計(jì)算流體力學(xué)在現(xiàn)代建筑消防設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

廈門市公安消防支隊(duì)翔安區(qū)大隊(duì) 施華杰廈門市公安消防支隊(duì) 薛文秀

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計(jì)算流體力學(xué)在現(xiàn)代建筑消防設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

廈門市公安消防支隊(duì)翔安區(qū)大隊(duì) 施華杰
廈門市公安消防支隊(duì) 薛文秀

【摘要】在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用的今天，在建筑消防設(shè)計(jì)中計(jì)算流體力學(xué)也發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。本文與實(shí)際的工程實(shí)例相結(jié)合，對(duì)現(xiàn)代建筑消防設(shè)計(jì)中計(jì)算流體力學(xué)的應(yīng)用進(jìn)行了分析和介紹。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算流體力學(xué)；消防；煙氣流場(chǎng)模擬

如今現(xiàn)代建筑水平發(fā)展的越來(lái)越高，與此同時(shí)，現(xiàn)代建筑的消防設(shè)計(jì)也受到人們的普遍關(guān)注。發(fā)達(dá)國(guó)家從上世紀(jì)80年代開(kāi)始對(duì)建筑消防設(shè)計(jì)管理體制進(jìn)行審視，并且將性能化設(shè)計(jì)體系提了出來(lái)。所謂的性能化設(shè)計(jì)體系主要是指的表現(xiàn)型設(shè)計(jì)，其并非是對(duì)傳統(tǒng)消防設(shè)計(jì)技術(shù)要求的生搬硬套，而是以火災(zāi)原理、新建筑的設(shè)計(jì)和疏散的具體情況為根據(jù)對(duì)建筑在火災(zāi)時(shí)的防災(zāi)能力進(jìn)行模擬。在對(duì)火災(zāi)進(jìn)行模擬的時(shí)候其中最為主要的一個(gè)分支就是火災(zāi)的煙氣疏散，而計(jì)算流體力學(xué)則是模擬煙氣擴(kuò)散的主要依據(jù)，所以性能化設(shè)計(jì)中非常重要的一個(gè)工具就是計(jì)算流體力學(xué)。

1 某建筑消防設(shè)計(jì)的案例以及性能化評(píng)估

1.1 建筑消防設(shè)計(jì)案例

本案例中原建筑消防設(shè)計(jì)并不符合我國(guó)強(qiáng)制性防火規(guī)范要求，因此無(wú)法在消防驗(yàn)收中通過(guò)，后委托建筑設(shè)計(jì)研究院以及當(dāng)?shù)叵谰值嚷?lián)合針對(duì)該建筑實(shí)施火災(zāi)模擬設(shè)計(jì)，從而將是否需要對(duì)排演系統(tǒng)進(jìn)行加設(shè)確定下來(lái)[1]。首先，該建筑的概況為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，具有2萬(wàn)多平米的建筑面積，可以將其建筑形式劃分為塔式核心桶式，其具有19層的建筑層數(shù)，具有60.6m的建筑主體高度。其南北建筑都設(shè)置了疏散樓梯，在北樓梯對(duì)疏散樓梯間前室進(jìn)行了設(shè)計(jì)，在南樓梯對(duì)合用前室進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在南北樓梯間和前室該建筑都對(duì)消防機(jī)械加壓設(shè)施進(jìn)行了設(shè)置，這樣就能夠確保火災(zāi)的煙氣無(wú)法向樓梯間和前室侵襲。在其工字型內(nèi)走道中雖然對(duì)外窗自然排煙裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，然而由于設(shè)計(jì)變更導(dǎo)致其自身排演通道失效。其次是人員情況。作為辦公建筑，該建筑中的本單位的職工是其主要的人員組成，因此具有相對(duì)固定的特點(diǎn)，該建筑物中的人員只要能夠?qū)κ讓咏ㄖ枭⑼ǖ啦季趾退趯咏ㄖ季钟兴私猓涂梢詫?shí)現(xiàn)疏散目標(biāo)。再次是火災(zāi)荷載，辦公區(qū)是該建筑的主要火災(zāi)荷載分布，辦公用紙張、資料、電氣設(shè)備、辦公家具等屬于主要的火災(zāi)荷載。最后是需要解決的問(wèn)題，該建筑具有全長(zhǎng)44米的工字型內(nèi)走道，沒(méi)有對(duì)排煙設(shè)施進(jìn)行設(shè)置，因此與相關(guān)規(guī)定不符合。

1.2 性能化評(píng)估內(nèi)容

首先，以該建筑內(nèi)火災(zāi)荷載為根據(jù)對(duì)多種火災(zāi)可能性進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)將最危險(xiǎn)的一種火災(zāi)情況確定下來(lái)，隨后利用計(jì)算流體力學(xué)的方式將火災(zāi)煙氣蔓延和堵塞通道在這種火災(zāi)情況下的需要的時(shí)間計(jì)算出來(lái)，也就是ta。其次，以計(jì)算流體力學(xué)為根據(jù)將火災(zāi)煙氣上升到報(bào)警閥值的時(shí)間計(jì)算出來(lái)，也就是tb。再次，利用模擬手段將獲得火災(zāi)信息后的人們疏散到安全地帶的時(shí)間計(jì)算出來(lái)，也就是tc。最后對(duì)上述的幾個(gè)時(shí)間進(jìn)行比較，對(duì)△t=ta-(tb+tc)進(jìn)行計(jì)算。如果計(jì)算結(jié)果為△t<0，那么結(jié)果就表明在人員沒(méi)有疏散到安全地帶之前火災(zāi)煙氣就已經(jīng)將疏散通道堵塞，這時(shí)候建筑就需要對(duì)排煙等消防設(shè)施進(jìn)行增設(shè)，從而使該建筑的消防安全得到確保；如果計(jì)算結(jié)果為△t>0，就表明在火災(zāi)煙氣沒(méi)有將疏散通道堵塞之前人員就能夠疏散到安全地帶，因此該建筑就不需要對(duì)排煙設(shè)施進(jìn)行增設(shè)。但是人們的疏散過(guò)程必須要從△t的時(shí)間內(nèi)開(kāi)始，而允許的“疏散開(kāi)始時(shí)間”也就是△t。其主要指的是火災(zāi)報(bào)警設(shè)備感知火災(zāi)時(shí)間和建筑內(nèi)人員開(kāi)始疏散時(shí)間之間的時(shí)間差[2]。

2 該建筑性能化評(píng)估方法

在我國(guó)的建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范中明確規(guī)定，如果一類高層建筑的內(nèi)走道大于20m，這時(shí)候就需要對(duì)排煙設(shè)施予以加設(shè)。而該建筑正好是一類高層建筑的性質(zhì)，而且其具有大于20米的工字型內(nèi)走道，因此按照規(guī)范要求必須要對(duì)排煙設(shè)施進(jìn)行設(shè)置。由于該建筑工字型內(nèi)走道中濃煙會(huì)封堵一個(gè)安全出口，這樣就會(huì)導(dǎo)致一些人員無(wú)法利用具有最短距離的安全出口疏散出去，只能夠選擇距離較遠(yuǎn)的安全出口疏散出去。如果濃煙封堵住其中一個(gè)安全出口，那么在這種非常不利的條件下，要想全部人員都可以在樓梯間安全進(jìn)入，這時(shí)候就可以不對(duì)排煙設(shè)施進(jìn)行設(shè)置。那么只能夠在這一建筑的三層至十七層設(shè)置工字型內(nèi)走道，這時(shí)候具體的評(píng)估對(duì)象就可以確定為具有最大人員密度以及最多工作位的標(biāo)準(zhǔn)層，也就是該樓層中的第四層。

2.1 計(jì)算并確定ta

如果疏散通道中的煙氣層在疏散過(guò)程中具有大2m的高度，而同時(shí)具有不高于160℃，那么疏散人員在這種情況下就是安全的；如果無(wú)法使這兩個(gè)性能指標(biāo)得到同時(shí)滿足，那么疏散人員在這種情況下就是不安全的，也就是危險(xiǎn)來(lái)臨的時(shí)刻。這時(shí)候只要將三維瞬態(tài)的煙氣運(yùn)動(dòng)的溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)計(jì)算出來(lái)，也就可以將煙氣蔓延和堵塞通道時(shí)間計(jì)算出來(lái)。

2.2 計(jì)算并確定tb

在危險(xiǎn)到來(lái)之前建筑中的全部人員是否可以安全地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移，這是確定是否成功疏散的關(guān)鍵。這樣對(duì)人們是否安全疏散進(jìn)行判定的最為關(guān)鍵的參數(shù)就是疏散逃生時(shí)間。在計(jì)算之后，我們發(fā)現(xiàn)，由于其具有不一致的東、西側(cè)走道高度，也具有不完全一樣的時(shí)間，如果燃燒已經(jīng)開(kāi)始5s，這時(shí)候可能就會(huì)具有超過(guò)20cm的煙層高度，這樣就會(huì)產(chǎn)生大于感煙探測(cè)器的保護(hù)面積，所以可以按照5s計(jì)算報(bào)警時(shí)間[3]。

2.3 計(jì)算并確定tc

從人員得到火災(zāi)報(bào)警通知，直到完全向安全出口疏散結(jié)束，這就是逃生時(shí)間。選擇四層平面這一個(gè)最大一層的最不利點(diǎn)作為最不利的情況進(jìn)行考慮，同時(shí)對(duì)煙氣會(huì)對(duì)最不利點(diǎn)的安全出口的影響進(jìn)行考慮。利用模擬計(jì)算將人員疏散在各種條件下需要的最長(zhǎng)時(shí)間計(jì)算出來(lái)，這就是所謂的tc。

3 該建筑消防設(shè)計(jì)的模擬結(jié)果分析

出于對(duì)煙氣的影響的考慮，如果設(shè)定“門1”著火房間距離火源最近，那么“安全出口1”就是最近的疏散樓梯間入口，那么“安全出口2”和“門2”就是疏散樓梯間入口和較遠(yuǎn)的門。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　各出口位置被煙氣堵塞的時(shí)間

同時(shí)，會(huì)議室疏散完成需要7s，西辦公區(qū)疏散完成需要31s，東辦公區(qū)疏散完成需要32s，全部疏散完成需要46s。最后經(jīng)過(guò)一系列的計(jì)算之后，我們發(fā)現(xiàn)，tc為46s，ta為5s，ta為121s，因此△t=70s>0，也就是如果煙氣會(huì)對(duì)安全出口2產(chǎn)生威脅。直到最后完成整個(gè)疏散過(guò)程，就可以將應(yīng)該大于70s的疏散開(kāi)始時(shí)間△t采用逆向的方式計(jì)算出來(lái)。因此可以判斷，一旦人們確認(rèn)報(bào)警信號(hào)70s內(nèi)在上述的假設(shè)條件下開(kāi)始疏散是最安全的。同時(shí)也可以采用類似的方法將其他辦公區(qū)著火的情況下的△t計(jì)算出來(lái)，比如△t=110 s>0，也就是一旦人們確認(rèn)報(bào)警信號(hào)110s內(nèi)在上述的假設(shè)條件下開(kāi)始疏散是最安全的[4]。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)計(jì)算模擬的評(píng)估結(jié)果進(jìn)行分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，在具有一定的人員數(shù)量和可燃物數(shù)量的情況下，能夠不按照規(guī)范對(duì)排煙設(shè)施進(jìn)行增設(shè)，就可以使人員安全得到保證。通過(guò)評(píng)估過(guò)程我們可以發(fā)現(xiàn)，計(jì)算流體力學(xué)在案例性能化評(píng)估中發(fā)揮了非常關(guān)鍵的作用。因此，在建筑消防設(shè)計(jì)領(lǐng)域中計(jì)算流體力學(xué)的應(yīng)用將會(huì)變得越來(lái)越重要。不過(guò)在該測(cè)評(píng)中并未對(duì)疏散工作受到的有毒氣體的影響進(jìn)行考慮，所以必須要嚴(yán)禁使用會(huì)由于燃燒而產(chǎn)生大量毒氣的材料。

參考文獻(xiàn)

[1]雷有秀.民用建筑消防設(shè)計(jì)中的常見(jiàn)的相關(guān)問(wèn)題探討[J].科技風(fēng),2012(1).

[2]王海濤.有關(guān)民用建筑消防設(shè)計(jì)問(wèn)題的思考[J].現(xiàn)代裝飾(理論),2012(1).

[3]張惠遠(yuǎn).建筑消防設(shè)計(jì)及系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)分析[J].中國(guó)科技信息,2012(9).

[4]謝鑫.闡述建筑消防設(shè)計(jì)及監(jiān)督管理工作體制[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2012(12).