基于FDS的高層建筑火災(zāi)數(shù)值模擬研究

劉曉 蔡治勇 馬勝杰 范愛迪 辛萍 龔迎秋

摘要：高層建筑數(shù)量的快速增長，其建筑結(jié)構(gòu)和功能比較復(fù)雜，使得火災(zāi)危險性大大增加。近年來，高層建筑火災(zāi)發(fā)生的起數(shù)在不斷增加，因其獨(dú)有的建筑特點(diǎn)給火災(zāi)救援工作帶來巨大挑戰(zhàn)。利用FDS軟件對一幢高層住宅建筑的房間和走廊設(shè)置火源進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對三個不同測點(diǎn)的煙氣濃度、CO濃度、溫度和能見度進(jìn)行測試得出其結(jié)果，以此來得到最佳的疏散時間。

Abstract： The rapid growth of the number of high-rise buildings and the complex structure and function of the buildings have greatly increased the fire risk. In recent years， the number of high-rise building fires has increased， and its unique architectural features have brought enormous challenges to fire rescue work. In this paper， the FDS software is used to simulate the fire source in the room and corridor of a high-rise residential building. The results are obtained by testing the smoke concentration， CO concentration， temperature and visibility of three different measuring points， so as to get best evacuation time.

關(guān)鍵詞：高層建筑;火災(zāi);數(shù)值模擬

Key words： high-rise building;fire;numerical simulation

中圖分類號：TU998.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）31-0131-03

0? 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長，農(nóng)村人口大量涌入城市，使得城市人口急劇增加，然而城市土地卻越來越匱乏，使得建筑物勢必向高層發(fā)展。根據(jù)建筑規(guī)范，我國將10層或10層以上的居住建筑或高估超過24米的建筑歸為高層建筑[1]。由中國消防網(wǎng)公布的數(shù)據(jù)顯示，截止2018年，我國已有35萬余幢高層建筑。高層建筑具有樓層多、人員密集、內(nèi)部裝飾材料多等特點(diǎn)，因此火災(zāi)危險性遠(yuǎn)高于普通建筑。每年我國高層建筑火災(zāi)占了總火災(zāi)的6%，造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，給社會安全帶來了較大影響。

1? 高層建筑火災(zāi)特點(diǎn)

高層建筑火災(zāi)是指高層建筑內(nèi)的某一空間起火燃燒，進(jìn)而發(fā)展到某些區(qū)域甚至整座建筑物的火災(zāi)[2]。加之高層建筑獨(dú)有的特點(diǎn)，使其發(fā)生火災(zāi)時的救援工作和人員疏散難度較大，高層建筑火災(zāi)特點(diǎn)主要有以下三點(diǎn)：

1.1 火焰燃燒迅猛，煙氣蔓延迅速

由于受熱壓和正壓的影響，高層建筑中空氣流速快，這是造成煙氣蔓延迅速的主要因素。加之幾乎每幢高層建筑物內(nèi)都設(shè)有豎向通道，如電梯井，樓梯間，電纜井，排風(fēng)管道以及管道井等，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，這些豎向通道就形成了天然的煙囪，致使火災(zāi)煙氣從底層迅速竄向高樓層[3]。

1.2 人員集中，疏散困難

就高層住宅建筑而言，居住人口多，年齡階段參差不齊，受教育程度不同。一旦發(fā)生火災(zāi)，樓梯是我們唯一疏散途徑，所有人都往樓梯口疏散，每個人的行走速度不同，在火災(zāi)發(fā)生時人員的恐慌情緒會導(dǎo)致摔倒、踩踏、跳樓等情況的發(fā)生。

1.3 救援設(shè)備有限，營救困難

目前，我國消防隊(duì)針對高層建筑最有效的救援設(shè)備是登高消防云梯車、直升機(jī)。登高消防云梯車的局限性太大，消防人員的徒步登樓滅火的忍耐極限只有10層樓左右，對于再高的樓層他們也無能為力。然而普通的消防云梯最大高度也只有53米，很難達(dá)到20層以上，完全滿足不了現(xiàn)在高層建筑的高度。如果火災(zāi)發(fā)生在高樓層時，濃煙熱流上竄形成沖天火柱，直升機(jī)無法進(jìn)行救援。

2? 高層建筑火災(zāi)場景設(shè)置

2.1 FDS模擬軟件

FDS的全稱為Fire Dynamics Simulator，是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局開發(fā)的一款火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件，它根據(jù)建筑和火災(zāi)的特性，以簡單直觀的形式動態(tài)的的顯示出火災(zāi)發(fā)展的全過程，并對火災(zāi)中煙氣蔓延和熱傳遞等相關(guān)問題進(jìn)行研究分析[4]。該軟件將設(shè)定的建筑物劃分成多個網(wǎng)格，采用質(zhì)量守恒，動量守恒和能量守恒，計算其內(nèi)部氣體密度、速度、溫度、壓力和濃度。FDS主要完成模擬場景的構(gòu)建和計算，是其主體部分;SmokeView則將FDS計算的結(jié)果進(jìn)行處理，并將處理的數(shù)據(jù)以二維或三維形式顯示出來。其一般步驟流程圖如圖1所示。

2.2 火災(zāi)模型的建立

本次模擬的對象是一幢33層的民用高層住宅樓，每層有5戶，2部電梯，1部剪刀式疏散樓梯。此次模擬的室內(nèi)溫度為20℃，單位內(nèi)最大熱釋放速率設(shè)置為2.5kW，火災(zāi)增長類型定為快速t2增長型，模擬火災(zāi)燃燒時間為900s。本次模擬確定該幢住宅建筑物的網(wǎng)格大小為0.5m*0.5m*0.5m，網(wǎng)格個數(shù)為982800個。

2.2.1 火源的設(shè)置

根據(jù)對全國高層住宅建筑火災(zāi)案例的分析，火災(zāi)發(fā)生最高頻率位置在房間和走廊，因此此次的火源位置選取了房間和走廊兩個位置，火源大小為一立方米。如圖2所示。

2.2.2 火災(zāi)工況的確定

①工況一

該幢住宅樓20層某一房間內(nèi)設(shè)置一處火源，分別在房間內(nèi)、走廊和樓梯口設(shè)置測點(diǎn)。

②工況二

該幢住宅樓20層走廊設(shè)置一處火源，分別在房間內(nèi)、走廊和樓梯口設(shè)置測點(diǎn)。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.3.1 煙氣蔓延濃度

從曲線圖3中可以看出當(dāng)房間內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，房間內(nèi)的煙氣濃度在很短的時間內(nèi)就上升到0.0012kg/m3，而走廊和樓梯口的煙氣就相對較小，但在300s時煙氣的濃度已經(jīng)達(dá)到人不能承受的范圍。從曲線圖4中可以看出當(dāng)走廊發(fā)生火災(zāi)時，樓梯和走廊的煙氣濃度在300s時就達(dá)到了0.0008kg/m3，反而對房間的影響不是很大。

2.3.2 CO濃度

從曲線圖5中可以看出當(dāng)房間內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，房間內(nèi)的CO濃度很快達(dá)到0.0007kg/m3，相當(dāng)于700ppm，根據(jù)一氧化碳濃度對人體的影響程度，當(dāng)一氧化碳濃度達(dá)到800ppm時，人在45min內(nèi)會眼花、惡心、痙攣，2h內(nèi)會失去知覺、2～3h內(nèi)會死亡。從圖6中可以看出當(dāng)走廊發(fā)生火災(zāi)時，在300s時走廊和樓梯口的CO濃度達(dá)到400ppm，人在1～2h內(nèi)會失去意識，3h后就會威脅生命[5]。

2.3.3 溫度

從曲線圖7中可以看出當(dāng)房間發(fā)生火災(zāi)時，房間的溫度迅速升高到250℃左右，同時走廊的溫度也迅速上升到50℃左右。圖8中當(dāng)走廊發(fā)生火災(zāi)時，走廊和樓梯口的溫度迅速上升到130左右，人體所能承受的時間最多5min，因此在5min之內(nèi)必須迅速撤離。人體在高溫?zé)煔庀滤艹惺艿淖畲髸r間如表1所示。

2.3.4 能見度

從曲線圖9中看出當(dāng)房間內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后，在50s左右時能見度就下降到0，幾乎看不見，在200s左右時走廊的能見度也下降到3m左右，圖10所示，當(dāng)走廊發(fā)生火災(zāi)后，走廊和樓梯口的能見度在50s左右時迅速下降帶3m左右。有研究表明，針對建筑物熟悉者，其安全疏散的最小能見距離約為5m;不熟悉者其最小距離約為30m。然而在火災(zāi)情境下，為了能保證人員的安全疏散，其最佳能見距離必須在5～30m之間，往往在火災(zāi)全盛時期，能見度都小于5m，大大提升了疏散難度[6]。

3? 結(jié)論

通過對高層建筑的特點(diǎn)分析，高層建筑的火災(zāi)危險性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通建筑物。利用FDS軟件對一幢高層住宅建筑進(jìn)行數(shù)值模擬，得出在房間內(nèi)、走廊和樓梯口各處的煙氣濃度值、CO濃度、溫度以及能見度，從模擬的結(jié)果中分析出當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時人員逃生的最佳時間在發(fā)生火災(zāi)后的300s之內(nèi)，這個時間內(nèi)安全疏散的可能性最大。

參考文獻(xiàn)：

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[2]王錕，盛武，段若男.基于 Pathfinder 的高校教學(xué)樓出口人員疏散仿真研究[J].中國安全生產(chǎn) 科學(xué)技術(shù)，2016，12（07）：180-186.

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[6]何欣.基于火災(zāi)模擬和人員疏散模擬的鋼結(jié)構(gòu)建筑防火疏散研究[D].天津工業(yè)大學(xué)，2017.