某大型商業(yè)綜合體的火災蔓延機理及消防系統(tǒng)優(yōu)化研究

摘要：以某大型商業(yè)綜合體為研究對象，針對該建筑特有的垂直井道與幕墻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性，分析其火災蔓延機理，優(yōu)化設(shè)計消防系統(tǒng)方案。通過系統(tǒng)優(yōu)化研究表明，采用多級增壓高壓細水霧與正壓送風協(xié)同控制策略，能夠有效抑制建筑內(nèi)部煙氣流動態(tài)勢，使煙氣溫度顯著下降，有效延緩火災蔓延速度。結(jié)合不同功能區(qū)域獨特的火災風險特征，開發(fā)具有分區(qū)響應功能的智能化消防系統(tǒng)，提升了滅火效率與精準度，為此類大型商業(yè)綜合體的消防安全提供了切實可行的技術(shù)解決方案。

關(guān)鍵詞：商業(yè)綜合體；火災蔓延；煙氣流動；高壓細水霧；智能化消防系統(tǒng)

某大型商業(yè)綜合體具有功能復雜、火災負荷分布不均等特點，建筑的垂直井道與幕墻系統(tǒng)在火災中可能會加速火勢蔓延，而傳統(tǒng)滅火設(shè)備在應對此類建筑火災時，常面臨噴射高度有限、滅火劑利用率不高等問題。因此，深入研究該建筑的火災蔓延特性，開發(fā)適應其空間特點的消防系統(tǒng)具有重要意義。

1 某大型商業(yè)綜合體基本情況與火災風險特征

某大型商業(yè)綜合體集辦公、商業(yè)及餐飲等多種功能于一體，建筑高度95m，建筑面積38000m2，包含3個主功能區(qū)，各功能區(qū)呈現(xiàn)不同的火災風險特征。1～5層為商業(yè)區(qū)，該區(qū)域以商品陳列和裝修材料為主要可燃物，火災負荷密度高，火災增長迅速。6～12層為辦公區(qū)，該區(qū)域火災負荷密度較低，分布均勻，火災初期發(fā)展緩慢。13～15層為餐飲區(qū)，該區(qū)域以油煙管道和廚房設(shè)備為主要風險源，火災特點是快速增長后持續(xù)穩(wěn)定燃燒，并產(chǎn)生大量有毒煙氣。這種差異化的火災負荷分布，需要制定針對性的消防防護策略，以有效應對各區(qū)域特有的火災發(fā)展特性和潛在威脅[1]。

2 火災蔓延機理

2.1" 垂直井道火災蔓延機理

垂直井道系統(tǒng)在大型商業(yè)綜合體火災過程中呈現(xiàn)出顯著的“煙囪效應”。電梯井、管道井等貫通空間構(gòu)成連續(xù)的豎向通道，使高溫煙氣在熱浮力作用下快速上升。通過現(xiàn)場實驗測試可知，當火源位于低層區(qū)域時，井道內(nèi)的煙氣溫度隨高度呈指數(shù)增長，在15層以上區(qū)域可達580℃。這種溫度分布特征導致井道周邊區(qū)域出現(xiàn)強烈的對流換熱現(xiàn)象，加速了建筑結(jié)構(gòu)與可燃物的升溫過程[2]。煙氣在垂直井道內(nèi)形成穩(wěn)定的上升氣流，并在各層開口處產(chǎn)生渦流，促使火勢向鄰近空間蔓延。

建筑內(nèi)部的電纜及管線在穿越井道時，若防火封堵部位處理不當，容易成為火災防護系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。實地調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，該大型商業(yè)綜合體的管線井每層平均有4～6處穿越開口，這些位置在火災工況下容易形成煙氣擴散通道。研究記錄的一起實際火災案例顯示，由于井道的貫通效應，8層的初始火源僅用12min便使12層以上區(qū)域完全充滿煙氣。管道井內(nèi)的可燃材料在高溫作用下進一步加劇火勢蔓延，產(chǎn)生連鎖反應。針對井道火災蔓延特性，本文開展了溫度場數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示，井道頂部形成負壓區(qū)，底部形成正壓區(qū)，壓差可達120Pa，這種壓力分布加劇了豎向氣流運動。同時，建筑外部風壓與井道煙囪效應相互作用，在不同樓層形成了復雜的氣流組織，對火災蔓延路徑產(chǎn)生顯著影響。

2.2" 幕墻系統(tǒng)傳熱機制

該大型商業(yè)綜合體采用全玻璃幕墻系統(tǒng)，在火災下表現(xiàn)出獨特的傳熱特性。通過實驗觀測發(fā)現(xiàn)，當室內(nèi)溫度達到200℃時，中空玻璃幕墻開始發(fā)生應力變形，在400℃以上溫度環(huán)境中，玻璃因熱應力作用出現(xiàn)裂紋并最終破碎。破損的幕墻系統(tǒng)形成新的對流通道，導致火勢沿建筑外立面快速蔓延。實驗數(shù)據(jù)顯示，幕墻破損后火焰溫度在外立面處達到750℃，輻射熱通量峰值超過55kW/m2，對上部樓層構(gòu)成嚴重威脅。幕墻系統(tǒng)的傳熱過程呈現(xiàn)出明顯的階段性特征。在火災初期，中空玻璃的隔熱性能可有效阻滯熱量傳遞，內(nèi)外表面溫差可達180℃。隨著火災發(fā)展，中空層內(nèi)氣體受熱膨脹，玻璃層間產(chǎn)生額外應力，加速了幕墻系統(tǒng)的破壞進程。研究表明，當火源距離幕墻1.5m時，玻璃外表面溫度上升速率達15℃/min，這種快速升溫使幕墻系統(tǒng)在短時間內(nèi)失去結(jié)構(gòu)完整性。通過熱工分析確定了幕墻系統(tǒng)的臨界失效溫度，并建立了破損預測模型[3]。模擬結(jié)果表明，幕墻系統(tǒng)的破損模式與火源位置及熱通量分布密切相關(guān)。當火焰直接沖擊幕墻時，局部溫度梯度顯著增大，在熱應力集中區(qū)域引發(fā)鏈式破壞。這種破壞模式為火災防控策略的制定提供了重要依據(jù)。

2.3" 不同功能區(qū)域火災發(fā)展特性

該大型商業(yè)綜合體3個功能區(qū)的火災發(fā)展特性鮮明。商業(yè)區(qū)（1～5層）火災發(fā)展迅速，主要是商品陳列和塑料包裝材料較密集造成的?；馂某跗跍囟瓤焖偕仙?，閃燃時間短，會產(chǎn)生大量黑煙和有毒氣體。測試顯示，標準貨架發(fā)生火災，5min內(nèi)熱釋放率達1MW，輻射熱通量高達35kW/m2，極易引發(fā)連鎖燃燒。辦公區(qū)（6～12層）火災發(fā)展較緩慢，開放式布局使初期熱量分散，溫度上升緩和。然而電氣設(shè)備或家具燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣積聚于吊頂區(qū)域，形成熱層向下輻射，達臨界溫度后可引發(fā)二次閃燃，導致火勢突然加劇，熱釋放率呈階梯狀增長。餐飲區(qū)（13～15層）火災最為復雜，兼具快速發(fā)展和持續(xù)時間長的特點，油煙管道積污燃燒產(chǎn)生高溫煙氣，且富含未完全燃燒的碳氫化合物，毒性顯著高于其他區(qū)域，可通過垂直管道向高層蔓延。

3 消防系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

3.1" 改進高壓細水霧系統(tǒng)

針對該大型商業(yè)綜合體火災特性，優(yōu)化設(shè)計了多級增壓高壓細水霧系統(tǒng)，改進系統(tǒng)采用變頻調(diào)速泵組實現(xiàn)壓力智能分區(qū)，以確保不同樓層噴頭工作壓力穩(wěn)定在8～12MPa范圍內(nèi)，通過計算機模擬優(yōu)化設(shè)計的雙流體霧化噴頭將水滴粒徑控制在50～100μm之間，可顯著提升霧滴群的穿透能力與冷卻效率，見表1，系統(tǒng)核心技術(shù)參數(shù)經(jīng)過全方位優(yōu)化，在保證滅火效能的同時降低了水損程度。

系統(tǒng)采用環(huán)形管網(wǎng)布置方式提升可靠性，在各防火分區(qū)設(shè)置獨立控制閥組，實現(xiàn)精準定位噴射，管網(wǎng)采用316L不銹鋼材質(zhì)，壁厚4.5mm，可承受16MPa工作壓力，可在高溫環(huán)境下保持良好的機械性能。水泵選用高轉(zhuǎn)速離心泵，通過智能變頻系統(tǒng)根據(jù)樓層高度自動調(diào)節(jié)出水壓力，提供最佳霧化效果，改進后系統(tǒng)在15s內(nèi)可建立穩(wěn)定噴霧效果。設(shè)置兩座容積各為180m3的消防水池，通過管道連通形成雙聯(lián)供水系統(tǒng)[4]。泵組配置3臺主泵與1臺備用泵，單臺泵流量為280L/min，揚程420m，能夠滿足全樓層同時啟用工況，根據(jù)高壓輸送試驗，系統(tǒng)在20層最不利點處仍可保持9.5MPa的工作壓力，確保高層區(qū)域的滅火能力。

3.2" 正壓送風策略

基于該大型商業(yè)綜合體的火災動力學特性，本文設(shè)計了分區(qū)聯(lián)動的正壓送風系統(tǒng)。系統(tǒng)在防火分區(qū)之間建立40～50Pa的穩(wěn)定壓力差，通過梯度加壓有效阻斷煙氣擴散，送風系統(tǒng)采用變頻風機組，根據(jù)火災位置動態(tài)調(diào)節(jié)送風量，保持疏散通道持續(xù)正壓，實驗表明，當相鄰防火分區(qū)壓差維持在45Pa時，煙氣擴散速度降低至0.3m/s以下。系統(tǒng)配置智能控制裝置，通過溫度傳感器與煙氣濃度探測器實現(xiàn)多參數(shù)聯(lián)動。在火災樓層形成350m3/h的機械送風，同時在其上下相鄰樓層維持200m3/h的基礎(chǔ)送風量，構(gòu)建三維防護氣幕，送風口采用可調(diào)節(jié)導流板設(shè)計，風速控制在8m/s內(nèi)，避免產(chǎn)生氣流擾動，合理的送風氣流組織能夠?qū)⒎阑鸱謪^(qū)煙氣濃度控制在0.1%以下，為人員疏散爭取寶貴時間[5]。垂直井道的煙氣控制采用多層聯(lián)動策略，在著火層實施強制排煙，相鄰樓層保持正壓防護，送排風系統(tǒng)通過中央控制器協(xié)同運行，根據(jù)火災發(fā)展階段自動調(diào)整工作模式。

3.3" 智能分區(qū)控制方案

本文設(shè)計采用分布式控制架構(gòu)，在該大型商業(yè)綜合體各防火分區(qū)設(shè)置現(xiàn)場控制單元與數(shù)據(jù)采集模塊?？刂葡到y(tǒng)由中央控制器與分區(qū)控制器組成，通過千兆光纖環(huán)網(wǎng)連接形成控制網(wǎng)絡。每個防火分區(qū)配置溫度傳感器與紅外探測器構(gòu)建多源感知網(wǎng)絡，傳感器間隔不大于6m且交錯布置，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)全覆蓋。商業(yè)區(qū)域控制方案設(shè)計變壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，將高壓細水霧系統(tǒng)噴射壓力設(shè)定為8～12MPa可調(diào)范圍，流量在12～15L/min之間動態(tài)調(diào)節(jié)?？刂乒駜?nèi)置3臺工控機并聯(lián)運行，采用2+1冗余配置，主備切換時間要求不超過0.5s。系統(tǒng)設(shè)計包含獨立的UPS電源，可支持控制設(shè)備持續(xù)運行4h。辦公區(qū)控制方案強化電氣火災防控，設(shè)計電流監(jiān)測點與紅外成像儀雙重布置。在配電室與強電井設(shè)置剩余電流式電氣火災監(jiān)控探測器，監(jiān)測閾值設(shè)定為300mA。餐飲區(qū)控制方案針對油煙管道特點，設(shè)計8m間距安裝防爆型熱解紅外探測器，配合氣體濃度傳感器構(gòu)建專項監(jiān)測網(wǎng)絡。各功能區(qū)控制策略庫預置10種應急處置方案，可根據(jù)火災情況自動調(diào)用并執(zhí)行相應控制指令。

4 系統(tǒng)性能評估

通過模擬實驗與實地測試，對優(yōu)化后消防系統(tǒng)的綜合性能進行評估，見表2。改進系統(tǒng)在不同火災場景下均表現(xiàn)出顯著的性能提升。商業(yè)區(qū)域火災模擬中，高壓細水霧系統(tǒng)響應時間縮短至15s，噴霧覆蓋半徑達4m，水霧粒徑分布90%集中在50～100μm內(nèi)?，F(xiàn)場測試數(shù)據(jù)表明，改進系統(tǒng)可在120s內(nèi)將800℃火源溫度降至350℃以下，提升了滅火效率。正壓送風系統(tǒng)的壓力場測試顯示，在標準工況下疏散通道正壓值穩(wěn)定維持在45Pa，相鄰防火分區(qū)壓差達到設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

本文針對某大型商業(yè)綜合體的火災安全問題進行了系統(tǒng)研究，重點解決了復雜建筑環(huán)境下火災快速蔓延的技術(shù)難題，通過實驗數(shù)據(jù)分析與數(shù)值模擬，揭示了垂直井道“煙囪效應”與幕墻傳熱機制對火災發(fā)展的影響規(guī)律，基于此開發(fā)了一套包含多級增壓高壓細水霧、正壓送風與智能分區(qū)控制的集成消防系統(tǒng)，這種基于建筑特性與功能分區(qū)的差異化消防策略，不僅提高了滅火效率，還為人員疏散創(chuàng)造了更安全的環(huán)境。未來研究將進一步探索人工智能技術(shù)在火災早期識別與動態(tài)滅火控制中的應用，提升系統(tǒng)的自適應能力與智能化水平。

參考文獻

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