某國際會展中心火災(zāi)煙氣流動特性數(shù)值模擬

●李守斌

(烏魯木齊市消防支隊,新疆烏魯木齊 830002)

1 消防設(shè)計基本概況

新疆國際會展中心占地面積 329 443m2,建筑面積 110 767m2,其中地上建筑面積 93 295m2,地下建筑面積 17 472m2,會展中心主體建筑高為 50.3m,地面建筑物共 5層,地上展廳為 2層(局部有 2層夾層作為辦公、配套用房),會議中心設(shè)在 2～5層,共設(shè) 8個展廳,展位約 2 630個。該工程主體為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),屋頂采用大跨度張弦桁架,屋面采用直立鎖邊鋁鎂錳合金板飾面。

新疆國際會展中心屬大型公共建筑,消防設(shè)計建筑類別為一類,耐火等級為一級,屬于高層民用建筑,本工程按照《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》要求設(shè)置了消防控制中心。并根據(jù)各區(qū)域功能的不同,分別設(shè)置了火災(zāi)自動報警、室內(nèi)(外)消火栓、自動噴水滅火、固定消防炮滅火和防排煙等系統(tǒng)。

1.1 消防排煙設(shè)施的設(shè)計

本項目按照《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》第8.1.3條要求應(yīng)設(shè)置機(jī)械排煙設(shè)施,但考慮到展廳高大空間的實際情況,在制定展覽廳排煙方案時,利用這個空間作為蓄煙空間,以削弱火災(zāi)時煙氣對建筑內(nèi)人員疏散的影響,同時設(shè)置了自然排煙設(shè)施。即展廳部分排煙設(shè)計按照大空間進(jìn)行考慮,采用自然排煙方式,同時,設(shè)計展廳的電動開啟排煙口面積不小于地面面積的 2%,休息廊開啟面積不小于地面面積的 5%。排煙口具有自動和手動開啟和關(guān)閉功能,并能輸出開啟和關(guān)閉動作信號。

1.2 消防排煙設(shè)計中存在的問題

新疆國際會展中心屬于超大規(guī)模高層建筑,應(yīng)按照《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》進(jìn)行消防設(shè)計,但由于建筑結(jié)構(gòu)和使用功能的限制,在消防設(shè)計時存在局部超過規(guī)范或不符合規(guī)范要求的情況,尤其是展廳在火災(zāi)狀態(tài)下煙氣的排煙是否符合或滿足現(xiàn)行規(guī)范要求,這對建筑消防設(shè)計提出了新問題。

筆者在參與對該工程項目的具體消防監(jiān)督審核過程中,針對消防設(shè)計方案,運用火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件 FDS模擬計算了展廳的煙氣蔓延情況,佐證其設(shè)計的合理性和安全性,以指導(dǎo)該類型大空間建筑的消防設(shè)計。

2 火災(zāi)狀態(tài)下煙氣計算模型

FDS模型是專門用于火災(zāi)煙氣傳播的模型,可以模擬三維空間內(nèi)空氣的速度、溫度和煙氣的流動情況。筆者擬對展廳按自然排煙方式進(jìn)行性能化評估,并對自然排煙開口面積進(jìn)行分析確定。本研究將運用火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件 FDS(第五版)模擬計算出該展廳的煙氣蔓延情況。

2.1 初始條件假設(shè)

為科學(xué)模擬計算,根據(jù)實際情況,做出如下假設(shè)：(1)假設(shè)周圍環(huán)境溫度為 20℃,展廳的內(nèi)部初始溫度為 20℃,壓力為 1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。建筑內(nèi)火災(zāi)蔓延不受風(fēng)力的影響,這樣可設(shè)風(fēng)速為 0m/s。(2)在火災(zāi)模擬過程中,除防火門關(guān)閉外,展廳的疏散出口均處于開啟狀態(tài)。(3)起火地點具體位置為圖 1所示火災(zāi)場景 A。(4)火災(zāi)場景 A采用自然排煙。

圖1 計算對象火災(zāi)場景結(jié)構(gòu)簡圖

2.2 火災(zāi)場景煙氣流動特性模擬

整個展廳室內(nèi)凈空高度：17.5～26.5m;最大設(shè)計火災(zāi)規(guī)模：5MW;設(shè)計火災(zāi)類型：非穩(wěn)態(tài);火災(zāi)發(fā)展速率：0.047kW/s;排煙情況：地面面積 2%的自然排煙口;起火地點：一層 2號展廳中部。

2.2.1 煙氣溫度模擬結(jié)果

煙氣溫度模擬結(jié)果見圖2、圖3。模擬過程中,模擬至 561s時,上層煙氣溫度達(dá)到 60℃,下層煙氣溫度達(dá)到 25℃。模擬至 900s時,下層溫度未達(dá)到50℃,上層煙氣溫度未達(dá)到 180℃。

2.2.2 CO2濃度模擬結(jié)果

CO2濃度模擬結(jié)果見圖4、圖5。模擬過程中,模擬至 561s時,距離地面上方 2m處的 CO2濃度在0.015%左右;直至模擬結(jié)束(900s)時,距離地面上方 2m處的 CO2濃度未達(dá)到 1%。

圖2 煙氣溫度分布(縱向 561s時)

圖3 煙氣溫度分布(縱向 900s時)

圖4 CO2濃度分布(水平 561s時)

圖5 CO2濃度分布(水平 900s時)

2.2.3 CO濃度模擬結(jié)果

CO濃度模擬結(jié)果見圖 6、圖 7。在模擬過程中,模擬至 561s時,距離地面上方 2m處的 CO濃度為7.5ppm,整個模擬過程中,距離地面上方 2m處的CO濃度最高為 15ppm,未超過 2 500ppm。

2.2.4 能見度的模擬結(jié)果

在整個模擬過程中,離地面上方 2m處的能見度維持在 10m以上。

圖6 CO濃度分布(水平 561s時)

圖7 CO濃度分布(水平 900s時)

3 數(shù)值模擬結(jié)論

整個火災(zāi)模擬結(jié)果見表 1。在對新疆國際會展中心工程進(jìn)行數(shù)值模擬綜合分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合該工程建筑消防設(shè)計方案,主要針對展覽廳面積過大引起火災(zāi)狀態(tài)下煙氣蔓延困難的特性,經(jīng)過模擬計算,可得到以下結(jié)論：(1)該展廳設(shè)計的電動開啟排煙口面積不小于地面面積的 2%,休息廊開啟面積不小于地面面積的 5%的消防設(shè)計能夠滿足火災(zāi)狀態(tài)下的自然排煙要求,該消防設(shè)計方案可行。(2)由于展廳防火分區(qū)存在空間上劃分的困難,建設(shè)中可以將 1、2、3號展廳劃為一個防火分區(qū),為防止火災(zāi)的擴(kuò)大和蔓延,應(yīng)當(dāng)在展廳之間設(shè)置防火隔離帶,防火隔離帶寬度根據(jù)展廳展出貨物的類別進(jìn)行調(diào)整,以達(dá)到消防安全性能的目標(biāo)。

表1 火災(zāi)模擬結(jié)果

[1]GB50045-95,高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范(2005年版)[S].

[2]李引擎.建筑防火性能化設(shè)計[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[3]霍然,胡源,李元洲.建筑火災(zāi)安全工程導(dǎo)論[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,1999.