凹型建筑外立面火災(zāi)煙氣蔓延特性研究*

潘曉菲，呂　品

(安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0　引言

從上世紀(jì)開(kāi)始，我國(guó)高層建筑得到快速發(fā)展，并變得越來(lái)越普及。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前有36萬(wàn)余棟高層民用建筑，其中包括有8 500多棟超高層民用建筑。但是，隨著這種高層和超高層建筑的興起，火災(zāi)安全也成為了一個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題[1-3]。類(lèi)似2011年沈陽(yáng)皇朝王鑫酒店“2.3”火災(zāi)、2010年上海靜安公寓火災(zāi)、2009年北京央視北配樓火災(zāi)等事故屢見(jiàn)不鮮[4]。2010年，西安空軍醫(yī)院在建的建筑發(fā)生火災(zāi)，只有外墻有保溫材料，整個(gè)建筑整體呈矩形，但局部有凹槽結(jié)構(gòu)，所以導(dǎo)致火勢(shì)從一樓蔓延到了十樓；上海靜安公寓建筑外形整體呈現(xiàn)凹型結(jié)構(gòu)，所以在起火的6 min內(nèi)就形成了立體燃燒，并向東側(cè)毗鄰的高層居民樓蔓延。高層建筑發(fā)生火災(zāi)后，極有可能出現(xiàn)火與煙氣快速蔓延的情況，從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

近年來(lái)，諸多學(xué)者研究分析了有關(guān)建筑火災(zāi)的影響因素，比如建筑布局、材料、通風(fēng)等[5]，蔣亞強(qiáng)等[6]研究了基于L型外立面和U型外立面結(jié)構(gòu)下的火災(zāi)豎向蔓延規(guī)律，并總結(jié)出了開(kāi)口尺寸對(duì)火焰高度和外立面熱輻射的熱流密度影響規(guī)律；陽(yáng)東等[7]對(duì)建筑外立面水平分隔物下方的開(kāi)口溢流火焰長(zhǎng)度進(jìn)行了模擬研究；朱艷[8]通過(guò)數(shù)值模擬研究了非封閉式天井的火焰溫度場(chǎng)規(guī)律，并指出了煙囪效應(yīng)對(duì)火災(zāi)煙氣發(fā)展的顯著作用；唐虎瀟[9]通過(guò)分析十起典型外立面火災(zāi)案例，并通過(guò)模擬研究總結(jié)出凹型平面建筑外立面火災(zāi)豎向蔓延的特點(diǎn)，但研究的工況只有3種，所以缺乏對(duì)比性；秦挺鑫等[10]研究了不同季節(jié)對(duì)中庭火災(zāi)煙氣沉降的影響規(guī)律，得出溫度變化對(duì)煙氣沉降速度速度沒(méi)有明顯影響，但對(duì)煙氣溫度影響顯著?，F(xiàn)在，凹型建筑外立面形式越來(lái)越普及，因此，本文針對(duì)高層建筑中大量采用的凹型外立面結(jié)構(gòu)形式，研究分析凹槽尺寸對(duì)火災(zāi)煙氣蔓延的影響，并結(jié)合模擬得出的溫度分布、煙氣蔓延速度和CO濃度等參數(shù)，分析得出高層建筑具備何種凹槽尺寸時(shí)對(duì)火災(zāi)煙氣蔓延影響最大。

1　模擬場(chǎng)景設(shè)置

本文主要利用FDS軟件進(jìn)行模擬，F(xiàn)DS是由美國(guó)NIST開(kāi)發(fā)的模擬火災(zāi)中流體運(yùn)動(dòng)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件，通過(guò)相應(yīng)的網(wǎng)格劃分和算法，可以快速分析火災(zāi)問(wèn)題[11-13]。FDS軟件可以對(duì)火災(zāi)發(fā)生后煙氣的流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行充分地考慮和模擬，是極具特色的場(chǎng)模型模擬軟件。此外，由FDS所開(kāi)發(fā)的smokeview軟件，可以動(dòng)態(tài)的展示FDS的計(jì)算結(jié)果，其準(zhǔn)確性也得到了大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?；谝陨咸攸c(diǎn)，本文采用FDS軟件來(lái)模擬計(jì)算在凹型高層建筑具備不同尺寸的凹槽時(shí)所具備的火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律是可行的，最終也可得到合理有效的計(jì)算結(jié)果。

本文重點(diǎn)是研究凹槽尺寸對(duì)煙氣蔓延的影響規(guī)律，所以將凹型高層建筑簡(jiǎn)化成以下模型，如圖1所示。該模型是在一塊較厚的墻體一側(cè)開(kāi)個(gè)上下貫通的凹槽，大致是呈現(xiàn)U型結(jié)構(gòu)，該模型高度定為40 m，符合國(guó)家規(guī)定的高層建筑高度不低于24 m的要求。圖中A為凹槽槽寬，模擬中將A定為1 m，B為凹槽進(jìn)深，B的取值從0.4 m開(kāi)始，依次增加0.2 m，直至1.8 m結(jié)束。當(dāng)B取值為零時(shí)，正是生活中常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)平面，將其記為標(biāo)準(zhǔn)模型，而當(dāng)B非零時(shí)，則記為凹槽模型。可以定義凹槽模型結(jié)構(gòu)因子α=B/A[14-15]，這個(gè)參數(shù)反映了凹槽的進(jìn)深程度，由上可知，結(jié)構(gòu)因子α的取值從0.4開(kāi)始，間隔0.2，遞增至1.8結(jié)束。

以結(jié)構(gòu)因子α=0.4為例，模型中計(jì)算區(qū)域?yàn)? m×0.4 m×40 m(X×Y×Z，下同)，網(wǎng)格數(shù)量為16 000，網(wǎng)格大小為0.1 m×0.1 m×0.1 m，滿(mǎn)足于FDS軟件對(duì)于火災(zāi)工況模擬的網(wǎng)絡(luò)尺寸要求[16]。當(dāng)結(jié)構(gòu)因子改變的時(shí)候，計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格數(shù)量也隨之改變，但網(wǎng)格大小維持不變。在凹槽底部設(shè)置一個(gè)6 MW的火源，面積為0.6 m×0.3 m，距凹槽A所在底邊垂直距離0.05 m。凹槽頂部和前面設(shè)置open邊界，底部和3個(gè)側(cè)面設(shè)置insert，外界環(huán)境溫度定為20℃，且無(wú)風(fēng)的作用，模擬時(shí)間設(shè)置為600 s。在模型的1，10， 20，30及40 m處設(shè)置多個(gè)溫度傳感器、CO濃度檢測(cè)裝置和煙氣蔓延速度檢測(cè)裝置，放置在距離凹槽底邊0.01，0.1，0.2，0.3，0.4和0.5 m等處，且均勻排列。

2　結(jié)果與討論

2.1　溫度對(duì)比

圖2　第600 s標(biāo)準(zhǔn)模型和α=0.8凹槽模型溫度對(duì)比Fig.2　Temperature contrast cloud image of standard model and α=0.8 groove model at 600 s

通過(guò)模擬分析，對(duì)比分析標(biāo)準(zhǔn)平面和凹型結(jié)構(gòu)，可以得知當(dāng)高層建筑凹槽附近有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，煙氣運(yùn)動(dòng)到凹槽里具備有不同于標(biāo)準(zhǔn)平面的擴(kuò)散情況，如圖2所示。圖2中展示了矩形模型和結(jié)構(gòu)因子為0.8時(shí)，凹槽模型在第600 s時(shí)刻距離凹槽底部20 mm處溫度分布對(duì)比情況，縱坐標(biāo)Z表示凹槽高度，可以看出，凹型模型整體溫度要高于標(biāo)準(zhǔn)模型。

統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)不于同結(jié)構(gòu)因子α的各個(gè)模型，匯總4列測(cè)點(diǎn)的平均溫度，具體分布情況如表1所示。

表1　各測(cè)點(diǎn)處溫度分布情況

從表1可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)因子α=0時(shí)，第一列測(cè)點(diǎn)溫度隨著高度的增加而急劇減小，除去位于1 m處的測(cè)點(diǎn)，其他測(cè)點(diǎn)溫度都低于凹槽模型所對(duì)應(yīng)的溫度，可見(jiàn)在相同時(shí)間下，凹槽模型溫度擴(kuò)散明顯快于標(biāo)準(zhǔn)模型，與圖2所得結(jié)論相符。從整體上看，凹槽模型相比較于標(biāo)準(zhǔn)模型，防火效果更差。這是因?yàn)樵跇?biāo)準(zhǔn)模型中，火源釋放的熱量可以快速得傳播至開(kāi)敞區(qū)域，而帶有凹槽的外立面因?yàn)槭艿綁Ρ谧韪糇饔?，難以向兩側(cè)無(wú)障礙傳播和輻射。同時(shí)，兩側(cè)隔墻會(huì)阻擋新鮮空氣的卷入，這就會(huì)使得凹槽里低溫空氣難以進(jìn)入，凹槽里的高溫空氣難以向兩側(cè)擴(kuò)散，從而導(dǎo)致熱量更集中于豎向蔓延，所以當(dāng)建筑樓下凹槽附近有火災(zāi)發(fā)生，比如樓下廣告牌著火，高溫?zé)煔飧菀紫蚪ㄖ邔勇印?/p>

當(dāng)α≠0時(shí)，隨著α值的增大，各測(cè)點(diǎn)處的溫度有所改變，不同測(cè)點(diǎn)在不同α值下平均溫度分布情況如圖3所示。結(jié)合圖3與表1可知，當(dāng)α=0.4時(shí)，在凹槽10 m高度處高溫區(qū)域就出現(xiàn)脫離壁面的情形，高溫?zé)煔馐芸諝獾木砦饔妹黠@；當(dāng)α=0.6時(shí)，在凹槽20 m處同樣出現(xiàn)高溫區(qū)域脫離壁面的情形，直到當(dāng)α=1.2的時(shí)候，整個(gè)凹槽內(nèi)高溫區(qū)域才能穩(wěn)定吸附內(nèi)壁面，此時(shí)再繼續(xù)增大結(jié)構(gòu)因子α的值，各測(cè)點(diǎn)處溫度變化不明顯，由此可見(jiàn)，當(dāng)α=1.2時(shí)已充分形成煙囪效應(yīng)，繼續(xù)改變凹槽結(jié)構(gòu)因子的值，凹槽內(nèi)溫度變化不大。

2.2　CO濃度對(duì)比

在模型的凹槽里設(shè)置CO濃度檢測(cè)裝置，不同結(jié)構(gòu)因子α下，各測(cè)點(diǎn)處測(cè)得的CO平均濃度如表2所示。

圖3　不同測(cè)點(diǎn)在不同α下平均溫度分布Fig.3　Area temperature distribution under different α

α10m處/(kg·kg-1)20m處/(kg·kg-1)01m02m03m04m01m02m03m04m00000483———0000089———04000082400009910001171000117100005300000580000059700005970600008490000526000036800003090000643000064700006310000614080001725000060100003300000330000070400005870000558000055810000198900007920000432000043200007790000582000053000005301200020610000941000055400005540000885000063400005570000557140002055000098100006050000605000090600006480000578000057816000204300009960000641000064100009140000664000059400005941800020670001000000063800006380000912000068900006260000626α30m處/(kg·kg-1)40m處/(kg·kg-1)01m02m03m04m01m02m03m04m00000019———0000004———04000039400004200000450000045000003030000328000034900003490600005800000578000057100005630000413000042400004200000413080000613000057500005740000574000050200005330000553000055310000060100005640000557000055700005450000537000054200005421200006030000559000053400005310000504000049900004910000491140000593000054100005280000528000048600004830000486000048616000059800005430000527000052700004660000464000046500004651800006000000547000053000005300000449000044600004450000445

分析表中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)α=0時(shí)，也就是在標(biāo)準(zhǔn)平面下，在從10 m開(kāi)始的各測(cè)點(diǎn)中，CO濃度值低于凹槽平面對(duì)應(yīng)位置的值，與溫度變化規(guī)律相符。圖4為不同測(cè)點(diǎn)在不同α下CO濃度分布。當(dāng)α=0.4時(shí)，由圖4(b)可知CO高濃度區(qū)出現(xiàn)脫離凹槽內(nèi)壁面的情形，這時(shí)尚未形成煙囪效應(yīng)，煙氣可以從水平方向向外蔓延。從α=0.6開(kāi)始增大α的值，在各測(cè)點(diǎn)處CO濃度都有所增加，這是因?yàn)樵龃蠼Y(jié)構(gòu)因子數(shù)值，凹槽進(jìn)深增加，煙氣在水平方向疏散困難，導(dǎo)致煙氣大量集聚，對(duì)煙氣的拔煙作用明顯提升，從而顯著地促進(jìn)煙氣向上擴(kuò)散，如若低處發(fā)生火災(zāi)，會(huì)波及到高處，不利于高層建筑的外立面防火，還會(huì)對(duì)居住在高層的住戶(hù)產(chǎn)生極大的安全隱患。但當(dāng)α增大到1.2的時(shí)候，再增大凹槽進(jìn)深，各測(cè)點(diǎn)處CO濃度值變化不大，這是因?yàn)檫M(jìn)深與面寬達(dá)到一定比例時(shí)，煙囪效應(yīng)已然形成，所以整個(gè)凹槽中CO濃度變化不大。對(duì)于表中所示的40 m高處的測(cè)點(diǎn)，它們因?yàn)樗幬恢幂^高，所以隨著α值增大到一定值，CO平均濃度也達(dá)到了最大值，繼續(xù)增大結(jié)構(gòu)因子α的數(shù)值，

圖4　不同測(cè)點(diǎn)在不同α下CO濃度分布Fig.4 Distribution of CO concentration in different α

CO濃度反而會(huì)有所減小，這是因?yàn)闊焽栊?yīng)在α=1.2的時(shí)候就已形成，繼續(xù)增大α的值，隨著凹槽截面尺寸變大，煙氣運(yùn)動(dòng)空間增大，對(duì)煙囪效應(yīng)作用影響較小。

2.3　煙氣蔓延速度對(duì)比

在凹槽里面設(shè)置5列測(cè)點(diǎn)，并在各個(gè)工況下各處測(cè)點(diǎn)測(cè)得的火災(zāi)煙氣蔓延速度如表3所示。

表3　不同α下各測(cè)點(diǎn)處煙氣蔓延速度

由表3可知，對(duì)于第1列中的所有測(cè)點(diǎn)，從10 m的高度開(kāi)始，當(dāng)α=0時(shí)，也就是在標(biāo)準(zhǔn)模型中，煙氣向上蔓延速度最小，在30 m和40 m測(cè)點(diǎn)處，矩形模型和凹槽模型速度差異更為明顯，這是因?yàn)榛鹪锤浇鼪](méi)有翼墻的阻隔，所以煙氣可以同時(shí)從橫向和豎向傳播至開(kāi)敞區(qū)域。不同測(cè)點(diǎn)在不同α下煙氣蔓延速度分布如圖5所示。對(duì)于凹槽模型，由圖5(a)可見(jiàn)，對(duì)于10 m高處，當(dāng)α=0.4的時(shí)候，速度分布呈現(xiàn)于凹槽內(nèi)壁面距離越大，煙氣蔓延速度越大的特點(diǎn)；當(dāng)α=0.6的時(shí)候，凹槽的中高層區(qū)域煙氣蔓延速度最大，直到當(dāng)α=1.2以及更大值的時(shí)候，速度分布呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，并在一定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定性。由圖5(b)所示，對(duì)于30 m高度及以上的中高層區(qū)域，當(dāng)α=1.2開(kāi)始呈現(xiàn)一定規(guī)律性，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)增大α的數(shù)值，煙氣蔓延速度整體略微下降。當(dāng)結(jié)構(gòu)因子α達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，煙囪效應(yīng)作用明顯，繼續(xù)增大凹槽進(jìn)深，凹槽截面尺寸變大，內(nèi)部空間也增大，所以對(duì)凹槽的中高部分煙氣蔓延速度整體出現(xiàn)細(xì)微的下降趨勢(shì)。

圖5　不同測(cè)點(diǎn)在不同α下煙氣蔓延速度分布Fig.5 Velocity of smoke concentration in different α

3　結(jié)論

1)當(dāng)α=0時(shí)，該模型記為標(biāo)準(zhǔn)模型，與α非零時(shí)的凹槽模型對(duì)比可知，凹槽模型在一定結(jié)構(gòu)因子下因具備煙囪效應(yīng)，所以當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，高溫?zé)煔飧菀紫蛏下?，速度更快，范圍也更廣，這就使得凹槽里整體溫度、CO濃度和煙氣蔓延速度都較標(biāo)準(zhǔn)模型有所上升，不利于建筑的防滅火。

2)從α=0.6開(kāi)始，增大結(jié)構(gòu)因子的值，凹槽各處平均溫度升高， CO濃度和煙氣蔓延速度變化明顯，這是因?yàn)樵龃蟀疾鄣倪M(jìn)深，空氣卷吸效應(yīng)減弱，加劇了煙囪效應(yīng)；但當(dāng)α=1.2時(shí)，再繼續(xù)增大α的數(shù)值，各處溫度、CO濃度和煙氣蔓延速度趨于穩(wěn)定變化，可見(jiàn)當(dāng)α=1.2時(shí)煙囪效應(yīng)已然形成。

3)在高層建筑外立面設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)到凹型外立面的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)使得凹槽結(jié)構(gòu)因子低于0.6，也就是凹槽進(jìn)深與槽寬之比應(yīng)小于0.6，當(dāng)α=0.6的時(shí)候，凹槽中高部分煙氣蔓延迅速，當(dāng)α達(dá)到1.2的時(shí)候，建筑凹槽內(nèi)的火災(zāi)煙氣煙囪效應(yīng)顯著。建議高層建筑外立面凹槽內(nèi)側(cè)采用不燃材料裝修，凹槽內(nèi)的窗戶(hù)采用防火窗，這樣有助于降低火災(zāi)沿凹槽豎向蔓延的概率。

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