高層建筑典型房間及共享空間火災溫度場分布規律

衛文彬，劉松濤，劉文利

（1.中國礦業大學（北京）資源與安全工程學院，北京 100083；2.中國建筑科學研究院建筑防火研究所，北京 100013；3.住房和城鄉建設部防災研究中心，北京 100013）

高層建筑典型房間及共享空間火災溫度場分布規律

衛文彬1，劉松濤2，3，劉文利2

（1.中國礦業大學（北京）資源與安全工程學院，北京 100083；2.中國建筑科學研究院建筑防火研究所，北京 100013；3.住房和城鄉建設部防災研究中心，北京 100013）

基于高層建筑的空間布局和結構特性，分析了其可燃物荷載和火災發展類型，并建立了熱傳遞模型。以某高層建筑綜合體的辦公層為典型場所，運用火災動態模擬軟件，對高層建筑典型功能房間及共享空間火災條件下的溫度場分布進行了數值模擬分析。分析結果表明：在研究場所典型的可燃物分布條件下，辦公室的火災功率可在500 s內增長至14.27 MW，房間和共享空間溫度分層明顯，房間的最高溫度可達到1 250℃，回廊內最高溫度可達165℃。

火災；高層建筑；溫度場；數值模擬

0 引言

隨著城市經濟與建筑科技的發展，為了解決城市日益突出的用地緊張等問題，各類高層建筑開始在城市建設中蓬勃發展。中國的高層建筑在經過了近30年的發展之后，逐漸呈現出以下特點：建筑高度不斷增加，結構體型日趨復雜，以鋼－混凝土混合、組合結構為主，涌現一些新型結構體系［1－2］。

日趨復雜的結構體型以及高層建筑中密布的管井、風筒、電纜井、走廊等共享空間，導致火災發生時高溫有毒煙氣的蔓延途徑增多，增大了建筑內人員的危險性。不斷增加的建筑高度導致火災發生時消防車外部射水效果差，消防救援登高困難，消防人員進入火場的通道少，無法有效進行救助，從而導致嚴重的火災后果［3］。

目前，眾多學者對建筑火災進行了探討，并取得了一系列研究成果。文獻［4］對火災高溫下鋼筋混凝土的變形、位移進行了分析，得出了連續梁結構的荷載最不利位置。文獻［5］對混凝土構件進行高溫試驗，得出了混凝土結構破壞分析與缺陷診斷的方法。文獻［6］對高層建筑內火災煙氣擴散進行了數值模擬分析，確定了合理的排煙設計方案。文獻［7－8］對高層建筑的火災隱患及成因進行了分析，并提出了有效的消防預防對策。

上述研究成果主要是針對建筑主體結構，研究煙氣蔓延擴散、火災成因、撲救及消防預防對策等，對于高層建筑室內及共享空間的火災溫度場分布規律的研究尚不充分。本文經過對高層建筑火災特點的分析，提出蔓延性火災是造成高層建筑火災嚴重后果的一個主要原因。基于對火災蔓延特性的研究，通過火災動態模擬軟件（FDS）進行數值模擬，得出高層建筑典型房間及共享空間火災溫度場的基本分布特征，可以為建筑結構的防火設計，防排煙系統、噴淋系統及火災探測器系統的設計提供合理有效的依據，對于提高建筑整體防火性能，減少高層建筑火災損失具有重要意義。

1 高層建筑火災基本特性分析

1.1 火災荷載分析

在現代高層建筑中，由于建筑標準高、功能多、裝修量大、電氣化程度密集，加之部分可燃性建材的使用，導致高層建筑中可燃物的火災荷載往往較高。酒店和辦公室是高層建筑中比較常見的兩種業態形式。酒店客房的房間內可燃物包括床上用品、家具、內裝修等；辦公用房的房間內可燃物包括紙張用品、辦公家具、內裝修等。

考慮到高層建筑中的可燃物均為固體，因此，可以采用固體木材可燃物燃燒模型對高層火災載荷進行評估。模型計算公式如下［9］：

其中：m″為單位面積質量損失速率，kg／（s·m2）；ρ為可燃物的密度，kg／m3；vp為線速率，m／s，取0.67 mm／min；R為質量損失速率，kg／s；A為暴露表面積，m2；Q為熱釋放速率，MW；△Hc為燃燒熱，MJ／kg。

同時，可以根據下式預測可燃物不斷燃燒的時間：

其中：Td為燃燒時間，s；D為燃料厚度，m；β為常數（一個面燃燒取1，兩個面燃燒取2）；其他符號同上。

在對建筑火災進行一定程度的簡化之后，可以根據下式計算出其火災載荷：

其中：q為載荷密度，MJ／m2；mi為單個可燃物的質量，kg；△hi為單個可燃物的熱值，MJ／kg；At為著火房間內表面的總面積，m2。

因此，根據上述模型便可對高層建筑火災載荷進行合理的評估。

以某高層建筑綜合體的辦公層為研究對象，選取固體木材的燃燒熱值為17 MJ／kg，密度為0.54×103kg／m3。假設房間內所有可燃物換算為熱值等量的木材后，其體積在房間內形成的薄板厚度為層高的10%，在通風條件充足的情況下，通過已建立的燃燒模型進行火災載荷分析，結果如表1所示。

表1 火災載荷分析結果統計表

1.2 火災發展趨勢分析

火災的發生、發展一般包括引燃、轟燃發生前、轟燃、轟燃發生后和衰減等幾個階段。大量試驗表明：在實際火災的初期和增長期，熱釋放速率隨時間的推移不斷增長，大多數常見可燃物著火時，熱釋放速率增長遵循時間的平方規律。

其中：Q為熱釋放速率，kW；a為火災增長系數，kW／s2；t為時間，s。

不同的可燃物火災增長的時間常數不同，按熱釋放速率增長的快慢通常將t2火分為4類，即超快、快速、中速和慢速火。根據文獻［10］中關于t2火特征及典型可燃材料的表述，高層辦公室火災發展趨勢可用中速－快速火表征。

1.3 火災熱傳遞模型

火災的蔓延往往通過熱傳遞來進行，火災中可燃物燃燒產生的熱量總和包括傳導熱、輻射熱和對流熱3部分［11］，可分別對這3部分熱量建立模型進行分析。

（Ⅰ）傳導熱

傳導熱遵循熱力學第二定律，是指熱量從高溫物體向低溫物體傳遞，其大小取決于兩物體之間的溫差、距離等。式中：q″為單位面積的熱流量，W／m2；k為熱傳導率，W／m K；α為熱發散系數，m2／s；x為熱流量方向的距離，m；T為傳熱物體的溫度，K；t為傳熱時間，s。

根據點源模型將火源看作是一個熱輻射的中心，其向四周輻射的熱量為［12］：

式中：QR為輻射強度，kW；χR為輻射能比率；Di為火焰直徑，m；τ為空氣透射率；li為輻射距離，m；mpi為質量流率，kg／s；△Hci為燃燒熱，MJ／kg；S為交界面面積，m2。

（Ⅲ）對流熱

對流熱的強度大小取決于熱煙氣質量流量，單位質量熱煙氣溫升所需熱量。

式中：Qc為對流熱強度，kW；cp為流體定壓熱容，k J／（kg·K）；ρ為流體密度，kg／m3；v為交界面體積流率，m3／s；T為熱交界面流體溫度，K；T0為交界面流體初始溫度，K。

2 數值模擬分析

數值模擬采用FDS［13］大渦模擬技術進行研究。FDS場模擬是基于質量、動量、化學組分等多種守恒定律建立的由連續方程、動量方程、能量方程、組分方程和輔助方程構成的數學方程來進行求解的物理模型。其大渦模擬通過把研究區域劃分為許多微元控制體，可以得到較為真實的瞬態流場，能給出較詳細的各種物理量的分布，且精度較高，適用于建筑火災中的著火房間或有強通風的房間。

2.1 模型建立及參數設定

對建筑設計圖紙進行適當的簡化之后進行建模，如圖1所示。

圖1 FDS數值模型

為便于計算機計算，數值模擬過程中做以下幾點假設：

部分人追求美觀效果,喜歡加濕器噴出白霧,而白霧的實質是水中礦物質隨水霧噴出的結果。這些含有礦物質的霧滴有很強的吸附能力,霧滴吸附細菌、病毒或裝修時殘留在室內的有毒物質,這種帶有致病因素的“毒霧”被孕婦吸入過多可能是加濕性肺炎導致呼吸系諸多統疾的發病根源。孕、產婦這一易受疾病的群體,如果冬季室內過于干燥,可盡量選擇無“霧”加濕器,并劑量在室內配置濕度表,將室內濕度保持在45%~50%之間,此時人體感覺最舒適,濕度過高容易致病[8]。而不使用加濕器時,務必將加濕器中水倒掉、擦干,防止細菌滋生,危害孕婦健康。

（Ⅰ）火災在建筑整體之間蔓延的影響因素較多，且建筑整體模型較大，計算機計算存在較大困難，因此，本次模擬不考慮火災在建筑整體內的蔓延。

（Ⅱ）火災燃燒全過程持續時間（含熄滅）較長（628 m in），考慮計算機的計算能力，在模擬過程中只針對火災增長蔓延及充分發展階段進行模擬分析。

（Ⅲ）假設酒店客房（辦公室）只有一間起火，并且在火災發展的過程中其他各個房間的邊界構件均未失效。

（Ⅳ）初始階段的陰燃火以及非轟然火發展階段簡化為火源功率為1.0 MW的快速t2火。

（Ⅴ）火災蔓延通過不同位置的“heat detector”來觸發。

（Ⅵ）模型中的溫度場通過設置不同位置、不同高度的溫度測點進行監測。

模型中參數設置如表2所示。

2.2 火災熱釋放功率模擬結果分析

圖2為1.0 MW的初始設定火災規模條件下，由于火災蔓延辦公室內部火災熱釋放功率增長趨勢圖。

表2 FDS場模型參數設置一覽表

圖2 辦公室內部火災熱釋放功率增長趨勢

從圖2中可以看出：在0～110 s時，初始設定火源呈t2火增長趨勢。在110～220 s時，由于火源燃燒釋熱及熱傳遞導致與火源直接接觸的小范圍桌椅被引燃，火災熱釋放速率的增長趨勢也呈現出小范圍波動，其中在t＝205 s前后，辦公室房門被引燃，煙氣開始流入回廊。在220～310 s時，t＝220 s前后窗戶玻璃破裂，創造了良好的通風條件，持續增長的火災將與火源間接接觸的大范圍內的桌椅引燃，整個辦公室內部出現轟燃，火災熱釋放功率急劇上升。在310～500 s，在轟然階段過后，火災熱釋放功率增長率逐漸降低，火災熱釋放功率逐漸趨近于最大釋熱功率。在500～900 s時，火災熱釋放功率達到最大值，火災呈穩定燃燒狀態，最大釋熱功率為14.27 MW。

圖3 辦公室內部軸向溫度變化曲線

2.3 辦公室內溫度場模擬結果分析

圖3為設定模擬條件下辦公室內部溫度軸向分布圖。

從圖3中可以看出：當火災發生后，燃燒釋熱使房間內的空氣溫度升高，軸向各測點溫度開始隨時間增長而迅速上升，且在前220 s內，各測點升溫速率隨時間迅速增大。當t＝220 s時，窗戶玻璃發生破裂，熱空氣向外流動，導致各測點溫度在短時間內均產生不同程度的下降。隨后，各測點溫度繼續上升，最后在400 s前后趨于穩定，距離地面4.2 m的測點溫度最高，可達1 250℃。

2.4 回廊溫度模擬結果分析

圖4為辦公層回廊各個測站平均溫度變化曲線。從圖4中可以看出：客房房門未被引燃失效前，回廊各測點的溫度保持不變；當t＝200 s時，測站2附近的房門首先被引燃失效；隨后t＝215 s時，測站1附近的房門被引燃失效，房間內的高溫高壓氣體流出，回廊內的溫度迅速上升。房門失效約30～40 s后煙氣流動到測站3和測站4，進而充滿整個回廊。之后回廊內各測點溫度隨時間迅速上升，在t＝750 s之后各測站溫度趨于穩定，測站1和測站2平均溫度較高，達165℃，測站3和測站4溫度稍微偏低，平均達130℃。

圖4 回廊各測站平均溫度變化曲線

3 結論

（1）通過火災載荷分析模型計算得出高層辦公室的火災載荷為1 114.9 MJ／m2，其火災發展類型可用中速－快速t2火表征。

（2）FDS數值模擬表明蔓延性火災條件下，初始火災功率為1.0 MW的辦公室火災，可在500 s內發展成為14.27 MW，房間內的最高溫度可達1 250℃。

（3）當邊界構件（房門）失效后，辦公層的熱煙氣在30～40 s便可蔓延至整個回廊，回廊溫度測站表明其溫度可達165℃。

［1］ 肖從真，王翠坤，黃小坤.中國建筑科學研究院高層建筑結構研究發展與展望［J］.建筑科學，2013，29（11）：11－21.

［2］ 徐培福，王翠坤，肖從真.中國高層建筑結構發展與展望［J］.建筑結構，2009，39（9）：28－32.

［3］ 司戈.中國高層建筑火災［J］.消防科學與技術，2010，29（10）：863－866.

［4］ 馬云玲，白曉紅，吳軍，等.火災高溫下鋼筋混凝土連續梁非線性數值分析［J］.河南科技大學學報：自然科學版，2010，31（1）：50－53.

［5］ 李一帆，封南，王國欣.高溫后混凝土裂紋萌生及演變細觀規律試驗［J］.河南科技大學學報：自然科學版，2010，31（3）：67－70.

［6］ 李峽.高層建筑內火災煙氣擴散的數值模擬［J］.消防技術與產品信息，2015（3）：20－26.

［7］ 楊寶寬.高層建筑火災成因及預防對策［J］.武警學院學報，2011，27（8）：54－56.

［8］ 李建華.高層建筑火災隱患及消防安全對策研究［J］.武警學院學報，2013，29（10）：72－74.

［9］ 張和平，亓延軍，徐亮，等.可燃物表面積和厚度對建筑物內火災載荷的影響［J］.火災科學，2003，12（2）：90－94.

［10］ 郭鐵男.中國消防手冊：第三卷［M］.上海：上海科學技術出版社，2006.

［11］ 張武暉.油罐池火災燃燒特性與危害性分析［J］.消防技術與產品信息，2014（7）：25－27.

［12］ 孫標，郭開華.LNG池火熱輻射模型及安全距離影響因素研究［J］.中國安全科學學報，2010，20（9）：51－55.

［13］The RJA Group.A Model Construction Tool for Fire Dynamics Simulation（FDS），PyroSim User Manual［M］.Manhattan：National Institute of Standards and Technology，2010.

TU998.1

A

1672－6871（2015）05－0068－05

國家科技支撐計劃基金項目（2012BAJ07B01）；中國建筑科學研究院自籌基金項目（20140111330730049）

衛文彬（1990－），男，河南焦作人，碩士生；劉松濤（1978－），男，安徽阜陽人，高級工程師，博士，碩士生導師，主要從事安全工程、火災及消防工程等方面的研究.

2015－03－24

基金項目：國家科技支撐計劃基金項目（2012BAJ04B02）

作者簡介：方 偉（1988－），男，湖北應城人，碩士生；田 琦（1966－），男，山西汾陽人，教授，博士，博士生導師，主要研究方向為暖通空調新技術、新能源利用.

收稿日期：2014－10－31