 火災(zāi)蔓延

火災(zāi)蔓延是引起火災(zāi)局勢(shì)變大的主要因素。這事由于當(dāng)建筑物發(fā)生火災(zāi)情況時(shí)，建筑物的局部火焰會(huì)通過(guò)熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射，以及飛火的形式來(lái)使得周邊的可燃物體迅速的燃燒，甚至?xí)斐啥稳紵默F(xiàn)象[1]。同時(shí)，在火災(zāi)蔓延模擬的整個(gè)過(guò)程中，也需要利用以上的四種形式來(lái)進(jìn)行煙氣與火的熱傳遞，以便保持模擬的情形與實(shí)際情況一致。

1.2 火災(zāi)科學(xué)

火災(zāi)科學(xué)是指在研究火災(zāi)出現(xiàn)、發(fā)展、蔓延，以及控制的相關(guān)原理和規(guī)律的應(yīng)用型基礎(chǔ)科學(xué)。而其涉及到研究各類火災(zāi)現(xiàn)象的共性問(wèn)題，主要包括火災(zāi)的發(fā)生、火災(zāi)蔓延、煙氣蔓延、滅火、火災(zāi)防治，以及火災(zāi)對(duì)人的影響和危害等，同時(shí)還會(huì)在不同的火災(zāi)情形中出現(xiàn)一些有意義的現(xiàn)象。例如，油罐火災(zāi)中的揚(yáng)沸、室內(nèi)火災(zāi)中的轟燃、森林火災(zāi)中的火旋風(fēng)等，需要更加側(cè)重于研究它們產(chǎn)生的原理和對(duì)人民群眾人身安全的危害程度。

1.3 火災(zāi)模型

主要是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)對(duì)制定的房間內(nèi)的形狀、地面、天花板的熱導(dǎo)性、通風(fēng)情況，以及室內(nèi)的物品的易燃性，從而來(lái)對(duì)指定房間的模擬火災(zāi)的燃燒情形作出全面、綜合性的分析和研究[2]。

1.4 模擬實(shí)驗(yàn)

模擬實(shí)驗(yàn)主要是指從物理、化學(xué)，以及幾何的條件等角度引入的與其相類似的一類實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，由于模擬實(shí)驗(yàn)在火災(zāi)科學(xué)的實(shí)際研究過(guò)程中占據(jù)著舉足輕重的地位，其不僅可以研究現(xiàn)象、揭示新的機(jī)理和規(guī)律、歸納公式，而且還可以為理論研究和計(jì)算機(jī)模擬提供一系列的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.5 計(jì)算機(jī)模擬

計(jì)算機(jī)模擬的內(nèi)容是通過(guò)利用計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)、圖形、計(jì)算，以及圖像等功能來(lái)進(jìn)行相關(guān)的研究。在火災(zāi)的過(guò)程中，計(jì)算機(jī)模擬具備多層次和多種類的特點(diǎn)。具體來(lái)說(shuō)，主要?jiǎng)澐譃槿齻€(gè)層次。第一，專家系統(tǒng)，即經(jīng)驗(yàn)?zāi)M；第二，半經(jīng)驗(yàn)半理論的模擬，即半物流模擬；第三，場(chǎng)模擬，即物理模擬。其中，第二、第三類的模擬情況也會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)在數(shù)學(xué)問(wèn)題中，并且在通常情況下，是很難解答出結(jié)果的，一般是需要借助于計(jì)算機(jī)來(lái)對(duì)此進(jìn)行相關(guān)的數(shù)值求解。

2 建筑火災(zāi)蔓延的規(guī)律

2.1 火災(zāi)規(guī)律的確定性和隨機(jī)性

由于火災(zāi)的發(fā)生存在一定的規(guī)律性，使得其既包含確定性的一面，又包含著隨機(jī)性的一面。在一般情況下，常規(guī)的工程科學(xué)顧慮只包含確定性的一面，換句話說(shuō)，也就是其隨機(jī)性的可能性較小，甚至是達(dá)到可以被忽略的程度[3]。但是，從火災(zāi)學(xué)以及整個(gè)“災(zāi)害學(xué)”的角度來(lái)分析，都是存在確定性和隨機(jī)性兩方面的規(guī)律的，單純的忽略確定性和隨機(jī)性其中的任一個(gè)都是不準(zhǔn)確的。而這一特點(diǎn)便是火災(zāi)科學(xué)同常規(guī)的工程科學(xué)最大的不同之處。同時(shí)，由于火災(zāi)科學(xué)自身存在著確定性，使得其可以利用模擬研究的方法來(lái)對(duì)其進(jìn)行深入的探討，而火災(zāi)本身又存在著隨機(jī)性，因此需要收集大量的火災(zāi)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析。

2.2 建筑火災(zāi)蔓延的基本特性

建筑火災(zāi)蔓延的發(fā)展過(guò)程主要有初期增長(zhǎng)階段、轟燃階段、全盛階段，以及衰退階段，如圖1所示。

從上圖分析可知，在初期和全盛的階段上，通常會(huì)出現(xiàn)一個(gè)溫度陡然上升的狹窄的曲線，而這時(shí)的室內(nèi)溫度會(huì)促使可燃物出現(xiàn)大面積的燃燒，理論上稱之為轟燃，此刻意味著出現(xiàn)好轉(zhuǎn)方式質(zhì)的轉(zhuǎn)變。

3 計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于火災(zāi)蔓延工程分析

在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，其往往會(huì)給人們帶來(lái)一定的危險(xiǎn)性，而在整個(gè)火災(zāi)消防安全性的評(píng)估分析中，針對(duì)火災(zāi)蔓延煙氣運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，可以應(yīng)用到計(jì)算機(jī)軟件可以有很多種，并且不同的計(jì)算機(jī)軟件適用的范圍也是不同的。在本文中，主要研究的FDS（火災(zāi)動(dòng)力學(xué)）模擬軟件。該計(jì)算機(jī)軟件中包含了許多的模型，主要有燃燒模型、熱解模型、熱輻射模型等[4]。而本文在分析和研究火災(zāi)蔓延的情況時(shí)，通過(guò)在起火點(diǎn)處設(shè)置燃火源，結(jié)合其他區(qū)域的可燃材料物的參數(shù)和外墻保溫材料的可燃物的燃點(diǎn)、種類、熱值等情況進(jìn)行設(shè)置，以此來(lái)模擬火災(zāi)蔓延、溫度分布、煙氣流動(dòng)，以及火災(zāi)規(guī)模等。

通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)，可以粗略的了解到反應(yīng)試驗(yàn)的情況，并且使之與實(shí)驗(yàn)的燃燒情況進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)其兩者間是相吻合的。同時(shí)，通過(guò)將單位熱釋放速率和單位質(zhì)量損失的兩種模擬應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)中，使之進(jìn)行對(duì)比，從中發(fā)現(xiàn)質(zhì)量損失法能夠有效的控制火勢(shì)的蔓延情況。通常情況下，運(yùn)用單位熱釋放速率能夠更加簡(jiǎn)單、便捷的控制燃燒的速率。具體來(lái)說(shuō)，在模擬開始之前，火焰迅速蔓延到模型架頂端的時(shí)間會(huì)比較短；而在模擬的過(guò)程中，會(huì)選擇利用次生火源來(lái)取代熔滴火，避免其與實(shí)際試驗(yàn)的結(jié)果產(chǎn)生偏差。此外，通過(guò)試驗(yàn)的模擬情況來(lái)分析，得出影響的相關(guān)因素有如下幾方面：①材料的厚度；②材料的燃點(diǎn)；③排煙口風(fēng)速的大??；④網(wǎng)格大小的設(shè)置。然后，通過(guò)建立的相關(guān)計(jì)算機(jī)模型來(lái)選擇合適的算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度場(chǎng)的模擬計(jì)算，最終達(dá)到對(duì)建筑結(jié)構(gòu)安全的合理評(píng)估，從而完善建筑防火性能化的設(shè)計(jì)。

4 總結(jié)與展望

綜上所述，立足于現(xiàn)代大型建筑火災(zāi)的現(xiàn)狀，通過(guò)使建筑火災(zāi)的研究能夠更加貼近于火災(zāi)的實(shí)際情況，并且基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的大型建筑火災(zāi)蔓延模擬的研究，在一定程度上對(duì)建筑火災(zāi)的危險(xiǎn)性作出相應(yīng)的評(píng)估和性能化的防火設(shè)計(jì)建議。本文通過(guò)構(gòu)造火災(zāi)蔓延相關(guān)特性的研究框架，概括了導(dǎo)致火災(zāi)蔓延的原因，并且通過(guò)利用計(jì)算機(jī)模擬的方法重現(xiàn)了火災(zāi)蔓延的情況。同時(shí)，在進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬時(shí)，需要注意可燃材料的屬性參數(shù)設(shè)置，使之在模擬時(shí)能夠得到有效的控制。另外，還需要在模型的試驗(yàn)和模擬的過(guò)程中，得出了模擬手段驗(yàn)證試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪强尚械模{(diào)整模擬的相關(guān)參數(shù)，也可以實(shí)現(xiàn)模擬和試驗(yàn)現(xiàn)象一致的情況。

參考文獻(xiàn)：

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