高層及超高層建筑火災(zāi)試驗(yàn)用環(huán)境風(fēng)場(chǎng)模擬裝置研發(fā)

■ 尹航 蔣亞強(qiáng) 何勤理 譚龍飛 公安部四川消防研究所

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加劇，城市土地資源承載力受到了前所未有的挑戰(zhàn)，土地資源的集約利用及建筑空間的高效整合成為必然的發(fā)展趨勢(shì)，許多高層及超高層建筑應(yīng)運(yùn)而生。但伴隨著巨大的建筑體量、密集的人員分布和較高的火災(zāi)荷載，一旦發(fā)生火災(zāi)其危害性也絕非普通單、多層建筑可比，極易造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，對(duì)高層及超高層建筑開展火災(zāi)試驗(yàn)研究對(duì)火災(zāi)蔓延機(jī)理的掌握、防火滅火策略的制定以及人員疏散的決策均具有極其重要的指導(dǎo)作用。

近些年諸多火災(zāi)案例表明，建筑外立面已成為高層及超高層建筑火災(zāi)迅速蔓延的重要途徑，研究不同外立面形式下的開口火溢流行為特征對(duì)保障高層及超高層建筑消防安全具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。由于作用于高層和超高層建筑外立面的環(huán)境風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速大小隨建筑高度的增加依冪指規(guī)律呈逐步增大的趨勢(shì)，較高樓層處室外環(huán)境風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速可達(dá)十幾米每秒甚至幾十米每秒，火災(zāi)工況時(shí)開口火溢流行為勢(shì)必受到環(huán)境風(fēng)場(chǎng)的強(qiáng)烈影響。因此，在開展高層及超高層建筑火災(zāi)試驗(yàn)研究時(shí)若不考慮室外環(huán)境風(fēng)場(chǎng)的影響將無(wú)法較為真實(shí)地反映出建筑外立面真實(shí)的火場(chǎng)環(huán)境，因而研發(fā)一款應(yīng)用于建筑外立面火災(zāi)試驗(yàn)的環(huán)境風(fēng)場(chǎng)模擬裝置就顯得尤為迫切和重要。

一、既有環(huán)境風(fēng)場(chǎng)模擬裝置研發(fā)現(xiàn)狀

既有的各環(huán)境風(fēng)場(chǎng)模擬裝置大多應(yīng)用于火災(zāi)科學(xué)以外的領(lǐng)域，如用于海面風(fēng)場(chǎng)模擬的室內(nèi)環(huán)境風(fēng)模擬試驗(yàn)裝置，用于導(dǎo)線舞動(dòng)試驗(yàn)用的風(fēng)場(chǎng)模擬裝置，以及用于模擬舒適性自然風(fēng)的空調(diào)裝置等。而對(duì)于既有為數(shù)不多的應(yīng)用于火災(zāi)試驗(yàn)的環(huán)境風(fēng)場(chǎng)模擬裝置，其在高層及超高層建筑外立面火災(zāi)試驗(yàn)方面的應(yīng)用仍存在很大的局限性。如中國(guó)石油大學(xué)（華東）研發(fā)的一種環(huán)境風(fēng)作用下寬闊水面油池火燃燒模擬裝置僅能用于縮尺火災(zāi)試驗(yàn)，其中用于環(huán)境風(fēng)場(chǎng)模擬的裝置雖可實(shí)現(xiàn)送風(fēng)風(fēng)速的變頻調(diào)節(jié)，但送風(fēng)角度不能改變，也無(wú)法同時(shí)于不同高度處輸出不同大小的風(fēng)速。又如中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研發(fā)的一種外界風(fēng)作用下高層建筑樓梯井或豎井火災(zāi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置也僅能用于縮尺火災(zāi)試驗(yàn)，其中用于環(huán)境風(fēng)場(chǎng)模擬的裝置雖采用了移動(dòng)風(fēng)幕系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)任意樓層室外環(huán)境風(fēng)場(chǎng)的模擬，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)整個(gè)建筑外立面環(huán)境風(fēng)場(chǎng)的同時(shí)再現(xiàn)，此外送風(fēng)角度無(wú)法改變，僅能垂直于建筑外立面，送風(fēng)速度的區(qū)間也僅為0～8m/s，很難反映超高層建筑較高樓層處的室外環(huán)境風(fēng)場(chǎng)。同時(shí)，上述兩類環(huán)境風(fēng)場(chǎng)模擬裝置送風(fēng)面的幾何形狀均較為單一，無(wú)法產(chǎn)生具有多種分布規(guī)律的環(huán)境風(fēng)場(chǎng)，且無(wú)法較好地應(yīng)用于復(fù)雜幾何形狀的建筑外立面。因此，有必要設(shè)計(jì)一種能夠?qū)ｉT為高層及超高層建筑外立面全尺及縮尺火災(zāi)試驗(yàn)提供環(huán)境風(fēng)場(chǎng)模擬的系統(tǒng)。

二、建筑外立面火災(zāi)試驗(yàn)用環(huán)境風(fēng)場(chǎng)模擬裝置的設(shè)計(jì)與研發(fā)

針對(duì)上述技術(shù)不足，筆者及其課題組設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于建筑外立面火災(zāi)試驗(yàn)的環(huán)境風(fēng)場(chǎng)模擬單元及系統(tǒng)，以專門為高層及超高建筑火災(zāi)試驗(yàn)提供外部風(fēng)場(chǎng)條件。如圖1及圖2所示，所設(shè)計(jì)的應(yīng)用于建筑外立面火災(zāi)試驗(yàn)的環(huán)境風(fēng)場(chǎng)模擬單元，包括殼體，以及設(shè)置于殼體內(nèi)順次排布的變速風(fēng)機(jī)、電動(dòng)風(fēng)閥、整流格柵及送風(fēng)風(fēng)道。其中變速風(fēng)機(jī)至少與三個(gè)電動(dòng)風(fēng)閥對(duì)應(yīng)，風(fēng)閥為單軸矩形風(fēng)閥，閥體可在0°～90°范圍內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。整流格柵和送風(fēng)風(fēng)道均與電動(dòng)風(fēng)閥數(shù)量相同且一一對(duì)應(yīng)。每個(gè)送風(fēng)風(fēng)道的末端均設(shè)有球形噴口且不少于三個(gè)，球形噴口呈均勻分布，每個(gè)噴口可輸出0～20m/s風(fēng)速，送風(fēng)角度可在正負(fù)30°范圍內(nèi)通過人工或執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整。

圖1 環(huán)境風(fēng)場(chǎng)模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 環(huán)境風(fēng)場(chǎng)模擬單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)三視圖及整流格柵左視剖視圖

而如圖1所示，所設(shè)計(jì)的環(huán)境風(fēng)場(chǎng)模擬系統(tǒng)包括至少兩個(gè)如上所述的環(huán)境風(fēng)場(chǎng)模擬單元。所有的環(huán)境風(fēng)場(chǎng)模擬單元按照平鋪或上下疊加的方式進(jìn)行組合，以提供送風(fēng)斷面為矩形、三角形或梯形等幾何形狀的環(huán)境風(fēng)場(chǎng)。同時(shí)，該環(huán)境風(fēng)場(chǎng)模擬系統(tǒng)還包括用于支撐和移動(dòng)各個(gè)環(huán)境風(fēng)場(chǎng)模擬單元的支架和萬(wàn)向輪，以及用于控制系統(tǒng)送風(fēng)速度和風(fēng)向的控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)由風(fēng)速采集儀、控制柜及計(jì)算機(jī)組成?？刂乒裢瑫r(shí)與環(huán)境場(chǎng)模擬單元中的變速風(fēng)機(jī)、電動(dòng)風(fēng)閥和球形噴口連接。風(fēng)速采集儀位于球形噴口前端，用于將采集到的風(fēng)速值反饋給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)與控制柜連接，用于通過控制柜控制變速風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、電動(dòng)風(fēng)閥的開度及球形噴口的送風(fēng)角度，使每個(gè)送風(fēng)通道的送風(fēng)速度和風(fēng)向穩(wěn)定在預(yù)設(shè)值。

三、建筑外立面火災(zāi)試驗(yàn)用環(huán)境風(fēng)場(chǎng)模擬裝置的應(yīng)用設(shè)想

與現(xiàn)有技術(shù)相比，所設(shè)計(jì)的此套環(huán)境風(fēng)場(chǎng)模擬裝置具有以下優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用前景：

（一）該裝置應(yīng)用廣泛，既可同時(shí)縮尺模擬整個(gè)建筑外立面不同高度處的環(huán)境風(fēng)場(chǎng)，也可全尺模擬某著火層的室外環(huán)境風(fēng)場(chǎng)，可同時(shí)應(yīng)用于高層及超高層建筑的縮尺及全尺火災(zāi)試驗(yàn)。

（二）該裝置的環(huán)境風(fēng)場(chǎng)模擬系統(tǒng)可通過支架將多個(gè)模擬單元快速組合及拼接，便于模塊化及標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。同時(shí)可根據(jù)需要將送風(fēng)斷面組合為矩形、三角形或梯形等幾何形狀，可應(yīng)用于各種復(fù)雜幾何形狀的建筑外立面開口形式。

（三）該裝置在垂直方向上設(shè)置了多個(gè)送風(fēng)風(fēng)道，可根據(jù)某地環(huán)境風(fēng)場(chǎng)隨高度的變化規(guī)律通過控制系統(tǒng)同時(shí)模擬多個(gè)高度處不同風(fēng)速風(fēng)向的環(huán)境風(fēng)場(chǎng)，更加真實(shí)地反映出高層及超高層建筑外立面環(huán)境風(fēng)場(chǎng)的分布特性。

（四）該裝置的送風(fēng)末端采用球形噴口的形式，具有送風(fēng)距離遠(yuǎn)及速度衰減慢的優(yōu)良特性，進(jìn)行火災(zāi)試驗(yàn)時(shí)可在保證環(huán)境風(fēng)場(chǎng)模擬系統(tǒng)與縮尺或全尺起火建筑之間安全距離的前提下，為高層及超高層建筑外立面提供符合速度要求的環(huán)境風(fēng)場(chǎng)。

四、結(jié)語(yǔ)

所研發(fā)的應(yīng)用于高層及超高層建筑外立面火災(zāi)試驗(yàn)的環(huán)境風(fēng)場(chǎng)模擬單元及系統(tǒng)，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用變速風(fēng)機(jī)、電動(dòng)風(fēng)閥以及球形噴口之間的配合，能夠很好地實(shí)現(xiàn)建筑外部環(huán)境風(fēng)場(chǎng)的模擬，可為開展相關(guān)防火技術(shù)與產(chǎn)品的驗(yàn)證試驗(yàn)提供重要技術(shù)支持，使試驗(yàn)結(jié)果更加真實(shí)可靠。同時(shí)，所獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)也可為防火滅火策略的制定及人員疏散決策提供重要參考。

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