基于FDS的中庭式教學(xué)樓火災(zāi)數(shù)值模擬

楊 倩 楊瑞霞講師 徐小峰

(1.廣西大學(xué) 資源環(huán)境與材料學(xué)院，廣西 南寧 530000；2.中南大學(xué) 防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所，湖南 長沙 410075；3.廣西大學(xué) 公共管理學(xué)院，廣西 南寧 530000)

0 引言

中庭式結(jié)構(gòu)是指建筑物內(nèi)部存在貫穿連續(xù)好幾層的垂直大空間，由于其設(shè)計(jì)的巧妙美觀，被許多高校教學(xué)樓所采用[1]，但同時(shí)也帶來一定的消防安全問題。教學(xué)樓內(nèi)可燃物豐富，火災(zāi)載荷大，人員密集，流動(dòng)性強(qiáng)，當(dāng)中庭式建筑物內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，中庭空間火災(zāi)煙氣比一般建筑蔓延迅速，不斷涌入鄰近走廊房間，擴(kuò)大火勢(shì)范圍，壓縮安全疏散時(shí)間，嚴(yán)重威脅建筑內(nèi)人員生命安全[2]。因此研究火災(zāi)煙氣在中庭式教學(xué)樓里的蔓延規(guī)律具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

為有效防火滅火，事前對(duì)建筑物進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，提前了解火災(zāi)危險(xiǎn)性是十分有必要的[3]。由于火災(zāi)全尺寸實(shí)驗(yàn)既耗費(fèi)財(cái)力和人力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果波動(dòng)性又極大，因此國內(nèi)外學(xué)者從20世紀(jì)60年代開始對(duì)火災(zāi)數(shù)值模擬進(jìn)行一系列研究，相繼出現(xiàn)有效安全疏散時(shí)間計(jì)算程序、多室火災(zāi)與煙氣蔓延程序和場(chǎng)模擬程序(Fire Dynamics Simulator，F(xiàn)DS)等[4]。如Codescu等[5]研究人員利用Pyrosim軟件對(duì)一次汽車電氣故障事故的物理模型進(jìn)行仿真，考慮電氣故障引起的火災(zāi)，得到隧道內(nèi)溫度和煙氣隨時(shí)間的變化規(guī)律；劉丹[6]運(yùn)用Pyrosim軟件，研究出中庭式商業(yè)體建筑火災(zāi)煙氣控制的優(yōu)化方案；張耀偉等[7]以大型綜合購物廣場(chǎng)中庭為實(shí)例，研究中庭內(nèi)溫度、能見度和CO2體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)的變化規(guī)律；龍新峰[8]和肖國清[9]等人分別利用FDS對(duì)宿舍樓和加油站進(jìn)行火災(zāi)數(shù)值模擬，得出宿舍樓火災(zāi)危險(xiǎn)參數(shù)和加油站火災(zāi)最佳疏散路徑。因此FDS火災(zāi)數(shù)值模擬成為預(yù)測(cè)火災(zāi)發(fā)展的常用工具。

本文以高校中庭式教學(xué)樓為研究對(duì)象，以火災(zāi)動(dòng)力學(xué)、燃燒基礎(chǔ)理論、煙氣排放蔓延規(guī)律和中庭建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為基礎(chǔ)，通過FDS火災(zāi)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，了解中庭式教學(xué)樓火災(zāi)煙氣蔓延運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，確定火災(zāi)發(fā)展過程中影響煙氣的因素，掌握不同工況下火災(zāi)發(fā)展過程，為高校中庭式教學(xué)樓的火災(zāi)消防管理提供有效可行的建議。

1 設(shè)計(jì)場(chǎng)景和建立模型

1.1 設(shè)計(jì)場(chǎng)景

火災(zāi)場(chǎng)景是基于對(duì)火災(zāi)的認(rèn)識(shí)，模擬火災(zāi)從發(fā)生到全面發(fā)展階段的實(shí)際情況，再定量分析火災(zāi)過程中煙氣的流動(dòng)及蔓延[10]。火災(zāi)發(fā)展的過程、火災(zāi)危險(xiǎn)性和煙氣蔓延都取決于火災(zāi)場(chǎng)景的設(shè)置，一般依據(jù)最不利原則，綜合考慮最有可能發(fā)生火災(zāi)和火災(zāi)危險(xiǎn)性最大的情況，設(shè)置相對(duì)應(yīng)的火災(zāi)場(chǎng)景，主要確定火源種類、火源位置、火災(zāi)荷載和火災(zāi)熱釋放速率曲線，火源參數(shù)設(shè)定得越準(zhǔn)確，模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果就會(huì)越合理。

1.1.1 火源參數(shù)

中庭式教學(xué)樓可能存在的可燃物主要是木制桌椅、大功率電器和遮光窗簾等。對(duì)于火源的火災(zāi)模型，穩(wěn)態(tài)火災(zāi)模型中熱釋放速率往往固定不變[11]，不能體現(xiàn)真實(shí)火災(zāi)發(fā)展的過程，因此選取隨時(shí)間變化的t2火災(zāi)模型，重點(diǎn)研究火災(zāi)初期增長階段和全面發(fā)展階段[12]。中庭式教學(xué)樓一層是人員安全疏散和火災(zāi)逃生的必經(jīng)之地[13]，依據(jù)最不利原則，不靠墻角的火源位置屬于軸對(duì)稱型煙羽流，比墻角的角型煙羽流的產(chǎn)煙量大很多，導(dǎo)致環(huán)境的溫度更高，危險(xiǎn)來臨更快[14]，因此選擇具有典型代表的一層監(jiān)控保衛(wèi)室靠門位置和中庭旁邊電梯前的走廊居中位置作為火源位置。采用調(diào)查評(píng)估法，中庭式教學(xué)樓火災(zāi)載荷密度q取值為300MJ/m2[15]。由上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》(DGJ 08-88-2015)的規(guī)定，無噴淋的中庭建筑最大熱釋放速率應(yīng)設(shè)置為4MW[16]。

1.1.2 場(chǎng)景匯總

火災(zāi)具有隨機(jī)不確定性，建筑內(nèi)任何一個(gè)位置都有可能引發(fā)火災(zāi)，火災(zāi)場(chǎng)景不可能包含所有情況，本文選取的4種火災(zāi)場(chǎng)景代表了最有可能發(fā)生和火災(zāi)危險(xiǎn)性最大的場(chǎng)景。考慮到火災(zāi)的發(fā)展和人員的安全疏散，再預(yù)留一定的安全緩沖時(shí)間，數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)間設(shè)定為700s。具體的火災(zāi)場(chǎng)景，見表1。場(chǎng)景中設(shè)置教學(xué)樓內(nèi)相對(duì)壓力為0Pa，平均溫度為20℃，教學(xué)樓中含有3個(gè)開放式中庭，風(fēng)速默認(rèn)為0m/s。

表1 火災(zāi)場(chǎng)景匯總表

1.2 建立模型

以某高校中庭式教學(xué)樓為研究實(shí)例。該教學(xué)樓于2016年2月建成并投入使用，是承擔(dān)主要教學(xué)活動(dòng)的中庭式建筑，總建筑面積37 612.99m2，長86m，寬41.5m，建筑總高度約23m，包括地上部分和地下部分。地上部分有6層，每層均為多室復(fù)雜結(jié)構(gòu)，存在3個(gè)中庭，總共263個(gè)房間(260間普通教室、1間教學(xué)展覽廳、1間監(jiān)控控制室及1間試卷管理室)，其中260間普通教室中有172間用于教學(xué)、座位有15 000個(gè)的教室，48間衛(wèi)生間，20間飲水間，20間休息室；地下部分包括下沉廣場(chǎng)和地下停車庫，下沉廣場(chǎng)東西端分布2間300座大型會(huì)議室和9間教室，設(shè)置單獨(dú)疏散出口通道，模擬實(shí)驗(yàn)不考慮地下部分。中庭式教學(xué)樓采取自然通風(fēng)排煙，并在教室內(nèi)安裝自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，主要疏散路段還配備滅火器和消防栓。

1.2.1 劃分網(wǎng)格

參考FDS指導(dǎo)手冊(cè)和相關(guān)文獻(xiàn)[17]，得到火源特征直徑計(jì)算公式：

(1)

式中：

D*—火源特征直徑，m；

Q—火源熱釋放速率，kW；

ρ0—環(huán)境空氣密度，kg/m3；

c0—空氣定壓比熱，kJ/(kg·K)；

T0—環(huán)境空氣溫度，K；

g—重力加速度，m/s2。

本文研究的火災(zāi)場(chǎng)景中設(shè)定的熱釋放速率為4MW，計(jì)算得到火源特征直徑D*=1.67m。充分考慮計(jì)算機(jī)運(yùn)行能力和模擬結(jié)果準(zhǔn)確性后，國內(nèi)外研究學(xué)者普遍認(rèn)為模型網(wǎng)格大小的合理取值區(qū)間為0.062 5D*～0.25D*[18]。因此，在模型區(qū)域的3個(gè)坐標(biāo)軸內(nèi)確定網(wǎng)格，3個(gè)方向區(qū)域?yàn)?6m×59m×31m，網(wǎng)格大小設(shè)定為0.5m×0.5m×0.5m，網(wǎng)格總數(shù)為192×118×62=1 404 672個(gè)，每模擬運(yùn)行一次大概需要144 000s。

1.2.2 模型構(gòu)建

根據(jù)教學(xué)樓一層的平面圖(如圖1)，利用FDS軟件構(gòu)建1∶1幾何模型，如圖2。教學(xué)樓墻體采用混凝土結(jié)構(gòu)，屬于不燃性材料，內(nèi)部主要可燃物有木制桌椅、窗簾、塑料、裝修材料和部分可燃電器。因此，模型墻體材料采用混凝土，建筑內(nèi)部可燃物設(shè)置為聚氨酯纖維(Polyurethane)和黃松(Yellow Pine)。內(nèi)墻和外墻體厚度設(shè)置為0.2m，顏色為棕褐色；建筑樓板厚度均設(shè)置為0.2m，顏色為灰色。中庭式教學(xué)樓建筑簡化為矩形模型，每層樓的門窗都做了穿透體，厚度為0.3m。

圖1 平面圖及測(cè)點(diǎn)組布置情況圖

圖2 3D模型圖

為具體分析中庭式教學(xué)樓火災(zāi)發(fā)展和煙氣蔓延規(guī)律，數(shù)值模擬試驗(yàn)主要針對(duì)溫度、能見度和CO2體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)試。如圖1所示為教學(xué)樓一層各測(cè)點(diǎn)組的布置情況，測(cè)點(diǎn)組基本布置在出入口處和上下樓梯間處。圖1中每一個(gè)數(shù)字代表一組測(cè)點(diǎn)所在位置，一組測(cè)點(diǎn)包括測(cè)量溫度的熱電偶測(cè)點(diǎn)、測(cè)量能見度的氣相監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)點(diǎn)、測(cè)量CO2體積分?jǐn)?shù)的氣相監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)點(diǎn)和測(cè)量煙氣層高度的層分區(qū)設(shè)備測(cè)點(diǎn)共4種類型。教學(xué)樓一層有32個(gè)測(cè)點(diǎn)組位置，其余層每層有8個(gè)測(cè)點(diǎn)組位置，整棟樓一共有72個(gè)測(cè)點(diǎn)組位置。

2 火災(zāi)危險(xiǎn)狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)大量的火災(zāi)事故案例和事故后的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，火災(zāi)致人死亡的主要因素是煙氣導(dǎo)致的中毒和窒息[19]。煙氣具有遮光性、毒害性、高溫危害性等，本文主要考慮其能見度、溫度和CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)人員安全疏散的影響，以這3個(gè)參數(shù)作為判定到達(dá)火災(zāi)危險(xiǎn)狀態(tài)的依據(jù)。

參考相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和研究文獻(xiàn)[20]，并根據(jù)我國《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范(2018年版)》(GB 50016-2014)的相關(guān)要求，選取距離地面或樓面2m作為各參數(shù)測(cè)量的臨界高度，規(guī)定火災(zāi)危險(xiǎn)狀態(tài)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為：距離樓面2m處能見度低于10m；距離樓面2m處溫度大于60℃；距離樓面2m處CO2體積分?jǐn)?shù)超過0.3%。

設(shè)能見度、溫度和CO2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)所需時(shí)間為T1、T2和T3，其中T1、T2和T3的最小值就是火災(zāi)場(chǎng)景達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)所需時(shí)間，也就是人員可用疏散時(shí)間，如式(2)。

T=min{T1，T2，T3}

(2)

3 模擬結(jié)果分析

3.1 煙氣蔓延情況

圖3為建筑在175s和700s時(shí)的煙氣蔓延情況，展示各火災(zāi)場(chǎng)景下火災(zāi)煙氣的填充過程。對(duì)比走廊火源位置Case1和保衛(wèi)室火源位置Case2發(fā)現(xiàn)，當(dāng)起火處位于走廊時(shí)，火災(zāi)煙氣沿各走廊蔓延得更快，擴(kuò)散范圍也越廣，700s時(shí)Case1產(chǎn)生煙氣明顯多于Case2，遍布建筑一層；當(dāng)自然排煙口(建筑內(nèi)門窗)全部關(guān)閉時(shí)，煙氣優(yōu)先在走廊蔓延，不進(jìn)入教室，教室受煙氣影響較小，因此擴(kuò)散速度較快；不同火源功率的Case1和Case4，煙氣蔓延途徑基本一致，但火源功率越大，火勢(shì)也越大，700s時(shí)一層各出口均有煙氣排出，籠罩整棟教學(xué)樓。

圖3 建筑煙氣蔓延情況

3.2 溫度

隨著火災(zāi)的發(fā)展，火源位置附近的出口處和樓梯間溫度逐漸上升并向四周傳遞熱量，由于起火處對(duì)室內(nèi)溫度起決定作用，走廊火源位置中1、6出口處測(cè)點(diǎn)組和3、10樓梯間測(cè)點(diǎn)組，保衛(wèi)室火源位置中23出口處測(cè)點(diǎn)組和20樓梯間測(cè)點(diǎn)組變化尤為明顯。各火災(zāi)場(chǎng)景測(cè)點(diǎn)組溫度對(duì)比圖，如圖4。相同火源位置中自然排煙口關(guān)閉的Case3溫度最高，出口處測(cè)點(diǎn)組1最高溫度達(dá)到73℃；不同火源功率火災(zāi)場(chǎng)景中，最大熱釋放速率越大，到達(dá)的時(shí)間越長，因此，Case4在初期階段溫度增長較緩慢，一旦達(dá)到最大熱釋放速率，就會(huì)超過火源功率低的火災(zāi)場(chǎng)景；相比于走廊火源位置，保衛(wèi)室火源位置測(cè)點(diǎn)組溫度的變化較小，且最高溫度都沒有超過危險(xiǎn)臨界溫度。

圖4 一層不同測(cè)點(diǎn)各火災(zāi)場(chǎng)景溫度對(duì)比圖

3.3 能見度

火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣隨時(shí)間聚集，能見度隨之減小，視線受阻，難以確定火災(zāi)發(fā)展?fàn)顩r、起火部位以及疏散通道路線，人員安全疏散將會(huì)受到嚴(yán)重影響。各火災(zāi)場(chǎng)景下出口處和樓梯間測(cè)點(diǎn)能見度變化情況，如圖5。其中Case1樓梯間測(cè)點(diǎn)和Case4樓梯間測(cè)點(diǎn)800秒后仍有波動(dòng)，模擬時(shí)間延長至1200s。當(dāng)t=700s時(shí)，場(chǎng)景中能見度低于危險(xiǎn)臨界值10m的有Case1的8個(gè)出口和6個(gè)樓梯間、Case2的5個(gè)出口和4個(gè)樓梯間、Case3的8個(gè)出口和8個(gè)樓梯間、Case4的7個(gè)出口和6個(gè)樓梯間，由此發(fā)現(xiàn)走廊火源對(duì)一層能見度的影響大于保衛(wèi)室火源；當(dāng)自然排煙口全部關(guān)閉時(shí)，所有出口和樓梯間能見度基本低于10m，此時(shí)大火已經(jīng)封堵樓梯間和出口，逃生成功率低于自然排煙口全部開啟的狀態(tài)；不同火源功率火災(zāi)場(chǎng)景對(duì)能見度的影響不大，700s時(shí)到達(dá)危險(xiǎn)臨界值的出口與樓梯間基本一致，Case4出口處能見度下降較為緩慢，仍有一個(gè)出口有逃生的可能。

圖5 各火災(zāi)場(chǎng)景一層測(cè)點(diǎn)組能見度對(duì)比圖

3.4 CO2體積分?jǐn)?shù)

雖然CO2氣體毒性較低，但當(dāng)其體積分?jǐn)?shù)過高時(shí)，人會(huì)頭暈?zāi)垦＃庾R(shí)逐漸模糊，呼吸開始急促，嚴(yán)重可至休克死亡，火災(zāi)過程中不能忽視其危害。在上述4個(gè)火災(zāi)場(chǎng)景中，一層出口處和樓梯間CO2氣體體積分?jǐn)?shù)小幅度增長。各火災(zāi)場(chǎng)景中各參數(shù)達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)的時(shí)間，見表3。模擬時(shí)間700s內(nèi)只有Case2和Case3達(dá)到危險(xiǎn)臨界值，威脅人員的安全疏散。從Case2和Case3 CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)比圖(如圖6)，可以發(fā)現(xiàn)火源在監(jiān)控室時(shí)，只有23和20測(cè)點(diǎn)組變化顯著，體積分?jǐn)?shù)最高可達(dá)0.53%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過臨界值；當(dāng)自然排煙口全部關(guān)閉時(shí)，各測(cè)點(diǎn)CO2體積分?jǐn)?shù)變化幅度較大，尤其是出口處測(cè)點(diǎn)1、30和32均已超過臨界值，但增長到達(dá)的時(shí)間長于Case2。

表3 各火災(zāi)場(chǎng)景中各參數(shù)達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)的時(shí)間

圖6 Case2和Case3一層測(cè)點(diǎn)組CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)比圖

4 結(jié)論

通過對(duì)中庭式教學(xué)樓4種火災(zāi)場(chǎng)景數(shù)值模擬結(jié)果的分析，得到以下結(jié)論：

(1)一層出口處或樓梯間溫度到達(dá)危險(xiǎn)狀態(tài)的最短時(shí)間是172s；能見度低于10m的最短時(shí)間是44.2s；CO2體積分?jǐn)?shù)大于0.3%的最短時(shí)間210s。因此，在中庭式教學(xué)樓小范圍火災(zāi)中，最先達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)的因素是能見度。在44.2s時(shí)，若人員還未安全撤離建筑，隨著溫度上升，CO2體積分?jǐn)?shù)增加，人體將受到嚴(yán)重傷害。

(2)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，走廊火源位置的火災(zāi)危險(xiǎn)性大于保衛(wèi)室火源位置，煙氣蔓延更快，能見度下降迅速，走廊火源位置(Case1)到達(dá)危險(xiǎn)狀態(tài)的時(shí)間要早于保衛(wèi)室火源位置(Case2)；自然排煙口全部關(guān)閉時(shí)，煙氣優(yōu)先在走廊出口處擴(kuò)散，溫度較高，700s時(shí)一層所有出口和樓梯間能見度均低于危險(xiǎn)臨界值，到達(dá)危險(xiǎn)狀態(tài)的時(shí)間低于自然排煙口開啟狀況下的時(shí)間；5MW火災(zāi)場(chǎng)景下初期階段各參數(shù)變化較緩慢，一旦達(dá)到最大熱釋放速率，就會(huì)逐步超過火源功率低的火災(zāi)場(chǎng)景。

(3)通過對(duì)比各火災(zāi)場(chǎng)景中庭式教學(xué)樓層危險(xiǎn)臨界時(shí)間T的大小，發(fā)現(xiàn)一層走廊火源位置下的火災(zāi)場(chǎng)景(Case1、Case4)綜合危險(xiǎn)臨界時(shí)間T最小，其次是自然排煙口全部關(guān)閉的火災(zāi)場(chǎng)景(Case3)和一層保衛(wèi)室火源位置的火災(zāi)場(chǎng)景(Case2)。因此，在火源位置、火源功率和自然排煙口狀態(tài)3個(gè)變量中，對(duì)該中庭式教學(xué)樓火災(zāi)影響最大的是火源位置。