基于FDS 高層建筑樓梯間自然排煙開(kāi)窗研究

■ 鄧聰聰 張偉男 李鈺 大連交通大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院

近年來(lái)，高層建筑和超高層建筑興起，與此同時(shí)高層建筑火災(zāi)接踵而來(lái)，危害生命財(cái)產(chǎn)安全。高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，在未設(shè)置消防電梯的情況下，樓梯是主要的逃生通道。當(dāng)煙氣不慎流入樓梯間或者火源位于樓梯間或前室時(shí)，煙氣在樓梯間內(nèi)順著豎井迅速攀升，其擴(kuò)散速度為3 ～4m/s[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)火災(zāi)煙氣直接或間接影響85%以上的死亡，吸入有毒煙氣將嚴(yán)重危害生命[2]。本文研究的48m 高層辦公建筑屬于二類公共建筑，這類建筑大多數(shù)采用自然排煙。2010 年，許兆宇[3]總結(jié)了樓梯井上下兩開(kāi)口布置下的開(kāi)口高度對(duì)煙氣擴(kuò)散的影響；2015 年，陳艷波[4]用FDS 模擬了樓梯間窗戶不同布置方式的排煙量，得出逐層開(kāi)窗效果最佳；2018 年丁厚成、余點(diǎn)[5]研究樓梯間的自然排煙，得出連續(xù)兩層各設(shè)置1m2的排煙窗比每5 層樓設(shè)置2m2的排煙窗效果差；2020 年，張軍[6]對(duì)樓梯間做了全尺寸實(shí)驗(yàn)觀察煙氣蔓延情況，進(jìn)行數(shù)值模擬，研究門(mén)窗、火源位置、功率對(duì)樓梯間排煙的影響。通過(guò)閱讀相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，前人對(duì)樓梯間防排煙的研究大多針對(duì)規(guī)范的某一條文展開(kāi)詳細(xì)研究，本文不局限于條文規(guī)范，研究不同火源位置提出不同開(kāi)窗方式組合最優(yōu)方案。

一、模型的建立與設(shè)計(jì)

（一）軟件選取及模型建立

本文采用火災(zāi)模擬專用軟件FDS（Fire Dynamic Simulation）對(duì)樓梯間采用兩個(gè)樓層開(kāi)窗的布置方式的優(yōu)選方案進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。以某辦公樓為原型簡(jiǎn)化，該辦公樓建筑高度為48m，共12 層，層高4m，凈高3.8m，樓梯踏步高0.2m。該模型的建筑首層平面與三維模型示意圖如圖1 和圖2 所示，該數(shù)值模擬模型各組成部分建筑具體尺寸見(jiàn)表1。

表1 某高層建筑模型各部分尺寸

圖1 某建筑首層平面圖

圖2 某建筑三維模型示意圖

（二）模擬參數(shù)和測(cè)點(diǎn)設(shè)置

火源位于辦公室中央，火源尺寸為1m×1m，根據(jù)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[7]規(guī)定火源熱釋放速率定為1.5MW，火災(zāi)類別設(shè)定為t2超快速增長(zhǎng)火，超快速火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)為0.178kw/s2，模擬時(shí)間600s。FDS 中選定網(wǎng)格尺寸為0.25m×0.25m×0.25m。樓梯間每層中心2m 處設(shè)1 個(gè)能見(jiàn)度探測(cè)器，在其左側(cè)0.1m 處每層設(shè)1個(gè)CO 濃度探測(cè)器，在其右側(cè)0.1m 處每層設(shè)1 個(gè)溫度探測(cè)器，在x=2.45m 處設(shè)一個(gè)能見(jiàn)度切片?；馂?zāi)危險(xiǎn)狀態(tài)判定條件：對(duì)小空間清晰度的危險(xiǎn)臨界值規(guī)定為5m[8]，人體可以在60℃的環(huán)境下短暫忍耐，超過(guò)一段時(shí)間人會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)[9]，用500ppm 作為判定CO 濃度危險(xiǎn)的標(biāo)準(zhǔn)[10]，所以本文將能見(jiàn)度、溫度、CO 濃度的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為2m 高度溫度、CO 濃度不應(yīng)大于60℃、500ppm，能見(jiàn)度不應(yīng)小于5m。

（三）模擬工況

將火源分別放置在首層、非首層（6 層），樓梯間開(kāi)窗方式分別是火源層和其他層組合，樓梯間門(mén)、前室門(mén)的開(kāi)啟樓層設(shè)置為著火層及其上下層，模擬工況共計(jì)11 組。（見(jiàn)表2）

表2 模擬工況設(shè)置

二、模擬結(jié)果與分析

（一）火源位于首層時(shí)模擬結(jié)果分析

火源位于首層時(shí)，通過(guò)能見(jiàn)度、溫度、CO 濃度探測(cè)器測(cè)得數(shù)據(jù)，得到不同工況下的各參數(shù)變化情況。

1. 能見(jiàn)度變化情況分析

圖3 至圖5 分別是該高層建筑在工況1 到工況6 在不同樓層（1、3、6、9、12 層）間能見(jiàn)度的對(duì)比圖。該建筑首層著火時(shí)，各工況在1、3 層能見(jiàn)度均迅速降低，在此不做贅述。

圖3 工況1-6 第6 層能見(jiàn)度對(duì)比

圖5 工況1-6 第12 層能見(jiàn)度對(duì)比

從圖3 到圖5 可以看出工況1 的能見(jiàn)度始終比其他工況高，只有在6 層的420s 后測(cè)得能見(jiàn)度達(dá)到臨界值5m，其余樓層測(cè)得能見(jiàn)度均在30m 左右。

2. 溫度分布情況分析

圖6 是該高層建筑在工況1 到工況6 下第3 層樓梯間溫度變化圖。該建筑首層著火時(shí)，各工況在1 層內(nèi)溫度均迅速上升，各工況在6、9、12 層內(nèi)溫度均未超過(guò)60℃，在此不做贅述。由圖6 可見(jiàn)，工況2 到工況6 溫度均超過(guò)60℃，工況6 的溫度上升速度略比其他工況快，工況1 上升較慢未超過(guò)安全臨界值60℃。

圖6 工況1-6 第3 層溫度對(duì)比

3.CO 濃度分布情況分析

圖7 至圖10 分別是該高層建筑在工況1 到工況6下不同樓層間（1、3、6、9、12 層）CO 濃度的對(duì)比圖。該建筑首層著火時(shí)，各工況在1 層內(nèi)CO 濃度均迅速升高，在此不做贅述。

圖7 工況1-6 第3 層CO 濃度對(duì)比

圖8 工況1-6 第6 層CO 濃度對(duì)比

圖9 工況1-6 第9 層CO 濃度對(duì)比

圖10 工況1-6 第12 層CO 濃度對(duì)比

結(jié)合圖7 到圖10 可以看出，工況1 的CO 濃度始終比其他工況低，在3、6 層的180s、420s 后測(cè)得CO 濃度達(dá)到臨界值500ppm，其余樓層測(cè)得CO 濃度均小于500ppm。

由于煙氣具有煙囪效應(yīng)，樓梯間開(kāi)窗的樓層數(shù)越高，能見(jiàn)度下降越迅速，CO 濃度、溫度上升越快，煙囪效應(yīng)越強(qiáng)烈，所以火源位于首層時(shí)，樓梯間開(kāi)窗設(shè)置在火源層及其上一層有利于煙氣的排出。

（二）火源位于非首層時(shí)模擬結(jié)果分析

火災(zāi)發(fā)生在首層時(shí)，危害最大?；鹪窗l(fā)生在非首層時(shí)，由于煙囪效應(yīng)和熱浮力的共同作用，使得煙氣溫度、CO 濃度、能見(jiàn)度順著火源層樓梯間向上流動(dòng)，所以非首層發(fā)生火災(zāi)時(shí)殃及火源層及以上樓層，相對(duì)較少。本節(jié)研究非首層火源，以中層（6 層）為例，在x=2.45m處設(shè)置一個(gè)能見(jiàn)度切片，觀察分析不同工況在600s 時(shí)的能見(jiàn)度變化情況。

圖11 為工況7 到工況11 樓梯間在Y-Z 面上600s時(shí)的能見(jiàn)度分布等值線圖，因?yàn)榛鹪次挥谥袑?，煙氣未向火源下層蔓延，所以圖11 僅展示了6 層及以上樓層（即20m ～48m）的煙氣蔓延情況。工況7、8、9 分別是樓梯間1、6，3、6，5、6 開(kāi)窗，工況10、11 是樓梯間6、10，6、12 開(kāi)窗，由圖11 明顯看出工況7、8、9 在40m 以上的能見(jiàn)度優(yōu)于工況10、11，即中層著火時(shí)，火源層及其下層組合的樓梯間開(kāi)窗方式優(yōu)于火源層及其上層組合的開(kāi)窗方式。從圖中可以看出11 層樓梯上半部分（45m 左右）的能見(jiàn)度情況：工況9 略優(yōu)于工況7 和工況8，總體來(lái)說(shuō)工況9 優(yōu)于工況7、8、10、11，即高層建筑非首層著火時(shí)樓梯間開(kāi)窗方式為火源層及其下一層。

圖11 不同工況下樓梯間能見(jiàn)度分布情況對(duì)比

三、開(kāi)窗實(shí)現(xiàn)方式

將樓梯間的窗戶與消防控制室聯(lián)動(dòng)控制，有火情發(fā)生時(shí)，火災(zāi)探測(cè)器動(dòng)作并能在消防控制室的火災(zāi)報(bào)警控制器上顯示火情所在樓層及防火分區(qū)，即可對(duì)應(yīng)所在防火分區(qū)的樓梯間。在確定火情所在樓層及防火分區(qū)之后按上文總結(jié)的規(guī)律選取樓梯間的窗戶，實(shí)現(xiàn)在消防控制室自動(dòng)開(kāi)啟，開(kāi)啟方法見(jiàn)文獻(xiàn)[11]，以達(dá)到火災(zāi)初期及時(shí)開(kāi)窗排煙的目的。

四、結(jié)論

本文針對(duì)總高度48m、總層數(shù)為12 層、層高為4m的高層建筑，火源位于首層和非首層時(shí)，樓梯間采用兩個(gè)樓層開(kāi)窗的布置方式進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得出如下結(jié)論：

（1）火源位于首層時(shí)，樓梯間開(kāi)窗設(shè)置在火源層及其鄰近層防煙效果好，且設(shè)置在火源層及其上一層效果最好；

（2）火源位于非首層時(shí)，火源層及其下層組合的樓梯間開(kāi)窗方式優(yōu)于火源層及其上層組合的樓梯間開(kāi)窗方式且火源層及其下一層效果最好；

（3）開(kāi)窗實(shí)現(xiàn)方式：樓梯間的窗戶與消防控制室聯(lián)動(dòng)控制，在確定火情所在樓層及防火分區(qū)之后按上述規(guī)律選取樓梯間的窗戶，實(shí)現(xiàn)在消防控制自動(dòng)開(kāi)啟。