高層建筑凹型結(jié)構(gòu)外立面火災(zāi)豎向蔓延規(guī)律數(shù)值模擬

呂辰， 夏新興， 潘鍇， 羅分

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué)質(zhì)量與安全工程學(xué)院， 杭州 310018； 2.安徽理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院， 淮南 232001)

隨著城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，各類高層建筑如雨后春筍般拔地而起，同時(shí)也給城市帶來(lái)了較高的建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)中國(guó)消防統(tǒng)計(jì)2018年、2019年高層建筑火災(zāi)分別為6 306起次和6 974起次，僅一年就增長(zhǎng)了10.6%[1]，并且高層建筑一旦發(fā)生火災(zāi)，其火勢(shì)蔓延速度之快，救援難度之大，也給日常城市建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)防控帶來(lái)了新的難題。尤其是近年來(lái)常采用的凹型外立面墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一旦在凹型結(jié)構(gòu)體內(nèi)發(fā)生火災(zāi)事故，很容易引發(fā)火災(zāi)煙氣流煙囪效應(yīng)，使高溫火災(zāi)熱煙氣沿凹型外立面快速上升，并透過(guò)墻面上的窗戶縫隙和各種孔洞向高層建筑物內(nèi)滲入，室外冷空氣則因密度大，由低層卷吸進(jìn)入凹立面補(bǔ)充，從而促進(jìn)火勢(shì)加速向上蔓延。如2019年河南開封“3·14”以及2021年大連市“1·14”高層住宅樓火災(zāi)事故都呈現(xiàn)出這一特性，火災(zāi)在凹立面外墻結(jié)構(gòu)影響下，在短短的2 min時(shí)間內(nèi)快速向上蔓延十幾層到達(dá)建筑頂層，使消防救援基本無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)的有效控制。

近期國(guó)內(nèi)外學(xué)者就高層建筑外立面火災(zāi)蔓延規(guī)律進(jìn)行了大量研究，對(duì)影響火災(zāi)蔓延的各影響因素進(jìn)行了分析。例如，張玉濤等[2]借助FDS(fire dynamics simulator)數(shù)值模擬對(duì)凹型結(jié)構(gòu)建筑外立面擠塑聚苯乙烯(XPS)外墻保溫材料的火災(zāi)蔓延特性進(jìn)行了探究；黃新杰等[3]通過(guò)自主搭建的小尺寸火蔓延的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究了凹型結(jié)構(gòu)中保溫材料聚苯乙烯泡沫(EPS)垂直向上和向下蔓延特性；笪良軍等[4]、陳應(yīng)周[5]和丁超等[6]研究了EPS、XPS和硬 聚氨酯(PU)等典型建筑外墻保溫材料的燃燒性能及火災(zāi)蔓延行為；侯亞楠[7]研究了外墻保溫材料在防火隔墻條件下溢流火的火災(zāi)蔓延特性；Bakhtiyari等[8]分析了材料厚度和密度對(duì)外墻保溫材料火災(zāi)特性的影響；卿偉健等[9]為探究多窗口溢流火現(xiàn)象及機(jī)理，基于FDS建立兩種建筑模型，研究表明雙窗口溢流火對(duì)上層建筑立面墻的危險(xiǎn)性遠(yuǎn)大于單窗口溢流火；汪華兵[10]建立20層全尺寸辦公建筑三維全尺寸模型，探究了不同窗戶面積、窗戶位置對(duì)建筑外立面豎向火蔓延的影響；王宇等[11]研究了室內(nèi)外溫差對(duì)不同外立面超高層建筑窗口羽流火焰的影響以及火焰溫度的變化規(guī)律。李曉戀[12]重點(diǎn)關(guān)注了正壓送風(fēng)位置及送風(fēng)量對(duì)高層建筑豎井煙氣控制效果影響；尹晨晨等[13]、潘曉菲等[14]、雷晶晶等[15]利用數(shù)值模擬的方法研究得到了不同風(fēng)速下建筑外立面窗羽流溫度及速度矢量分布；張孝春等[16]對(duì)傾斜外立面火溢流沿程溫度分布特性進(jìn)行了研究，從而研究建立了適用于傾斜外立面火溢流沿程溫度分布的預(yù)測(cè)公式。綜上所述，關(guān)于外立面各影響因素對(duì)火災(zāi)蔓延規(guī)律的影響目前已開展了大量研究工作，而結(jié)構(gòu)本身對(duì)火災(zāi)蔓延規(guī)律的影響還研究尚少。

因此，現(xiàn)運(yùn)用FDS數(shù)值模擬方法，對(duì)凹型外立面建筑結(jié)構(gòu)特征對(duì)火災(zāi)蔓延規(guī)律的影響進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)比分析不同凹型外立面結(jié)構(gòu)因子對(duì)火場(chǎng)溫度、火焰前鋒蔓延速率的影響，為凹型結(jié)構(gòu)外立面建筑結(jié)構(gòu)消防安全優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 凹型結(jié)構(gòu)外立面火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)置

1.1 物理模型建立

研究對(duì)象選取中國(guó)東部地區(qū)某綜合辦公樓，該建筑主體部分長(zhǎng)48 m，寬18 m，高29 m，共計(jì)7層，如圖1所示。在建筑物正面共有兩處豎直高度為25 m的凹型外立面結(jié)構(gòu)，凹型結(jié)構(gòu)內(nèi)部背墻寬度為1.4 m，進(jìn)深為0.7 m。

圖1 建筑物正面視圖Fig.1 Front view of the building

1.2 火災(zāi)場(chǎng)景及模擬參數(shù)設(shè)置

模擬環(huán)境參數(shù)選取為常溫20 ℃，大氣壓力1.01 325×105Pa，重力加速度為9.8 m/s2?；鹪袋c(diǎn)設(shè)置在凹型建筑外立面中心線0.3 m高度處距離背墻0.01 m位置，模擬停放的電動(dòng)車自燃引發(fā)的火災(zāi)事故情景。

火災(zāi)發(fā)展過(guò)程中火源對(duì)外界的熱釋放功率計(jì)算公式為

Q=αt2

(1)

式(1)中：t為模擬時(shí)間，s；α為火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)，kW/s2。采用t2火災(zāi)增長(zhǎng)超快速火模型，考慮停放在樓層底部的電動(dòng)車自燃事故情景，設(shè)置火災(zāi)熱釋放功率為1 MW，火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)α=0.187 kW/s2。

依據(jù)復(fù)雜的火災(zāi)煙羽動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，采用大渦模擬(large eddy simulation，LES)算法模擬火災(zāi)蔓延發(fā)展過(guò)程，模擬時(shí)間設(shè)定為120 s。

網(wǎng)格是數(shù)值模擬運(yùn)算的最小單元，網(wǎng)格尺寸參數(shù)的合理選取將對(duì)計(jì)算的準(zhǔn)確度產(chǎn)生一定的影響。在綜合考慮火羽流的發(fā)展?fàn)顟B(tài)和計(jì)算機(jī)實(shí)際運(yùn)算能力的基礎(chǔ)上，判斷準(zhǔn)則合理確定網(wǎng)格尺寸大小[17-18],依據(jù)為

D*/δx∈[8,10]

(2)

(3)

式(2)中：D*為火源特征尺寸；δx為火源所在網(wǎng)格單元尺寸；Q為火源釋放速率，kW；ρ∞為環(huán)境溫度下氣體密度，取值1.2 kg/m3；Cp為空氣的定壓比熱容，取值1.02 kJ/(kg·K)；T∞為環(huán)境溫度，K；g為重力加速度，m/s2。

將已知設(shè)定參數(shù)代入式(2)和式(3)計(jì)算可知，δx取值范圍為0.095～0.119，因此，本物理模型設(shè)定網(wǎng)格單元尺寸取定為0.1 m×0.1 m×0.1 m。

2 凹型外立面火災(zāi)蔓延規(guī)律研究

XPS外墻保溫材料物理特性參數(shù)如表1所示，其在火焰加熱的情況下，一般需經(jīng)歷以下材料物理性狀變化過(guò)程：升溫、熔融、分解、升華、達(dá)到燃點(diǎn)后著火燃燒。雖然此變化過(guò)程會(huì)伴有熱量的吸收，但考慮到吸收的熱量相對(duì)較小且難以量化表征，故在模擬計(jì)算過(guò)程中暫不對(duì)其進(jìn)行考慮。

表1 XPS外墻保溫材料物理特性參數(shù)Table 1 Physical characteristics parameters of XPS exterior wall insulation materials

2.1 建筑凹型外立面火場(chǎng)溫度變化特征

在不同外立面結(jié)構(gòu)工況條件下，凹型外立面離地面不同高度，不同時(shí)間測(cè)點(diǎn)溫度值計(jì)算結(jié)果如表2所示。由表2數(shù)據(jù)分析可知，外立面保溫材料初始階段升溫速率較慢，當(dāng)達(dá)到某一臨界溫度后開始迅速上升發(fā)生燃燒，最后燃燒溫度趨于穩(wěn)定，如離地面5 m處在20 s左右溫度開始上升，在隨后的10 s內(nèi)，溫度上升至622.02 ℃，平均升溫速率達(dá)62.2 ℃/s，50 s后火災(zāi)燃燒溫度漸趨于穩(wěn)定達(dá)900 ℃。但是，不同離地高度最終達(dá)到的火焰燃燒溫度不同，整體而言，高度越高最終穩(wěn)定燃燒溫度值也越高。因?yàn)?，?dāng)離地高度越高時(shí)，越接近大樓頂部，導(dǎo)致火焰向上蔓延速率減緩，低層火焰燃燒產(chǎn)生的大量高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)熱對(duì)流、傳導(dǎo)、輻射等形式在高層產(chǎn)生聚積，從而造成高層穩(wěn)定燃燒溫度值較高。

表2 凹型外立面各測(cè)點(diǎn)處溫度隨樓層高度變化情況Table 2 Temperature change with floor height at each measuring point of concave fa?ade

對(duì)于平面外立面結(jié)構(gòu)墻體而言，相同測(cè)點(diǎn)火焰燃燒溫度與凹型外立面結(jié)構(gòu)相比存在較大的差異，如圖2所示。在離地面5 m以下時(shí)，兩者火焰燃燒溫度上升趨勢(shì)基本相同，但隨著離地面高度升高，由于凹型外立面墻體受煙囪效應(yīng)作用影響，其火焰豎向蔓延速率與平面外立面相比增加，并且高度越高煙囪效應(yīng)作用效果越顯著，溫度差異越大。

圖2 不同高度處不同外立面形式溫度變化曲線Fig.2 Temperature change curves of different fa?ade forms at different heights

2.2 建筑凹型外立面火焰前鋒變化特征

當(dāng)電動(dòng)車自燃導(dǎo)致外立面墻體保溫材料發(fā)生燃燒時(shí)，燃燒火焰沿墻體不斷向上發(fā)生豎向蔓延，為描述外立面火焰豎向傳播變化特性，采用火焰前鋒隨時(shí)間傳播速率變化曲線進(jìn)行分析。經(jīng)數(shù)值模擬和數(shù)學(xué)擬合計(jì)算得到了不同外立面條件下火焰前鋒隨時(shí)間傳播速率變化曲線，如圖3所示。根據(jù)圖分析可知：兩種類型的外立面火焰前鋒高度發(fā)展隨時(shí)間變化規(guī)律大體均呈指數(shù)函數(shù)變化關(guān)系，外墻保溫材料火焰前鋒高度隨時(shí)間推移先緩慢增加后快速上升，高度越高，火焰前鋒蔓延速率越大。同時(shí)應(yīng)注意到凹型外立面火焰前鋒上升速率明顯大于平面外立面，火災(zāi)蔓延至27 m高度時(shí)，平面外立面需耗時(shí)40 s，而凹型外立面僅需26 s，火災(zāi)蔓延速率從1.9 m/s增大到16.7 m/s，增長(zhǎng)幅度達(dá)779%。因此可知，外立面結(jié)構(gòu)的變化對(duì)火焰?zhèn)鞑ゴ嬖谳^大影響。

圖3 火焰前鋒隨時(shí)間變化情況Fig.3 Flame strikers change over time

3 凹型外立面消防安全優(yōu)化設(shè)計(jì)

上述研究表明，凹型外立面建筑結(jié)構(gòu)形式在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，易導(dǎo)致煙囪效應(yīng)，加速火災(zāi)豎向蔓延速度，對(duì)高層建筑消防救援產(chǎn)生極其不利的影響。為此，現(xiàn)從緩解煙囪效應(yīng)的角度出發(fā)，提出通過(guò)改變外立面結(jié)構(gòu)因子和增設(shè)防火挑檐的技術(shù)措施，減緩凹型外立面火災(zāi)豎向蔓延速率，為消防救援爭(zhēng)取寶貴時(shí)間。

3.1 結(jié)構(gòu)因子對(duì)火災(zāi)蔓延影響

a為凹型外立面寬度，b為凹形外立面進(jìn)深圖4 外立面結(jié)構(gòu)因子Fig.4 Fa?ade structural factor

由表3數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)?≠0時(shí)，此時(shí)受煙囪效應(yīng)作用，燃燒火焰沿豎向蔓延速度明顯增快。隨結(jié)構(gòu)因子?不斷增大，火焰前鋒到達(dá)各高度時(shí)間大體上呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)?=0.5時(shí)，火焰前鋒豎向蔓延速率達(dá)到最大；當(dāng)?>0.5時(shí)，隨著凹型外立面進(jìn)深加大，因側(cè)向卷吸新鮮空氣作用困難，助燃氧氣不能得到及時(shí)補(bǔ)充，對(duì)火焰沿豎向蔓延將產(chǎn)生一定減緩作用影響。

表3 不同結(jié)構(gòu)因子外立面火焰前鋒到達(dá)各高度時(shí)間Table 3 Time for different structural factors for the flame strikers to reach each altitude

3.2 防火挑檐對(duì)火災(zāi)蔓延影響

依據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 5016—2014)及上述研究結(jié)果，提出設(shè)置突出外墻0.6 m，距離樓層窗口下檐0.1 m的防火挑檐設(shè)計(jì)，如圖5所示。對(duì)凹型外立面無(wú)防火挑檐和有防火挑檐兩種工況條件下，外立面溫度分布及火災(zāi)豎向蔓延規(guī)律進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果如表4所示。由計(jì)算結(jié)果可知，在未設(shè)置防火挑檐情況下，火災(zāi)豎向蔓延速率較快，在27 s多時(shí)燃燒火焰便已蔓延至樓層頂部28 m；在設(shè)置防火挑檐的情況下，火災(zāi)豎向蔓延速率大幅度降低，在接近30 s時(shí)燃燒火焰只達(dá)到7.54 m，有效阻止火勢(shì)向高處相鄰住戶蔓延。因?yàn)榉阑鹛糸艿脑O(shè)置，一方面有效削弱煙囪效應(yīng)的形成；另一方面起到了很好的阻火隔熱作用。

圖5 防火挑檐示意圖Fig.5 Schematic diagram of fireproof eaves

表4 不同挑檐工況下外立面火焰前鋒到達(dá)各高度時(shí)間Table 4 The time when the flame strikers on the facade reach each height under different eaves conditions

4 結(jié)論

(1)凹型外立面火災(zāi)豎向蔓延速率較平面外立面顯著增加，建筑高度越高煙囪效應(yīng)作用效果越顯著，火焰豎向蔓延速率越快，且火焰前鋒高度隨時(shí)間變化規(guī)律大體符合指數(shù)函數(shù)變化關(guān)系。

(2)凹型外立面結(jié)構(gòu)因子改變對(duì)火災(zāi)豎向蔓延規(guī)律會(huì)產(chǎn)生一定影響，當(dāng)?=0.5時(shí)，火災(zāi)前鋒豎向蔓延速率達(dá)到最大；當(dāng)?>0.5，隨著凹型外立面進(jìn)深加大，因側(cè)向卷吸作用困難，助燃氧氣得不到及時(shí)補(bǔ)充，對(duì)火焰沿豎向蔓延產(chǎn)生一定減緩作用影響。

(3)在設(shè)置防火挑檐的情況下，火災(zāi)豎向蔓延速率大幅度降低，在接近30 s時(shí)燃燒火焰只達(dá)到7.54 m，防火挑檐的設(shè)置一方面可以有效削弱煙囪效應(yīng)的形成，另一方面可以起到很好的阻火隔熱作用，可有效阻止火勢(shì)沿凹型外立面向高處相鄰住戶蔓延。

本文在工況條件設(shè)置時(shí)未考慮外界風(fēng)速變化對(duì)火災(zāi)豎向蔓延規(guī)律的影響，下一步將對(duì)此做更進(jìn)一步深入研究。