地下車庫火災荷載計算模型的建立與應用研究

陳 陣，王 霽，張 苗，吳欣田，張哲源

（1.中國科學院力學研究所高溫氣體動力學國家重點實驗室，北京100190；2.天津工業大學環境與化學工程學院，天津300387；3.中國人民武裝警察部隊學院，河北 廊坊065000；4.天津公安消防總隊河北區消防支隊，天津300100；5.天津易景環境科技發展有限公司，天津300101）

地下車庫火災由于其特殊的環境場合，火災與煙氣蔓延情況復雜，一旦發生火災其蔓延速度快、撲救困難［1］。對地下車庫火災荷載的深入了解是研究其火災與煙氣蔓延規律的前提，而對地下車庫設計合理的自動消防滅火系統具有重要意義［2］。

地下車庫火災荷載的研究主要包括兩部分內容：一是可燃物的調查統計；二是不同類型可燃物燃燒熱的計算模型。對于可燃物的調查統計，國際建筑研究會在開展性能化防火設計的同時曾做了大量的調查研究工作，得出了商業建筑、車庫、倉儲庫和辦公室等典型場所火災荷載密度的平均值。此外，S.Kumar等［3—4］對35棟居住建筑進行了調查，認為相同功能建筑的火災荷載密度分布符合正態分布；廖曙江等［5］對大型商場服裝層的活動火災荷載進行了調查分析，結果顯示服裝層的火災荷載密度采用二項式分布描述更合適。對于可燃物燃燒熱計算模型的研究，國內一些高校開展了一系列很有價值的試驗，如中國科學技術大學的張和平等［6］研究了可燃物表面積和厚度對火災荷載的影響，并提出了一種簡單的計算模型；清華大學的孫旋等［7］對汽車進行了全尺度火災試驗，得出了在不同工況下汽車火災的蔓延規律。

本文在前人研究的基礎上，采用數據統計分析與部分可燃物模型化相結合的方法，針對地下車庫火災載荷提出了一種新的計算模型。該模型適用于地下車庫性能化消防設計前火災載荷的確定，對于地下車庫防滅火的研究具有重要意義。

1 火災荷載與計算方法

1.1 火災荷載

火災荷載是衡量建筑物室內所容納可燃物數量多少的一個參數，也是研究火災全面發展階段性狀的基本要素。在建筑物發生火災時，火災荷載直接決定著火災的持續時間、室內溫度的變化以及煙氣蔓延等情況［8］。因此，采用合理的方法確定不同建筑場所內火災荷載的數值對于建筑物的防火設計具有重要意義。

火災荷載分為固定火災荷載、活動火災荷載和臨時火災荷載三類［5］。在地下車庫中，固定火災荷載數量很少，主要包括通風、排水和電路等設施中所攜帶的一些塑料構件等，而且所占比例很小。雖然單個汽車具有臨時火災荷載的特點，但是車庫內汽車數量符合一定的分布規律，所以整體上地下車庫內的汽車屬于活動火災荷載，主要可燃物為汽車的幾種零部件，包括輪胎、塑料構件、燃油和座椅。

1.2 火災荷載的計算方法

為了方便分析與設計，在火災理論和工程應用的研究中經常采用火災荷載密度這一概念。火災荷載密度是指固定空間內所有可燃物完全燃燒所釋放的熱量與空間特征參考積之比，也即空間單位面積上可燃物的發熱量。確定一個封閉空間內的火災荷載密度通常采用的方法有：參照以往調查結果直接評估、采用傳統經驗公式計算和模型化的火災荷載計算方法。

1.2.1 參照以往調查結果直接評估

國外對火災荷載密度的實際調查結果顯示［4］，相同場所的火災荷載密度接近正態分布，因此可以根據以往調查結果評估目標場所的火災荷載。常見場所的火災荷載密度如表1所示。

表1 不同場所火災荷載密度的調查結果（MJ/m2）Table 1 Survey results of fire load density of different places

雖然根據表1的數據能夠方便、快捷地確定相應場合火災荷載密度的大概范圍，但是該方法所得的數據不夠精確，有很大的缺陷，只能作為參考。

1.2.2 采用傳統經驗公式計算

根據火災荷載的定義，可以采用如下公式計算不同場合內的火災荷載密度［9］：

式中：q為指定場所的火災荷載密度（MJ/m2）；mi為第i種可燃材料的質量（kg）；Hci為第i種可燃材料的燃燒熱（MJ/kg）；A為指定場所的面積（m2）。

常見可燃材料的燃燒熱見表2。

表2 常見可燃材料的燃燒熱Table 2 Combustion heat value of common combustible materials

上述計算方法只是考慮理想狀態下可燃物完全燃燒所釋放的熱量的累加，未對不同場所內可燃物的類型、分布特點和布置方式等因素進行全面的考慮。

1.2.3 模型化的火災荷載計算方法

在建筑火災中，將可燃物分為三類：固體可燃物、熱塑性可燃物和液體性可燃物［6］。固體可燃物在燃燒過程中，其表面會有一個向內部縮進的過程，該縮進速度定義為燃燒線速度v，其燃燒熱可以通過下面公式計算［10］：

上式中：m′為可燃物單位面積質量燃燒速率［kg/（s·m2）］；ρ為可燃物密度（kg/m3）；v為可燃物燃燒線速率（m/s）；A為暴露面積（m2）；q′為可燃物燃燒熱釋放率（MW）；m″為可燃物質量燃燒速率（kg/s）；Hc為可燃物的平均燃燒熱（kJ/kg）；t為燃燒時間（s）；d為燃燒材料厚度（m）；β為可燃物的燃燒面，通常取1或2；Q為燃燒熱（kJ）。

熱塑性可燃物一般以圓形油類池火災的燃燒過程為計算模型，該類可燃物的燃燒熱釋放率主要與其密度、燃燒熱和燃燒尺寸等參數有關，其計算公式與固體可燃物類似，本文不再詳細列出。此外，在地下車庫中液體性可燃物主要為汽油，為了簡化計算，直接取汽油的燃燒熱與質量的乘積作為火災荷載的一部分。

2 地下車庫火災荷載的計算模型

前已述及，地下車庫內的汽車屬于活動火災荷載，主要可燃物為汽車的零部件，包括輪胎、塑料構件、燃油、座椅，因此要建立地下車庫火災荷載的計算模型，需要對各種可燃物的火災荷載進行計算。

2.1 汽車輪胎火災荷載的計算

汽車輪胎具有可燃性，且燃燒熱值很高，大約為9.968×106kJ/m3。汽車輪胎火災載荷的計算可采用固體可燃物計算模型。為了方便計算，首先將輪胎模型簡化為具有一定厚度的環帶，然后參考相關試驗確定輪胎燃燒的熱釋放速率。

2.1.1 輪胎簡化模型

本文以195/65R15型號汽車輪胎為例，根據輪胎的形狀特點，將其簡化為體積相同的環帶，并采用3Dmax建模軟件對輪胎模型進行簡化處理，處理前、后的輪胎模型見圖1和圖2，其尺寸參數見表3。

2.1.2 輪胎燃燒的熱釋放速率

中國科學技術大學的徐亮等［9］和許彬等［10］分別進行了輪胎全尺寸的燃燒試驗，并采用耗氧原理的方法在試驗中測定了輪胎燃燒的熱釋放速率、質量燃燒損失速率、燃燒熱和煙氣產生量等重要參數，同時對試驗所得的輪胎質量燃燒速率曲線（見圖3）進行處理，得到了輪胎質量損失速率的擬合方程，即輪胎的質量燃燒速率m″（kg/s）隨燃燒時間t的變化曲線擬合方程：

圖1 實際輪胎的3D模型Fig.1 3Dmodel of an actual tyre

圖2 簡化的3D輪胎模型Fig.2 Simplified 3Dmodel of a tyre

表3 輪胎模型簡化處理前后的尺寸參數（mm）Table 3 Size parameters of tyre model before and after the simplification

圖3 燃燒試驗中輪胎的質量燃燒速率隨燃燒時間的變化曲線Fig.3 Variation curve of the line combustion rate in tyre combustion experiment

2.2 汽車塑料構件火災荷載的計算

汽車構件中，保險杠、立柱、發動機蓋、儀表組件、散熱器格柵等均為塑料制品，塑料構件一般占汽車自重的7%～10%。根據相關統計，汽車零部件常用的塑料種類包括PP、PVC、PU、ABS、FRP、PA等。

多數汽車所用塑料屬于熱塑性可燃物，在火災中先形成熔滴再進行燃燒，其火災荷載的計算可采用油類池火災計算模型。

由于汽車內部塑料構件較多，如果將同一種塑料看作一塊截面積為0.1m×0.1m的長方體則會大大簡化計算過程。但是此時需要考慮兩方面的問題：一是實際燃燒過程中的暴露面積與理想化狀態下的誤差；二是實際燃燒過程中不連續塑料構件的火焰蔓延方式與理想狀態下連續長方體塑料燃燒過程中的區別。根據對某一汽車的各個部件進行計算與統計分析的結果顯示，可采取η這一修正系數使模型化的火災荷載計算結果與實際較為接近。幾種常見塑料在汽車中的用量及修正系數的取值范圍見表4。

表4 幾種常見塑料在汽車中的用量與修正系數Table 4 Dosage of several common plastics in the automobile and their correction coefficients

2.3 汽車燃油火災荷載的計算

當前汽車用燃油絕大多數為汽油，汽車油箱蓋一般都有泄壓設計，油箱在火災高溫環境下會有汽油大量泄漏［11］。汽油的具體燃燒過程比較復雜，有時還會發生爆炸事故，本文在計算燃油中的火災荷載時，只考慮汽油全部燃燒的熱值，不對火災場景進行討論。為了簡化計算，假設火災過程中所有汽油完全燃燒，其火災荷載為汽油燃燒熱與質量的乘積。其中，汽油的燃燒熱值可通過查閱表2確定，取44 MJ/kg；汽油質量則需要根據車輛油箱大小和充裝水平確定。

2.4 汽車座椅火災荷載的計算

汽車座椅主要由表層和襯里兩部分構成，一般都經過阻燃處理，但在火災環境下也可燃燒。表層材料一般為真皮、仿真皮或者纖維材質，襯里一般為泡沫。汽車座椅的火災荷載一般采用傳統經驗公式計算，主要由座椅的表層材料及泡沫的燃燒熱和質量確定。

3 實例應用

3.1 某地下車庫介紹

本文以某地下停車場為例，對其火災荷載進行計算分析。該地下車庫所在的地下一層尺寸為236.4m×191.2m，總面積達45 200m2，其中車庫所占面積為22 500m2，總計有936個車位，其平面圖見4。

圖4 某地下停車場平面圖Fig.4 Plan of an underground garage

該地下車庫有一對機動車輛出入口，兩對非機動車輛出入口，共分12個防火分區，采用自動噴水滅火系統進行消防防護。

3.2 車輛統計

本文在對該地下車庫火災荷載進行計算時，首先統計了車庫內的汽車類型與數量。經統計，最常見的汽車型號有14種，為了方便計算，假設車庫內所停留車輛沒有其他型號。14種汽車的型號與主要參數見表5。

表5 地下車庫中最常見的汽車型號與主要參數Table 5 Main parameters and proportion of the most common types of cars in the underground garage

3.3 地下車庫火災荷載的計算

由于該地下車庫處于市區繁華地段，所以在確定火災荷載時，按車位停滿的狀態計算。根據前述的火災荷載計算模型，首先確定4種可燃物的數量，再進行簡化處理與計算。

3.3.1 汽車輪胎火災荷載的計算

由表5可見，14種車型的輪胎型號不盡相同，因此可分別采用第2.1節中輪胎簡化計算模型進行處理，得出汽車輪胎的火災荷載為

式中：n為車輛總數，取936輛；yi為第i種車所占的比例（%）；Vi為第i種車輪胎模型化后的體積（m3）；ˉHc為輪胎平均燃燒熱，取9.968×106kJ/m3。

3.3.2 汽車塑料構件火災荷載的計算

經調查統計，14種車型中塑料構件的材質和用量見表4，因此塑料構件的火災荷載為

式中：mj為第j種塑料的用量（kg）；ηi為第i種塑料的修正系數；ˉH′c為塑料構件的平均燃燒熱，取2.8×103kJ/kg。

3.3.3 汽車燃油火災荷載的計算

根據汽車內燃油充裝水平的調查結果，假設所有汽車的燃油充裝水平均為60%，因此，汽車燃油的火災荷載為

式中：V′i為第i種汽車的油箱容積（L）；Hc為汽油的燃燒熱，取31.24MJ/L。

3.3.4 汽車座椅火災荷載的計算

汽車座椅的材料由于經過阻燃處理，其燃燒熱占總火災荷載的比例較小。本文以奧迪A4汽車座椅為標準，每輛車座椅所含泡沫的質量為40kg，表層材料質量為12kg，對車庫內936輛汽車的座椅燃燒熱進行統一計算，得到該部分火災荷載為

式中：m1和m2分別為汽車座椅泡沫和表層材料的質量（kg）；Hc1和Hc2分別為汽車座椅泡沫和表層材料的燃燒熱（MJ/kg）。

3.3.5 地下車庫總火災荷載的計算

該地下車庫總火災荷載為

根據表1中不同場所火災荷載密度的調查結果顯示，車庫的火災荷載密度為300MJ/m2，而該車庫面積為22 500m2，可參照以往調查結果直接評估，即得到該地下車庫總火災荷載為6.75×109kJ。這一數據與本文計算結果相差2.05×109kJ，分析原因認為，這一誤差主要是由于汽車所用材料不斷改進造成的，尤其是車廂內阻燃材料的使用顯著地降低了火災荷載值。

4 結 論

本文在前人火災荷載調查分析的基礎上，針對以往火災荷載評估方法與傳統計算模型的缺陷，結合數據統計分析與可燃物模型化的方法，提出了一種新的地下車庫火災荷載的計算模型，并通過實例應用，得出以下結論：

（1）地下車庫火災荷載主要由汽車輪胎、汽車塑料構件、汽車燃油和汽車座椅構成，其余可燃物的火災荷載可以忽略不計。

（2）汽車塑料構件的燃燒熱所占比例最大，因此要采用難燃或不燃塑料構件以降低地下車庫的火災荷載。

（3）通過采用模型化火災荷載計算方法對一個有936個車位的地下車庫的火災荷載進行計算，計算結果為4.7×109kJ，參照以往調查結果直接評估的結果為6.75×109kJ，筆者認為導致這一誤差的原因是評估的依據年份已久，不適用于當前的大型地下車庫。

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