基于FDS的觀光層固定窗窗地比火災(zāi)煙氣蔓延影響研究

摘要：本文以上海金茂大廈觀光層為研究對(duì)象，探討機(jī)械排煙失效時(shí)，固定窗窗地比對(duì)觀光層煙氣蔓延的影響。得出結(jié)論：火源功率為1.5MW時(shí)，固定窗窗地比不應(yīng)小于3%；當(dāng)火源功率為4.5MW時(shí)，固定窗窗地比不應(yīng)小于5%。建議《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB51251-2017）修訂時(shí)增補(bǔ)條文：設(shè)置在靠外墻且不位于頂層區(qū)域的固定窗，其總面積不應(yīng)小于樓地面面積的5%。

關(guān)鍵詞：超高層建筑；觀光層；固定窗

引言

根據(jù)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB51251-2017）[1]中4.1.4第3條規(guī)定，觀光層是集觀光與娛樂(lè)為一體的場(chǎng)所且面積通常大于1000m2，因此需要設(shè)置固定窗。趙元華[2]利用IFE圖像型火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)，為觀光層火災(zāi)探測(cè)設(shè)計(jì)提供了新的選擇；葉玲玲[3]結(jié)合不同國(guó)家超高層建筑觀光層針對(duì)商業(yè)空間提供一些建議；Yu Z[4]等人通過(guò)FDS模擬20多種火災(zāi)情景，對(duì)預(yù)測(cè)大空間建筑煙溫的BFD模型參數(shù)進(jìn)行完善。Tyler B[5]等人提出了一種名為Brain-STORM的深度學(xué)習(xí)模型，可以在高層火災(zāi)場(chǎng)景中快速預(yù)測(cè)煙霧、溫度和壓力。已有的關(guān)于觀光層研究大都是如何更好引導(dǎo)人流觀光[6]，缺乏關(guān)于消防安全類研究。

一、模型建立以及熱釋放速率的確定

（一）建立模型

本文以上海金茂大廈為原型，觀光層位于88樓，建筑高度為340.1m。觀光層面積為1440m2，凈高6m[7]。該建筑平面圖以及三維圖如圖1、圖2所示。

（二）熱釋放速率的確定

熱釋放速率（HRR）是指在單位時(shí)間內(nèi)材料燃燒所釋放的熱量[8]。公式如下：

HRR=m·ΔH·φ（1.1）

其中，m—可燃物的質(zhì)量燃燒速率（kg/s），ΔH—可燃物的熱值（MJ/kg），φ—燃燒效率因子，取值范圍0.3-0.9。

熱力值計(jì)算公式：

ΔH=ki·mi·hi（1.2）

其中，ki—建筑內(nèi)可燃物所占比例，mi—建筑內(nèi)可燃物的質(zhì)量（kg），hi—建筑內(nèi)可燃物的熱值（MJ/kg）。

根據(jù)可燃物的質(zhì)量、熱值統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出熱力值。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，觀光層內(nèi)所有可燃材料都會(huì)參與燃燒。有噴淋情況時(shí)，燃燒效率因子取小值0.3，即火源熱釋放速率HRR為1.5MW；無(wú)噴淋情況時(shí)，燃燒效率因子取大值0.9，即火源熱釋放速率HRR為4.5MW。

二、火源功率不同時(shí)固定窗窗地比對(duì)觀光層煙氣蔓延的影響研究

當(dāng)火源位于觀光層時(shí)，在觀光層儲(chǔ)煙倉(cāng)以下均勻布置煙霧報(bào)警器并串聯(lián)可破拆固定窗，當(dāng)煙霧報(bào)警器發(fā)出預(yù)警，則認(rèn)為觀光層機(jī)械排煙失效?；鹪丛O(shè)定在娛樂(lè)間，檢測(cè)點(diǎn)設(shè)置在觀光區(qū)中心觀景臺(tái)附近，考慮最不利因素，除娛樂(lè)間，樓梯間外走道門外的其余門為關(guān)閉狀態(tài)。

（一）火源功率1.5MW時(shí)，固定窗窗地比對(duì)觀光層煙氣蔓延的影響研究

火源位于觀光層，火源功率為1.5MW時(shí)，各組固定窗窗地比工況設(shè)置見(jiàn)表1。

根據(jù)FDS模擬數(shù)據(jù)，當(dāng)火源位于觀光層娛樂(lè)間內(nèi)，火源功率為1.5MW時(shí)，檢測(cè)觀光層探測(cè)點(diǎn)處能見(jiàn)度、CO濃度變化曲線如圖3、圖4所示。

由圖3結(jié)合數(shù)值模擬數(shù)據(jù)可得出以下結(jié)論：當(dāng)火源位于觀光層，火源功率為1.5MW，固定窗窗地比為1%、2%時(shí)，超出了能見(jiàn)度危險(xiǎn)臨界值，之后維持平穩(wěn)狀態(tài)，其余固定窗窗地比情況下未超出危險(xiǎn)臨界值；觀光層達(dá)到最低能見(jiàn)度的時(shí)間隨著固定窗窗地比的增大而延長(zhǎng)。由圖4結(jié)合數(shù)值模擬數(shù)據(jù)可得出以下結(jié)論：當(dāng)火源位于觀光層，火源功率為1.5MW時(shí)，對(duì)比5個(gè)工況，CO濃度值均為超出危險(xiǎn)臨界值，固定窗窗地比為1%時(shí)CO濃度值最高為2.41×10-4，固定窗窗地比為5%時(shí)CO濃度值最低為1.42×10-5；隨著固定窗窗地比的增大，觀光層CO濃度逐漸降低，固定窗窗地比越大，CO達(dá)到最高濃度所需時(shí)間越長(zhǎng)。

綜上所述，當(dāng)火源位于觀光層，火源功率為1.5MW，機(jī)械排煙失效時(shí)，觀光層固定窗窗地比不應(yīng)小于3%。

（二）火源功率4.5MW時(shí)固定窗窗地比對(duì)觀光層煙氣蔓延影響研究

火源位于觀光層，火源功率為1.5MW時(shí)各組固定窗窗地比工況設(shè)置見(jiàn)表2。

根據(jù)FDS模擬數(shù)據(jù)可得，當(dāng)火源位于觀光層娛樂(lè)間內(nèi)，火源功率為4.5MW時(shí)，檢測(cè)觀光層探測(cè)點(diǎn)處能見(jiàn)度、CO濃度變化曲線如圖5、圖6所示。

由圖5結(jié)合數(shù)值模擬數(shù)據(jù)可得出以下結(jié)論：當(dāng)火源位于觀光層，火源功率為4.5MW，固定窗窗地比為2%、3%、4%時(shí)，超出了能見(jiàn)度危險(xiǎn)臨界值，之后維持平穩(wěn)狀態(tài)，其余固定窗窗地比情況下未超出危險(xiǎn)臨界值；觀光層達(dá)到最低能見(jiàn)度的時(shí)間隨著固定窗窗地比的增大而延長(zhǎng)；當(dāng)固定窗窗地比為2%、3%時(shí)，對(duì)比火源功率為1.5MW時(shí)的數(shù)據(jù)，得到火源功率越大，觀光層最低能見(jiàn)度越低，達(dá)到最低能見(jiàn)度所需時(shí)間越短。由圖6結(jié)合數(shù)值模擬數(shù)據(jù)可得出以下結(jié)論：當(dāng)火源位于觀光層，火源功率為4.5MW時(shí)，對(duì)比5個(gè)工況，固定窗窗地比為2%時(shí)，超出了CO濃度危險(xiǎn)臨界值，其余固定窗窗地比情況下未超出危險(xiǎn)臨界值；隨著固定窗窗地比的增大，觀光層CO濃度逐漸降低；當(dāng)固定窗窗地比為2%、3%時(shí)，對(duì)比火源功率為1.5MW時(shí)的數(shù)據(jù)，可得火源功率越大，觀光層最高CO濃度越高。

綜上所述，當(dāng)火源位于觀光層，火源功率為4.5MW，觀光層機(jī)械排煙發(fā)生故障失效時(shí)，觀光層固定窗窗地比不應(yīng)小于5%。

結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)觀光層發(fā)生火災(zāi)，機(jī)械排煙失效時(shí)，其可破拆固定窗窗地比進(jìn)行數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論：分別將火源功率設(shè)置為1.5MW和4.5MW，通過(guò)FDS對(duì)固定窗窗地比進(jìn)行數(shù)值模擬，分析得出當(dāng)火源功率為1.5MW時(shí)，固定窗窗地比不應(yīng)小于3%；當(dāng)火源功率為4.5MW時(shí)，固定窗窗地比不應(yīng)小于5%；分析結(jié)論可得，機(jī)械排煙失效時(shí)，火源功率越大，固定窗窗地比越大。建議《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB51251-2017）修訂時(shí)增補(bǔ)條文：設(shè)置在靠外墻且不位于頂層區(qū)域的固定窗，其總面積不應(yīng)小于樓地面面積的5%。

參考文獻(xiàn)

[1]GB51251-2017，建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

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[3]葉玲玲，戰(zhàn)誼.超高層觀光商業(yè)空間的場(chǎng)景營(yíng)造研究及建議[J].中國(guó)商論，2020（07）：71-72.

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[5]Tyler B ，Serhat B.Brain-Storm：a Deep Learning Model for Computationally Fast Transient High-Rise Fire Simulations[J].Fire Safety Journal，2021，（01）：25.

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作者簡(jiǎn)介：王碩（1998- ），男，漢族，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，研究方向：消防安全工程。