書架群燃燒相互影響下的書架防火間距優(yōu)化研究*

劉 瓊，杜沄燕，陳立林

(中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

0 引言

隨著我國(guó)文化事業(yè)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)圖書館及館藏?cái)?shù)量逐年增長(zhǎng)。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2016年底，全國(guó)公共圖書館業(yè)機(jī)構(gòu)數(shù)已超過3 100家，總藏書量超過9億。高校圖書館作為高校文化教育事業(yè)的重要部分，其總數(shù)量在各類圖書館數(shù)量排行中遙遙領(lǐng)先。當(dāng)圖書館發(fā)生火災(zāi)時(shí)，一方面，密集分布的易燃紙質(zhì)書籍文獻(xiàn)極易造成大面積受損；另一方面，多個(gè)相鄰火源同時(shí)燃燒時(shí)相互促進(jìn)[1]，大量書架等間距放置，在燃燒時(shí)相互之間有顯著的輻射熱反饋增強(qiáng)效應(yīng)，進(jìn)一步增加火災(zāi)危險(xiǎn)嚴(yán)重性。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界對(duì)圖書館火災(zāi)的研究涵蓋成因分析[2]、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[3]、防控技術(shù)[4]和應(yīng)急舉措[5]等方面，主要為定性分析和數(shù)值模擬計(jì)算[6]。Ma等[7]結(jié)合調(diào)查統(tǒng)計(jì)和模擬，認(rèn)為讀者區(qū)和藏書區(qū)是圖書館火災(zāi)安全疏散的研究重點(diǎn)；LIU等[8]指出書架的特殊布置使圖書館火災(zāi)情況下人員安全疏散與其他建筑物區(qū)別很大；趙丹等[9]運(yùn)用FDS對(duì)圖書館進(jìn)行分區(qū)模擬，結(jié)果可見書庫起火時(shí)熱釋放速率要遠(yuǎn)高于其他區(qū)域；馬哲等[10]對(duì)某書庫著火的發(fā)生發(fā)展?fàn)顟B(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬研究并提出人員疏散建議；王偉等[11]基于圖書館火災(zāi)發(fā)生時(shí)逃生所需的安全疏散時(shí)間對(duì)圖書館的管理提出了建議。然而，目前圖書館內(nèi)書架群的特殊布置對(duì)其燃燒影響方面的研究存在空白。故本文通過實(shí)地調(diào)研構(gòu)建書架間距影響燃燒FDS模型，研究在不同書架間距下多種因素對(duì)書架群燃燒的促進(jìn)程度，由此從防火角度對(duì)規(guī)范中書架間距設(shè)計(jì)提出優(yōu)化方案。

1 圖書館書架調(diào)研統(tǒng)計(jì)

1.1 圖書館書架設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

1996年頒布的《公共圖書館建筑防火安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(WH0502-1996)中未涉及書架間距的防火安全設(shè)計(jì)；1999年頒布的《圖書館建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》[12](JGJ 38-1999)中提出開架書架不低于1.00 m和閉架書架不低于0.75 m的書架間距設(shè)計(jì)要求；2015年頒布的《圖書館建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ 38-2015)[13]首次將防火納入書架間距設(shè)計(jì)原則，在第4.2.9條更明確指出書架間距等設(shè)計(jì)需要為滿足安全而提出了相關(guān)技術(shù)要求，并指出基本書庫行道凈寬常為0.8 m。但這些規(guī)范中尚未明確指出書架間距設(shè)計(jì)的防火要求。

1.2 調(diào)研結(jié)果歸納分析

本次調(diào)研對(duì)象主要為長(zhǎng)沙市的多個(gè)公共圖書館和高校圖書館，主要采取實(shí)地測(cè)量、觀察的方式掌握?qǐng)D書館內(nèi)單列書架凈寬等相關(guān)參數(shù)，對(duì)其結(jié)果進(jìn)行歸納統(tǒng)計(jì)，見表1。對(duì)于書架間距，可根據(jù)適用情況劃分為2類：第一類調(diào)研間距范圍為0.75～0.9 m，規(guī)范規(guī)定閉架書架的最低值為0.75 m，主要作為借閱室的書架間距；第二類調(diào)研間距范圍為0.9～1.2 m，但規(guī)范規(guī)定開架書架的最低值為1 m，主要作為閱覽室和近年來新建圖書館(含閱覽室和借閱室)的書架間距。

表1 圖書館調(diào)研結(jié)果歸納Table 1 Summary of library survey results

根據(jù)以上調(diào)研結(jié)果，可考慮建立復(fù)柱式鐵質(zhì)雙面書架類型的書架群，單列書架凈寬設(shè)置為0.9 m，書架深度選取0.5 m，層數(shù)選取較為通用的6層，書架層凈高設(shè)置為0.3 m。由于不同類型圖書館的書架上架率有明顯差別，書架的框架數(shù)及排列數(shù)量由藏書空間決定，具有不確定性，又考慮到書架群的特殊布置并依據(jù)前人關(guān)于多火源的研究[1]，判斷書架間距、上架率、書架框架數(shù)、書架排數(shù)以及火源位置會(huì)影響書架群發(fā)生火災(zāi)時(shí)的嚴(yán)重程度，因此將這5個(gè)方面作為書架群燃燒的影響因素進(jìn)行研究。

2 書架間距影響燃燒FDS模型構(gòu)建

為探究書架間距、上架率、書架框架數(shù)、書架排數(shù)以及火源位置這5個(gè)因素對(duì)書架群燃燒的影響，選擇書架間距為基本因素，基于實(shí)地調(diào)研結(jié)果構(gòu)建書架間距影響燃燒FDS模型。

2.1 書架群場(chǎng)景設(shè)定

依據(jù)上述圖書館調(diào)研結(jié)果，建立編號(hào)為1#～5#的書架群，其中1#書架處于中心線，2#～5#依次沿中心線等間距對(duì)稱分布，書庫體積為10 m×6 m×3 m(長(zhǎng)×寬×高)，模型如圖1所示。調(diào)研發(fā)現(xiàn)圖書館書庫窗戶長(zhǎng)期處于關(guān)閉狀態(tài)，故本研究設(shè)定書架群處于無風(fēng)條件下。

圖1 書庫模型示例Fig.1 Stack room model example

2.2 邊界條件設(shè)定

邊界條件設(shè)置直接影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。李杰等[14]通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得紙張的導(dǎo)熱系數(shù)范圍為0.033～0.045 W/(m·K)，考慮書籍紙質(zhì)間的縫隙影響，本文選取的導(dǎo)熱系數(shù)為0.04 W/(m·K)。書籍紙張的燃點(diǎn)約為130℃，密度約為800 kg/m3。

2.3 參數(shù)變量設(shè)定

在書架間距設(shè)定方面，鮑家聲[15]最早提出要保證單人正常下蹲取書至少需0.75 m間距，如要保證2人順利通行則需不少于1.05 m間距；我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《圖書館建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ38-2015)中規(guī)定，常用書庫的開架間距至少應(yīng)達(dá)到1 m，閉架空間要達(dá)到0.75 m；根據(jù)美國(guó)殘障人士法案相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為使輪椅順利通過，圖書館書架間行道寬度最少36英寸(0.91 m)，推薦42英寸(1.07 m)，公共圖書館多采用42～48英寸(1.07～1.22 m)。因此，模型在調(diào)研所得的書架間距0.75～1.2 m范圍內(nèi)，設(shè)定步長(zhǎng)為0.05 m，以將書架間距作為基本因素來研究其對(duì)書架群燃燒的影響。

在上架率、書架框架數(shù)、書架排數(shù)設(shè)定方面，比較調(diào)研結(jié)果中出現(xiàn)次數(shù)較多的2種情況對(duì)書架群燃燒的影響程度，其具體參數(shù)設(shè)定見表2。

表2 不同場(chǎng)景書架群模型參數(shù)設(shè)置Table 2 Different scene bookshelf group model parameter setting table

在火源設(shè)定方面，本文將火源作為引火源點(diǎn)燃書架上的書籍，經(jīng)過一系列預(yù)模擬發(fā)現(xiàn)，在10 s內(nèi)可保證書籍被引燃，為避免引火源對(duì)書架群燃燒狀態(tài)的影響，在模型中設(shè)置引火源燃燒10 s后熄滅，如圖2所示。圖中五角星代表火源位置，A火源設(shè)置于最底層書架內(nèi)部中間的位置，B火源設(shè)置于最底層書架外部略偏向一側(cè)的位置，以此研究火源位置對(duì)書架群燃燒的影響。

圖2 書庫模型火源位置俯視圖Fig.2 Fire source location in stack room model

綜上，由研究所需設(shè)置單框單排書架作為參照模型，設(shè)置以書架間距為基本變量的5類書架群模型，各類模型具體參數(shù)設(shè)定如表2所示。為防止模型失真，根據(jù)書架尺寸和間距變化步長(zhǎng)，將網(wǎng)格精確至0.05 m×0.05 m×0.05 m，在高性能計(jì)算中心進(jìn)行模擬計(jì)算。

3 書架群燃燒過程劃分

圖書館書架等間距放置，發(fā)生燃燒時(shí)其間相互影響表現(xiàn)為輻射熱反饋增長(zhǎng)效應(yīng)和空氣卷吸限制效應(yīng)的綜合作用[6]。此外，書架的立體結(jié)構(gòu)類似于井壁結(jié)構(gòu)特征，受壓差影響產(chǎn)生煙囪效應(yīng)[16]。煙囪效應(yīng)是由于煙氣浮力和內(nèi)外壓差造成的非燃燒區(qū)空氣向燃燒區(qū)流動(dòng)的現(xiàn)象，對(duì)書架燃燒起促進(jìn)作用。此3種效應(yīng)共同作用于書架群燃燒的劇烈程度。

火災(zāi)科學(xué)研究表明，熱釋放速率是火災(zāi)危害分析中的重要因素，對(duì)火災(zāi)的發(fā)展起決定性作用[17]。分析不同間距的5排書架書庫100 s內(nèi)燃燒熱釋放速率，并與單排書架和3排書架作對(duì)比，繪制各總熱釋放速率增長(zhǎng)曲線，如圖3所示。

圖3 不同間距的書架群總熱釋放速率增長(zhǎng)曲線Fig.3 HRR growth curve of bookshelf group under different space distribution

在圖3中，單排、3排與5排書架書庫總熱釋放速率增長(zhǎng)趨勢(shì)規(guī)律類似，但達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間和穩(wěn)定狀態(tài)下熱釋放速率值差異明顯，這是由于書架間相互影響的對(duì)燃燒促進(jìn)作用加快了系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定燃燒狀態(tài)的時(shí)間，表明多書架火源的相互作用不影響燃燒速率變化趨勢(shì)的特征，只改變趨勢(shì)的變化速度和強(qiáng)烈程度。

隨時(shí)間的推移，在100 s以內(nèi)釋熱率總體呈增長(zhǎng)并趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，但在引燃新的書架時(shí)釋熱率增長(zhǎng)曲線的斜率有明顯變化，據(jù)此可根據(jù)釋熱率增長(zhǎng)階段將書架群燃燒過程劃分為不同時(shí)期。以間距為1.2 m的5排書架為例，各釋熱率增長(zhǎng)階段和燃燒時(shí)期劃分如圖4所示，第1階段為燃燒起始時(shí)間至中心書架引燃兩邊2#和3#書架，此過程中單個(gè)火源受空氣卷吸限制較大，熱釋放速率呈近似線性緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，屬燃燒狀態(tài)前期；第2階段為2#和3#書架被引燃至最外側(cè)4#和5# 2排書架被引燃；第3階段為4#和5# 2排書架被引燃至達(dá)到穩(wěn)定階段，這2個(gè)階段中火源數(shù)目不斷增多，輻射熱反饋增長(zhǎng)效應(yīng)和煙囪效應(yīng)起主導(dǎo)作用，熱釋放速率呈指數(shù)型快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，均屬燃燒狀態(tài)中期；進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)之后為第4階段，熱釋放速率逐漸趨于平穩(wěn)，屬燃燒狀態(tài)后期。同理，可將其他不同條件下的書架群燃燒過程劃分為初期近似線性的緩慢增長(zhǎng)、中期呈指數(shù)型快速增長(zhǎng)、后期逐漸趨于穩(wěn)定3個(gè)燃燒時(shí)期。

圖4 間距為1.2 m狀況下熱釋放速率增長(zhǎng)曲線階段劃分示例Fig.4 Four-stage division example of HRR growth curve when the space is 1.2 m

4 不同條件下書架群燃燒相互促進(jìn)分析

4.1 書架群燃燒相互促進(jìn)程度計(jì)算方法

為進(jìn)一步揭示3種效應(yīng)綜合作用對(duì)書架群燃燒的真實(shí)影響程度，根據(jù)單排書架燃燒數(shù)據(jù)求得理想?yún)⒖紶顟B(tài)下5排書架燃燒時(shí)的熱釋放速率參考曲線FS(x)，并根據(jù)5排書架實(shí)際燃燒的總熱釋放速率擬合得實(shí)際曲線GS(x)，實(shí)際值與參考值之差可表征不同時(shí)刻書架群燃燒相互促進(jìn)程度的大小。因此采用極限值法，將書架達(dá)到穩(wěn)定燃燒前熱釋放速率的實(shí)際值與參考值的最大差值定義為釋熱量增量極限值I(HRR)，表征書架群燃燒的相互促進(jìn)程度，計(jì)算公式如下：

I(HRR)=ΔHRRmax={GS(x)-FS(x)}max

(1)

式中：GS(x)為書架布局間距為S時(shí)的實(shí)際熱釋放速率函數(shù)，kW；FS(x)為書架布局間距為S時(shí)的熱釋放速率理想?yún)⒖己瘮?shù)，kW。通過對(duì)比不同間距時(shí)書架群的熱釋放速率實(shí)際值與參考值曲線，發(fā)現(xiàn)熱釋放速率的實(shí)際值與參考值的變化趨勢(shì)基本相同。如圖5所示，ΔHRRmax能較好地描述達(dá)到穩(wěn)定燃燒前，熱釋放速率實(shí)際值與參考值的差別。

圖5 ΔHRRmax示意Fig.5 Schematic diagram of ΔHRRmax

4.2 書架群燃燒相互促進(jìn)程度算例分析

限于篇幅，以基本模型中間距為1.2 m的書架為例，以燃燒時(shí)間為橫坐標(biāo)，熱釋放速率為縱坐標(biāo)，繪制書架群熱釋放速率曲線的實(shí)際值G1.2(x)與參考值F1.2(x)，接著按照各書架被引燃的時(shí)間劃分不同階段，結(jié)果見圖6。

圖6 間距為1.2 m狀況下實(shí)際與參考熱釋放速率曲線對(duì)比Fig.6 Comparison of actual and reference HRR growth curve when the space is 1.2 m

利用MATLAB軟件對(duì)1.2 m間距的書架群燃燒熱釋放速率增長(zhǎng)曲線進(jìn)行分段擬合，所得熱釋放速率實(shí)際值函數(shù)G1.2(x)及其擬合度如下：

(2)

同時(shí)求得理想?yún)⒖己瘮?shù)F1.2(x)及其擬合度為：

(3)

由I(HRR)定義得：

I(HRR)={G1.2(x)-F1.2(x)}max，x∈(15.9，47.5],R=0.98

(4)

以上各曲線擬合度均達(dá)到0.98，可用于計(jì)算分析?；诒?中的基本模型，可計(jì)算出其他間距書架群的釋熱量極限增量，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同間距時(shí)書架群熱釋放速率增量比較Fig.7 Schematic diagram of the comparison of the HRR increment of the bookshelves at different distances

如圖7所示，隨著書架間距增加，書架群的熱釋放速率增量的變化趨勢(shì)可分為3階段。在0.75～0.85 m時(shí)，雖然輻射熱反饋增長(zhǎng)效應(yīng)對(duì)燃燒過程有促進(jìn)作用，但書架間距較小，空氣流動(dòng)受阻且書架火源間相互競(jìng)爭(zhēng)空氣，此時(shí)空氣卷吸限制效應(yīng)較明顯，導(dǎo)致熱釋放速率增量的值較??；在0.85～1.05 m期間，熱釋放速率增量隨間距增大而持續(xù)增加，這是因?yàn)殚g距進(jìn)一步增大后空氣流動(dòng)阻力顯著減小，空氣卷吸對(duì)燃燒的限制效應(yīng)逐漸降低，而煙氣浮力和內(nèi)外壓差造成了非燃燒區(qū)空氣向燃燒區(qū)流動(dòng)，煙囪效應(yīng)對(duì)書架群燃燒起主導(dǎo)促進(jìn)作用；達(dá)到1.05 m之后，隨著間距進(jìn)一步擴(kuò)大，以上3種效應(yīng)對(duì)燃燒影響的共同作用達(dá)到穩(wěn)定，熱釋放速率極限增量趨于平穩(wěn)。

4.3 各對(duì)比系列模型計(jì)算及分析

上文中基于基本模型，分析獲得了書架間距對(duì)其燃燒狀態(tài)的影響規(guī)律。為了進(jìn)一步分析，將表2中的各類對(duì)比工況的模擬計(jì)算結(jié)果分別繪制上架率、框架數(shù)、排數(shù)、火源位置的比較圖，如圖8所示。

圖8 不同變量下的模擬結(jié)果Fig.8 Comparison results of model

圖8(a)中，通過比較不同上架率的模型數(shù)據(jù)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)2類模型的熱釋放速率增量隨書架間距的變化規(guī)律基本一致，說明上架率變化對(duì)于書架間燃燒相互作用的影響較小。由調(diào)研結(jié)果將書架間距分為2類，在第一類間距范圍0.75～0.9 m內(nèi)，2種上架率分別在0.8 m和0.85 m出現(xiàn)了最小值，可作為書架間距優(yōu)選值；在第二類間距范圍0.9～1.2 m內(nèi)，2種上架率情況下釋熱率極限增量均隨間距的增大而增大，并在1.05 m處達(dá)到最大，此后基本持平，因此建議避開選擇1.05 m作為書架間距，結(jié)合規(guī)范規(guī)定開架書架的最低值為1 m和燃燒相互影響作用強(qiáng)度書架間距優(yōu)選1.15 m。

同理，對(duì)圖8(b)和(d)進(jìn)行分析可知，在進(jìn)行圖書館書架間距防火設(shè)計(jì)時(shí)，可將上架率、火源位置和書架框數(shù)作為次要考慮因素。對(duì)圖8(c)進(jìn)行分析可知書架連續(xù)排數(shù)的增多會(huì)導(dǎo)致其相互影響大大增加，從防火安全考慮應(yīng)盡量避免大量書架連續(xù)排列。對(duì)結(jié)果歸納如表3所示。

表3 各模型計(jì)算結(jié)果歸納Table 3 Summary of calculation results for each model

綜上所述，在依據(jù)圖書館功能設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)條件綜合考慮確定的書架間距設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，建議避開I(HRR)曲線的波峰區(qū)域進(jìn)行優(yōu)選。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果可知，從防火角度考慮，0.8，0.85和1.15 m為書架間距優(yōu)選值，1.05為書架間距避開值。

5 結(jié)論

1)書架群燃燒發(fā)展?fàn)顟B(tài)可劃分為初期近似線性的緩慢增長(zhǎng)、中期呈指數(shù)型快速增長(zhǎng)、后期逐漸趨于穩(wěn)定3個(gè)燃燒時(shí)期。

2)通過模型計(jì)算以及曲線圖走勢(shì)分析得出書架排數(shù)為書架群燃燒的主要影響因素，書籍上架率、書架框架數(shù)、火源位置為次要影響因素。

3)從圖書館功能劃分以及防火角度考慮，建議0.8 m或0.85 m作為借閱室的書架間距優(yōu)選值，1.15 m作為閱覽室或新建圖書館的書架間距優(yōu)選值，1.05 m為書架間距避開值。