陳益迪,趙雋妍,陳錦川,任興月
(1.海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,海南 ???570228;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)
老舊活動(dòng)中心由于建筑使用年限長(zhǎng),缺乏現(xiàn)代化的管理人員,建筑內(nèi)配備的消防設(shè)施不足、水電設(shè)備線路老化,火情發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的高溫和濃煙將嚴(yán)重危害人們的生命財(cái)產(chǎn)安全[1-3].這些老舊建筑樓由于人員密度大,缺乏現(xiàn)代化的消防設(shè)備,火災(zāi)發(fā)生時(shí)人員的安全疏散也存在困難[4].近年來(lái),老舊建筑火災(zāi)引起的人員傷亡率不斷上升,火災(zāi)引發(fā)的人身財(cái)產(chǎn)損失金額持續(xù)走高,發(fā)生火情時(shí)建筑內(nèi)人員的應(yīng)急、疏散逃生問(wèn)題成為重點(diǎn)難題[5-6].因此,對(duì)老舊建筑火災(zāi)展開研究,對(duì)消防救援的有效開展具有重要的意義.
建筑信息模型技術(shù)(Building Information Modeling,BIM)是近年來(lái)出現(xiàn)并引領(lǐng)建筑數(shù)字技術(shù)走向更高層次的一項(xiàng)新技術(shù),它已經(jīng)成為工程建設(shè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)[7].BIM 技術(shù)能夠在災(zāi)害突發(fā)時(shí)快速建立建筑模型并與其他數(shù)值模擬軟件進(jìn)行協(xié)同應(yīng)用,其中基于BIM 技術(shù)的火災(zāi)數(shù)值模擬受到研究者們高度重視,如蔣科明[8]在進(jìn)行火災(zāi)煙氣數(shù)值模擬時(shí),首次將FDS 軟件應(yīng)用于大邱地鐵站的全尺寸數(shù)值模擬,明晰樓梯間煙氣分布及其溫度特征,并提出地鐵火災(zāi)人員安全疏散的優(yōu)化方案;劉芳等[9]利用FDS 軟件對(duì)木結(jié)構(gòu)古建筑進(jìn)行火災(zāi)數(shù)值模擬,通過(guò)比對(duì)古建筑在不同著火情況下煙氣流動(dòng)狀態(tài)、火災(zāi)蔓延情況、影響因素強(qiáng)弱來(lái)研究古建筑的火災(zāi)蔓延規(guī)律并預(yù)測(cè)木結(jié)構(gòu)古建筑的著火變化特征;邢志祥等[10]研究建筑不同高度起火對(duì)人員逃生疏散的影響,得到起火樓層位置越低則人員疏散效率越低,傷亡越大;Tsukahara 等[11]用FDS 軟件對(duì)地鐵車站建立模型,模擬火災(zāi)煙氣對(duì)地鐵車站疏散造成的影響;韓朱旸等[12]利用FDS 軟件對(duì)城市高層建筑進(jìn)行火災(zāi)模擬,提出一種實(shí)時(shí)定量評(píng)估法,減少人員傷害且提供應(yīng)急救援方案;肖游等[13]通過(guò)FDS建立池火災(zāi)燃燒模型,計(jì)算不同位置的溫度作為邊界條件運(yùn)用于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)中,提升了模擬研究效率,得到了快速烤燃特性;袁莎莎[14]等使用FDS軟件對(duì)機(jī)場(chǎng)多功能區(qū)域進(jìn)行全尺寸建模與數(shù)值模擬,分析研究火災(zāi)發(fā)生時(shí)的火災(zāi)荷載、溫度變化、熱釋放速率等影響火情蔓延因素的變化情況;李世峰等[15]利用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)軟件FDS對(duì)某城市道路隧道中三出口分流匝道路段內(nèi)部發(fā)生的影響.劉新蕾等[16]以哈爾濱新第一百貨中庭商廈為研究對(duì)象,運(yùn)用FDS 軟件分析了天窗開閉時(shí)中庭火災(zāi)和挑臺(tái)火災(zāi)的煙氣擴(kuò)散規(guī)律,得到了煙氣在各個(gè)方向的擴(kuò)散速率、上述研究提供了火災(zāi)仿真模擬分析的理念和想法,并在模擬火場(chǎng)中進(jìn)行充分應(yīng)用.
由上述文獻(xiàn)可知,研究人員在模擬過(guò)程中觀察火災(zāi)參數(shù)變化及火情蔓延演化,進(jìn)而評(píng)估建筑物發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)性,從而提高安全疏散可行性[17],并保證室內(nèi)人員的安全[18].但研究人員在FDS軟件研究領(lǐng)域所針對(duì)的建筑往往屬于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu),對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建筑空間體缺乏關(guān)注;BIM-FDS 協(xié)同研究領(lǐng)域內(nèi)容缺失,尤其針對(duì)易燃、老舊建筑研究匱乏的情況,此研究對(duì)于該領(lǐng)域火災(zāi)防災(zāi)顯得尤其必要.通過(guò)對(duì)老舊活動(dòng)中心的3種火災(zāi)工況開展數(shù)值模擬計(jì)算,獲取活動(dòng)中心火災(zāi)過(guò)程中關(guān)鍵數(shù)據(jù),為災(zāi)害預(yù)防與火災(zāi)救援提供數(shù)據(jù)來(lái)源與理論支持,提高救援逃生的可行性、實(shí)用性.
1.1 火災(zāi)煙氣模型控制方程老舊活動(dòng)中心內(nèi)火災(zāi)發(fā)生時(shí)煙氣的流動(dòng)情況屬于湍流流動(dòng),采用FDS 軟件Pyrosim來(lái)模擬該湍流流動(dòng)過(guò)程.煙氣流動(dòng)特性的持續(xù)變化的控制方程組如式(1)~(4)所示
其中,ρ為氣體密度;為密度的時(shí)間變化率;u為速度矢量;?(ρu)定義了質(zhì)量對(duì)流.
動(dòng)量方程
其中,g為重力加速度;f是外部矢量;τ為控制計(jì)算域內(nèi)流體上的定量粘性力.
能量方程
其中,h為顯焓;p為壓力;T為溫度;qr為熱輻射通量;q?為熱釋放速率(HRR);Dl為第l種組分的擴(kuò)散系數(shù);Yl為第l種組分的質(zhì)量系數(shù);k為火災(zāi)煙氣導(dǎo)熱系數(shù).
組分方程
其中,為第l種組分的質(zhì)量生成率.
1.2 BIM 幾何模型及FDS 模型網(wǎng)格劃分研究對(duì)象是一幢6層的某老舊活動(dòng)中心,由健身活動(dòng)廳、乒乓球室、走廊、衛(wèi)生間、圖書閱覽室、臺(tái)球廳、樓梯間構(gòu)成,每層構(gòu)造大體相同.建立幾何模型:長(zhǎng)×寬×高=18.8 m×13.7 m×23.9 m,通過(guò)Revit軟件建模,導(dǎo)入Pyrosim軟件,建筑模型如圖1所示.
圖1 活動(dòng)中心建筑模型
在對(duì)該活動(dòng)中心模型網(wǎng)格進(jìn)行劃分時(shí),不但需要全面考慮整個(gè)老舊活動(dòng)中心在不同火災(zāi)場(chǎng)景下的著火以及煙氣彌漫過(guò)程的隨機(jī)性情況,而且需要顧及計(jì)算結(jié)果的精度與計(jì)算機(jī)性能的計(jì)算上限.本次模擬設(shè)定該老舊活動(dòng)中心與外圍空氣的網(wǎng)格為0.5 m×0.5 m×0.5 m,計(jì)算網(wǎng)格個(gè)數(shù)共計(jì)70 200 個(gè).活動(dòng)中心大氣內(nèi)外氣體壓強(qiáng)和溫度分別為101.325 kPa 和20 ℃.同時(shí),考慮到活動(dòng)中心比較老舊,不設(shè)置消防噴頭、防火卷簾等消防設(shè)施.
1.3 火災(zāi)模擬場(chǎng)景的設(shè)置在計(jì)算中,火災(zāi)著火點(diǎn)的平均熱釋放速率(HRRPUA)被設(shè)置為1 000 kW·m-2,初始燃燒面積為1.5 m2,根據(jù)計(jì)算工況,著火點(diǎn)設(shè)置在該建筑第三層,火災(zāi)著火點(diǎn)設(shè)置如圖2所示.為了獲得逃生路線上的火災(zāi)參數(shù),模型在每一樓層樓梯間的門內(nèi)側(cè),距離樓梯間地面高度1.2 m處分別設(shè)置了1個(gè)溫度監(jiān)測(cè)器,即熱電偶溫度探測(cè)器(THCP),用于測(cè)定火災(zāi)發(fā)生過(guò)程中溫度隨時(shí)間的變化情況;同時(shí)每層距樓梯間地面高度1.4 m 處各設(shè)置1 個(gè)CO 濃度監(jiān)測(cè)裝置,用于測(cè)定火災(zāi)發(fā)生過(guò)程中CO 濃度隨時(shí)間變化情況;距每層樓梯間地面高度1.5 m 處各設(shè)置1個(gè)煙霧探測(cè)器,用于測(cè)定火災(zāi)發(fā)生過(guò)程中能見度水平隨時(shí)間變化情況.
圖2 火源燃燒建筑平面圖
為了研究窗戶和門在不同的開啟與關(guān)閉條件組合情況下,建筑內(nèi)部火災(zāi)發(fā)展情況及可能造成的影響,筆者在同一樓層(第三層)設(shè)計(jì)了3個(gè)對(duì)比明顯的火災(zāi)場(chǎng)景,如表1 所示.即在火源位置保持不變情況下,通過(guò)設(shè)置窗戶開啟、關(guān)閉的不同狀態(tài),并結(jié)合開啟窗戶距離逃生樓梯距離遠(yuǎn)近的差異(開啟窗戶距離火源遠(yuǎn)近的比較),觀察老舊活動(dòng)中心室內(nèi)煙氣蔓延擴(kuò)散情況的差異.首先按照火災(zāi)發(fā)生時(shí)最不利原則把老舊活動(dòng)中心所有內(nèi)部門窗都設(shè)置成打開狀態(tài),使之相互連通以保證煙氣的快速擴(kuò)散并觀察過(guò)程中火災(zāi)參數(shù)的表現(xiàn).
表1 火災(zāi)計(jì)算場(chǎng)景描述
2.1 火災(zāi)煙氣CO 濃度分析火災(zāi)發(fā)生時(shí)候,將迅速產(chǎn)生大量火災(zāi)煙氣,蔓延流動(dòng)的煙氣中的CO 氣體是導(dǎo)致人員在火災(zāi)中缺氧而死的主要原因[19],火場(chǎng)中受困人員由于吸入過(guò)量的CO氣體而窒息.
在不同樓層樓梯間的CO 濃度變化見圖3,其中火災(zāi)場(chǎng)景一是著火建筑內(nèi)部與室外相接窗戶A、窗戶B都關(guān)閉、火災(zāi)場(chǎng)景二是近火源遠(yuǎn)樓梯口窗戶A打開、火災(zāi)場(chǎng)景三是近樓梯口遠(yuǎn)火源窗戶B打開,通過(guò)模擬火災(zāi)燃燒,觀察樓層煙氣蔓延情況,并得出3種火災(zāi)場(chǎng)景下CO濃度隨時(shí)間變化情況.
圖3 CO濃度隨時(shí)間變化曲線
人員暴露在CO濃度0.64%條件下,保持1~2 min后將導(dǎo)致頭疼及頭昏眼花,保持10~15 min后將導(dǎo)致失去意識(shí),同時(shí)面臨死亡威脅.而當(dāng)暴露在CO 濃度1.28%條件下,火場(chǎng)中人員將產(chǎn)生立即的生理反應(yīng),停留1~3 min 后將迅速失去意識(shí)同時(shí)面臨死亡威脅[20].室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后,著火點(diǎn)快速生成大量煙氣,著火層3 樓生成的煙氣涌進(jìn)臨近樓梯間內(nèi),3 層樓梯間作為第一危險(xiǎn)點(diǎn)處CO 濃度急劇增加,嚴(yán)重影響人員生命安全.
如圖3a 中,當(dāng)A、B窗戶都關(guān)閉時(shí),3 層樓梯間CO 濃度在162 s 內(nèi)迅速增加,達(dá)到0.64%;由于火災(zāi)場(chǎng)景一屬于封閉系統(tǒng),因此CO 無(wú)法向外疏散,該場(chǎng)景下火災(zāi)生成的CO 濃度最高,270 s后達(dá)到1.28%,300 s附近達(dá)到峰值最終穩(wěn)定.
如圖3b中,當(dāng)近火源窗戶A打開后,近樓梯口窗戶B關(guān)閉,3層樓梯間CO濃度在276 s內(nèi)迅速增加,達(dá)到0.64%;隨著煙氣的蔓延,著火樓層3樓以及相近的4樓、5樓、6樓樓梯間內(nèi)CO 濃度在經(jīng)歷急劇上升之后迅速下降、而后又出現(xiàn)第二次的爬升,可以看出由于近火源處窗戶A打開對(duì)遠(yuǎn)端樓梯間檢測(cè)CO 濃度產(chǎn)生影響,并且導(dǎo)致擴(kuò)散速度比火災(zāi)場(chǎng)景一要慢.
如圖3c,當(dāng)近火源窗戶A關(guān)閉、近樓梯口窗戶B打開時(shí),隨著火情的發(fā)展,各層樓梯通道內(nèi)檢測(cè)的CO濃度不斷升高.其中著火樓層3 樓最高僅達(dá)到0.18%,可以看到,當(dāng)可對(duì)流的著火層窗戶處于開啟狀態(tài)時(shí),煙氣涌向其他房間速度增加,此時(shí)伴隨熱釋放速率增加,能量不斷擴(kuò)散;與此同時(shí),窗戶保持開啟的火場(chǎng)情形下,火災(zāi)進(jìn)行過(guò)程中產(chǎn)生煙氣也源源不斷通過(guò)窗戶排出室外,降低了火災(zāi)過(guò)程中不斷產(chǎn)生的有毒有害物質(zhì)濃度.由于近樓梯口窗戶B打開,導(dǎo)致室內(nèi)的CO 濃度可以在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)維持著安全水平,使得人員逃生時(shí)間增加、減少人員傷亡.
2.2 煙氣彌漫及能見度分析老舊活動(dòng)中心發(fā)生火災(zāi)時(shí),燃燒蔓延過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生大量有毒有害煙氣,大量的煙氣不斷積聚,使得建筑室內(nèi)能見度迅速降低,并且對(duì)于人員逃生過(guò)程中造成諸多阻礙及嚴(yán)重的影響,并對(duì)場(chǎng)內(nèi)人員構(gòu)成危險(xiǎn).根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《建筑防火工程》中相關(guān)規(guī)定,熟悉的人群對(duì)一般建筑能見度應(yīng)至少需要達(dá)到5 m.通過(guò)能見度臨界值5 m 來(lái)判斷煙氣濃度能否干擾人員順利逃生,來(lái)判斷場(chǎng)內(nèi)人員是否會(huì)受到人身危害.當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí),因?yàn)槔吓f活動(dòng)中心空間不夠開闊,選取在1.5 m 高度可見度不低于5 m 作為測(cè)定標(biāo)準(zhǔn).
將該活動(dòng)中心發(fā)生火災(zāi)允許的最小煙氣能見度設(shè)定為5 m.當(dāng)A、B窗戶都關(guān)閉,由圖4a可以看出,在該最不利情況下,第3層著火樓梯間能見度在7 s間降至5 m;相鄰的第4層樓梯間能見度在42 s降至5 m,第5 層樓梯間能見度在55 s 降至5 m,隨后第6 層、第2 層、第1 層由于煙氣擴(kuò)散能見度也逐漸降低至5 m.被強(qiáng)烈煙氣所籠罩,樓梯間能見度沒有達(dá)到最低標(biāo)準(zhǔn)煙氣能見度要求,不利于火場(chǎng)內(nèi)人員逃生.
圖4 能見度隨時(shí)間變化曲線
在近火源窗戶為打開狀態(tài)、近樓梯口窗戶B為關(guān)閉狀態(tài)時(shí),如圖4b所示,第3層的著火樓梯間能見度在最初15 s 時(shí)降到5 m,而后在能見度又出現(xiàn)一個(gè)短暫的回升后又繼續(xù)降低,受著火煙氣溫度變化的影響,房間內(nèi)被煙氣籠罩,不利于室內(nèi)人員逃生,此時(shí)室內(nèi)人員應(yīng)該采取彎腰或者匍匐前進(jìn)的正確自救逃生方式;隨后第4層、第5層、第6層由于煙氣擴(kuò)散能見度也逐漸降低至5 m;第2層與第1層能見度隨著時(shí)間變化出現(xiàn)較大的反復(fù),可以看出由于近火源處窗戶A打開對(duì)著火層下部樓層產(chǎn)生影響,使得能見度下降速度比火災(zāi)場(chǎng)景一要慢.
在近火源窗戶A為關(guān)閉狀態(tài),近樓梯口窗戶B為打開狀態(tài)時(shí),如圖4c 所示,第3 層著火樓梯間能見度在17 s后降至5 m,而后能見度出現(xiàn)較大回升后繼續(xù)降低;隨后第4層、第5層、第6層由于煙氣擴(kuò)散能見度也逐漸降低至5 m臨界值,相對(duì)于火災(zāi)場(chǎng)景二達(dá)到能見度5 m的時(shí)間都延長(zhǎng);其中第2層不出現(xiàn)反復(fù),且第1 層在整個(gè)模擬過(guò)程中能見度并未達(dá)到設(shè)定值5 m,可以看出由于近樓梯口窗戶B打開對(duì)著火層影響最大,在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)維持能見度較高的水平,使得人員逃生時(shí)間增加、減少人員傷亡.
2.3 火場(chǎng)溫度分析建筑火災(zāi)發(fā)展過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱輻射,使燃燒物及周邊的空氣溫度不斷上升,建筑中的可燃材料較多,若火勢(shì)無(wú)法及時(shí)得到控制,煙氣溫度可高達(dá)上百攝氏度,溫度大幅提高對(duì)人體和建筑本身都會(huì)造成不可恢復(fù)的傷害.根據(jù)相關(guān)研究,當(dāng)溫度達(dá)到35~55 ℃之間時(shí),人體會(huì)出現(xiàn)出汗及痛感等情況;當(dāng)溫度超過(guò)65 ℃時(shí)便會(huì)造成嚴(yán)重?zé)齻?,考慮到火災(zāi)中人員的實(shí)際情況,故選擇65 ℃作為高溫的臨界值判斷標(biāo)準(zhǔn).
根據(jù)表2可知,應(yīng)選擇65 ℃作為高溫的臨界值判斷標(biāo)準(zhǔn).
表2 火場(chǎng)溫度耐受表
如圖5a所示,A、B窗戶都關(guān)閉,在該封閉條件下,第3層著火樓梯間溫度在68 s時(shí)達(dá)到65 ℃高溫臨界值,而后在144 s處溫度達(dá)到最高.可以看出A、B窗戶的關(guān)閉使得建筑體內(nèi)部模擬燃燒過(guò)程中沒有足夠空氣與外界交換,進(jìn)而導(dǎo)致燃燒不充分,故著火層溫度上升不明顯;相鄰的第4 層樓梯間溫度在172 s 達(dá)到65 ℃高溫臨界值.隨后第2 層、第5 層、第1 層隨著燃燒溫度也逐漸達(dá)到65 ℃.由此得到著火層安全逃生時(shí)間為1 min.
圖5 溫度隨時(shí)間變化曲線圖
如圖5b所示,近火源窗戶A打開,近樓梯口窗戶B關(guān)閉,第3層著火樓梯間溫度在250 s達(dá)到65 ℃高溫臨界值,在煙氣流動(dòng)的過(guò)程中,溫度的變化出現(xiàn)了2個(gè)波峰,說(shuō)明近火源窗戶A打開后,模擬火災(zāi)燃燒場(chǎng)景下內(nèi)外空氣進(jìn)行交換,燃燒過(guò)程相對(duì)火災(zāi)場(chǎng)景一充分,對(duì)于樓道間溫度變化產(chǎn)生影響.故著火層安全逃生時(shí)間不高于5 min.
如圖5c所示,近火源窗戶A關(guān)閉,近樓梯口窗戶B打開,建筑物發(fā)生火災(zāi)時(shí),3樓著火樓梯間的溫度未達(dá)到65 ℃高溫臨界值.可以看出由于近樓梯口窗戶B打開對(duì)著火層影響最大,在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)維持能使得溫度保持在65 ℃下方,該場(chǎng)景下能給處于建筑內(nèi)的人員充足的逃生時(shí)間.
結(jié)合BIM 技術(shù)與FDS軟件對(duì)某小區(qū)老舊活動(dòng)中心建筑火災(zāi)情況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,通過(guò)對(duì)比研究了窗戶在不同開合情形條件下產(chǎn)生物對(duì)樓梯間火災(zāi)的發(fā)展變化情況造成的影響,設(shè)定3個(gè)不同的火災(zāi)場(chǎng)景,主要針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)CO 濃度、煙氣可見度、火場(chǎng)溫度分布的對(duì)比結(jié)果逐項(xiàng)進(jìn)行了綜合分析,通過(guò)計(jì)算得到了以下結(jié)論并提出相應(yīng)建議.
1)通過(guò)對(duì)比3 種不同類型的火災(zāi)模擬仿真系統(tǒng)運(yùn)行的場(chǎng)景,對(duì)該3 種火場(chǎng)仿真場(chǎng)景顯示出數(shù)據(jù)信息進(jìn)行大量直觀清晰的圖片對(duì)比及展示,并進(jìn)行深入的數(shù)據(jù)比較及分析,火災(zāi)場(chǎng)景中的能見度、CO 濃度、火場(chǎng)溫度要素均有較明顯的改變.更直觀真實(shí)地反映了現(xiàn)實(shí)中老舊活動(dòng)中心建筑的火災(zāi)的發(fā)展趨勢(shì)及變化規(guī)律.
2)通過(guò)BIM建模,結(jié)合FDS軟件,結(jié)果表明:在火源位置保持不變情況下,火災(zāi)發(fā)生時(shí)窗戶皆關(guān)閉,建筑內(nèi)逃生樓梯間CO 濃度上升越快、能見度下降越快,溫度達(dá)到人體臨界的越快,給人員逃生帶來(lái)極大威脅;火災(zāi)發(fā)生時(shí)有部分窗戶打開,該窗戶距離火源越近(距離逃生樓梯越遠(yuǎn)),建筑內(nèi)逃生樓梯間溫度、CO濃度上升相對(duì)較快,能見度下降變化不顯著.其中,窗戶開啟比窗戶關(guān)閉在火災(zāi)CO 濃度、能見度、溫度到達(dá)臨界時(shí)間至少分別降低41.3%、11.8%、16.3%.
3)通過(guò)BIM 整合FDS 軟件計(jì)算結(jié)果,為防止火災(zāi)造成嚴(yán)重的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失提供支持,通過(guò)向基層政府的應(yīng)急和管理相關(guān)單位負(fù)責(zé)人提建議,要求老舊活動(dòng)中心小區(qū)物業(yè)工作人員加強(qiáng)對(duì)公共消防與安全生產(chǎn)知識(shí)技能的普及和宣傳,并將消防通道、樓梯間的窗戶保持開啟狀態(tài)以確保老舊活動(dòng)中心處于安全狀態(tài);通過(guò)聯(lián)系周遭群眾定期舉辦消防演練活動(dòng),幫助小區(qū)居民建立并提高逃生防火意識(shí).