基于火災(zāi)荷載的城市高層住宅建筑單室火災(zāi)模擬分析*

文波 王興茂

（1.西安建筑科技大學(xué)資源工程學(xué)院，西安 710055；2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安 710055）

0 引言

火災(zāi)是嚴(yán)重威脅人類生存和發(fā)展的自然災(zāi)害與人為災(zāi)害中最嚴(yán)重的常發(fā)性災(zāi)害之一，火災(zāi)中煙氣對人員的傷害最嚴(yán)重?；馂?zāi)的發(fā)生和發(fā)展是一個(gè)涉及湍流流動、燃燒、傳熱的帶有反應(yīng)的三維多相流動過程［1］?；馂?zāi)荷載的分布影響著火災(zāi)增長速率、火災(zāi)最大熱釋放速率及火災(zāi)持續(xù)時(shí)間等主要火行為參數(shù)。高層住宅建筑火災(zāi)多數(shù)起始于單室火災(zāi)，主要研究起火房間內(nèi)的溫度變化、火災(zāi)煙氣蔓延、煙氣層沉降和熱釋放速率等問題?，F(xiàn)階段對于火災(zāi)荷載及建筑單室火災(zāi)的研究主要有以下幾個(gè)方面。

國內(nèi)外對一些建筑物的火災(zāi)荷載進(jìn)行了調(diào)查統(tǒng)計(jì)，國際建筑研究與創(chuàng)新委員會第十四分委員會［2］、美國消防協(xié)會［3］對住宅建筑火災(zāi)荷載密度的統(tǒng)計(jì)平均值分別為780 MJ/m2、750 MJ/m2。KUMAR S等［4］統(tǒng)計(jì)印度住宅建筑火災(zāi)荷載密度為278～852MJ/m2；DOLEV I等［5］調(diào)查顯示塞爾維亞住宅建筑的平均火災(zāi)荷載密度為702 MJ/m2，火災(zāi)荷載密度為617～768 MJ/m2；李天等［6］計(jì)算得中原地區(qū)的住宅臥室活動火災(zāi)荷載為302.45～821.25 MJ/m2，平均值為520.26 MJ/m2，標(biāo)準(zhǔn)值為741.8 MJ/m2；王金平等［7］調(diào)查統(tǒng)計(jì)得北京地區(qū)住宅中的活動火災(zāi)荷載密度為327.71～1 110.17 MJ/m2，火災(zāi)荷載密度標(biāo)準(zhǔn)值為1 197.17 MJ/m2；程恩虎［8］對甘肅省不同檔次的住宅類建筑火災(zāi)荷載調(diào)查統(tǒng)計(jì)得低、中、高檔住宅火災(zāi)荷載分別為35.175、43.697、35.175 kg/m2。

對于單室火災(zāi)數(shù)理模型及實(shí)驗(yàn)研究，孟嵐等［9］建立了單室火災(zāi)數(shù)學(xué)物理模型，研究了釋熱速率的分布及房間平面面積對單室火災(zāi)發(fā)展的影響。對于單室火災(zāi)的煙氣運(yùn)動，周云斐等［10］模擬研究了環(huán)境風(fēng)作用下單室火災(zāi)自然排煙口的煙氣流動規(guī)律；張鵬等［11］模擬研究了單室結(jié)構(gòu)在有自然通風(fēng)條件下的火災(zāi)煙氣運(yùn)動規(guī)律。對于單室火災(zāi)危險(xiǎn)性預(yù)測，季經(jīng)緯等［12］預(yù)測了單室內(nèi)火災(zāi)危險(xiǎn)性，并根據(jù)熱輻射對人體的傷害確定安全疏散時(shí)間。對于特定的建筑，黃麗蒂等［13］探討了老年公寓的火災(zāi)發(fā)展、煙氣蔓延和人員安全疏散。胡緒鑫等［14］模擬研究了火災(zāi)荷載布局對單室火災(zāi)發(fā)展的影響。

綜上，對基于火災(zāi)荷載的住宅建筑火災(zāi)荷載分布特征及火災(zāi)可持續(xù)發(fā)展判據(jù)的研究較少，因此，筆者以住宅建筑物為研究對象，通過實(shí)地調(diào)研、理論分析和數(shù)值模擬試驗(yàn)等方式開展住宅建筑火災(zāi)行為分析，此類分析符合建筑單室實(shí)際且對掌握單室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展及建筑單室防火具有重要意義。

1 火災(zāi)荷載分布

1.1 火災(zāi)荷載調(diào)查

對西安地區(qū)的高層住宅進(jìn)行火災(zāi)荷載調(diào)查，主要調(diào)查房間使用情況、房間大小及火災(zāi)荷載大小，并對各住宅面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析?；馂?zāi)荷載調(diào)查與統(tǒng)計(jì)方法參考消防救援行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑火災(zāi)荷載調(diào)查與統(tǒng)計(jì)分析方法》（XF／T 1427—2017）［15］，共調(diào)查西安市碑林區(qū)、雁塔區(qū)等12個(gè)地區(qū)，每個(gè)區(qū)選擇1棟高層住宅建筑，每層2～4戶，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研無法直接進(jìn)入住宅內(nèi)部等實(shí)際情況，共得到150組住宅建筑內(nèi)火災(zāi)荷載調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，總面積約15 476 m2。通過查閱資料確定可燃物燃燒熱值，復(fù)合材料通過分析材料的組成及比例，計(jì)算其熱值，最終計(jì)算得火災(zāi)荷載。調(diào)研住宅面積分布統(tǒng)計(jì)見圖1。

圖1 住宅面積直方圖及正態(tài)曲線

由圖1可知，面積為80～130 m2的住戶數(shù)占調(diào)查總數(shù)的80.01%，面積為61～148 m2，平均住宅面積為103.2 m2，標(biāo)準(zhǔn)差為19.07 m2，調(diào)查所得數(shù)據(jù)基本服從正態(tài)分布，符合西安地區(qū)的典型住宅實(shí)際情況，能夠代表西安地區(qū)住宅的基本特征。

1.2 火災(zāi)荷載密度及分布

火災(zāi)荷載密度計(jì)算公式如下：

式中，q為火災(zāi)荷載密度，MJ/m2；mi為第i種可燃物的質(zhì)量，kg；Hi為材料的凈熱值，MJ/kg；A為防火分區(qū)水平地面面積，m2。

可燃物熱值公式為：

式中，M為可燃物的質(zhì)量，kg；qr為可燃物的燃燒熱值，MJ/kg；為可燃物材料密度，kg/m3；V為可燃物所用材料總體積，m3。

根據(jù)住宅內(nèi)可燃物質(zhì)量、燃燒熱值及面積，最終計(jì)算得各樣本火災(zāi)荷載、火災(zāi)荷載密度值。利用統(tǒng)計(jì)分析軟件IBM SPSS Statistics 25得高層住宅建筑火災(zāi)荷載密度相關(guān)數(shù)據(jù)，見表1。

表1 火災(zāi)荷載密度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) MJ/m2

《建筑火災(zāi)荷載規(guī)程》規(guī)定高層住宅建筑火災(zāi)荷 載密度的標(biāo)準(zhǔn)值公式為：

式中，q為平均值，MJ/m2；q為標(biāo)準(zhǔn)差，MJ/m2。

求得火災(zāi)荷載密度標(biāo)準(zhǔn)值為1 202.22 MJ/m2。根據(jù)《建筑火災(zāi)荷載規(guī)程》對于高層住宅建筑火災(zāi)荷載等級的劃分，800 MJ/m2

火災(zāi)荷載密度的頻數(shù)分布直方圖及正態(tài)曲線見圖2。通過表1及圖2的數(shù)據(jù)，判斷正態(tài)曲線和直方圖的擬合程度，假設(shè)火災(zāi)荷載密度近似服從正態(tài)分布，采用Q-Q圖對火災(zāi)荷載密度進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，如圖3所示。

圖2 火災(zāi)荷載密度直方圖及正態(tài)曲線

圖3 火災(zāi)荷載密度的正態(tài)Q-Q曲線

火災(zāi)荷載密度的正態(tài)Q-Q圖顯示實(shí)測值靠近直線，故服從正態(tài)分布。

2 單室火災(zāi)轟燃判據(jù)

Thomas提出的轟燃時(shí)最大熱釋放速率計(jì)算公式，其應(yīng)用比較廣泛，具體為［16］：

式中，Q為發(fā)生轟燃所需的熱釋放速率，kW；Av為通風(fēng)口面積，m2；Hv為通風(fēng)口高度，m；At為房間的內(nèi)表面積，m2，包括四周墻壁、頂棚、地板的面積，但扣除通風(fēng)口面積。

式中，Hv為通風(fēng)口高度，m；Bv為通風(fēng)口寬度，m。

若房間有若干個(gè)通風(fēng)口時(shí)，Av為所有通風(fēng)口的面積之和，Hv為各個(gè)通風(fēng)口高度按其面積的加權(quán)平均值，計(jì)算公式為：

轟燃發(fā)生的判據(jù)分為溫度判據(jù)和熱流判據(jù)。BENGT H等［17］通過實(shí)驗(yàn)依據(jù)提出單室內(nèi)上層熱煙氣溫度達(dá)到600℃作為轟燃溫度判據(jù)，實(shí)驗(yàn)房間高度為2.7 m。本文試驗(yàn)?zāi)M單室高度3.0 m，與BENGT H等實(shí)驗(yàn)房間比較相似，結(jié)合實(shí)際情況選擇溫度及Smokeview動畫作為單室轟燃判據(jù)。考慮到單室處于全封閉狀態(tài)，按照最不利原則，火災(zāi)荷載密度較大，因此集聚在頂棚的熱煙氣、上升的火羽流及由此產(chǎn)生的熱輻射幾乎全部轉(zhuǎn)換為室內(nèi)熱電偶測得的溫度，燃燒速率加快，發(fā)生轟燃的時(shí)間大幅縮短，通過觀察室內(nèi)單位體積熱釋放速率、溫度、室內(nèi)火勢隨時(shí)間發(fā)展Smokeview動畫輪廓以及各工況火源、火場溫度分布，確定是否發(fā)生轟燃。

3 單室火災(zāi)模型

3.1 模型建立

3.1.1 背景及網(wǎng)格劃分

本章分析對象為進(jìn)行過火災(zāi)荷載調(diào)研分析的某高層商住樓某戶（面積92 m2）主臥室。為研究高層住宅建筑火災(zāi)全面蔓延過程，考慮最不利原則，假設(shè)在無警報(bào)、防火門、防火卷簾及消防電梯，無自動噴淋系統(tǒng)和機(jī)械排煙系統(tǒng)的情況下進(jìn)行火災(zāi)模擬，主臥室房間開間3.6 m，進(jìn)深4.8 m，房頂凈高3.0 m，火災(zāi)荷載密度按照標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)定為1 202.22 MJ/m2。

根據(jù)住宅建筑單室的具體情況，并經(jīng)模擬試驗(yàn)精度，將臥室主體部分x、y、z方向采用0.1×0.1×0.1單元大小的網(wǎng)格，網(wǎng)格單元數(shù)量為：77 760。

3.1.2 火源及模擬工況設(shè)定

選擇火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)較大的火災(zāi)場景確定為火源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國建筑火災(zāi)事故中，因電氣原因發(fā)生的火災(zāi)占60%［18］。假設(shè)火是由于外接電源舊插座超期服役、插座超負(fù)荷運(yùn)行導(dǎo)致短路引起，從左側(cè)床頭柜或床上開始燃燒。

對于住宅建筑主臥室，參考式（6）、（7）、（8），通風(fēng)口面積Av按照窗戶洞口尺寸（寬×高）1 500 mm×1 500 mm、門洞口尺寸（寬×高）900 mm×2 100 mm計(jì)算，房間的內(nèi)表面積At為74.52m2，通風(fēng)口高度Hv的面積加權(quán)平均值為1.77 m，通風(fēng)口面積Av為4.14 m2，計(jì)算得通風(fēng)情況下發(fā)生轟燃所需的最大熱釋放速率Q為2 712.82 kW?？紤]到住宅建筑住戶離家時(shí)門窗緊閉，單室火災(zāi)一般在封閉空間發(fā)生，轟燃發(fā)生導(dǎo)致溫度升高煙氣突破門窗蔓延，此時(shí)的火災(zāi)最大熱釋放速率相較通風(fēng)狀況下的最大熱釋放速率明顯變小，不考慮外界風(fēng)對封閉空間單室火災(zāi)發(fā)展的影響，因此按照實(shí)際情況下的最不利原則確定住宅建筑單室熱釋放速率為3個(gè)等級0.5、1、3 MW，并設(shè)置0.1 MW的對照等級。按照火災(zāi)荷載密度標(biāo)準(zhǔn)值1202.22 MJ/m2計(jì)算得火災(zāi)增長系數(shù)=0.356 9 kW/s2，根據(jù)Q=at2，為0.356 9 kW/s2，上述火源均分布在墻角及單室中央面積為1 m2的可燃物表面上。針對火災(zāi)發(fā)生實(shí)際場景，通過改變火災(zāi)熱釋放速率及火源位置，從而產(chǎn)生了4種不同的模擬工況，如表2所示。

表2 工況設(shè)置

3.1.3 內(nèi)飾布置

簡化的房間內(nèi)飾材料及性質(zhì)如表3所示，所有內(nèi)飾材料的輻射率都為0.9。

3.1.4 溫度、煙氣探測設(shè)備

共創(chuàng)建熱電偶12個(gè)，THCP5表示火源處溫度，THCP1、THCP8分別布置在火源上方1.5 m和2.85 m處；火源位于墻角時(shí)，THCP2、THCP3、THCP4、THCP6、THCP7分別表示桌子、床頭柜、床鋪、衣柜、壁畫表面的溫度，THCP8、THCP9、THCP10、THCP11分別表示屋頂四角2.85 m高度處溫度；火源位于單室中央時(shí)，THCP2、THCP3、THCP4、THCP6、THCP7分別表示桌子、床頭柜（左右）、衣柜、壁畫表面的溫度，THCP9、THCP10、THCP11、THCP12分別表示室內(nèi)屋頂四角2.85 m高度處溫度；感煙探測設(shè)備SD1、SD2分別布置在門口1.5 m和2.85 m高處；在門口附近設(shè)置層區(qū)探測設(shè)備，z軸方向范圍為0.01～2.9 m；單室結(jié)構(gòu)、物品分布簡化模型如圖4所示。

圖4 探測設(shè)備及火源布置

3.2 單室火災(zāi)模擬結(jié)果分析

3.2.1 溫度

圖5為分別位于墻角、單室中央的火源及火源上方1.5 m、2.85 m處的溫度—時(shí)間曲線?；鹪礈厣€符合安全科學(xué)的流變-突變規(guī)律，包括溫升減速增加階段、溫升穩(wěn)定發(fā)展階段、溫升加速段、災(zāi)害發(fā)展階段及全面燃燒階段。工況一由于熱釋放速率小故達(dá)到轟燃所需火災(zāi)持續(xù)時(shí)間長，且其火源溫度總體趨勢低于工況二、三、四條件下的火源溫度?；鹪次挥趬恰问抑醒霑r(shí)，達(dá)到最大熱釋放速率時(shí)工況一火源處溫度分別達(dá)到427℃、472℃；火源位于墻角、單室中央時(shí)，3 000 kW火源上方1.5 m、2.85 m處的溫度分別為405、440℃和772、481℃，工況二、三、四在沒達(dá)到設(shè)定最大熱釋放速率情況下分別在30、20 s左右火源溫度上升到700℃左右。

圖5 溫度分布

圖6為火源位于墻角、單室中央時(shí)，工況一、二、三、四條件下THCP2、THCP3、THCP4、THCP6、THCP7溫度—時(shí)間曲線。THCP2、THCP3、THCP4三個(gè)測點(diǎn)溫度上升趨勢基本一致，THCP6、THCP7布置高度為2.3 m和2.0 m，熱煙氣最先到達(dá)頂層，由于屋頂?shù)恼趽?，隨著火勢的繼續(xù)發(fā)展，煙氣向四周蔓延擴(kuò)散，即頂棚射流，故THCP6、THCP7溫升曲線總體高于THCP2、THCP3、THCP4；3 000 kW火源功率時(shí)，THCP6、THCP7測得可燃物表面最高溫度分別為185℃、155℃和227℃、188℃，足以引燃家具及裝飾畫。

圖6 桌子、床頭柜、床鋪、衣柜、壁畫表面溫度

圖7為火源位于墻角、單室中央時(shí)，工況一、二、三、四條件下單室內(nèi)頂棚附近2.85 m高度處溫度—時(shí)間曲線。除去火源正上方2.85 m處測得溫度較高外，火源位置不同，分別測得單室屋頂四周溫度—時(shí)間曲線基本一致；火源位于墻角、單室中央時(shí)，屋頂四周其他部位最高溫度分別為150～200℃和100～250℃，火源正上方THCP8測得溫度分別達(dá)到444℃和481℃。

圖7 屋頂四角2.85 m高處溫度

綜上所述，火源位于單室中央比位于墻角處的火災(zāi)增長速率快。觀察室內(nèi)單位體積熱釋放速率動畫、室內(nèi)火勢隨時(shí)間發(fā)展輪廓以及不同火源位置不同工況條件下包括THCP8在內(nèi)的單室頂層各測點(diǎn)處溫度，由此可知，火源功率在1 000 kW及3 000 kW情況下形成轟燃，火源功率在3 000 kW時(shí)火災(zāi)增長速率最快，按照最不利原則，3 000 kW可作為單室火災(zāi)發(fā)展蔓延的最大火災(zāi)熱釋放速率，此結(jié)果既符合實(shí)際情況又滿足高層住宅建筑火災(zāi)在轟燃后突破門窗在通風(fēng)情況下火災(zāi)荷載密度對應(yīng)的最大火源功率。

3.2.2 熱釋放速率

火源位于墻角、單室中央時(shí)，在封閉單室內(nèi)火源熱釋放速率均未達(dá)到最大熱釋放速率就發(fā)生轟燃，熱釋放速率最高分別為1 532 kW、2 580 kW；單室內(nèi)聚積同等熱量工況四相較工況一、二、三用時(shí)更短；火災(zāi)熱釋放速率變大，單室內(nèi)熱量累積量也變大，火災(zāi)增長速率快，更易發(fā)生轟燃。最大熱釋放速率相同情況下，火源位于單室中央比墻角處的釋熱速率快，主要由于床頭柜材料為木材，而單室中央床鋪材料為棉麻絲織品更易發(fā)生熱解。

火源位于墻角、單室中央時(shí)，工況四條件下的輻射熱量最大，分別為414 kW和663 kW；最大熱釋放速率相同情況下，火源位于單室中央比墻角處的輻射熱損失大；輻射損失熱量與火源熱釋放速率總體呈正相關(guān)。

3.2.3 遮光率

火源位于單室中央時(shí)各工況測得SD1、SD2每米遮光率時(shí)間曲線基本一致；同等熱釋放速率條件下，火源位于單室中央時(shí)比位于墻角處單室內(nèi)煙氣遮光率更晚達(dá)到100%，熱釋放速率變大對單室內(nèi)煙氣遮光率的影響較小。

3.2.4 層分區(qū)

室內(nèi)火災(zāi)煙氣運(yùn)動是一個(gè)三維、非定常、氣相多組份的湍流流動和傳熱傳質(zhì)過程，其運(yùn)動規(guī)律受質(zhì)量守恒、牛頓第二定律、熱力學(xué)第一定律控制。單室內(nèi)熱釋熱速率變大，相較一般單室火災(zāi)熱煙氣層高度下降速率加快；但若單室內(nèi)不同工況下的火災(zāi)熱釋放速率都較大，熱釋放速率對熱煙氣上下兩層分界面高度的影響較小。

3.2.5 氣相物質(zhì)

火源位于墻角、單室中央時(shí)，工況一條件下單室內(nèi)一氧化碳、二氧化碳、煙灰產(chǎn)量分別為0.003 kg和0.002 kg，1.81 kg和1.29 kg，0.1 kg和0.07 kg，分別比較得工況二、三、四條件下單室內(nèi)一氧化碳、二氧化碳、煙灰的質(zhì)量時(shí)間曲線基本一致，峰值總體分別在0.001～0.002 kg、0.4～1.2 kg、0.025～0.065 kg之間，工況四條件下火源位于單室中央時(shí)最高分別達(dá)到0.001 5 kg、1.17 kg和0.065 kg。

綜上，在超過一般單室火災(zāi)火源功率范圍后，熱釋放速率繼續(xù)增大引發(fā)轟燃，其對氣相物質(zhì)產(chǎn)生速率的影響較小，熱釋放速的大小與氣相物質(zhì)總質(zhì)量成正相關(guān)。

4 結(jié)論

1）高層住宅建筑火災(zāi)荷載密度平均值為748.20 MJ/m2，火災(zāi)荷載密度范圍為306.72～1 278 MJ/m2，火災(zāi)荷載密度標(biāo)準(zhǔn)值為1 202.22 MJ/m2。

2）本文高層住宅建筑火災(zāi)荷載等級為二級，采用Q-Q正態(tài)檢驗(yàn)得住宅建筑火災(zāi)荷載密度服從正態(tài)分布。

3）單室火災(zāi)火源溫升曲線符合安全科學(xué)的流變-突變規(guī)律；熱釋放速率變大，單室上層溫度的變化曲線由慢到快再到慢，最后在某一溫度區(qū)間振蕩；火源位于單室中央比位于墻角處火災(zāi)增長速率快；按照最不利原則，3 000 kW可作為單室火災(zāi)發(fā)展蔓延的最大火災(zāi)熱釋放速率判據(jù)。

4）最大熱釋放速率相同情況下，火源位于單室中央比墻角處的釋熱速率快，輻射熱損失也大；輻射損失熱量與火源熱釋放速率總體呈正相關(guān)。

5）同等熱釋放速率條件下，火源位于單室中央時(shí)比位于墻角處單室內(nèi)煙氣遮光率更晚達(dá)到100%，熱釋放速率變大對單室內(nèi)煙氣遮光率的影響較?。粏问覂?nèi)熱釋熱速率變大，相較一般火源功率（100 kW）的單室火災(zāi)熱煙氣層高度下降速率加快，但若單室內(nèi)不同工況下的火災(zāi)熱釋放速率均較大，熱釋放速率對熱煙氣上下分界面高度的影響較??；超過一般單室火災(zāi)功率范圍，熱釋放速率變大引發(fā)轟燃，熱釋放速率對氣相物質(zhì)產(chǎn)生速率的影響較小，熱釋放速的大小與氣相物質(zhì)總質(zhì)量成正相關(guān)。