基于FDS高層建筑火災(zāi)煙囪效應(yīng)模擬分析

鄧軍　許秦坤

摘要：本文首先對(duì)高層建筑火災(zāi)煙氣蔓延的過程和煙囪效應(yīng)進(jìn)行分析;其次以某酒店為研究對(duì)象建立火災(zāi)模型，利用FDS仿真模擬軟件分別對(duì)6MW和15MW兩個(gè)不同火源功率對(duì)煙氣蔓延速度的影響進(jìn)行分析;然后再對(duì)火源功率為6MW時(shí)不同開口對(duì)煙氣蔓延速度影響進(jìn)行研究。結(jié)果表明：不同火源功率下，煙氣到達(dá)頂層的時(shí)間不同，火源功率越大，煙氣到達(dá)頂層短時(shí)間越短;火源功率越大，頂層到達(dá)臨界溫度的時(shí)間越短;不同開口下煙氣到達(dá)頂層的時(shí)間也不同等。相關(guān)結(jié)論為高層建筑火災(zāi)的煙氣控制、人員逃生提供一定的工程參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：火災(zāi);高層建筑;煙囪效應(yīng);FDS;火源功率;蔓延速度

隨著社會(huì)的發(fā)展，越來越多的城市為了節(jié)約土地占用量也為了體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的繁榮，越來越多的高層建筑拔地而起，隨之而來的是高層建筑的火災(zāi)也越來越多的出現(xiàn)在我們面前。例如，2017年12月1日，天津城市大廈火災(zāi)，死傷10人以上（死亡10人，傷5人），事故直接原因是堆放在電梯間內(nèi)的雜物和廢棄裝修材料燃燒，起火點(diǎn)是城市大廈38層電梯間。高層建筑出于減輕建筑物自重的考慮，所用的高分子易燃裝飾裝修材料使建筑整體的耐火能力大大降低，加之高層建筑內(nèi)人員密集，用火用電增加了火災(zāi)荷載，這些都為高層建筑防火埋下隱患[1]，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)后，火勢(shì)蔓延很快，很難控制，因此在高層建筑發(fā)生火災(zāi)后，如何疏散人員以及減少相應(yīng)的損失是急待我們解決的問題。高層建筑發(fā)生火災(zāi)，煙氣是阻礙人們逃生、進(jìn)行滅火行動(dòng)和導(dǎo)致人員死亡的主要原因之一。統(tǒng)計(jì)資料表明，火災(zāi)中死亡的人數(shù)大約80%是吸入有毒煙氣而致死的[2]。因此，研究高層建筑的煙氣流動(dòng)規(guī)律對(duì)于高層建筑火災(zāi)的控制有很大的意義，也給人員逃生爭取更多的時(shí)間。人員逃生時(shí)間包括從火災(zāi)發(fā)生到發(fā)現(xiàn)時(shí)間、決策時(shí)間、正式開始逃生時(shí)間。破拆門窗目的是及時(shí)排走通道內(nèi)的煙氣，減緩臨界態(tài)（臨界溫度）的到來[3]，為人員逃生爭取更多時(shí)間。

當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，隨著室內(nèi)空氣溫度的急劇升高，氣體體積迅速增大，煙囪效應(yīng)更加明顯，此時(shí)，像樓梯間這種豎井是火災(zāi)垂直蔓延的主要途徑，并且還會(huì)助長火勢(shì)。煙囪效應(yīng)的影響因素有：環(huán)境溫度、高度、豎向通道斷面面積、火源、開口等方面，本文重點(diǎn)放在火源和開口上面。

1高層建筑火災(zāi)的煙氣流動(dòng)特點(diǎn)

1.1煙氣的產(chǎn)生

在高層建筑的火災(zāi)煙氣流動(dòng)規(guī)律中，煙囪效應(yīng)是很大的一個(gè)影響因素。在有共享中庭、豎向通風(fēng)（排煙）風(fēng)道、樓梯間等具有類似煙囪特征--即從底部到頂部具有通暢的流通空間的建筑物、構(gòu)筑物（如水塔）中，空氣（包括煙氣）靠密度差的作用，沿著通道很快進(jìn)行擴(kuò)散或排出建筑物的現(xiàn)象，即為煙囪效應(yīng)[4]。此處的煙囪效應(yīng)是指發(fā)生火災(zāi)時(shí)，主要是由建筑易燃材料和內(nèi)部易燃設(shè)備引起的。高層建筑一旦發(fā)生火災(zāi)，就會(huì)點(diǎn)燃使這些易燃的建筑材料和內(nèi)部設(shè)備，然后火災(zāi)就會(huì)沿著豎向管道延伸，然后快速向電梯井、樓梯間等區(qū)域大面積延伸[5]。

由于高層建筑物內(nèi)雜物、起火點(diǎn)、可燃建筑材料都比較多，因此，建筑物一旦發(fā)生火災(zāi)，就有大量的煙氣產(chǎn)生，煙氣在建筑物內(nèi)流動(dòng)，導(dǎo)致火災(zāi)迅速蔓延。據(jù)調(diào)查研究表明[6]，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙氣以每秒2m-4m的速度進(jìn)行蔓延。在火災(zāi)燃燒猛烈階段，由于高溫的作用，熱對(duì)流而產(chǎn)生的煙氣擴(kuò)散速度為0.5-3m/s，煙氣沿樓梯間等豎向管井的垂直擴(kuò)散速度為3-4m/s[7]?；馂?zāi)煙氣是一種燃燒過程中產(chǎn)生的混合物，主要包括C02、CO等可燃物熱解或燃燒產(chǎn)生的氣相產(chǎn)物、由于卷吸而進(jìn)入的空氣以及多種微小的固體顆粒和液滴。可燃物的組成和化學(xué)性質(zhì)以及燃燒條件對(duì)煙氣的產(chǎn)生均具有重要的影響。建筑物中大量建筑材料、家具、衣服、紙張等可燃物，火災(zāi)時(shí)受熱分解，然后與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，燃燒并產(chǎn)生各種生成物。其中的有毒有害物質(zhì)會(huì)降低空氣中的氧濃度，妨礙人們的呼吸，造成人員逃生能力的下降，也可能直接造成人體缺氧致死[8]。因此，有必要研究煙氣的流動(dòng)規(guī)律，為高層建筑的人員疏散和火災(zāi)控制提供有效參考。

1.2煙氣蔓延的過程

當(dāng)室外溫度小于豎井內(nèi)溫度時(shí)，室外空氣從中性面[9]，以下開口進(jìn)入豎井，從中性面以上的開口流出。如果著火層在中性面以下時(shí)，煙氣就會(huì)通過豎井傳播到中性面以上各層，而中性面以下則只有著火層是有煙氣的;如果著火層在中性面以上時(shí)，若無樓層之間的滲透，則只有著火層是有煙的。由于火災(zāi)煙氣溫度相對(duì)較高，一般不存在建筑通風(fēng)中存在的逆煙囪效應(yīng)[10]。

高層建筑物在建筑結(jié)構(gòu)上的顯著特點(diǎn)是具有很多豎向管道和豎井，這些豎向管道和豎井上下都是貫通的，這些都像是隱藏的煙囪.火災(zāi)發(fā)生時(shí)所生成的煙氣的流動(dòng)過程完全受到熱壓的作用，然而在一般情況之下，正熱壓作用為多.所以，在高層建筑物中層以下的任何一個(gè)樓層發(fā)生火災(zāi)的時(shí)候，所產(chǎn)生的煙氣將先從著火房間流到著火層走廊再侵入附近的樓梯間煙氣隨后將上升并進(jìn)人上部各樓層.因此，火災(zāi)發(fā)生時(shí)，煙氣的流動(dòng)可分為水平流動(dòng)和豎直流動(dòng)。并且在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，由于燃燒放出大量熱量，室內(nèi)溫度快速升高，建筑物的煙囪效應(yīng)更加顯著，使火災(zāi)的蔓延更加迅速[11]。

2數(shù)值模擬

2.1火源設(shè)計(jì)

為了研究不同火源功率對(duì)高層建筑煙氣蔓延速度的影響，選取火源功率為6MW和15MW的火源功率進(jìn)行對(duì)比研究。

2.2模型建立

以某酒店為研究對(duì)象，選取防煙樓梯間高48米，樓梯間層3.4*7.2*3.6（長*寬*高），合用前室4.7*2.5（長*寬），臺(tái)階1.44*0.28*0.15（長*寬*高），防火門1.5*2.1（寬*高），火源2*1.5m2。酒店正面圖與平面圖如圖1，圖2所示。

2.3場景模擬

分別設(shè)計(jì)在6MW和15MW時(shí)的初始狀態(tài)和在80s時(shí)打開門后煙氣到達(dá)頂層的時(shí)間和狀態(tài)，然后利用FDS進(jìn)行場景的模擬。下圖是模擬的場景圖：

根據(jù)模型模擬數(shù)據(jù)，在火源功率為6MW時(shí)，第80s的時(shí)候打開門，在100s的時(shí)候煙氣到達(dá)最頂層。在火源功率為15MW時(shí)，無開門的情況下，煙氣在70s的時(shí)候到達(dá)最頂層。

3結(jié)果分析

3.1在不同火源功率下，煙氣到達(dá)頂層的時(shí)間

分別研究火源功率為6MW和15MW的時(shí)候，煙氣到達(dá)頂層時(shí)所用的時(shí)間，在6MW的時(shí)候是95.8s，在15MW的時(shí)是56.4s。可以得知6MW煙氣到達(dá)頂層的時(shí)間比15MW所用的時(shí)間晚39.4s。

圖5火源功率為6MW時(shí)，煙氣到達(dá)頂層的時(shí)間

圖6火源功率為15MW時(shí)，煙氣到達(dá)頂層的時(shí)間

3.2在不同火源功率下，頂層溫度隨時(shí)間的變化

以50℃為臨界溫度，高于此臨界溫度人將無法正常居住。圖7顯示在6MW的時(shí)候樓道的溫度達(dá)到臨界溫度的時(shí)間是107s，而圖8顯示，在15MW的時(shí)候，樓道達(dá)到臨界溫度的時(shí)間為74s?？梢缘弥鹪垂β蕿?5MW時(shí)頂層達(dá)到臨界溫度的時(shí)間比6MW所用的時(shí)間早33s。

3.3不同開口對(duì)頂層煙氣層厚度的影響（6MW）

在確定火源功率為6MW的情況下，同時(shí)打開2樓和8樓的門和只打開4樓的門，研究煙氣到達(dá)頂層的時(shí)間，當(dāng)煙氣厚度相同時(shí)，記錄下此時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間，再比較其二者的時(shí)間。具體如圖9，圖10所示。

從圖中可以看出，打開2樓和8樓的門，煙氣在95.8s時(shí)到達(dá)頂層。而只打開4樓的門時(shí)，煙氣在87.2s到達(dá)頂層。同時(shí)打開2樓和8樓的門比只打開4樓的門煙氣會(huì)遲8.6秒到達(dá)頂層。人可以充分利用8.6秒的時(shí)間進(jìn)行逃生。

4結(jié)論

本文就火源功率和開口對(duì)煙囪效應(yīng)的影響展開分析，得出以下結(jié)論：在開口不變的狀況下，火源功率越大，留給高層建筑高樓層人員逃生時(shí)間越短，達(dá)到相同煙層厚度的時(shí)間差為39.4s和臨界溫度到達(dá)的時(shí)間差為33s;在火源功率不變的情況下，開口越大越多，留給高層建筑高樓層人員逃生時(shí)間越長，從煙層厚度和臨界溫度到達(dá)的時(shí)間差為8.6s。

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