不同控制措施對超高層建筑火災(zāi)蔓延影響研究

焦天驁 JIAO Tian-ao；司蕊 SI Rui；李豪 LI Hao

（北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144）

0 引言

目前火災(zāi)蔓延模擬主要集中在大型商業(yè)綜合體、交通樞紐站等低多層公共建筑，對超高層建筑垂直方向火災(zāi)蔓延的研究還較少。袁慧[1]等通過研究煙氣運動、著火點附近區(qū)域溫度變化、二氧化碳濃度變化等，得出火災(zāi)參數(shù)變化規(guī)律。文波[2]等建立高層住宅建筑火災(zāi)荷載分布模型，以單室內(nèi)的熱釋放速率、火源位置等為變量，建立單室火災(zāi)轟燃模型和演化模型，構(gòu)建了高層住宅建筑單室火災(zāi)可持續(xù)發(fā)展判據(jù)。衛(wèi)文彬[3]等通過分析高層建筑典型功能房間及共享空間火災(zāi)條件下的溫度場分布，得出溫度對于火災(zāi)蔓延的影響規(guī)律。唐莉青[4]等通過研究樓梯間防火門的開閉情況，得出火災(zāi)蔓延及煙氣蔓延規(guī)律。

上述僅有的幾項超高層建筑火災(zāi)模擬，也未能深入考慮噴淋和機械排煙等防火措施對火災(zāi)蔓延的控制效果。因此本文將研究重點放在超高層上，研究不同的火災(zāi)控制措施對超高層建筑火災(zāi)蔓延的控制效果。希望此研究可給火災(zāi)控制以及超高層建筑中噴淋系統(tǒng)和排煙系統(tǒng)的完善提供依據(jù)。

1 火災(zāi)模擬

本文選取沈陽某超高層寫字樓，該塔樓總建筑面積約22 萬m2，地下5 層，層高3.5～4.5m；地上71 層，1、2 層層高5.5m，標準層層高4.1m；主要功能為酒店和辦公。塔樓12，24，36，48，60 層為設(shè)備層和避難層，層高4.9m。1-2層，每層各有4 部樓梯，1 部電梯；3-24 層，每層各有4 部樓梯；25-70 層，每層各有3 部樓梯。建筑屋檐高度330m，結(jié)構(gòu)高度300m。

2 模擬條件

本文選取的超高層建筑，樓層多、面積大，所以選取兩個避難層之間的13 個樓層作為模擬對象。

本文將安全疏散的溫度臨界值設(shè)置為60℃，CO 濃度臨界值設(shè)置為1000ppm，能見度臨界值為10m。設(shè)定墻體為混凝土，地板和天花板為木材，房間中的機器為金屬。設(shè)定火災(zāi)熱釋放速率為1000kW/m2，火災(zāi)增長類型為t2型，燃燒反應(yīng)材料為聚氨酯，環(huán)境初始溫度20℃，火源設(shè)置在模型中的第6 層，著火方式為立即著火，著火面積5m2，火災(zāi)模擬運行時間600s。探測器設(shè)置在模型中的第6、8、10、12 層，靠上樓梯間內(nèi)，距左邊門口2m，距地面1.8m，共四組，每組三個探測器，分別用來監(jiān)測溫度、CO 濃度、能見度的變化。同時設(shè)置三組切片，分別是X=38m、X=50m、Y=68m，同樣用來監(jiān)測樓梯間內(nèi)溫度、CO 濃度、能見度的變化。工況一為噴淋、機械排煙均無效的火災(zāi)模擬場景，工況二為噴淋有效、機械排煙無效的火災(zāi)模擬場景，工況三為噴淋無效、機械排煙有效的火災(zāi)模擬場景，工況四為噴淋有效、機械排煙有效的火災(zāi)模擬場景。

3 模擬結(jié)果

3.1 能見度結(jié)果分析

圖1 給出了各工況各測點能見度模擬結(jié)果。由圖可知，噴淋和機械排煙均有效，測點1 所在的樓梯間，在9.75s 時能見度開始從10m 下降；測點2 所在樓梯間，在24.11s 時能見度開始從10m 下降；測點3 所在的樓梯間，在33.66s 時能見度開始從10m 下降；測點4 所在的樓梯間，在64.22s 時能見度開始從10m 下降。由此可以得出，距離火源越遠，能見度到達危險臨界值所需時間越長，說明火災(zāi)蔓延需要一定的時間。其它三種情況也符合此結(jié)論。

測點4 在噴淋和機械排煙均無效時，能見度在48s 開始從10m 下降；在噴淋有效、機械排煙無效時，能見度在48.67s 開始從10m 下降；在噴淋無效、機械排煙有效時，能見度在51.68s 開始從10m 下降；在噴淋和機械排煙均有效時，能見度在64.22s 開始從10m 下降。由此可以分析出，兩種控制措施分別單獨作用時，對于火災(zāi)蔓延都有抑制作用；但兩種控制措施同時作用的情況比只有一種控制措施作用的情況，對于火災(zāi)蔓延的抑制作用更明顯。說明兩種控制措施同時作用才能發(fā)揮最大的效用，對于人員的疏散幫助最大。其它測點也符合此結(jié)論。

3.2 溫度結(jié)果分析

圖2給出了各工況各測點溫度模擬結(jié)果。由圖可知，噴淋和機械排煙均有效，測點1 所在的樓梯間，在12.14s時溫度第一次到達危險臨界值，而后溫度略微下降，在51.71s 時第二次到達危險臨界值，之后保持此狀態(tài)；測點2、測點3、測點4 所在樓梯間，溫度均未到達危險臨界值。由此可以得出，距離火源越遠，溫度對人的影響減小，人員逃生的幾率增大。其它三種情況也符合此結(jié)論。

圖2 各工況各測點溫度模擬結(jié)果

測點1 在噴淋和機械排煙均無效時，溫度在10.92s 到達危險臨界值；在噴淋有效、機械排煙無效時，溫度在11.48s 到達危險臨界值；在噴淋無效、機械排煙有效時，溫度在11.45s 到達危險臨界值；在噴淋和機械排煙均有效時，溫度在12.14s 到達危險臨界值。由此可以分析出，兩種控制措施分別單獨作用時，對于火災(zāi)蔓延都有抑制作用；噴淋對于溫度的影響較大，機械排煙對于溫度的影響較??；但兩種控制措施同時作用的情況比只有一種控制措施作用的情況，對于火災(zāi)蔓延的抑制作用更明顯。說明兩種控制措施同時作用才能發(fā)揮最大的效用，對于人員的疏散幫助最大。其它測點的溫度雖未達到危險臨界值，但也能看出上述結(jié)論。

3.3 CO 濃度結(jié)果分析

圖3 給出了各工況各測點CO 濃度模擬結(jié)果。由圖可知，噴淋和機械排煙均有效，測點1 所得數(shù)據(jù)呈波動狀態(tài)，樓梯間內(nèi)CO 濃度多次到達危險臨界值；測點2、測點3、測點4 所在樓梯間CO 濃度均未到達危險臨界值。由此可以得出，距離火源越遠，CO 濃度對人的影響減小，人員逃生幾率增大。其它三種情況也符合此結(jié)論。

圖3 各工況各測點CO 濃度模擬結(jié)果

測點1 在噴淋和機械排煙均無效時，CO 濃度在22.8s到達危險臨界值；在噴淋有效、機械排煙無效時，溫度在31.21s 到達危險臨界值；在噴淋無效、機械排煙有效時，溫度在72.07s 到達危險臨界值；在噴淋和機械排煙均有效時，溫度在142.2s 到達危險臨界值。由此可以分析出，兩種控制措施分別單獨作用時，對于火災(zāi)蔓延都有抑制作用；噴淋對于CO 濃度的影響較小，機械排煙對于CO 濃度的影響較大；但兩種控制措施同時作用的情況比只有一種控制措施作用的情況，對于火災(zāi)蔓延的抑制作用更明顯。說明兩種控制措施同時作用才能發(fā)揮最大的效用，對于人員的疏散幫助最大。其它測點的CO 濃度雖未達到危險臨界值，但也能看出上述結(jié)論。

4 研究結(jié)論

本文研究不同控制措施對超高層建筑火災(zāi)蔓延的控制效果，將噴淋和機械排煙這兩種控制措施的有效與無效作為模擬條件，分別得到能見度、溫度、CO 濃度的模擬數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析得到如下結(jié)論。①兩種控制措施分別單獨作用時，對于火災(zāi)蔓延都有抑制作用；但兩種控制措施同時作用的情況比只有一種控制措施作用的情況，對于火災(zāi)蔓延的抑制作用更明顯。②噴淋對于CO 濃度的影響較小，機械排煙對于CO 濃度的影響較大；噴淋對于溫度的影響較大，機械排煙對于溫度的影響較小。③兩種控制措施同時作用比沒有控制措施作用時，煙氣慢了6s 蔓延到下一個測點所在樓層，兩種控制措施同時作用對火災(zāi)蔓延抑制作用效果明顯。④兩種控制措施均有效時比兩種控制措施均無效時，對于火災(zāi)的抑制作用增加了13%；噴淋作用時對于火災(zāi)的抑制作用增加了10%；機械排煙作用時對于火災(zāi)的抑制作用增加了4%。