基于FDS模擬的某綜合樓地下一層火災(zāi)煙氣控制探討

李 巖

(唐山市消防支隊(duì)，河北 唐山 063000)

基于FDS模擬的某綜合樓地下一層火災(zāi)煙氣控制探討

李 巖

(唐山市消防支隊(duì)，河北 唐山 063000)

針對(duì)地下建筑自身的特點(diǎn)，以某地下建筑為原型，運(yùn)用FDS軟件建立幾何模型，通過(guò)模擬對(duì)該地下建筑有關(guān)防排煙的問(wèn)題進(jìn)行研究。選定了兩個(gè)基本的火災(zāi)情景，即在未設(shè)置煙氣控制系統(tǒng)和設(shè)置煙氣控制系統(tǒng)兩種情況下分別對(duì)該地下建筑進(jìn)行火災(zāi)模擬，并結(jié)合模擬結(jié)果對(duì)煙氣流動(dòng)狀況、火場(chǎng)溫度等關(guān)鍵性指標(biāo)進(jìn)行了分析探討，最后給出了合理化的建議。

地下建筑；煙氣控制；FDS；消防設(shè)計(jì)

從大量的火災(zāi)事故中可以發(fā)現(xiàn)，煙氣是阻礙人們逃生和滅火行動(dòng)，導(dǎo)致人員死亡的主要原因之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在建筑火災(zāi)中約75%～85%的死亡人員是由煙氣致死的[1]，而在被燒死的人中，多數(shù)是先中毒窒息暈倒后被燒死的。例如，“12·26”長(zhǎng)春夏威夷大酒店地下一層火災(zāi)，共造成20人死亡，其中18人是窒息而亡。本文選用近年來(lái)比較成熟的FDS場(chǎng)模擬軟件，對(duì)某綜合樓地下一層火災(zāi)煙氣控制設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

1 工程概況

本文研究對(duì)象是某綜合樓的地下一層，該綜合樓坐落于某大城市的繁華路段，地上五層，地下一層，地面以上部分高度為20 m。地下一層的面積為669 m2(44.6 m×15 m)，其高度為3.5 m，一條狹長(zhǎng)的內(nèi)走廊橫貫其中，擁有一個(gè)大會(huì)議室、一個(gè)前臺(tái)接待室以及7個(gè)辦公室，走廊東西兩端的北側(cè)各有一個(gè)設(shè)備室，如圖1所示。該地下一層有兩部通向地面的樓梯，設(shè)置為防煙樓梯間。由于地下一層主要是用于辦公和會(huì)議，屬于公眾聚集場(chǎng)所，因其功能的特殊性，在進(jìn)行消防設(shè)計(jì)時(shí)，既要符合相應(yīng)的消防設(shè)計(jì)規(guī)范，又要綜合考慮其防火設(shè)計(jì)特別是煙氣控制系統(tǒng)對(duì)消防安全的影響[2]。

圖1 綜合樓地下一層平面布局

2 相關(guān)參數(shù)的確定

2.1 著火點(diǎn)的選定

本文選取了兩種具有代表性的情況，即未設(shè)置煙氣控制系統(tǒng)和設(shè)置煙氣控制系統(tǒng)。兩種方案的著火點(diǎn)都設(shè)在前臺(tái)接待室靠近東側(cè)的出口處，因?yàn)樵O(shè)在這里，煙氣會(huì)較快地蔓延到走廊中，而且可能很快會(huì)將西側(cè)樓梯間封閉，這種情況對(duì)于人員的逃生和救援是最不利的[3]。

2.2 火災(zāi)規(guī)模的確定

模擬采取穩(wěn)態(tài)燃燒模式，火災(zāi)規(guī)模取1.0 MW，除著火點(diǎn)燃燒外，其余結(jié)構(gòu)如墻、地板、天花板等都設(shè)為混凝土。本文模擬的時(shí)間步長(zhǎng)取300 s，單位面積熱釋放速率逐漸上升時(shí)間為5.0 s。本次模擬對(duì)象是建筑的地下一層，不考慮煙氣沿樓梯間向上層蔓延的情況，因此在模擬過(guò)程中，東、西兩側(cè)通向樓梯間的兩個(gè)門(mén)設(shè)定為關(guān)閉狀態(tài)?？紤]最不利情況，即在模擬過(guò)程中，為檢驗(yàn)防排煙設(shè)施的有效性，除通向樓梯間的門(mén)外，其余的門(mén)是完全打開(kāi)的[4]。

2.3 網(wǎng)格尺寸的選定

綜合考慮模擬精確度和計(jì)算機(jī)的配置，對(duì)于本次模擬選用的1.0 MW的火災(zāi)規(guī)模，網(wǎng)格大小取0.25 m。

2.4 煙氣控制系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)

2.4.1 防煙分區(qū)的劃分

本次模擬對(duì)象是一個(gè)面積為669 m2的地下室，根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50016—2006)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《建規(guī)》)第9.4.2條的規(guī)定，一個(gè)防煙分區(qū)的最大面積不應(yīng)超過(guò)500 m2。由于需要確定排煙和供氣量的參數(shù)，因此必須首先考慮防煙分區(qū)的劃分。出于安全和經(jīng)濟(jì)的考慮，以一個(gè)高度為0.8 m的擋煙垂壁為界，將該地下一層劃分為東、西兩個(gè)防煙分區(qū)，如圖2所示。東側(cè)防煙分區(qū)面積為367 m2，西側(cè)防煙分區(qū)面積為302 m2，符合相關(guān)規(guī)范要求。

圖2 防煙分區(qū)及排煙、送風(fēng)口布局

2.4.2 擋煙垂壁高度的確定

擋煙垂壁為從頂棚下垂不小于0.5 m的固定或活動(dòng)的擋煙設(shè)施,考慮到人員的活動(dòng)需要，如果垂壁的下端過(guò)低，發(fā)生火災(zāi)時(shí)會(huì)妨礙人員的疏散，因此，其下緣距地面高度不應(yīng)小于1.8 m。針對(duì)本文模擬對(duì)象的實(shí)際情況，可以得出該地下一層建筑(高3.5 m)擋煙垂壁高度可以在0.5～1.7 m內(nèi)任意選擇，綜合考慮防煙和建筑美觀等因素，擋煙垂壁的高度取0.8 m是符合要求的。

2.4.3 排煙口位置的確定

以上高壓設(shè)備的選型均依據(jù)于《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》[5]，且均為目前市場(chǎng)上比較流通的型號(hào)，可滿足動(dòng)、熱穩(wěn)定校驗(yàn)等條件。綜上所述，高壓電氣設(shè)備選型如表4所示。

根據(jù)《建規(guī)》第9.4.6條第4款規(guī)定，設(shè)置機(jī)械排煙系統(tǒng)的地下、半地下場(chǎng)所，除歌舞娛樂(lè)放映游藝場(chǎng)所和建筑面積大于50 m2的房間外，排煙口可設(shè)置在疏散走道?？梢钥闯?，對(duì)于該地下一層，除一條內(nèi)走廊外，北側(cè)大會(huì)議室和西側(cè)前臺(tái)接待室也需要設(shè)置排煙口。再根據(jù)《建規(guī)》第9.4.6條第3款規(guī)定，排煙口應(yīng)設(shè)置在頂棚或靠近頂棚的墻面上，且與附近安全出口沿走道方向相鄰邊緣之間的最小水平距離不應(yīng)小于1.50 m；《建規(guī)》第9.4.6條第5款規(guī)定，防煙分區(qū)內(nèi)的排煙口與最遠(yuǎn)點(diǎn)的水平距離不應(yīng)超過(guò)30.0 m。根據(jù)以上分析，該地下一層建筑的排煙口設(shè)置在如圖2中的7處是符合規(guī)范要求的。

2.4.4 排煙口尺寸參數(shù)

排煙口的有效面積是指開(kāi)啟的流通截面積，這是其最基本的性能指標(biāo)之一，是選擇排煙口具體規(guī)格尺寸的依據(jù)。根據(jù)《建規(guī)》第9.4.6條第6款的規(guī)定，排煙口的風(fēng)速不宜大于10.0 m·s-1。排煙口風(fēng)速越大，說(shuō)明單位時(shí)間內(nèi)排煙機(jī)能夠排出的煙氣越多，為了使發(fā)生火災(zāi)時(shí)能讓煙氣盡可能多地從著火區(qū)域排出去，出于安全的考慮，取每個(gè)排煙機(jī)的風(fēng)速為10.0 m·s-1。對(duì)于每個(gè)防煙分區(qū)來(lái)說(shuō)，機(jī)械排煙口的總有效流通面積為：

式中，v是單位時(shí)間內(nèi)防煙分區(qū)單位面積的排煙量，取60m3·m-2·h-1；Fi是單個(gè)防煙分區(qū)的地面面積，m2；Wy是根據(jù)排煙口有效面積計(jì)算的煙氣排出速度，m·s-1，取Wy為10m·s-1。

根據(jù)計(jì)算得出，西側(cè)防煙分區(qū)機(jī)械排煙口的總有效流通面積為(60×302)/(3600×10)=0.5m2。如圖2所示，西側(cè)防煙分區(qū)共設(shè)置3個(gè)排煙口，則每個(gè)機(jī)械排煙口的有效流通面積為0.5/3≈0.16m2，因此在模擬中可將排煙口設(shè)為3個(gè)0.40m×0.40m的矩形孔洞。同理，東側(cè)防煙分區(qū)面積為367m2，則每個(gè)排煙口面積為0.15m2，因此在模擬中可將排煙口設(shè)為4個(gè)0.35m×0.50m的矩形孔洞。

2.4.5 送風(fēng)量及送風(fēng)口尺寸參數(shù)

3 模擬結(jié)果分析

3.1 計(jì)算數(shù)據(jù)的確定

根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]及我國(guó)規(guī)范相關(guān)規(guī)定，火災(zāi)中生命危險(xiǎn)的計(jì)算數(shù)據(jù)如表1所示。由于該地下一層是作為辦公場(chǎng)所使用的，為安全起見(jiàn)，冷空氣高度取1.8m，安全疏散所需時(shí)間取5min。在計(jì)算和判斷中，如果著火區(qū)域內(nèi)冷空氣層的高度低于1.8m，則距地板1.8m高度范圍氣體中的一氧化碳體積分?jǐn)?shù)和溫度等參數(shù)的極限值取熱煙氣層中的相應(yīng)數(shù)值。

表1 生命危險(xiǎn)的計(jì)算數(shù)據(jù)

3.2 結(jié)果的比較和分析

3.2.1 煙氣運(yùn)動(dòng)模擬結(jié)果與分析

圖3和圖4分別是未設(shè)置排煙送風(fēng)系統(tǒng)、設(shè)置排煙送風(fēng)系統(tǒng)時(shí)煙氣運(yùn)動(dòng)狀況的模擬，取火災(zāi)發(fā)生后60s、120s、200s、300s四個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比。

由圖3可以看出，在未設(shè)置排煙送風(fēng)的情況下，火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣蔓延迅速，到火災(zāi)發(fā)生60s時(shí)就蔓延到走廊的另一端。在120s時(shí)，北側(cè)會(huì)議室開(kāi)始有煙氣進(jìn)入，煙氣繼續(xù)流動(dòng)，很快充滿走廊，并開(kāi)始向走廊南北兩側(cè)的房間內(nèi)蔓延，先充滿走廊最西端的兩個(gè)房間，然后自西向東依次向其余房間彌漫。到200s時(shí)，該地下一層的所有房間內(nèi)都有煙氣的流動(dòng)，煙氣開(kāi)始充滿所有房間。至300s模擬結(jié)束時(shí)，整個(gè)地下一層煙霧彌漫，煙氣完全充滿所有房間。

由圖4可以看出，在設(shè)置排煙送風(fēng)的情況下，火災(zāi)煙氣得到了有效的控制。在火災(zāi)發(fā)生60s時(shí)，僅僅在前臺(tái)接待室內(nèi)有煙氣的運(yùn)動(dòng)，只有很少一部分煙氣彌漫到走廊中，但很快被走廊西側(cè)頂部的排煙機(jī)排出。在120s時(shí)，除前臺(tái)接待室和辦公室1以外，其余房間幾乎沒(méi)有煙氣進(jìn)入，煙氣的運(yùn)動(dòng)范圍僅僅局限于擋煙垂壁的西側(cè)。到200s時(shí)，煙氣才開(kāi)始充滿整個(gè)走廊，從圖中可以看出，由于擋煙垂壁和走廊東側(cè)頂部排煙機(jī)的隔煙、排煙作用，加上走廊下方送風(fēng)機(jī)不斷地送進(jìn)新鮮的空氣，西側(cè)走廊內(nèi)的煙氣仍然比較稀薄，同時(shí)，由于會(huì)議室頂棚排煙機(jī)的作用，蔓延到會(huì)議室的煙氣依然很少。至300s模擬結(jié)束時(shí)，煙氣才彌漫到該地下一層的所有房間內(nèi)，但是除西側(cè)靠近著火點(diǎn)的幾個(gè)房間外，其余房間內(nèi)的煙氣量依然比較有限。

圖3 未設(shè)置排煙送風(fēng)時(shí)煙氣運(yùn)動(dòng)的模擬

圖4 設(shè)置排煙送風(fēng)時(shí)煙氣運(yùn)動(dòng)的模擬

3.2.2 溫度場(chǎng)模擬結(jié)果與分析

火災(zāi)發(fā)生后60s、120s、200s、300s四個(gè)時(shí)間點(diǎn)，在走廊中央Y=7.5m橫斷面處(即從東到西貫穿整個(gè)內(nèi)走廊的橫截面)，未設(shè)置排煙送風(fēng)和設(shè)置排煙送風(fēng)的溫度場(chǎng)分布分別如圖5、圖6所示。

圖5是未設(shè)置排煙送風(fēng)時(shí)走廊中央Y=7.5m斷面處溫度場(chǎng)分布。到火災(zāi)發(fā)生120s時(shí)，由于熱煙塵作用，斷面左側(cè)高度在1.8m以上區(qū)域的溫度已經(jīng)大于120 ℃，斷面右側(cè)大部分區(qū)域溫度都在70 ℃左右，而靠近右側(cè)樓梯通道處的溫度卻達(dá)到了90～100 ℃，如此高的溫度，將給人員逃生帶來(lái)極大的困難。到火災(zāi)發(fā)生300s時(shí)，走廊已經(jīng)完全被煙氣充滿，絕大部分區(qū)域的溫度達(dá)到了110 ℃以上，人員一旦暴露在這種溫度下，將會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)死亡。

圖5 未設(shè)置排煙送風(fēng)時(shí)走廊中央

圖6 設(shè)置排煙送風(fēng)時(shí)走廊中央

圖6為設(shè)置了排煙送風(fēng)時(shí)走廊中央Y=7.5m斷面處溫度場(chǎng)分布。到火災(zāi)發(fā)生120s時(shí)，在1.8m的高度上，只有擋煙垂壁西側(cè)部分的溫度達(dá)到50～70 ℃，大部分區(qū)域的溫度在30～50 ℃之間，此溫度不會(huì)給人員帶來(lái)傷害。在擋煙垂壁的東側(cè)，只有很少的煙氣進(jìn)入，該區(qū)域仍然保持20 ℃左右的常溫。即使到300s時(shí)，在排煙機(jī)和送風(fēng)機(jī)的共同作用下，擋煙垂壁東側(cè)1.8m以下區(qū)域的溫度仍然保持在45 ℃左右，在這種溫度下，可以保證人員的疏散。

4 結(jié)論

排煙送風(fēng)設(shè)施對(duì)于排出有毒氣體、控制煙氣流動(dòng)、降低火場(chǎng)溫度等至關(guān)重要，對(duì)于該地下一層1.0MW的火災(zāi)規(guī)模，13m3·s-1的排煙量和6.5m3·s-1的送風(fēng)量能夠提供有效的煙氣控制效果。

在送風(fēng)口位置的設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)盡可能使送風(fēng)方向不要正對(duì)最可能發(fā)生火災(zāi)的地點(diǎn)。對(duì)于普通的地下建筑，特別是對(duì)于擁有狹長(zhǎng)走廊的地下建筑，設(shè)置擋煙垂壁是一種有效的控制煙氣流動(dòng)的方法，擋煙垂壁的高度應(yīng)當(dāng)在規(guī)范要求的不低于0.5m的基礎(chǔ)上適當(dāng)增大，力求有更好的限制煙氣流動(dòng)的效果。

[1] 孫金香,高偉.建筑物綜合防火設(shè)計(jì)[M].天津:天津科技翻譯出版公司,1994.

[2] 楊勝州,莫善軍,潘遷宏.地下交通樞紐站火災(zāi)煙氣控制數(shù)值模擬研究[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2012,8(12):48-52.

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[4] 梁暉,李天立.水下隧道火災(zāi)煙氣數(shù)值模擬研究[J].武警學(xué)院學(xué)報(bào),2012,28(10):11-12.

[5] 杜紅.防排煙工程[M].北京:中國(guó)人民公安大學(xué)出版社,2003.

(責(zé)任編輯 李 蕾)

FDS-based Smoke Control Design in Underground Floor One of Comprehensive Buildings

LI Yan

(TangshanMunicipalFireBrigade,HebeiProvince063000,China)

This thesis uses FDS Version 4 to build up a detailed geometry model of a typical underground building to study the smoke exhaustion of the underground building. Taken into discussion in this thesis are two general fire sites, a site without ventilators and a site equipped with ventilators. Then it analyzes some key factors such as the smoke flow, temperature, and comes up with reasonable suggestions.

underground building; smoke control; FDS; fire protection design

2016-05-20

李巖(1978— )，女，河北唐山人，高級(jí)工程師。

D631.6

A

1008-2077(2017)02-0066-04