大空間建筑物內(nèi)火災(zāi)場景的模擬分析

■ 周游 撫順市消防救援支隊

火災(zāi)是一種常規(guī)性、突發(fā)性災(zāi)害，顧名思義，這種災(zāi)害發(fā)生時我們無法進(jìn)行及時的預(yù)測，只能通過一些有效措施進(jìn)行及時的防控，以及采取一些必要的及時逃生手段，讓人們遇見此類災(zāi)害時可以冷靜處理，盡可能地將災(zāi)害造成的損失降到最低。

一、以大空間建筑物模型為例

大空間建筑物模型是指將已存在的建筑物原型在CFAST 場模型內(nèi)進(jìn)行模型模擬。而文章的大空間建筑物的原型選用的是某工廠實際廠房內(nèi)的擺設(shè)，這個廠房的結(jié)構(gòu)是矩形的，空間大，長寬高分別為20m、10m 和12m。整個廠房劃分為兩個區(qū)域，左邊是員工宿舍，右邊是中庭空間，它的頂部會設(shè)有一個排煙窗，建筑物內(nèi)部右側(cè)空間內(nèi)設(shè)有寬2.1m 高2.0m 的出口。左邊的員工宿舍是三層的建筑，每層都有兩個橫向的房間，房間的面積為10m×5m×4m，一共是6 個房間，每個房間都有防火噴淋裝置。

眾所周知，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，對人體傷害最大的就是吸入的火災(zāi)煙氣，如果火災(zāi)煙氣的量減少，就會降低火災(zāi)對人體的傷害。所以文章將會測量在大空間建筑物模型中發(fā)生著火的區(qū)域煙氣層的高度與溫度，在無滅火裝置、著火房間噴淋裝置正常工作以及加入機(jī)械排煙系統(tǒng)這三種不同情況下的火災(zāi)變化情況。

二、無滅火裝置可燃物火災(zāi)模擬分析

本部分主要以布藝沙發(fā)家具這種可燃物起火的模擬對象，探討在著火區(qū)域以及中庭內(nèi)的火災(zāi)發(fā)生情況。本次模擬發(fā)生場景在工廠的宿舍區(qū)域，一層距離出口最近的一個房間，當(dāng)時房間內(nèi)的沙發(fā)發(fā)生著火。通過對布藝沙發(fā)的分析，可以得知布藝沙發(fā)主要是以紡織布料和木材為主，在氧氣充足的情況下，沙發(fā)表面發(fā)生迅速熱裂解。其中假設(shè)該材料比熱容為1000J/(kg·K)，密度為2200kg/m3，發(fā)射率為0.94。在這種氧氣充足且沒有滅火設(shè)備的情況下，熱釋放率從起火到150s 左右就可以達(dá)到最大值，保持300s 的充分燃燒，將會在450s 之后沙發(fā)燒盡，熱釋放率呈現(xiàn)下降趨勢[1]。

根據(jù)調(diào)查，人體所能短暫承受的溫度只有60℃，如果發(fā)生火災(zāi)時溫度超過100℃，那么人體就會因為皮膚和呼吸道無法忍受這劇痛而喪失逃生的能力。而在模擬工廠發(fā)生火災(zāi)時，著火的房間的煙氣層溫度在100s時溫度會達(dá)到60℃，200s 達(dá)到220℃，之后會進(jìn)入緩慢上升時期，并在沙發(fā)燒盡的時候溫度才會下降，但并不會降低太多。而且在宿舍發(fā)生的火災(zāi)還會蔓延至中庭，與宿舍煙氣層溫度變化趨勢保持一致，大約在300s 時溫度會升高至60℃。通過推算可以發(fā)現(xiàn)工廠員工只有100～300s 的安全期時間用來快速逃離[2]。

上文所說明的情況雖是保守估計，但依然不容樂觀。更可怕的是，物體在發(fā)生著火時還可能會存在一個陰燃階段，不被人們所察覺。在這個階段宿舍的煙氣已經(jīng)發(fā)生上移并蔓延，由于煙氣的密度小于空氣密度，它會在著火初期將煙氣層高度升高至4m，在著火后的100s 左右就會降低到1.5m，并且會保持不變，在600s 時會上升0.1m 的高度。根據(jù)研究表明，當(dāng)煙氣層高度低于1.5m 時就會對人體產(chǎn)生危害，所以宿舍的員工要及時在100s 之內(nèi)迅速逃離，否則就會危及生命安全。幸運的是由于中庭本身的空間領(lǐng)域大，中庭的煙氣層高度在瞬間達(dá)到12.0m，會隨著時間發(fā)生降低，在200s 降至最低至5.0m 左右，但在600s 內(nèi)煙氣層的高度一致保持在4.0m 以上，這樣煙氣上升的時間會往后發(fā)生推移，位于中庭空間的員工由于存在一定的時間差，因此受到煙氣層高度的危害就會比較少。

三、加入噴淋裝置的火災(zāi)模擬分析

為了分析加入噴淋裝置之后火災(zāi)煙氣層的變化情況，該段將會繼續(xù)沿用上述模擬情景，并假設(shè)宿舍房間添加了噴淋裝置。該噴淋裝置的適用溫度是68℃，當(dāng)受熱溫度達(dá)到68℃以上就會正常啟動，此時沙發(fā)發(fā)生著火的時間已經(jīng)過去80s，噴淋裝置開始工作，在受到直徑為15mm 的噴頭直接噴射后，沙發(fā)的火勢明顯受到了抑制，火勢開始降低，最后熄滅。

擁有噴淋裝置的煙氣層溫度變化情況如下：在前200s，煙氣層溫度變化情況與沒有噴淋裝置的區(qū)域變化情況無異，都是逐漸升高，大約在210s 時升至90℃。之后在500s 時，由于噴淋作用，將煙氣層溫度下降到人體可以忍受的階段。而中庭的溫度也一直沒有超過人體的臨界值，是一個很好的環(huán)境狀態(tài)[3]。

擁有噴淋裝置的煙氣層的變化情況與未加入噴淋裝置時的情況相比，煙氣層的高度并沒有太明顯的變化。同樣是在約100s 左右降至最低，之后持續(xù)穩(wěn)定到580s，在580s 之后只是出現(xiàn)略微上升，上升的幅度遠(yuǎn)小于沒有噴淋時。而中庭的煙氣層與沒有加入噴淋裝置時相比，高度始終沒有上升，而是呈現(xiàn)出逐漸下降的態(tài)勢，這顯示了擁有噴淋裝置與沒有噴淋裝置的不同模樣。

四、加入機(jī)械排煙裝置的火災(zāi)模擬分析

在大空間建筑物模型的中庭加入一個機(jī)械排煙裝置進(jìn)行模擬分析。這個排煙裝置可以將室內(nèi)的煙經(jīng)過排煙系統(tǒng)機(jī)械地排到室外，當(dāng)然也是需要一定的時間。在與上文相同的火災(zāi)情境下，可以得出以下的實驗結(jié)論：由于添加了一個排煙裝置，溫度并沒有發(fā)生明顯的變化，與沒安裝相比就低了2℃，但中庭煙氣層的溫度與高度都受到了一定的影響，煙氣層往下降的時間增加了，人們增加了更多的時間用于逃生。

五、結(jié)語

根據(jù)上述三種不同情況下的模擬分析可知，在大空間典型建筑發(fā)生火災(zāi)時，無任何滅火和機(jī)械排煙裝置、有噴淋裝置、有噴淋與機(jī)械排煙裝置情況下大空間火災(zāi)發(fā)展的不同變化過程，結(jié)論如下：

（1）在無任何滅火和機(jī)械排煙裝置的情況下，留給著火區(qū)域人員的逃生時間只有100s，超出100s，人體將無法承受火災(zāi)溫度與煙氣的高度，生命安全受到威脅，而中庭內(nèi)人員逃生時間相對較長，危險相對低一些。

（2）加入噴淋裝置后，著火區(qū)域與中庭區(qū)的火勢危害都會被降低。因為噴淋裝置的啟動也會浪費一定的時間，因此要根據(jù)具體的火勢情況進(jìn)行具體分析，不要浪費任何可以逃生的時間。

（3）機(jī)械排煙裝置的作用主要體現(xiàn)在安裝該系統(tǒng)的空間，但是模擬分析發(fā)現(xiàn)該裝置對于煙氣層溫度和高度的控制效果都比較有限。

火災(zāi)是指在空間與時間上失去控制的燃燒現(xiàn)象，它是世界上最常見，也是對人類影響最嚴(yán)重的災(zāi)害之一。通過系統(tǒng)性地對大空間建筑內(nèi)火災(zāi)發(fā)展演化過程的模擬研究，表明大空間建筑內(nèi)著火房間存在有效的噴淋裝置可以在一定程度上控制火災(zāi)發(fā)展，增加被困人員的逃生時間。