書架群燃燒相互影響下的書架防火間距優(yōu)化研究*

劉 瓊，杜沄燕，陳立林

(中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

0 引言

隨著我國文化事業(yè)的發(fā)展，國內圖書館及館藏數量逐年增長。據國家統(tǒng)計局統(tǒng)計數據顯示，截至2016年底，全國公共圖書館業(yè)機構數已超過3 100家，總藏書量超過9億。高校圖書館作為高校文化教育事業(yè)的重要部分，其總數量在各類圖書館數量排行中遙遙領先。當圖書館發(fā)生火災時，一方面，密集分布的易燃紙質書籍文獻極易造成大面積受損；另一方面，多個相鄰火源同時燃燒時相互促進[1]，大量書架等間距放置，在燃燒時相互之間有顯著的輻射熱反饋增強效應，進一步增加火災危險嚴重性。

近年來，國內外學術界對圖書館火災的研究涵蓋成因分析[2]、風險評價[3]、防控技術[4]和應急舉措[5]等方面，主要為定性分析和數值模擬計算[6]。Ma等[7]結合調查統(tǒng)計和模擬，認為讀者區(qū)和藏書區(qū)是圖書館火災安全疏散的研究重點；LIU等[8]指出書架的特殊布置使圖書館火災情況下人員安全疏散與其他建筑物區(qū)別很大；趙丹等[9]運用FDS對圖書館進行分區(qū)模擬，結果可見書庫起火時熱釋放速率要遠高于其他區(qū)域；馬哲等[10]對某書庫著火的發(fā)生發(fā)展狀態(tài)進行數值模擬研究并提出人員疏散建議；王偉等[11]基于圖書館火災發(fā)生時逃生所需的安全疏散時間對圖書館的管理提出了建議。然而，目前圖書館內書架群的特殊布置對其燃燒影響方面的研究存在空白。故本文通過實地調研構建書架間距影響燃燒FDS模型，研究在不同書架間距下多種因素對書架群燃燒的促進程度，由此從防火角度對規(guī)范中書架間距設計提出優(yōu)化方案。

1 圖書館書架調研統(tǒng)計

1.1 圖書館書架設計相關標準

1996年頒布的《公共圖書館建筑防火安全技術標準》(WH0502-1996)中未涉及書架間距的防火安全設計；1999年頒布的《圖書館建筑設計規(guī)范》[12](JGJ 38-1999)中提出開架書架不低于1.00 m和閉架書架不低于0.75 m的書架間距設計要求；2015年頒布的《圖書館建筑設計規(guī)范》(JGJ 38-2015)[13]首次將防火納入書架間距設計原則，在第4.2.9條更明確指出書架間距等設計需要為滿足安全而提出了相關技術要求，并指出基本書庫行道凈寬常為0.8 m。但這些規(guī)范中尚未明確指出書架間距設計的防火要求。

1.2 調研結果歸納分析

本次調研對象主要為長沙市的多個公共圖書館和高校圖書館，主要采取實地測量、觀察的方式掌握圖書館內單列書架凈寬等相關參數，對其結果進行歸納統(tǒng)計，見表1。對于書架間距，可根據適用情況劃分為2類：第一類調研間距范圍為0.75～0.9 m，規(guī)范規(guī)定閉架書架的最低值為0.75 m，主要作為借閱室的書架間距；第二類調研間距范圍為0.9～1.2 m，但規(guī)范規(guī)定開架書架的最低值為1 m，主要作為閱覽室和近年來新建圖書館(含閱覽室和借閱室)的書架間距。

表1 圖書館調研結果歸納Table 1 Summary of library survey results

根據以上調研結果，可考慮建立復柱式鐵質雙面書架類型的書架群，單列書架凈寬設置為0.9 m，書架深度選取0.5 m，層數選取較為通用的6層，書架層凈高設置為0.3 m。由于不同類型圖書館的書架上架率有明顯差別，書架的框架數及排列數量由藏書空間決定，具有不確定性，又考慮到書架群的特殊布置并依據前人關于多火源的研究[1]，判斷書架間距、上架率、書架框架數、書架排數以及火源位置會影響書架群發(fā)生火災時的嚴重程度，因此將這5個方面作為書架群燃燒的影響因素進行研究。

2 書架間距影響燃燒FDS模型構建

為探究書架間距、上架率、書架框架數、書架排數以及火源位置這5個因素對書架群燃燒的影響，選擇書架間距為基本因素，基于實地調研結果構建書架間距影響燃燒FDS模型。

2.1 書架群場景設定

依據上述圖書館調研結果，建立編號為1#～5#的書架群，其中1#書架處于中心線，2#～5#依次沿中心線等間距對稱分布，書庫體積為10 m×6 m×3 m(長×寬×高)，模型如圖1所示。調研發(fā)現圖書館書庫窗戶長期處于關閉狀態(tài)，故本研究設定書架群處于無風條件下。

圖1 書庫模型示例Fig.1 Stack room model example

2.2 邊界條件設定

邊界條件設置直接影響模擬結果的準確性。李杰等[14]通過實驗測得紙張的導熱系數范圍為0.033～0.045 W/(m·K)，考慮書籍紙質間的縫隙影響，本文選取的導熱系數為0.04 W/(m·K)。書籍紙張的燃點約為130℃，密度約為800 kg/m3。

2.3 參數變量設定

在書架間距設定方面，鮑家聲[15]最早提出要保證單人正常下蹲取書至少需0.75 m間距，如要保證2人順利通行則需不少于1.05 m間距；我國國家標準《圖書館建筑設計規(guī)范》(JGJ38-2015)中規(guī)定，常用書庫的開架間距至少應達到1 m，閉架空間要達到0.75 m；根據美國殘障人士法案相關標準，為使輪椅順利通過，圖書館書架間行道寬度最少36英寸(0.91 m)，推薦42英寸(1.07 m)，公共圖書館多采用42～48英寸(1.07～1.22 m)。因此，模型在調研所得的書架間距0.75～1.2 m范圍內，設定步長為0.05 m，以將書架間距作為基本因素來研究其對書架群燃燒的影響。

在上架率、書架框架數、書架排數設定方面，比較調研結果中出現次數較多的2種情況對書架群燃燒的影響程度，其具體參數設定見表2。

表2 不同場景書架群模型參數設置Table 2 Different scene bookshelf group model parameter setting table

在火源設定方面，本文將火源作為引火源點燃書架上的書籍，經過一系列預模擬發(fā)現，在10 s內可保證書籍被引燃，為避免引火源對書架群燃燒狀態(tài)的影響，在模型中設置引火源燃燒10 s后熄滅，如圖2所示。圖中五角星代表火源位置，A火源設置于最底層書架內部中間的位置，B火源設置于最底層書架外部略偏向一側的位置，以此研究火源位置對書架群燃燒的影響。

圖2 書庫模型火源位置俯視圖Fig.2 Fire source location in stack room model

綜上，由研究所需設置單框單排書架作為參照模型，設置以書架間距為基本變量的5類書架群模型，各類模型具體參數設定如表2所示。為防止模型失真，根據書架尺寸和間距變化步長，將網格精確至0.05 m×0.05 m×0.05 m，在高性能計算中心進行模擬計算。

3 書架群燃燒過程劃分

圖書館書架等間距放置，發(fā)生燃燒時其間相互影響表現為輻射熱反饋增長效應和空氣卷吸限制效應的綜合作用[6]。此外，書架的立體結構類似于井壁結構特征，受壓差影響產生煙囪效應[16]。煙囪效應是由于煙氣浮力和內外壓差造成的非燃燒區(qū)空氣向燃燒區(qū)流動的現象，對書架燃燒起促進作用。此3種效應共同作用于書架群燃燒的劇烈程度。

火災科學研究表明，熱釋放速率是火災危害分析中的重要因素，對火災的發(fā)展起決定性作用[17]。分析不同間距的5排書架書庫100 s內燃燒熱釋放速率，并與單排書架和3排書架作對比，繪制各總熱釋放速率增長曲線，如圖3所示。

圖3 不同間距的書架群總熱釋放速率增長曲線Fig.3 HRR growth curve of bookshelf group under different space distribution

在圖3中，單排、3排與5排書架書庫總熱釋放速率增長趨勢規(guī)律類似，但達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間和穩(wěn)定狀態(tài)下熱釋放速率值差異明顯，這是由于書架間相互影響的對燃燒促進作用加快了系統(tǒng)進入穩(wěn)定燃燒狀態(tài)的時間，表明多書架火源的相互作用不影響燃燒速率變化趨勢的特征，只改變趨勢的變化速度和強烈程度。

隨時間的推移，在100 s以內釋熱率總體呈增長并趨于穩(wěn)定的趨勢，但在引燃新的書架時釋熱率增長曲線的斜率有明顯變化，據此可根據釋熱率增長階段將書架群燃燒過程劃分為不同時期。以間距為1.2 m的5排書架為例，各釋熱率增長階段和燃燒時期劃分如圖4所示，第1階段為燃燒起始時間至中心書架引燃兩邊2#和3#書架，此過程中單個火源受空氣卷吸限制較大，熱釋放速率呈近似線性緩慢增長趨勢，屬燃燒狀態(tài)前期；第2階段為2#和3#書架被引燃至最外側4#和5# 2排書架被引燃；第3階段為4#和5# 2排書架被引燃至達到穩(wěn)定階段，這2個階段中火源數目不斷增多，輻射熱反饋增長效應和煙囪效應起主導作用，熱釋放速率呈指數型快速增長趨勢，均屬燃燒狀態(tài)中期；進入穩(wěn)定狀態(tài)之后為第4階段，熱釋放速率逐漸趨于平穩(wěn)，屬燃燒狀態(tài)后期。同理，可將其他不同條件下的書架群燃燒過程劃分為初期近似線性的緩慢增長、中期呈指數型快速增長、后期逐漸趨于穩(wěn)定3個燃燒時期。

圖4 間距為1.2 m狀況下熱釋放速率增長曲線階段劃分示例Fig.4 Four-stage division example of HRR growth curve when the space is 1.2 m

4 不同條件下書架群燃燒相互促進分析

4.1 書架群燃燒相互促進程度計算方法

為進一步揭示3種效應綜合作用對書架群燃燒的真實影響程度，根據單排書架燃燒數據求得理想參考狀態(tài)下5排書架燃燒時的熱釋放速率參考曲線FS(x)，并根據5排書架實際燃燒的總熱釋放速率擬合得實際曲線GS(x)，實際值與參考值之差可表征不同時刻書架群燃燒相互促進程度的大小。因此采用極限值法，將書架達到穩(wěn)定燃燒前熱釋放速率的實際值與參考值的最大差值定義為釋熱量增量極限值I(HRR)，表征書架群燃燒的相互促進程度，計算公式如下：

I(HRR)=ΔHRRmax={GS(x)-FS(x)}max

(1)

式中：GS(x)為書架布局間距為S時的實際熱釋放速率函數，kW；FS(x)為書架布局間距為S時的熱釋放速率理想參考函數，kW。通過對比不同間距時書架群的熱釋放速率實際值與參考值曲線，發(fā)現熱釋放速率的實際值與參考值的變化趨勢基本相同。如圖5所示，ΔHRRmax能較好地描述達到穩(wěn)定燃燒前，熱釋放速率實際值與參考值的差別。

圖5 ΔHRRmax示意Fig.5 Schematic diagram of ΔHRRmax

4.2 書架群燃燒相互促進程度算例分析

限于篇幅，以基本模型中間距為1.2 m的書架為例，以燃燒時間為橫坐標，熱釋放速率為縱坐標，繪制書架群熱釋放速率曲線的實際值G1.2(x)與參考值F1.2(x)，接著按照各書架被引燃的時間劃分不同階段，結果見圖6。

圖6 間距為1.2 m狀況下實際與參考熱釋放速率曲線對比Fig.6 Comparison of actual and reference HRR growth curve when the space is 1.2 m

利用MATLAB軟件對1.2 m間距的書架群燃燒熱釋放速率增長曲線進行分段擬合，所得熱釋放速率實際值函數G1.2(x)及其擬合度如下：

(2)

同時求得理想參考函數F1.2(x)及其擬合度為：

(3)

由I(HRR)定義得：

I(HRR)={G1.2(x)-F1.2(x)}max，x∈(15.9，47.5],R=0.98

(4)

以上各曲線擬合度均達到0.98，可用于計算分析?；诒?中的基本模型，可計算出其他間距書架群的釋熱量極限增量，結果如圖7所示。

圖7 不同間距時書架群熱釋放速率增量比較Fig.7 Schematic diagram of the comparison of the HRR increment of the bookshelves at different distances

如圖7所示，隨著書架間距增加，書架群的熱釋放速率增量的變化趨勢可分為3階段。在0.75～0.85 m時，雖然輻射熱反饋增長效應對燃燒過程有促進作用，但書架間距較小，空氣流動受阻且書架火源間相互競爭空氣，此時空氣卷吸限制效應較明顯，導致熱釋放速率增量的值較?。辉?.85～1.05 m期間，熱釋放速率增量隨間距增大而持續(xù)增加，這是因為間距進一步增大后空氣流動阻力顯著減小，空氣卷吸對燃燒的限制效應逐漸降低，而煙氣浮力和內外壓差造成了非燃燒區(qū)空氣向燃燒區(qū)流動，煙囪效應對書架群燃燒起主導促進作用；達到1.05 m之后，隨著間距進一步擴大，以上3種效應對燃燒影響的共同作用達到穩(wěn)定，熱釋放速率極限增量趨于平穩(wěn)。

4.3 各對比系列模型計算及分析

上文中基于基本模型，分析獲得了書架間距對其燃燒狀態(tài)的影響規(guī)律。為了進一步分析，將表2中的各類對比工況的模擬計算結果分別繪制上架率、框架數、排數、火源位置的比較圖，如圖8所示。

圖8 不同變量下的模擬結果Fig.8 Comparison results of model

圖8(a)中，通過比較不同上架率的模型數據結果，發(fā)現2類模型的熱釋放速率增量隨書架間距的變化規(guī)律基本一致，說明上架率變化對于書架間燃燒相互作用的影響較小。由調研結果將書架間距分為2類，在第一類間距范圍0.75～0.9 m內，2種上架率分別在0.8 m和0.85 m出現了最小值，可作為書架間距優(yōu)選值；在第二類間距范圍0.9～1.2 m內，2種上架率情況下釋熱率極限增量均隨間距的增大而增大，并在1.05 m處達到最大，此后基本持平，因此建議避開選擇1.05 m作為書架間距，結合規(guī)范規(guī)定開架書架的最低值為1 m和燃燒相互影響作用強度書架間距優(yōu)選1.15 m。

同理，對圖8(b)和(d)進行分析可知，在進行圖書館書架間距防火設計時，可將上架率、火源位置和書架框數作為次要考慮因素。對圖8(c)進行分析可知書架連續(xù)排數的增多會導致其相互影響大大增加，從防火安全考慮應盡量避免大量書架連續(xù)排列。對結果歸納如表3所示。

表3 各模型計算結果歸納Table 3 Summary of calculation results for each model

綜上所述，在依據圖書館功能設計和經濟條件綜合考慮確定的書架間距設計范圍內，建議避開I(HRR)曲線的波峰區(qū)域進行優(yōu)選。根據模擬計算結果可知，從防火角度考慮，0.8，0.85和1.15 m為書架間距優(yōu)選值，1.05為書架間距避開值。

5 結論

1)書架群燃燒發(fā)展狀態(tài)可劃分為初期近似線性的緩慢增長、中期呈指數型快速增長、后期逐漸趨于穩(wěn)定3個燃燒時期。

2)通過模型計算以及曲線圖走勢分析得出書架排數為書架群燃燒的主要影響因素，書籍上架率、書架框架數、火源位置為次要影響因素。

3)從圖書館功能劃分以及防火角度考慮，建議0.8 m或0.85 m作為借閱室的書架間距優(yōu)選值，1.15 m作為閱覽室或新建圖書館的書架間距優(yōu)選值，1.05 m為書架間距避開值。