木結構廠房耐火性能的FDS模擬

寧 軍 （安慶市菱北公安消防大隊，安徽 安慶 246000）

0 前言

近年來,隨著建筑結構需求的多元化，木結構建筑在國內越來越受歡迎，無論是文藝清新風格的商業街區或者是別墅類房屋，木結構都是越來越多人的選擇。上世紀50年代，國外開始對木結構建筑的規章制度制定標準規范，在70年代的時候制度進行的比較全面，到90年代研究方向眾多，成果不斷，很多國家已經研究出比較完備的抗火標準和規范[1～2]。但是，我國目前木結構建筑的相關技術規范并不完善，《建筑設計防火規范》中僅對木結構民用建筑作出了相關規定[3]，但對采用木結構的生產廠房并未做出明確規定。本文主要結合一木結構廠房實例，研究木結構建筑的耐火性能。

1 建筑概況

1.1 廠房基本情況

該廠房使用性質為紡織材料染色廠房，以單層為主，局部二層。建筑功能：一層依次為前處理車間、染色車間、后處理車間，局部二層為輔助用房，分別有化料間、化驗室、染料間、備料間、空壓室等。廠房整體為鋼筋混凝土排架結構，其中屋頂梁、屋頂承重構件均為木梁、木檁條。防火分區共10個，各防火分區面積為306.4～11007.6m2，防火分區間用防火墻分隔，各分區均設有直接的對外出口，滿足人員安全疏散要求。

因印染企業生產過程中鐵離子和雙氧水的化學反應對紡織品產生高腐蝕作用，造成破洞疵布直接影響產品質量等多種原因，該項目在設計中，參照意大利國家建筑技術標準ItalianCode2007-07-27和歐洲法規EN1995-1-2：2004Eurocode[4],采用膠合木結構梁作為建筑材料來建設廠房的屋面支撐系統。本工程火災自動報警系統和漏電火災報警系統均已按規范要求予以設置，室內消火栓布置增加了23個。

1.2 木結構建筑構件情況

該廠房所有的木梁和木檁條成品均由意大利進口，根據木構件廠家出具的《木材結構構件的耐火能力認證》（《CERTIFICATION OF FIRE RESISTANCE OF TIMBER STRUCTURAL COMPONENTS》）文件，該木梁和木檁條在實驗溫度曲線（圖1）的條件下，極限撓度和極限撓度變化率能夠滿足下式：

圖1

結合該廠房的尺寸和荷載情況，綜合計算，木梁和木檁條可以滿足下表要求通過比例計算后得到如表1的力學分布實驗條件。

表1

2 FDS模擬

但是，由于上述數據均是根據歐洲規范中的標準溫升曲線進行計算所得，與實際廠房的火災情況并不一定一致，所以，利用FDS模擬軟件搭建模型，根據建筑的使用功能和空間特性，考慮鄰近可燃物為木材的較不利情況，考慮監測點以及木結構梁附近的熱輻射值以及溫度變化的情況，并與標準溫升曲線進行比較[5]。

木結構染色車間分為兩層，防火分區劃分如圖2、圖3所示：

圖2

圖3

本文選取兩處火災危險性和火災荷載較大的場景進行模擬計算。

2.1 火災場景A1——防火分區一前處理車間起火

本場景考慮防火分區一前處理車間起火，防火分區一包含一層前處理車間區域①以及二層⑨區域，由于該木結構廠房無噴淋，也沒有機械排煙裝置，所以只考察自然排煙情況，得出頂部以及木結構樁位附近的溫度變化數據，設定火源為T2-快速增長火，穩定火源功率取20.0MW。圖4給出了火災場景A1的計算模型。

圖4

將頂部梁的熱電偶溫度變化與標準溫升曲線對比，在30min的模擬時間對比升溫速率的變化規律，如圖5。

圖5

將梁附近縱向布置的熱電偶的溫升情況與標準溫升曲線對比，如圖6。

圖6

所以，當防火分區一前處理車間起火時，火源功率20.0MW條件下，木結構廠房梁附近各點溫度情況如上圖所示。從圖中可知，無論是縱向木結構還是橫向梁的溫度變化，都在標準溫升曲線以下。所以，廠房著火時，火源輻射強度最大的地方，溫度變化也處于標準溫升曲線以下。因此，當防火分區一前處理車間起火時，火源功率20.0MW時，防火分區一各點木結構溫度變化曲線遠低于標準溫升曲線，耐火性較好。

2.2 火災場景A2——防火分區九染料助劑室著火

本場景考慮防火分區九染料助劑室起火，防火分區九為二層 號區域染料助劑室，由于該木結構廠房無噴淋，也沒有機械排煙裝置，所以只考察自然排煙情況，得出頂部以及木結構樁位附近的溫度變化數據，設定火源為T2-快速增長火，穩定火源功率取20.0MW。圖7給出了火災場景A2的計算模型。

圖7

將頂部梁的熱電偶溫度變化與標準溫升曲線對比，在30min的模擬時間對比升溫速率的變化規律，如圖8。

圖8

將梁附近縱向布置的熱電偶的溫升情況與標準溫升曲線對比，如圖9。

圖9

所以，當防火分區⑨染料助劑室起火時，火源功率20.0MW條件下，木結構廠房梁附近各點溫度情況如上圖所示。從圖中可知，無論是縱向木結構還是橫向梁的溫度變化，都在標準溫升曲線以下。所以，廠房著火時，火源輻射強度最大的地方，溫度變化也處于標準溫升曲線以下。因此，當防火分區⑨染料助劑室著火，火源功率20.0MW時，防火分區⑨染料助劑室各點木結構溫度變化曲線遠低于標準溫升曲線，由此可以判斷該廠房耐火性較好。

通過數值模擬得出木結構染色車間10個防火分區在發生火災時木結構梁和樁位的溫度變化，得出各個區域起火時，木結構的溫度變化曲線都低于標準溫升曲線，說明發生火災時，廠房木結構材料在相當長的一段時間內，溫度變化都遠低于標準溫升的變化，可以判斷該廠房耐火性較好。

3 結論

本文以國內比較少見的木結構廠房為研究對象，由于國內沒有詳細的對應規范和標準來指導廠房的建筑，但是由于行業的特殊性，車間對于鋼結構腐蝕性比較強，所以本文主要研究木結構廠房在發生火災時的耐火性能。根據歐洲標準1992.及歐洲標準要求，檢測其承載力性能，以及通過國際上廣泛認可的煙氣模擬軟件FDS軟件，對廠房進行全尺寸火災模擬，計算發生火災時，廠房各個地方木結構溫度變化的情況，并于標準溫升曲線進行對比。

通過數值模擬得出木結構染色車間十個防火分區在發生火災時木結構梁和樁位的溫度變化，得出各個區域起火時，木結構的溫度變化曲線都低于標準溫升曲線，說明發生火災時，廠房木結構材料在相當長的一段時間內，溫度變化都遠低于標準溫升的變化，可以判斷該廠房耐火性較好，可以達到《建筑設計防火規范》中二級耐火等級的要求。