不同風速條件下村鎮(zhèn)木結(jié)構(gòu)建筑防火間距的數(shù)值模擬研究

谷 凡，張玉玉，姜喻涵，谷 池，南 宇

(沈陽建筑大學土木工程學院，遼寧 沈陽 110168)

我國西南地區(qū)村鎮(zhèn)木結(jié)構(gòu)建筑之間多為檐廊相接，一旦發(fā)生火災，容易出現(xiàn)“火燒連營”的現(xiàn)象，存在極大的火災隱患。因此，對我國村鎮(zhèn)木結(jié)構(gòu)建筑防火間距的研究尤為重要[1-4]。目前，國內(nèi)外學者在木結(jié)構(gòu)建筑火災方面進行了相關(guān)研究[5-12]。周強[13]對不同熱流條件下三種木材的外形變化趨勢進行了試驗研究。A.Menis[14]對無保護交互疊放型木樓板進行了耐火性試驗研究。 S.F.Tung[15]對全尺寸木結(jié)構(gòu)建筑模型進行了火災試驗研究，探究了木結(jié)構(gòu)建筑的室內(nèi)火災發(fā)展規(guī)律和蔓延規(guī)律。李思禹[16]對文物古建筑物的火災危險性及抗火性能進行了研究。懷超平[17]采用FDS軟件對木結(jié)構(gòu)文物古建筑物的火災蔓延規(guī)律及其影響因素進行了數(shù)值模擬研究。韓雷[18]采用FDS軟件對古寺廟大殿的火災蔓延過程進行了數(shù)值模擬研究，針對溫度、煙氣變化等情況，提出文物古建筑的火災防控措施。王雁楠[19]采用FDS軟件對木結(jié)構(gòu)建筑間火災蔓延進行了數(shù)值模擬研究，指出建筑間距和風速是影響火災蔓延的主要因素。關(guān)于木結(jié)構(gòu)建筑火災方面的研究，多局限于木材耐火性能和木結(jié)構(gòu)建筑室內(nèi)火災蔓延等方面，而關(guān)于村鎮(zhèn)木結(jié)構(gòu)建筑間的火災蔓延規(guī)律以及防火間距的研究相對薄弱。影響木結(jié)構(gòu)建筑防火間距的因素包括起火建筑的火災荷載、建筑群的整體布局和大氣環(huán)境等因素，其中風速的影響應予以重點關(guān)注。基于此，筆者對不同風速條件下的木結(jié)構(gòu)建筑間的火災蔓延規(guī)律進行數(shù)值模擬研究，探索風速對木結(jié)構(gòu)建筑防火間距的影響規(guī)律。研究表明：木結(jié)構(gòu)建筑的防火間距隨著風速的增加而增加，在風速為4 m/s時出現(xiàn)極大值；當風速大于4 m/s時，隨著風速的繼續(xù)增加，熱量加速擴散，導致防火間距出現(xiàn)降低的趨勢。綜合考慮地形、地勢以及大氣環(huán)境等各種不確定因素的影響，建議西南地區(qū)村鎮(zhèn)木結(jié)構(gòu)建筑的防火間距值在12 m以上。

1 數(shù)值模型

1.1 模型尺寸

計算模型為西南地區(qū)典型的穿斗式木結(jié)構(gòu)建筑，其長×寬×高為10.3 m×7.6 m× 6.5 m。墻外圍門、窗洞口寬×高分別為1.1 m×2.1 m、1.1 m×0.9 m，室內(nèi)門洞口寬×高為0.9 m×2.1 m，室內(nèi)布置床、沙發(fā)等家具(火災荷載)，數(shù)值模型如圖1所示。火源位于一層客廳，面積為0.4 m×0.4 m，模擬著火時間為1 000 s，燃燒類型為非穩(wěn)態(tài)t2火模式。

圖1 穿斗式木結(jié)構(gòu)建筑數(shù)值模型Fig.1 Numerical model of chuan-dou type timber structure building

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分對數(shù)值模擬的計算結(jié)果具有較大影響，為兼顧計算精度和計算機處理器運行時間，筆者設(shè)定模擬計算區(qū)域為23 m×20 m×8 m，并將其劃分為兩個計算子區(qū)域，每個計算子區(qū)域按照不同的網(wǎng)格尺寸分別進行獨自的網(wǎng)格劃分，如圖2和表1所示，網(wǎng)格總數(shù)為352 640個。

圖2 計算子區(qū)域的劃分Fig.2 Division of simulation sub-regions

表1 計算子區(qū)域的網(wǎng)格劃分Table 1 Mesh generation of simulation sub-regions

1.3 測點布置

在起火建筑物后立面墻體的后方布置熱輻射通量計，共計4組。A組、B組熱輻射通量計布置在左側(cè)房間窗口處，距地面高度分別為3.0 m、5.0 m；C組、D組熱輻射通量計布置在中間房間窗口處，距地面高度分別為3.0 m、5.0 m。 每組熱輻射通量計包括10個測點，在水平方向上相互間隔0.5m，如圖3所示。此外，在起火建筑物后立面墻體的后方，在距離墻體0.5 m、1.0 m、1.5 m…處，等間距布置豎向溫度切片，共計10組，如圖4所示。

圖3 熱輻射通量測點布置圖Fig.3 Layout of thermal radiation flux measuring points

圖4 溫度切片布置圖Fig.4 Layout of temperature slices

1.4 工況設(shè)置

筆者以西南地區(qū)典型城市昆明市的風場特征為代表，研究風速對木結(jié)構(gòu)建筑防火間距的影響規(guī)律。根據(jù)昆明基準氣候站近10年觀察數(shù)據(jù)[20]得知：昆明市平均風速小于5.0 m/s。為此，建立6種火災場景分別對應于不同的風速，風速取值分別為0 m/s、1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s和5 m/s，由計算域的+Y面(即建筑物前立面)吹入，起火建筑物的門窗均設(shè)為開啟狀態(tài)。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 場景1

對于場景1，在風速為0 m/s的情況下，當燃燒時間為600 s時，木結(jié)構(gòu)建筑進入燃燒充分發(fā)展階段。若起火建筑物與相鄰建筑物距離過近，則極易通過熱輻射作用導致相鄰建筑物發(fā)生火災，即建筑物之間的火災蔓延。選取距離起火建筑物后立面墻體1.0 m、2.0 m、3.0 m、4.0 m的溫度切面，得到相應位置處的溫度云圖，如圖5所示。由于起火房間設(shè)置在一樓中間房間室內(nèi)，因此在火災充分發(fā)展階段，熱對流與熱輻射作用導致二樓中間房間窗口上方的溫度最高。選取該位置處的10個熱輻射通量測點值(即圖3中的D組熱輻射通量測點)，可以得到距離起火建筑物后立面墻體不同位置處的熱輻射通量密度隨時間的變化曲線，如圖6所示。

圖5 場景1在燃燒時間為600 s時的溫度云圖Fig.5 Temperature contour chart of scene 1 at combustion time of 600 s

圖6 不同位置處的熱輻射通量密度隨時間的變化曲線Fig.6 The variation of thermal radiation flux density with time at different positions

熱輻射通量密度隨著火災的發(fā)展而逐漸增大，隨著與起火建筑物距離的增大而減??；當燃燒時間到達600 s后，各位置處的熱輻射通量密度逐漸進入穩(wěn)定狀態(tài)。由圖6可以獲得木結(jié)構(gòu)建筑進入燃燒充分發(fā)展階段時的熱輻射通量密度與起火建筑物距離的關(guān)系曲線，如圖7所示，其擬合公式為

E=36.625x-0.618.

(1)

式中：E為熱輻射通量密度，kW/m2；x為與起火建筑物的水平距離，m。

由圖7可知：木結(jié)構(gòu)建筑進入燃燒充分發(fā)展階段后，距離起火建筑后立面墻體0.5 m處的平均熱輻射通量值約為50 kW/m2，距離起火建筑后立面墻體5.0 m處的平均熱輻射通量值約為13 kW/m2。美國消防協(xié)會NFPA建筑材料防火浸漬木材與防火涂料標準[21]指出：對于經(jīng)過防火處理的建筑木材，當表面熱輻射通量密度達到12.6 kW/m2時，木材將被引燃。根據(jù)式(1)的擬合公式可以得出：當風速為0 m/s時，木結(jié)構(gòu)建筑的防火間距約為5.62 m。

圖7 在燃燒充分發(fā)展階段熱輻射通量密度與起火建筑物距離的關(guān)系(風速為0 m/s)Fig.7 Relationship between thermal radiation flux density and the distance to fire building in the full combustion stage(wind speed of 0 m/s)

2.2 場景2—場景6

對于場景2—場景6，即在風速v分別為1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s和5 m/s的情況下，木結(jié)構(gòu)建筑進入燃燒充分發(fā)展階段的燃燒時間仍為600 s。當燃燒時間為600 s時，對距離起火建筑物后立面墻體不同距離的10組豎向溫度切片所記錄的溫度云圖進行對比分析可知：在二層中間房間窗口上方處的溫度值最高。選取該位置處的10個熱輻射通量測點值(即圖3中的D組熱輻射通量測點)，可得到距離起火建筑物后立面墻體不同位置處的熱輻射通量密度隨時間的變化曲線，如圖8所示。

圖8 不同位置處的熱輻射通量密度隨時間的變化曲線Fig.8 The variation of thermal radiation flux density with time at different positions

當燃燒時間為600 s時，各位置處的熱輻射通量值處于穩(wěn)定狀態(tài)，由圖8可以獲得當木結(jié)構(gòu)建筑進入燃燒充分發(fā)展階段后的熱輻射通量密度與起火建筑物距離的關(guān)系曲線，并可以得到相應的擬合曲線與擬合公式，如圖9所示。

圖9 在燃燒充分發(fā)展階段熱輻射通量值密度與起火建筑物距離的關(guān)系Fig.9 Relationship between thermal radiation flux density and the distance to fire building in the full combustion stage

美國消防協(xié)會NFPA標準[21]指出：對于經(jīng)過防火處理的建筑木材，當表面熱輻射通量密度達到12.6 kW/m2時，木材將被引燃。根據(jù)圖9中的擬合公式可以得出：當風速v為1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s和5 m/s時，木結(jié)構(gòu)建筑的防火間距分別約為5.84 m、6.11 m、6.52 m、6.81 m和6.51 m。

2.3 風速對木結(jié)構(gòu)建筑防火間距影響規(guī)律

當燃燒時間為600 s時，木結(jié)構(gòu)建筑進入燃燒充分發(fā)展階段，各位置處的熱輻射通量密度值處于穩(wěn)定狀態(tài)。若起火建筑物與相鄰建筑物距離過近，則極易通過熱輻射作用導致相鄰建筑物發(fā)生火災，即建筑群體間的火災蔓延。如前所述，美國消防協(xié)會NFPA規(guī)范指出木材引燃的表面熱輻射通量密度判據(jù)值為12.6 kW/m2；此外，吳偉[22]通過試驗指出常用木材引燃的表面熱輻射通量密度約為11.0～15.0 kW/m2。根據(jù)式(1)以及圖9中的擬合公式，可以得到不同風速條件下的木結(jié)構(gòu)建筑防火間距，如表2、圖10所示。

表2 不同風速條件下的木結(jié)構(gòu)建筑防火間距Table 2 Fire separation distance of timber structure buildings under different wind speeds

木結(jié)構(gòu)建筑間的防火間距隨著風速的增加而增加，且在風速為4 m/s時出現(xiàn)極大值；當風速大于4 m/s時，由于過大的風速會加速熱量的擴散，反而會導致防火間距出現(xiàn)降低的趨勢。對應于不同的木材，數(shù)值模擬計算得到的西南地區(qū)木結(jié)構(gòu)建筑防火間距推薦值為4.24～8.22 m。按照《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB 50016—2014)中的規(guī)定，四級民用建筑防火間距為12 m，綜合考慮地形、地勢以及大氣環(huán)境等不確定因素的影響，建議西南地區(qū)村鎮(zhèn)木結(jié)構(gòu)建筑防火間距值為12 m以上。

根據(jù)圖10，擬合木結(jié)構(gòu)建筑防火間距與風速的關(guān)系(對應于不同木材引燃的表面熱輻射通量密度判據(jù)值)，如式(2)所示。

d=

(2)

式中：d為木結(jié)構(gòu)建筑防火間距，m；x為風速，m/s；Ecr為木材引燃的表面熱輻射通量密度判據(jù)值，kW/m2。

3 結(jié) 論

(1)當燃燒時間為600 s時，木結(jié)構(gòu)建筑進入燃燒充分發(fā)展階段。熱輻射通量密度隨起火建筑距離的增加而減小，隨風速的增加而增大。當臨近木結(jié)構(gòu)建筑物表面熱輻射通量密度達到11.0～15.0 kW/m2時，極易通過熱輻射效應導致相鄰建筑物發(fā)生火災，即建筑物之間的火災蔓延。

(2)木結(jié)構(gòu)建筑防火間距隨風速的增加而增加，且在風速為4 m/s時出現(xiàn)極大值。當風速大于4 m/s時，過大的風速加速熱量的擴散，導致防火間距出現(xiàn)降低趨勢。對于不同品種的木材，數(shù)值模擬計算得到的西南地區(qū)木結(jié)構(gòu)建筑防火間距推薦值為4.24～8.22 m。綜合考慮《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB 50016—2014)以及各種不確定因素的影響，取安全系數(shù)1.5，建議西南地區(qū)村鎮(zhèn)木結(jié)構(gòu)建筑防火間距值為12 m以上。