住宅建筑內火災高溫煙氣流動規律試驗研究

郭 震，袁迎曙

（中國礦業大學a.力學與建筑工程學院；b.江蘇省土木工程環境災變與結構可靠性重點實驗室，江蘇 徐州221116）

建筑火災安全是目前工程界較為關心的問題，也是社會的熱點問題。目前，中國住宅火災災害程度呈加劇趨勢，據統計［1］，2009年1月至8月中國城鎮居民住宅共發生火災35 430起，直接財產損失17 963.5萬元。因此，系統地開展單元式住宅建筑火災安全研究迫在眉睫，研究成果能夠為中國住宅建筑火災安全設計提供理論依據，亦能夠帶動相關領域研究和產品研發的發展。

目前研究機構已建成多種類型的仿真建筑火災實物試驗模型，針對火災發展的全過程，火焰物理特性［2－3］，煙氣擴散模型［4－5］，煙流性狀［6］及煙氣濃度分布［7－8］，結構構件耐火極限等進行了廣泛的研究。如，中庭式大空間建筑火災實驗廳［9］；積木式多功能火蔓延特性實驗臺［10］；單室火災試驗平臺［11］；多層多室實體建筑火災實驗平臺［5］；構件耐火極限試驗平臺［12－13］等。上述現有的主要火災試驗平臺，均以火災特性、煙氣流動性狀，或構件高溫承載能力為研究對象進行的物理性試驗。然而上述的研究成果中均包含了一個空間構造形式的內在影響因素，但是這一因素還尚未作為建筑火災安全設防的主要指標參數。如果將火災和煙氣的物理模型與空間構造形式相結合，將會極大的促進中國目前的住宅建筑火災安全領域的發展，豐富火災安全基礎理論的研究內容。因此提出基于火災安全的戶型空間設計或家裝改造建議，是目前降低住宅火災損失的一個有效的技術手段。探索火災中高溫煙氣的流動模式，是降低住宅火災人員傷亡、財產損失等防范措施的理論基礎性研究。筆者擬通過實體多層住宅建筑模型火災試驗研究，探尋住宅建筑內高溫煙氣的流動規律，總結試驗數據和現象，揭示空間構造形式對火災煙氣流動的影響因素。火災試驗將在自制模塊式多層住宅建筑模型上進行，該模型參照蘇北某住宅小區的一單元兩戶住宅建筑建造，模塊通過不同的組合方式可以模擬多室平面及豎向火災，也可以進行不同戶型和層數的火災蔓延試驗研究。

1 模塊式多層住宅建筑火災流動試驗平臺設計

1.1 住宅建筑模型組成及尺寸

考慮到不同戶型對室內火災煙氣流動的影響，住宅建筑模型采用可按照不同戶型靈活拼裝的模塊式設計，根據房間功能制作標準尺寸的空間模塊，見圖1，模型考慮了住宅建筑常規的功能要求，如客廳、廚房、臥室、書房、衛生間及樓梯間。按照1／4縮比尺寸制作，模型尺寸見圖2和圖3。

圖1 模塊化試驗平臺拼接示意

圖2 住宅建筑模型尺寸

1.2 住宅建筑模型的構成試驗平臺構成

試驗平臺由標準化尺寸的獨立房間構成，每層有8個獨立房間拼接，各房間編號見圖1（a）所示。其中①單元為所有房間之間的交通聯系空間，其他房間通過各自門洞在①單元處匯集構成一個完整戶型，這里將其稱為樞紐空間；⑤單元為樓梯間；③和⑥單元為相同尺寸模型，分別模擬無房門和過梁的客廳和餐廳及廚房，定義其為大開敞空間；②、④、⑦3個單元尺寸相同，分別模擬有房門的臥室和書房，由于房門上方的過墻類似擋煙垂壁作用，故將這3個空間定義為有垂壁空間；⑧單元為衛生間，也定義為有垂壁空間。

1.3 住宅建筑模型制作

1）骨架

每個獨立模塊由L63×5等邊角鋼焊接形成骨架。

2）樓板及隔墻

根據《建筑設計防火規范》（GB50016－2006）5.1.1條耐火等級為二級的民用建筑規定，不燃燒樓板及非承重墻體耐火極限為60min。因此，樓板采用30mm厚預制混凝土板，內部配置鋼筋篩網并且雙向構造配筋，鋼筋直徑8mm。為降低自重，內嵌墻板采用導熱系數為1.43W／（m·K）的16mm厚石棉纖維水泥加壓平板，表觀密度1.95g／cm3，其具有高強、輕質、防火、防水性能。經初步自然實火測試，在最高溫度500℃直接烘烤情況下，石棉纖維水泥加壓平板42min后開始發生撓曲變形，78min后粉化破壞。

3）房門與窗戶

試驗平臺窗戶采用5mm厚普通玻璃，鋁合金包邊固定于水泥壓力板上。戶門為4mm厚鋼板，室門為8mm厚膠合板制成。

4）室內家具及裝修

根據每次試驗的研究內容，布置室內家具和裝修。試驗平臺實際安裝后效果見圖1（b）。

1.4 試驗平臺的溫度數據采集裝置

試驗的量測點位置見圖2（a），圖中黑圓點表示三熱偶束形測點，空圓圈表示置頂單熱電偶測點。置頂單熱電偶位于每個房間入口處且距天花板底150mm。所有熱電偶采用直徑2mm的NiCr－>NiSi熱電偶。利用TDS303數據采集儀采集溫度，獲得空間溫度分布。熱電偶編號模式為TC－>ijk，其中i表示樓層號，j表示平面位置編號，k（k＝1、2、3）表示熱電偶束空間豎向布置的編號。

2 火災試驗方案設計

試驗目的是空間構造形式（如房間相對位置），火源點位置變化，各房間連通形式等對室內火災煙氣流動的影響。利用熱電偶量測空間溫度分布，歸納煙氣流動的規律。因此，室內家具不按照真實場景進行布置，僅以總燃燒熱釋放量相等原則換算成木材。另外，試驗不以考察煙氣填充時間為主要研究目的，故忽略火災試驗平臺的尺寸效應的影響。

2.1 火災場景設計

試驗共設計2個火災場景，分別為第2層的客廳火災和廚房火災，火源點平面位置見圖2（a）。

1）客廳火災（T－>1）—火源A

客廳火災以沙發被遺留煙頭點燃作為起火原因。室內房間門均為開啟狀態；各室窗戶均為關閉狀態；通樓梯間戶門關閉。

2）廚房火災（T－>2）—火源B

廚房火災主要原因假定為燃氣爐火引燃櫥柜，并假設燃氣管道具有自動關閉功能，排除燃氣泄漏引起的火勢加劇和爆炸可能。此工況場景，室內房間門均為開啟狀態；各室窗戶均為關閉狀態；通樓梯間戶門關閉。

2.2 試驗分組

試驗以考察空間構造形式對火災蔓延和煙氣流動影響為主要目的，試驗僅考慮火源點位置的影響因素；火源點A和B位置如圖2（a）所示。房間門及窗戶僅作為火災場景條件，但試驗中不排除通樓梯間戶門或玻璃高溫破壞造成的火災蔓延和煙氣流動的變化。試驗分組情況見表1。

表1 試驗分組

2.3 試驗點火裝置及燃燒物質

點火材料為煤油，煤油碟上方由鐵架支起杉木木料及布料作為起火裝置，起火時間以木料和布料燃燒為起點，通過木料燃燒模擬室內家俱或電器起火。室內火災荷載參照《建筑鋼結構防火技術規范》［14］的C.0.1和 C.0.2進行估算，根據總熱釋放量相等原則換算成水曲柳木質量后，客廳火災用木料為15kg，廚房火災用木料為13kg。試驗目的為探索室內火災的溫度空間分布特征和煙氣流動規律，所以不強調火災試驗過程的絕對溫度。

2.4 試驗場地及環境

試驗模型安置在露天開闊場地進行，試驗當天氣候環境如下：

1）試驗T－>1進行期間，戶外實測溫度5.3℃，風向東北，風速3.6m／s，氣壓1 004.9hPa，相對濕度43%；

2）試驗T－>2進行期間，戶外實測溫度6.7℃，風向東北，風速2.1m／s，氣壓1 031.3hPa，相對濕度47%。

3 火災試驗過程

3.1 試驗T－1

試驗T－>1從點火到試驗結束共進行了58min。試驗過程見圖5。

1）起火階段，點燃火源點的煤油，木垛開始燃燒，火焰尺寸較小，發煙量不大。

2）初燃階段，6min后，木垛燃燒面積開始增大。由于模型房間密閉，火焰保持豎直。

隨著燃燒的持續，火焰面積逐漸擴大，房間內的燃燒物相繼起火，發煙量開始增加。在這一階段中，起火房間的溫度上升速度極快，而其他房間的溫度變化幅度很小。

此階段天花板上模擬吊頂的木條開始燃燒。同時玻璃溫度較高。

3）全面燃燒，該階段的起始標志是起火房間窗戶玻璃的受熱破碎。在點火后13min左右，玻璃向內破碎脫落。由于新鮮空氣的進入，火勢突然增加，整個房間內的可燃物全部起火。此時，火焰開始向內蔓延，室內的煙氣濃度較高，可見度極小，大量黑色煙氣從窗口上緣向外溢出。

4）降溫階段

隨著可燃物燃盡，火焰逐漸減小，室內溫度開始降低，降溫速度略小于升溫過程。整個試驗歷時58min，終止試驗，此時室內平均溫度降低至63℃。

圖5 試驗T－>1火災過程

3.2 試驗T－2

試驗T－>2的火源點位于廚房位置。試驗歷時63min。試驗過程見圖6。

圖6 試驗T－>2火災過程

1）起火階段，由于天氣干燥，點燃火源點的煤油后，木垛迅速開始燃燒。火焰范圍不大，出煙量較少，透過玻璃可以觀察到室內情況。

2）初燃階段，木垛燃燒范圍擴大，模擬吊頂也被引燃。室內已聚集大量黑煙，火勢較為劇烈。

3）全面燃燒，廚房窗戶玻璃在點火后15min左右破碎，標志著進入全面燃燒階段，室內木垛已全部燃燒。較新鮮冷空氣作為助燃劑，加劇了所有可燃物的燃燒速度。部分火苗從室內竄出窗戶。

4）試驗結束，隨著室內可燃物全部燃盡，火勢逐漸減小。在試驗進行63min后已無明火，試驗結束。

4 火災引起的住宅建筑模型內溫度變化規律

通過火災試驗，得到了2種火災工況下住宅單元平面及高度方向的溫度分布情況。利用所測溫度值與試驗時間的關系，對試驗數據進行處理，可以初步歸納室內升溫規律。按照牛頓流體力學原理可知，冷空氣的浮力作用使高溫低密度的煙氣流漂浮和運動，也就是說室內空間的溫度場除了受到火源點熱輻射升溫外，高溫煙氣的流動也是室內溫度升高的一個重要因素。因此，通過研究室內空間溫度的變化可以間接得獲得高溫煙氣的流動規律。

4.1 起火時間與單元空間內部各監測點溫度變化

根據試驗T－>1和T－>2位于大開敞空間（客廳和廚房）的測點1～7的溫度值與時間的關系繪于圖7（a）、（c），位于有房門空間（臥室、書房、衛生間）的測點8～12溫度值與時間的關系繪于圖7（b）、（d）。圖中溫度曲線均為靠近天花板處的熱電偶（TC－>2j3）量測值變化。

圖中反映了各測點溫度隨火源點的燃燒變化情況，由于縮比的試驗平臺存在空間尺寸效應，內部的氧氣量偏少，造成試驗過程中溫度偏低于實際火災。依據測點溫度變化的曲線，忽略玻璃破碎對溫度曲線的影響，起火后室內平面溫度動態變化具有以下幾點特征：

1）火源點位置的影響

模型 T－>1的測點溫度以1、2、3、5、4、6、7順序從高到低變化。模型T－>2的起火點在廚房，所以該模型的測點1～7的溫度變化與模型T－>1完全不同。模型T－>2的8～12測點溫度變化現象與模型T－>1基本一致，只是測點溫度排列的順序發生了變化，模型T－>1的9號測點最高，而模型T－>2的10號測點最高。

2）有垂壁房間的溫度升溫特點

根據T－>1和T－>2的8～12測點溫度可以發現，溫度較高的房間均是門開洞方向面對起火房間，說明火源點位置變化引起各室溫度變化的隨機性，但是高溫煙氣流動方向和方式具有確定性。

3）樞紐空間的平面溫度分布特點

模型T－>1測點3、4、5三點處在同一水平位置而且間距相同，但是測點5的溫度要高于測點4；模型T－>2的火源點位置在廚房，但是樞紐空間的4號測點溫度仍舊低于同在樞紐空間的其他測點溫度。這 反映了煙氣流動方向的選擇性。

圖7 火災試驗測點溫度變化曲線

根據溫度值的比較可以間接的判斷高溫煙氣層進入不同空間區域的先后順序：溫度高的區域說明高溫煙氣層較易進入或是較早的進入；溫度低的區域說明高溫煙氣層在進入的過程中存在熱損失，可以認為是較晚進入或是不易進入。

高溫煙氣以湍流的形式向外擴散。在流動的過程中，因煙氣層下緣卷吸冷空氣發生熱交換，造成煙氣擴散距離越遠，遠端溫度越低。空間構造形式決定了煙氣流動的路徑和距離，也就造成了室內空間溫度分布的變異性；或是說非起火房間與起火房間的相對位置，決定了非起火房間升溫速度和幅度，進一步說明煙氣流動具有方向的選擇性，空間布局是影響流動方向的關鍵因素。

4.2 室內豎向溫度變化

室內豎向溫度變化在一定程度上反映了空間溫度場的分布特征。2次試驗中，火源點（T－>1的測點1，T－>2的測點7）受到火焰的直接熱作用，溫度值在豎向變化很小。所以選取試驗T－>1和T－>2非火源點測點2、3、5、6的豎向溫度變化進行分析。4個測點的豎向溫度與時間變化曲線見圖8所示。

從圖8中可以看出：

1）相同高度的測點，靠近起火點的溫度量測值均高于遠離火源點的測點，這與4.1節中的分析結果一致。

2）選取某一火災時刻，如T－>1中t＝15min時，可以發現測點TC－>233溫度要高于TC－>222，說明相同時刻在起火房間附近空間內，遠離火源點但靠近天花板的煙氣層溫度要高于接近火源點但靠近地板位置；同樣，選取某一溫度，如T－>2中T＝100℃，測點TC－>223要早于TC－>232到達該溫度，這表明高溫煙氣水平方向的流動速度要高于下沉速度。

根據上述對室內豎向溫度變化的試驗結果分析，可以進一步明確火災中煙氣流動的一般規律：

1）高溫煙氣在空間豎向存在梯度，高溫氣體因受到浮力作用而聚集在天花板下方，又因為煙氣層下緣卷吸冷空氣發生熱交換降溫，所以溫度依次向下降低。

2）按照黏性流體力學觀點，煙氣層貼著天花板底以湍流形式前進，前端鋒面速度受到火源點功率的直接影響，而煙氣層下緣的湍流模式在卷吸冷空氣進行熱交換的同時還受到冷空氣層的浮力作用，下降速度低于前端鋒面速度；另外，由于熱交換，煙氣層下緣溫度要低于前端鋒面溫度；所以造成高溫煙氣水平方向的流動速度要高于下沉速度的現象。

圖8 試驗豎向溫度變化曲線

3）高溫煙氣趨于先充滿整個空間的天花板，然后再向下擴散，因此擋煙垂壁（各房間門上方的過墻）可以阻礙煙氣層的水平擴散，延長煙氣擴散時間。

由于卷吸冷空氣使煙氣密度增大，導致煙氣層下降（煙氣層厚度增加），表現為煙氣填充空間現象。高溫煙氣層先到達的空間，煙氣層厚度越大，在豎向空間上溫度梯度小。

基于上述的討論，如果忽略火源點的熱輻射，空間內各點的溫度均受到高溫煙氣層流動的影響。由于住宅單元特有的多室格局形式，如，門上方的過墻（類似擋煙垂壁），也就勢必會影響高溫煙氣的水平流動。

4.3 起火位置對單元空間內部各監測點溫度變化的影響

火災發生時，非起火房間的溫度上升以高溫煙氣層流動和熱交換為主的。從500s到1 000s以100s為間隔，將12個平面測點位置的頂部熱電偶量測溫度值繪于圖9，圖中橫坐標對應為平面測點編號，縱坐標為量測溫度值。橫向可以比較各測點間的溫度差異，縱向反映了不同時刻同一測點位置的溫度變化，溫度值的疏密反映了溫度變化的速率。

從圖中可以看出：試驗中，有垂壁空間（②、④、⑦3個房間）測點8～10溫度變化幅度很小，而且溫度較低，說明熱煙氣進入這3個房間的煙氣量少，或是煙氣溫度低；但是由于火源點位置不同，這3個房間的溫度值和變化幅度不一樣，試驗T－>1中10號測點的溫度低于試驗T－>2，升溫幅度卻高于試驗T－>2；9號測點的溫度差異更為明顯，在試驗T－>2中最高溫度僅為76.4℃，而在試驗T－>1中最高溫度平均達到142℃。另外，在試驗T－>1和T－>2中，衛生間溫度（測點12）變化不大。

因此，火源點位置對空間各房間的溫度影響較大，從空間布局構造方面得到起火位置與單元空間內部各監測點溫度變化的規律：

1）當非起火房間的門面對起火房間，該房間將進入較多的高溫煙氣，但是有垂壁房間的溫度低于相同水平位置的大開敞空間，說明有垂壁房間雖然面對起火房間，但是高溫煙氣層厚度必需達到房門上方垂壁高度后才能進入，這一過程增加了煙氣層的熱量損失。

2）當非起火房間的門位于起火房間煙氣流出方向的后方，則該房間進入的煙氣量較少且溫度較低，該房間的升溫也是因高溫煙氣層下沉到門上方過墻而溢入的，不過下沉速度要小于1）的情況，這與煙氣流動方向有關。

3）當非起火房間門與煙氣流動方向平行時，起火房間位置對該房間溫度幾乎沒有影響，該房間的升溫原因與2）相同。

通過上述3個方面的討論，可以得到結論：住宅單元火災的具有隨機性，但是火災過程中高溫煙氣的流動符合一定規律性，不論火災發生在哪個房間，高溫煙氣必將通過樞紐空間向其他房間擴散，那么樞紐空間的構造形式決定了高溫煙氣的流動規律。

5 影響火災煙氣流動的空間因素

根據上述對試驗結果的現象的分析，可以初步得到影響住宅建筑火災煙氣流動的空間因素：樞紐空間構造形式，房門上方垂壁，各房間之間的相對位置。由于試驗過程中，通往樓梯間的戶門未被燒壞，因此在玻璃破碎前，模型基本處于完全封閉的多室聯通模式。

5.1 樞紐空間對高溫煙氣擴散的影響

樞紐空間起到了各房間相互連通的作用。如果將各房間看作是網絡上的節點，那么樞紐空間便是這個網絡的干線。任一節點釋放出的高溫煙氣必將通過網絡干線向其他節點擴散。但是如前所述，并不是所有節點升溫速度和溫度值是相同的，也就是說網絡干線（樞紐空間）決定了其他節點獲得高溫煙氣的分配原則，即樞紐空間的構造形式決定了高溫煙氣的流動規律。

從試驗模型來看，樞紐空間與其他房間的連接形式主要有2種：

1）無垂壁（過墻）全敞連接，如客廳、廚房，高溫煙氣可以無障礙通過，2次試驗中，無垂壁全敞空間升溫速度和溫度值都高于有垂壁房間。

2）有垂壁（過墻）連接，如臥室、書房、衛生間，高溫煙氣層必須集聚厚度達到門上過墻高度才能進入這些房間，煙氣的集聚減緩了這些房間內部的溫度上升速度，集聚過程中的熱量散失也降低了進入這些房間的溫度值。

5.2 垂壁對煙氣流動的影響

按照黏性流體力學觀點，煙氣層的湍流式前進，會卷吸底部的冷空氣進入，煙氣層下緣部分的溫度降低，煙塵顆粒開始下沉，造成煙層厚度增加。與卷吸的冷空氣熱對流，使分子運動速度減緩，煙層水平流速逐漸降為零，見圖10所示。圖中，hyc，hcb分別表示煙氣層厚度和垂壁高度；vyc（h）為煙氣層鋒面水平速度，是煙層厚度的函數，它受到火源點功率的直接影響。當hyc＞hcb時，煙氣層可以直接通過垂壁進入房間；當hyc＜hcb時，煙氣層將先形成垂壁回流在向房間內擴散，但是擴散速度和溫度將低于vyc（h）max。

圖10 煙氣層與垂壁高度關系

當非起火有垂壁房間的門面對起火房間時，煙氣前進方向受到門上方垂壁的阻礙，形成垂壁回流，溫度和速度均比原煙氣層鋒面有一定降低，冷空氣的浮力使垂壁回流進入非起火房間；但是垂壁回流速度仍受到火源點功率的影響，其仍舊高于煙氣層下緣熱交換冷卻引起的煙層下沉速度。當非起火房間的門位于起火房間煙氣流出方向的后面時，煙氣是以熱交換冷卻的煙層下沉方式進入，所以升溫時間滯后，且溫度較低。

5.3 各房間之間的相對位置對煙氣流動的影響

根據起火位置對單元空間內部各監測點溫度變化的影響分析，煙氣流動具有方向性。當煙氣進入樞紐空間后，各單元與樞紐空間的相對位置也影響各自空間的升溫：

1）當單元開口面對高溫煙氣進入樞紐空間方向時：

①無垂壁（過墻）全敞連接時，高溫煙氣無障礙進入，升溫速度快，溫度值較高，該單元與起火單元之間形成主要高溫高速煙氣流通道，決定了全局火災蔓延和煙氣流動的發展和形式。

②有垂壁（過墻）連接時，高溫煙氣層厚度到達門上過墻高度后煙氣進入，煙氣溫度和升溫速度低于①情況，屬于中溫煙氣流通道。

2）當單元開口（通常為有垂壁連接）背向或平行于高溫煙氣進入樞紐空間方向時，高溫煙氣進入主要是以煙氣層湍流卷吸增厚超越垂壁高度的方式。這種進入形式的速度和煙氣攜溫量要遠小于1）的情況。

6 結論

利用模塊式火災試驗平臺，構建了縮比3層住宅單元模型，初步分析了住宅單元室內火災發展的情況，進行了高溫煙氣流動和火災蔓延的試驗研究和分析。根據試驗結果，可以發現室內火災的以下幾個顯著特點和規律。

1）非燃燒房間與燃燒房間的連通形式是影響高溫煙氣流動的主要因素。當非燃燒房間與燃燒房間的連通形式較為直接時，高溫煙氣向非燃燒房間的流動和擴散也較為快，該房間的溫度增加值也較高。

2）由于住宅建筑中各房間均通過樞紐空間聯系，任一起火房間的高溫煙氣均將先進入樞紐空間，然后再向其他房間擴散，因此，樞紐空間的構造形式（如尺寸，各房間門的相對位置等）對室內高溫煙氣流動具有決定性。

3）房間室門上方的過墻（或稱為垂壁）具有阻礙煙氣流動的作用，由于煙氣層貼天花板底水平運動，當室門上方垂壁高度大于煙氣層厚度時，將有效減緩或改變煙氣水平運動速度或方向；同理，高溫煙氣更易進入或流出大開敞空間（如客廳、廚房等），在面對起火房間相同位置情況下，高溫煙氣進入非起火房間速度和溫度僅與室門上方垂壁高度有關。

4）當火源點確定后，煙氣的運動模式是固定的，但是煙氣運動所表現出的現象受到了空間形式的影響，也就是說空間形式對高溫煙氣的流動具有一定規律性影響。對于不同單元起火、樞紐空間構造、各單元開口程度及隔墻位置等影響因素的機理分析，將結合煙氣運動規律進行進一步的探討。

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