淺析FDS火災(zāi)模擬在高層辦公建筑的應(yīng)用

劉 富 貴

(中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 611130)

0 前 言

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平的日益提高，高層及超高層建筑急劇增多。建筑高度不斷攀升，體量跨度越來越大，隨之而來的火災(zāi)事故也呈高發(fā)、頻發(fā)態(tài)勢(shì)。作為高層建筑的典型，高層辦公建筑的火災(zāi)防控成為消防管理中最為重要的工作。高層辦公建筑因人員密集、可燃物種類繁多且數(shù)量大、火災(zāi)及衍生的高溫氣體蔓延迅速等特性，讓員工如何逃離火災(zāi)危險(xiǎn)區(qū)域成為亟待研究的重要課題[1]。因此掌握高層辦公建筑火災(zāi)時(shí)煙氣運(yùn)動(dòng)、火場(chǎng)能見度等規(guī)律，對(duì)于高層辦公建筑內(nèi)人員疏散逃生以及消防撲救等具有重要意義。

為了提高高層辦公建筑火災(zāi)人員逃生虛擬演練的真實(shí)性和科學(xué)性，在做好火災(zāi)事故預(yù)防的同時(shí)，完善應(yīng)急措施也是非常關(guān)鍵的一環(huán)。如何在火災(zāi)事故中選擇逃生線路，縮短逃生時(shí)間，減小火災(zāi)事故中造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，是消防安全管理的重要目標(biāo)之一。

1 模擬軟件FDS應(yīng)用的原因

2009年中央電視臺(tái)附屬文化中心起火，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1.6億元，這是我國高層辦公建筑火災(zāi)損失特大的一次。長期以來各種火災(zāi)事故從未停止過，國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)生的“4·28靈石中凱大廈火災(zāi)事故”“4·15巴黎圣母院火災(zāi)事故”“6·14倫敦公寓樓火災(zāi)事故”等均影響巨大、損失慘重。成都周邊也發(fā)生了如“3·6成都武侯區(qū)火災(zāi)事故”“7·28四川成都居民樓火災(zāi)事故”“12·18成都國稅辦公大樓火災(zāi)事故”等，消防安全形勢(shì)嚴(yán)峻。

目前，人們對(duì)消防安全的認(rèn)識(shí)普遍停留在滅火器材的使用和逃生注意事項(xiàng)層面，對(duì)高層辦公建筑實(shí)景情況下可能發(fā)生火災(zāi)及其應(yīng)對(duì)措施、路線選擇均沒有形成完整概念。影響高層辦公建筑人群疏散效率的原因包括反應(yīng)時(shí)間、人群密度、人群移動(dòng)速度、可移動(dòng)空間、流動(dòng)量的大小等眾多因素。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)DS軟件能夠?qū)Ω鞣N建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行有效數(shù)值模擬，可以用來研究火災(zāi)特性和評(píng)估建筑物火災(zāi)安全系統(tǒng)的性能[2]。本文運(yùn)用FDS軟件對(duì)某19層辦公建筑進(jìn)行火災(zāi)能見度及撤離時(shí)間等模擬計(jì)算，為火災(zāi)時(shí)高層辦公建筑人員撤離和應(yīng)急方案的制定提供理論依據(jù)。

2 FDS模擬介紹

2.1 FDS模型簡(jiǎn)介

模擬軟件FDS是美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局(NIST)建筑火災(zāi)研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)場(chǎng)模擬軟件。它是一種火焰驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模型。該模型可用數(shù)值方法求解適合低速的熱驅(qū)動(dòng)流的Nervier-Stokes方程，以火災(zāi)時(shí)的煙氣流動(dòng)和熱傳遞為研究對(duì)象[3]。它主要利用質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程和動(dòng)量守恒的偏微分方程來近似有限差分，并將空間劃分為一系列網(wǎng)格，在單體網(wǎng)格內(nèi)求解方程，確定火災(zāi)基本參數(shù)在空間各點(diǎn)上的分布及隨時(shí)間發(fā)生的變化，重點(diǎn)適用于火災(zāi)導(dǎo)致的熱、煙傳播和蔓延的數(shù)值模擬，并得到了大型及全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。隨著軟件的深入開發(fā)，F(xiàn)DS軟件正致力于解決消防安全工程中的一系列實(shí)際火災(zāi)問題，成為燃燒和火災(zāi)動(dòng)力學(xué)研究的有力工具。

FDS軟件建立的模型能夠體現(xiàn)火場(chǎng)的空間幾何形狀和尺寸，被模擬的建筑被劃分為若干小型三維矩形控制體積或計(jì)算元胞，其中計(jì)算的參數(shù)包括密度、速度、溫度、壓力和氣體種類及濃度。根據(jù)質(zhì)量守恒、能量守恒、動(dòng)量守恒和物種平衡方程，F(xiàn)DS可模擬火災(zāi)氣體和煙氣的生成及運(yùn)動(dòng)。具體而言，就是利用室內(nèi)辦公用品、地面材料、壁面材料及屋頂材料的熱物理性質(zhì)，F(xiàn)DS就可以計(jì)算火災(zāi)的發(fā)展和蔓延趨勢(shì)。

2.2 安全性判定準(zhǔn)則及判據(jù)

保證人員安全疏散是建筑防火設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要安全指標(biāo)。人員安全疏散即建筑物內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，整個(gè)建筑系統(tǒng)(包括消防系統(tǒng))能夠?yàn)榻ㄖ械乃腥藛T提供足夠的時(shí)間疏散到安全地點(diǎn)，整個(gè)疏散過程中人員不應(yīng)受到火災(zāi)的危害。

建筑內(nèi)的使用者撤離到安全地帶所花的時(shí)間(RSET)小于火勢(shì)發(fā)展到超出人體耐受極限的時(shí)間(ASET)，則表明達(dá)到人員生命安全的要求。保證安全疏散的判定準(zhǔn)則為：

RSET+TS

(1)

式中，RSET為疏散時(shí)間；ASET為開始出現(xiàn)人體不可忍受情況的時(shí)間；TS為安全裕度。

疏散時(shí)間(RSET)，即建筑中人員從疏散開始至全部人員疏散到安全區(qū)域所需要的時(shí)間。疏散過程大致可分為感知火災(zāi)、疏散行動(dòng)準(zhǔn)備、疏散行動(dòng)及到達(dá)安全區(qū)域等幾個(gè)階段。

危險(xiǎn)到來時(shí)間(ASET)，即疏散人員開始出現(xiàn)生理或心理不可忍受情況的時(shí)間。一般情況下，火災(zāi)煙氣是影響人員疏散的最主要因素，常常以煙氣降至一定高度或濃度超標(biāo)的時(shí)間作為危險(xiǎn)來臨時(shí)間。

安全裕度(TS)，即防火設(shè)計(jì)為疏散人員所提供的安全余量。

火災(zāi)時(shí)人員疏散過程與火災(zāi)發(fā)展過程的關(guān)系可用圖1來表示。在人員疏散時(shí)間與火勢(shì)蔓延時(shí)間之間引入安全系數(shù)，以解決在發(fā)生火情可能出現(xiàn)的不確定性問題。

圖1火災(zāi)發(fā)展與人員疏散參數(shù)關(guān)系

火災(zāi)對(duì)人員的危害主要來源于火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣，主要表現(xiàn)為煙氣的熱作用和毒性。另外對(duì)于疏散而言，煙氣的能見度也是一個(gè)重要的影響因素。所以在分析火災(zāi)對(duì)疏散的影響時(shí)，一般從溫度、毒性氣體的濃度、能見度等方面進(jìn)行討論。

2.2.1 疏散時(shí)間(RSET)預(yù)測(cè)

疏散時(shí)間(RSET)包括疏散開始時(shí)間(Tstart)和疏散行動(dòng)時(shí)間(Taction)兩部分。疏散時(shí)間預(yù)測(cè)采用以下方法：

RSET=Tstart+Taction

(2)

(1)疏散開始時(shí)間(Tstart)，即從起火到開始疏散的時(shí)間。一般而言，疏散開始時(shí)間與火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)，起火場(chǎng)所、人員相對(duì)位置，疏散人員狀態(tài)及狀況、建筑物形狀及管理狀況，疏散誘導(dǎo)手段等因素有關(guān)。疏散開始時(shí)間(Tstart)可分為探測(cè)時(shí)間(Td)、報(bào)警時(shí)間(Ta)和人員的疏散預(yù)動(dòng)時(shí)間(TprG)。

Tstart=Td+Ta+TprG

(3)

式中，①探測(cè)時(shí)間(Td)為火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展將觸發(fā)火災(zāi)探測(cè)與報(bào)警裝置而發(fā)出報(bào)警信號(hào)，使人們意識(shí)到有異常情況發(fā)生，或者人員通過本身的味覺、嗅覺及視覺系統(tǒng)察覺到火災(zāi)征兆的時(shí)間；②報(bào)警時(shí)間(Ta)為從探測(cè)器動(dòng)作或報(bào)警開始至警報(bào)系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)間；③人員的疏散預(yù)動(dòng)時(shí)間(TprG)，即人員的疏散預(yù)動(dòng)時(shí)間為人員從接到火災(zāi)警報(bào)之后到疏散行動(dòng)開始之前的這段時(shí)間間隔，包括識(shí)別時(shí)間(TrGc)和反應(yīng)時(shí)間(TrGs)。

TprG=TrGc+TrGs

(4)

式中，①識(shí)別時(shí)間(TrGc)為從火災(zāi)報(bào)警或信號(hào)發(fā)出后到人員還未開始反應(yīng)的這一時(shí)間段。當(dāng)人員接受到火災(zāi)信息并開始作出反應(yīng)時(shí)，識(shí)別階段即結(jié)束；②反應(yīng)時(shí)間(TrGs)為從人員識(shí)別報(bào)警或信號(hào)并做出反應(yīng)至開始直接朝出口方向疏散之間的時(shí)間。與識(shí)別階段類似，反應(yīng)階段的時(shí)間長短也與建筑空間的環(huán)境狀況有密切關(guān)系，從數(shù)秒鐘到數(shù)分鐘不等。

(2)疏散行動(dòng)時(shí)間(Taction)，即從疏散開始至疏散到安全地點(diǎn)的時(shí)間，它由疏散動(dòng)態(tài)模擬模型模擬得到。疏散行動(dòng)時(shí)間預(yù)測(cè)是以建筑中人員疏散有序且不發(fā)生恐慌為前提。

2.2.2 危險(xiǎn)到來時(shí)間(ASET)的預(yù)測(cè)

危險(xiǎn)到來時(shí)間的預(yù)測(cè)，需要分析在所設(shè)計(jì)的防排煙系統(tǒng)作用下，火災(zāi)產(chǎn)生的熱煙氣在高層辦公建筑內(nèi)的運(yùn)動(dòng)特性。擬采用FDS場(chǎng)模型進(jìn)行火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)分析。

2.3 FDS火災(zāi)模擬

通過FDS軟件輸入建筑結(jié)構(gòu)的幾何描述，計(jì)算元胞的尺寸，火源的位置，火源的熱釋放參數(shù)，室內(nèi)地面、壁面、屋頂材料和辦公用品的熱性能參數(shù)，房室門窗的尺寸和位置以及開放狀態(tài)和時(shí)間(對(duì)火災(zāi)發(fā)展和蔓延影響很大)，其中室內(nèi)材料的熱性能參數(shù)又包括幾何厚度、點(diǎn)燃溫度、單位面積的熱釋放速率、熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱發(fā)散系數(shù)，通過這些，F(xiàn)DS就可以計(jì)算火災(zāi)的發(fā)展和蔓延情況。

火災(zāi)產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈺?huì)對(duì)人體造成一定程度的傷害，一般高溫環(huán)境中不同空氣溫度和濕度對(duì)人體安全的影響時(shí)間不同。高層辦公建筑煙氣控制系統(tǒng)的消防安全設(shè)計(jì)目標(biāo)是保證在人員安全疏散完畢的時(shí)間內(nèi)，各區(qū)域煙氣的物理特性不超過人員的耐受指標(biāo)[5]，即：①清晰高度(人員活動(dòng)最高區(qū)域2 m以內(nèi))以下空間內(nèi)的煙氣溫度不超過60 ℃；②清晰高度(人員活動(dòng)最高區(qū)域2 m以內(nèi))以下空間內(nèi)的能見度大于10 m。

對(duì)于煙氣的毒性，一般認(rèn)為在可接受的能見度范圍內(nèi)，毒性都很低，不會(huì)對(duì)人員疏散造成影響。

火災(zāi)產(chǎn)生大量有害的高溫?zé)煔?，煙氣層必須保持在人員頭部以上一定高度，才能保證火災(zāi)發(fā)生后人員高效、安全地進(jìn)行疏散。

3 FDS在高層辦公建筑的應(yīng)用

目前，F(xiàn)DS軟件在國內(nèi)中央電視臺(tái)新臺(tái)址、國家體育場(chǎng)、奧林匹克會(huì)議中心、哈爾濱太平機(jī)場(chǎng)等建筑均已得到應(yīng)用。

本文以某高層辦公建筑為實(shí)例，建筑樓層數(shù)為19樓，層高3 m，辦公人員約1 650人，平面示意如圖2所示。FDS火災(zāi)模擬的火源位置設(shè)在第11層某辦公室，火災(zāi)場(chǎng)景A相關(guān)參數(shù)見表1。

圖2 火災(zāi)發(fā)生樓層平面示意

表1 火災(zāi)場(chǎng)景A基本參數(shù)

本文僅對(duì)火災(zāi)發(fā)生樓層和火災(zāi)發(fā)生以上樓層進(jìn)行分析。因火災(zāi)發(fā)生后，火災(zāi)對(duì)發(fā)生樓層以下的樓層影響較小，暫不對(duì)其進(jìn)行研究分析。

3.1 發(fā)生火災(zāi)樓層的模擬數(shù)據(jù)分析

著火房間的能見度會(huì)在70 s內(nèi)下降到1 m以下，人員必須在70 s內(nèi)離開著火房間，而走廊的能見度在200 s時(shí)下降到10 m以下，火災(zāi)發(fā)生樓層的人員需在200 s內(nèi)撤離該樓層。

3.2 火災(zāi)發(fā)生位置以上樓層的研究分析

(1)當(dāng)所有消防門、消防通道全部敞開并且排煙系統(tǒng)正常工作時(shí)，通過FDS模擬可以得出火災(zāi)發(fā)生位置以上樓層危險(xiǎn)來臨的時(shí)間分布，如表2所示。

表2 火災(zāi)發(fā)生樓層以上樓層危險(xiǎn)來臨時(shí)間分布

(2)當(dāng)所有消防門、消防通道全部關(guān)閉并且排煙系統(tǒng)正常工作時(shí)，通過FDS模擬可以得出火災(zāi)發(fā)生位置以上樓層危險(xiǎn)來臨的時(shí)間分布，如表3所示。

表3 A場(chǎng)景各樓層能見度危險(xiǎn)來臨時(shí)間分布

4 結(jié) 語

在設(shè)定的火災(zāi)條件下，不同情況對(duì)高層辦公建筑各樓層的影響不同，經(jīng)過模擬分析主要有以下內(nèi)容。

(1)著火房間人員必須在70 s內(nèi)離開房間，火災(zāi)樓層的人員需在200 s內(nèi)撤離開該樓層，火災(zāi)才不會(huì)對(duì)其造成危險(xiǎn)。

(2)當(dāng)所有消防門、消防通道全部敞開并且排煙系統(tǒng)正常工作的情況下，火災(zāi)發(fā)生后的第475.2 s開始，19層能見度開始存在危險(xiǎn)，1 200 s內(nèi)溫度不會(huì)對(duì)人員造成危險(xiǎn)。

(3)當(dāng)所有消防門、消防通道全部關(guān)閉并且排煙系統(tǒng)正常工作的情況時(shí)，火災(zāi)發(fā)生后1 200 s內(nèi)，12～19層距地面2.0 m高的平面上，其能見度大于10 m和溫度小于60 ℃，不會(huì)對(duì)人員造成危險(xiǎn)。