丁厚成，余 點(diǎn)

(安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032)

高層建筑發(fā)生火災(zāi)時，當(dāng)樓層較低或者疏散人數(shù)較多時，使用電梯疏散不利于總體疏散效率[1]，尤其是15層樓以下的高層建筑發(fā)生火災(zāi)時，樓梯是最主要的疏散方式[2]。 在火災(zāi)燃燒的猛烈階段，由于高溫狀態(tài)下的熱對流，煙氣沿樓梯間或其他豎向管井?dāng)U散的速度為3～4 m/s[3]，如果防火分隔或防火處理不好，再加上初期滅火失敗,那么在煙囪效應(yīng)、浮力、風(fēng)力的共同作用下，火勢將迅速擴(kuò)大，煙氣加速蔓延，使高層建筑形成立體火災(zāi)，嚴(yán)重威脅樓內(nèi)人員生命和財產(chǎn)安全[4-5]。鑒于許多高層建筑的火災(zāi)案例，人員在樓梯間排隊疏散時，會導(dǎo)致人體長時間接觸樓梯間的環(huán)境并受其影響[6]，因此在煙氣最大允許濃度內(nèi)，將人員高效地疏散完畢是很有必要的。但要完成此項要求，須從以下兩個方面著手:一是控制樓梯間內(nèi)煙氣和有害氣體的濃度，盡可能地減緩煙氣和有害氣體擴(kuò)散的速度，降低煙氣和有害氣體的濃度。我國《建筑設(shè)計防火規(guī)范》[7](GB 50016—2014)中規(guī)定：除建筑高度超過50 m的一類公共建筑和建筑高度超過100 m的居住建筑外，靠外墻的防煙樓梯間及其前室、消防電梯間前室和合用前室，宜采用自然排煙方式；靠外墻的防煙樓梯間每5層內(nèi)可開啟外窗總面積之和不應(yīng)小于2.00 m2；排煙窗宜設(shè)置在上方，并應(yīng)有方便開啟的裝置。自然排煙系統(tǒng)因其設(shè)備簡單、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低、運(yùn)行時無需電源等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛采用[8-11]。二是提高人員疏散效率，規(guī)劃高效的人員疏散路徑。應(yīng)依據(jù)樓梯間內(nèi)煙氣、有害氣體以及溫度的分布情況及其對人體造成的影響進(jìn)行疏散路徑的規(guī)劃，同時增加消防設(shè)施等輔助設(shè)備來共同幫助人員進(jìn)行快速疏散[12]。

基于以上兩點(diǎn)，本文以馬鞍山市某13層辦公樓為原型，對高層建筑樓梯間在自然排煙方式和火源高度不相同的情況下，以煙氣和CO為代表的有毒有害氣體的濃度和溫度的分布情況進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得出了最佳的自然排煙的開窗方式，以為人員疏散及現(xiàn)場救援等決策提供參考。

1 模型的建立與火災(zāi)場景的設(shè)計

1. 1 火災(zāi)煙氣基本控制方程

高層建筑樓梯間內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時煙氣的流動屬于湍流流動。FDS(Fire Dynamic Simulation)[12]火災(zāi)仿真軟件是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)研究所(NIST)和建筑與火災(zāi)研究實驗室(BFRL)共同開發(fā)的產(chǎn)品，可以模擬火災(zāi)湍流流動的過程，并利用數(shù)值方法求解受火災(zāi)浮力驅(qū)動的低馬赫數(shù)流動的N-S(Navier-Stokes)方程，其計算重點(diǎn)是火災(zāi)情況下的煙氣和熱傳遞的過程。因此，本文采用FDS軟件對高層建筑樓梯間內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時煙氣的流動特征進(jìn)行了數(shù)值模擬。煙氣流動的持續(xù)變化過程可通過以下控制方程[14-15]進(jìn)行描述：

連續(xù)性方程：

?ρ?t+(ρu)=0

(1)

動量守恒方程：

ρ(?ρ?t+(u·)u)+p=ρg+f+·τ

(2)

能量守恒方程：

?(ρh)?t+·(ρhu)=?p?t+u·p-·qr+·kt+∑·hiρDiYi

(3)

式中：ρ為密度(kg/m3)；t為時間(s)；u為速度矢量(m/s);p為壓強(qiáng)(N/m2)；g為重力加速度(m/s2)；f為外部施加的力矢量(N)；τ為黏性力張量；h為焓(kJ)；qr為熱輻射通量(kW/m2)；k為導(dǎo)熱系數(shù)[W/(m·K)]；下標(biāo)i為第i種組分；hi為第i種組分的焓(kJ)；Di為第i種組分的擴(kuò)散系數(shù)(m2/s)；Yi為第i種組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1. 2 樓梯間模型的建立

本文以馬鞍山市某辦公樓為例，該辦公樓共13層，層高3.5 m，凈高3 m，樓梯間踏步高0.2 m，樓梯間各部分具體尺寸見表1，室內(nèi)初始溫度為20℃，運(yùn)行時間為300 s。圖1為設(shè)計的該辦公樓樓梯間的簡化模型，展示了不同大小和位置的排煙窗、不同位置的火源以及樓梯間各部分的組成。

表1 樓梯間各部分尺寸

圖1 某13層辦公樓樓梯間簡化模型Fig.1 Model of the stairway of a 13-floor office building

1. 3 火災(zāi)模擬場景的設(shè)置

本文設(shè)置的著火點(diǎn)熱釋放速率(HRR)為5 000 kW/m2，如圖1所示，在每層靠門方向，分別在距離樓梯前平臺高度1.5 m處各設(shè)置1個CO 氣體濃度監(jiān)測裝置；在每層靠窗方向，分別在距離樓梯后平臺高度1.5 m處各設(shè)置1個溫度監(jiān)測裝置，即熱電偶溫度探測器；在樓梯間中間位置每層各設(shè)置1個煙霧探測器；在火源上方設(shè)置熱釋放速率(HRR)監(jiān)測裝置。

根據(jù)我國《建筑設(shè)計防火規(guī)范》[7](GB 50016—2014)中規(guī)定，靠外墻的防煙樓梯間宜采用自然排煙方式，且每5層樓開窗不得少于2 m2。熊筠等[16]采用理論加試驗的方式證明，5層樓中樓梯間開啟兩扇大小為1 m2的外窗應(yīng)設(shè)置在第4、5層樓，排煙效果最佳，卻并未考慮只開啟一扇大小為2 m2的外窗的情況。因此，本文將討論以下8種工況發(fā)生時某13層辦公樓樓梯間的自然排煙狀況：

(1) 工況1：火源位置在第1層，在第4層、第5層、第9層、第10層分別設(shè)置1 m2外窗。

(2) 工況2：火源位置在第1層，在第4層、第5層、第9層、第10層、第11層分別設(shè)置1 m2外窗。

(3) 工況3：火源位置在第1層，在第5層、第10層分別設(shè)置2 m2外窗。

(4) 工況4：火源位置在第1層，在第5層、第10層、第11層分別設(shè)置2 m2外窗。

(5) 工況5：火源位置在第7層，在第4層、第5層、第9層、第10層分別設(shè)置1 m2外窗。

(6) 工況6：火源位置在第7層，在第5層、第10層分別設(shè)置2 m2外窗。

(7) 工況7：火源位置在第13層，在第4層、第5層、第9層、第10層分別設(shè)置1 m2外窗。

(8) 工況8：火源位置在第13層，在第5層、第10層分別設(shè)置2 m2外窗。

2 火災(zāi)模擬結(jié)果與分析

2. 1 煙氣蔓延情況分析

圖2、圖3、圖4分別為該辦公樓火源在底層(第1層)、中層(第7層)和頂層(第13層)時，各層的煙氣濃度蔓延趨勢,圖5為在模擬的300 s時間內(nèi)該辦公樓樓梯間在不同火源位置時煙氣蔓延模擬效果圖。

圖2 某13層辦公樓底層著火時各層煙氣濃度擴(kuò)散情況Fig.2 Diffusion of the smoke on each floor when the fire breaks out on the ground floor of a 13-floor office building 注：煙氣濃度表示每米狀態(tài)下煙氣蔓延充滿該樓層 空間的百分?jǐn)?shù)。下同

圖3 某13層辦公樓中層著火時各層煙氣濃度擴(kuò)散情況Fig.3 Diffusion of the smoke on each floor when the fire breaks out on the middle floor of a 13-floor office building

圖4 某13層辦公樓頂層著火時各層煙氣濃度擴(kuò)散情況Fig.4 Diffusion of the smoke on each floor when the fire breaks out on the top floor of a 13-floor office building

圖5 某13層辦公樓樓梯間煙氣蔓延模擬效果Fig.5 Simulation picture of smoke spread at the stairway of a 13-floor office building

由圖2至圖5可見，當(dāng)該辦公樓底層著火時，煙氣大約在130 s內(nèi)快速蔓延到各層；當(dāng)中層著火時，煙氣會在50 s左右快速蔓延到7層以上的樓層(包括7層)，而僅有很少的煙氣在300 s內(nèi)蔓延到第7層以下的樓層，煙氣濃度基本上不會對人體造成威脅；當(dāng)頂層著火時，煙氣在30 s左右快速蔓延到第12層和第13層，而在第11層僅有一小部分煙氣，在200s左右時才會迅速增長，很快達(dá)到最高濃度100%/m(即每米狀態(tài)下煙氣已經(jīng)完全充滿該樓層，下同)，第11層以下的樓層煙氣濃度很低，基本上不會對人體造成威脅。

由此可見，火災(zāi)發(fā)生的樓層越低，危害波及的范圍越廣，造成的危害也越大。

2.1.1 火源在底層

圖6至圖11分別為該辦公樓在工況1、2、3、4下不同樓層間煙氣濃度的對比圖。因為該辦公樓底層著火時，在各工況下第1層煙氣濃度均迅速上升，所以在此不做贅述。

圖6 某13層辦公樓在工況1～4下第3層樓煙氣濃度的對比Fig.6 Comparison of the smoke concentration on the 3rd floor of a 13-floor office building under the condition 1 to 4

圖7 某13層辦公樓在工況1～4下第5層樓煙氣濃度的對比Fig.7 Comparison of the smoke concentration on the 5th floor of a 13-floor office building under the condition 1 to 4

由圖6和圖7可見，該辦公樓第3層樓煙氣濃度擴(kuò)散情況是：煙氣濃度均在50 s左右時開始急劇上升，大約在100 s后煙氣達(dá)到最大濃度100%/m；該辦公樓第5層樓煙氣濃度擴(kuò)散情況是：煙氣濃度均在50 s左右時開始急劇上升，大約120 s后煙氣達(dá)到最大濃度100%/m。此外，由圖6可見，工況3時煙氣的上升趨勢略比其他工況緩慢，工況1時煙氣的上升趨勢略比其他工況快；由圖7可見，工況2時煙氣的上升趨勢略比其他工況緩慢，工況3時煙氣的上升趨勢略比其他工況快。

圖8 某13層辦公樓在工況1～4下第7層樓煙氣濃度的對比Fig.8 Comparison of the smoke concentration on the 7th floor of a 13-floor office building under the condition 1 to 4

圖9 某13層辦公樓在工況1～4下第9層樓煙氣濃度的對比Fig.9 Comparison of the smoke concentration on the 9th floor of a 13-floor office building under the condition 1 to 4

由圖8和圖9可見，該辦公樓第7層樓煙氣濃度擴(kuò)散情況是：煙氣濃度均在100 s左右時開始急劇上升，大約225 s后煙氣達(dá)到最大濃度100%/m；該辦公樓第9層樓煙氣濃度擴(kuò)散情況是：煙氣濃度均在125 s左右時開始急劇上升，大約300 s后煙氣達(dá)到最大濃度100%/m。此外，由圖8可見，工況3時煙氣的上升趨勢略比其他工況緩慢，工況2時煙氣的上升趨勢略比其他工況快；由圖9可見，工況3時煙氣的上升趨勢略比其他工況緩慢，工況2時煙氣的上升趨勢略比其他工況快。

圖10 某13層辦公樓在工況1～4下第11層樓煙氣濃度的對比Fig.10 Comparison of the smoke concentration on the 11th floor of a 13-floor office building under the condition 1 to 4

圖11 某13層辦公樓在工況1～4下第13層樓煙氣濃度的對比Fig.11 Comparison of the smoke concentration on the 13th floor of a 13-floor office building under the condition 1 to 4

由圖10和圖11可見，該辦公樓第11層樓煙氣情況是：煙氣濃度均在150 s左右時開始急劇上升，大約300 s后煙氣達(dá)到最大濃度60%/m；該辦公樓第13層樓煙氣濃度擴(kuò)散情況是：煙氣濃度均在100 s左右時開始急劇上升，大約300 s后煙氣達(dá)到最大濃度35%/m。此外，由圖10可見，工況3時煙氣的上升趨勢略比其他工況緩慢，工況4時煙氣的上升趨勢略比其他工況快；由圖11可見，工況4時煙氣的上升趨勢略比其他工況緩慢，工況1時煙氣的上升趨勢略比其他工況快。

由于煙氣的煙囪效應(yīng)，致使頂層煙氣到達(dá)的速度略快，所以排煙窗要設(shè)置在上方，而窗戶面積大將有利于煙氣排出，但不宜過大，且窗戶數(shù)量也不宜過多，這是因為下方的窗戶排出的煙氣如果過多，由于煙氣的熱浮力，反而可能會從上方的窗戶再次進(jìn)入樓梯間內(nèi)，造成更為嚴(yán)重的后果。

該辦公樓在工況1、2、3、4下各層煙氣蔓延速度排序見表2。

表2 某13層辦公樓在工況1、2、3、4下各層煙氣蔓延速度的排序

注：表中Ⅳ表示煙氣蔓延速度最快；Ⅲ表示煙氣蔓延速度較快；以此類推，Ⅰ表示煙氣蔓延速度最慢。

由表2可見，該辦公樓底層(第1層)著火時，工況3即在第5層、第10層兩層樓各開一扇面積為2 m2的外窗時，煙氣濃度蔓延速度最慢，排煙效果最佳；并且綜合經(jīng)濟(jì)因素考慮，開設(shè)排煙窗最佳面積為2 m2，排煙窗最佳數(shù)量為1扇，否則由于煙氣向上流動以及橫向擴(kuò)散的流動特性[17]，可能會產(chǎn)生反效果。

2.1.2 火源在中層

由圖3可見，該辦公樓火源在中層時，煙氣濃度只在第7層及以上樓層中蔓延，其中第7層煙氣濃度蔓延速度最快，第12層煙氣濃度蔓延速度最慢，而由于煙氣的煙囪效應(yīng)，頂層煙氣濃度蔓延速度與第11層相似。

圖12為該辦公樓在工況5、6下第9、10、11、13層樓煙氣濃度的對比。

圖12 某13層辦公樓在工況5、6下第9、10、11、13層樓煙氣濃度的對比Fig.12 Comparison of the smoke concentration on the 9th,10th,11th and 13th floor of a 13-floor office building under the condition 5 to 6

由圖12可見，該辦公樓在工況6下第9層樓的煙氣濃度走勢，即工況6(9)曲線(表示工況6下第9層樓的煙氣濃度變化曲線，下同)比工況5的略緩，均在25 s左右煙氣開始蔓延，55 s左右煙氣濃度達(dá)到最大；第10層樓和第11層樓在兩種工況下煙氣濃度走勢相似，均在26 s左右煙氣開始蔓延，第10層樓在75 s時煙氣濃度達(dá)到最大，而第11層樓的煙氣濃度在110 s左右時達(dá)到最大；該辦公樓在工況6下的第13層樓的煙氣走勢比工況5的緩慢，均在26 s左右煙氣開始蔓延，130 s時煙氣濃度達(dá)到最大，但不同的是上升過程中工況6的煙氣濃度出現(xiàn)短暫下降之后始終低于工況5。綜合來看，由于煙氣向上運(yùn)動的特性，工況6即火源在中層時，第5層、第10層兩層樓各開一扇面積為2 m2的外窗時，煙氣濃度蔓延速度最慢，排煙效果最佳。

2.1.3 火源在頂層

由圖4可見，當(dāng)該辦公樓頂層著火時，煙氣會快速蔓延到第12層樓和第13層樓，而在第11層樓僅有一小部分煙氣，在200 s左右時才會迅速增長。

圖13為該辦公樓在工況7、8下第11、12層樓煙氣濃度的對比。

圖13 某13層辦公樓在工況7、8下第11、12層樓煙氣濃度的對比Fig.13 Comparison of the smoke concentration on the 11th and 12th floor of a 13-floor office building under the condition 7 to 8

由圖13可見，大約在20 s時，煙氣開始迅速蔓延到第12層樓，并在55 s左右達(dá)到最大濃度100%/m，此時，工況7、8的煙氣濃度蔓延曲線走勢幾乎重合；約在195 s時，煙氣迅速蔓延到第11層樓，并在230 s左右達(dá)到最大濃度100%/m，此時，工況8煙氣濃度蔓延曲線走勢比工況7要緩，并且在200 s以內(nèi)時，第12層樓的煙氣濃度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于第11層的煙氣濃度，這是由于煙氣的煙囪效應(yīng)造成的煙氣流動特性，可以對其加以利用。綜合來看，由于煙氣向上運(yùn)動的特性，工況8即該辦公樓火源在頂層時，第5層、第10層兩層樓各開一扇面積為2 m2的外窗時，煙氣濃度蔓延速度最慢，排煙效果最佳。

根據(jù)上述已得出的結(jié)論：該辦公樓火源發(fā)生在底層時，火災(zāi)危害最大。所以在此主要考慮發(fā)生火災(zāi)時危害最大的情況，即火源在底層時的情況，選取兩種代表工況，即工況1、3來對該辦公樓樓梯間CO濃度和溫度的分布進(jìn)行模擬分析。

2. 2 CO濃度分布情況分析

結(jié)合《建設(shè)工程性能化消防設(shè)計與評估導(dǎo)則》，本次選定模擬場景的安全判據(jù)為：1.5 m高度上CO濃度(以體積分?jǐn)?shù)表示)不超過0.003[18]。

圖14為該辦公樓在工況1、3下第1、2層樓CO濃度(體積分?jǐn)?shù))的對比。

圖14 某13層辦公樓在工況1、3下第1、2層樓CO濃度的對比Fig.14 Comparison of the smoke concentration on the 1st and 2nd floor of a 13-floor office building under the condition 1 and 3

由圖14可見，該辦公樓在工況1、3下第1、2層樓在模擬時間界限內(nèi)沒有超出安全臨界值0.003，這可能是由于燃燒比較充分，并未產(chǎn)生大量未完全燃燒產(chǎn)物，如CO；第1層樓的CO體積分?jǐn)?shù)在兩種工況下相差無幾，但總體來說，工況1的CO平均體積分?jǐn)?shù)和最大體積分?jǐn)?shù)普遍高于工況3；130 s前，第2層樓的CO體積分?jǐn)?shù)在工況3下明顯低于工況1，在130 s之后，升高趨勢相近。綜合來看，工況3優(yōu)于工況1，即該辦公樓火源在底層時第5層、第10層兩層樓各開一扇面積為2 m2的外窗時，排煙效果好。

2. 3 溫度分布情況分析

結(jié)合《建設(shè)工程性能化消防設(shè)計與評估導(dǎo)則》，本次選定模擬場景的安全判據(jù)為：1.5 m高度上溫度不超過60℃[18]。

圖15為該辦公樓在工況1、3下第1、2層樓溫度的對比。

圖15 某13層辦公樓在工況1、3下第1、2層樓溫度的對比Fig.15 Comparison of the temperature on 1st and 2nd floor of a 13-floor office building under the condition 1 and 3

由圖15可見，該辦公樓工況1(1)曲線在第1層樓的溫度大約在30 s時超過安全臨界值，第2層樓的溫度大約在76 s時超過安全臨界值；第1層、第2層兩層樓在兩種工況下溫度相差無幾，升高趨勢相同；第2層樓的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于第1層樓的溫度，所以就溫度而言，著火樓層對人員的危害最大。但總體來說，工況1下的平均溫度和最高溫度普遍高于工況3，即該辦公樓火源在底層時，第5層、第10層兩層樓各開一扇面積為2 m2的外窗時，排煙效果好。

因為著火樓層溫度會在30 s左右就達(dá)到安全臨界溫度，并且持續(xù)升高，所以在第5層、第10層兩層樓各開一扇面積為2 m2的排煙窗，且還要按照相關(guān)規(guī)范設(shè)置其他防火救火設(shè)施，以保證人員財產(chǎn)安全。

3 結(jié) 論

本文通過數(shù)值模擬的方法研究了某高層建筑發(fā)生火災(zāi)時，樓梯間采用自然排煙方式時的開窗方式以及煙氣流動特征，得到如下結(jié)論：

(1) 若著火位置位于樓梯間中層之下，煙氣則會迅速地向建筑物上部蔓延；若著火位置位于樓梯間中層之上，煙氣則會向上層快速蔓延，在中性面之下的部位會比較安全。即當(dāng)高層建筑發(fā)生火災(zāi)時，著火樓層越低，對人員疏散與救援造成的危害越大。

(2) 當(dāng)高層建筑樓梯間采用自然排煙的方式時，每5層樓在樓層上方設(shè)置一扇面積為2 m2的排煙窗的排煙效果要優(yōu)于在上方連續(xù)兩層樓各設(shè)置一扇面積為1 m2的排煙窗。

(3) 由于煙氣向上流動的特性以及煙氣引發(fā)的浮力等因素，并且綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素，每5層樓在樓層上方開設(shè)排煙窗最佳面積為2 m2，排煙窗最佳數(shù)量為1扇。

(4) 在模擬的300 s時間內(nèi)，各工況下的CO濃度(體積分?jǐn)?shù))均未超過安全臨界值，而著火樓層的溫度大約在30 s超過安全臨界值。所以，在人員疏散與救援中應(yīng)避免通過著火樓層或者增加輔助設(shè)施來安全通過著火樓層。

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