高層商業大廈火災煙氣特性數值模擬計算

摘要：高層商業大廈結構建造較為復雜，從而在火災發生時往往不容易進行及時救援，造成不可挽回的巨額損失以及慘烈的人員傷亡。所以，為了防患于未然，必須將火災發生時煙氣的蔓延規律研究重視起來，為險情發生時的救援工作提供有利的安全保障。本文針對高層商業大廈火災三種不同工況進行數值模擬，并主要考查了煙氣的蔓延分布情況，CO濃度分布變化情況，溫度分布變化情況及能見度的變化情況。根據不同工況模擬的結果，進行了模擬分析、數據統計和曲線擬合，得出了商業大廈火災煙氣蔓延規律。為商業大廈火災煙氣的有效控制、火場人員安全疏散以及火災撲救提供了一定的理論指導和技術支持。

關鍵詞：商業大廈火災煙氣;數值模擬;CO體積分數;溫度;能見度

1 引言

火災通常是指在特定時空內物質燃燒造成的不可控制的人為或自然危害。而火災可通過其發生地點劃分為建筑物火災、森林火災和一些交通事故引起的火災等種類，而在所有火災種類中，建筑物火災由于其救援的復雜性成為危害最大的火災[1]。

高層建筑火災具有如下特點：

（1）高層建筑具有多功能性，設備繁多，易發生火災險情的特點

a.多功能性：高層建筑通常具有商業性，其內諸如會議室、運動場等場所設施十分繁多。這些場所通常都會進行集體性活動，往往造成人員群聚性，而建筑內消防通道有限，不滿足人群的同時疏散，導致救援不易進行[2]。

b.設備繁多：高層建筑內具有十分龐大的電器設備群，而基本上所有的電器設備其供電網絡都互相交錯，極其復雜，其復雜性往往導致設備所用電纜不能及時維護，最終導致用電故障，形成點火源，其突發性通常是高層建筑火災發生的最直接因素[3]。

（2）高層建筑火災蔓延速度快，火勢迅猛

a.從地理因素上分析，高度越高空氣流動性越好，所以高層建筑在高空起火的情況下其火勢很容易迅速蔓延。

b.從建筑空間上分析，高層建筑具有非常繁復的使用空間，可燃物遍及樓層各角落，所以險情發生以后就會造成樓層間蔓延的情況，導致其整體燃燒[4]。

c.從建筑結構上分析，高層建筑內電梯井、樓梯通道等管道式通道繁多，火災發生以后通常會將所有管道像煙囪一樣利用起來，火勢蔓延速度會在短時間內迅速遍及整棟大樓。

（3）高層建筑內部空間繁雜，人流量大，疏散困難

a.高層建筑通常可容納數百人甚至數千人進行集體活動，險情一旦開始蔓延會對人員救援工作造成極大困難。

b.建筑物結構雖然采用的是鋼筋混凝土等不可燃物質，但是其裝修通常會使用大量可燃物并且具有一定的連續性，導致火災發生時火情急劇蔓延，很容易使內部人員迷失方向并且導致氣體中毒。

（4）高層建筑火災撲救困難

當前社會民眾只具備簡單的滅火常識，而建筑物內通常也僅配備簡單的滅火設備，一旦樓頂發生險情，其撲救工作將極其困難。

火災統計資料表明[5，6]，我國每年有80%的火災險情以及人員傷亡均有建筑火災引起[7]。所以其往往導致嚴重的后果以及慘痛的歷史教訓。

縱觀最近幾年，我國所發生的所有大型火災中，高層建筑火災是造成重大經濟損失的主要災害，所以對高層建筑火災的研究工作進行已經迫在眉睫[8]。

2" 數值模擬軟件簡介

2.1" PyroSim軟件簡介

PyroSim由美國國家標準局與技術研究中心（NIST）開發研究的專門用于模擬火災動態仿真（FDS）的軟件[9]。PyroSim是以計算流體動力學為理論依據，仿真模擬預測火災中的煙氣、CO等毒氣的流動、火災溫度及煙氣濃度的分布。PyroSim廣泛應用在以下領域：（1）性能化建筑防火設計;（2）消防安全評估之后的項目驗收評估;（3）火災事故調查;（4）滅火實戰與訓練;（5）用于火災科學研究;（6）火災自動探測與報警系統的開發等。

2.2" Smokeview軟件簡介

Smokeview是一款用來實現火災模型可視化數值模擬的軟件工具，利用它可以查看模型數值計算的三維結果。Smokeview軟件的可視化可以使人們切實體驗到火災的各種屬性，通過使用系統方式顯示示蹤粒子流、溫度和表示流動方程與流量大小的流矢量的氣體流量數據的2D和3D陰影輪廓[10-12]。

3.商業大廈火災模擬結果分析

本文是根據無為縣九州文化廣場商業大廈實體作為建筑原型來建立模擬模型的，該建筑一共有18層，總高約60米，層高約3米，每層平面面積約1340平方米。

本文將選取高層建筑火災中比較常見的，由沙發起火引起的火災進行一系列的模擬，得出結果并進行分析。起火沙發設在第九層購物區的一個房間，考慮到火源位置以及通風條件均會對模擬結果產生影響，本文模擬設置了三種工況，充分考慮了變量對模擬結果的影響：

工況一：兩個樓梯間的門只打開一側，設置通風風速為1 m/s，火源設置在靠中間位置的一個房間;

工況二：兩個樓梯間的門全部打開，設置通風風速為1 m/s，火源設置在靠中間位置的一個房間;

工況三：兩個樓梯間的門全部打開，設置通風風速為1 m/s，火源設置在樓梯邊的一個房間。

3.1" 火災煙氣蔓延情況分析

3.1.1 工況1火災煙氣蔓延情況分析

工況1設置情況下的T=300s時的煙氣時刻圖。由各時刻的煙氣蔓延情況可知：當火災發生后，煙氣迅速蔓延。當火災發生至120s時，煙氣就已經蔓延至右側樓梯口，并隨著火災的持續蔓延，煙氣逐漸蔓延至其余樓層。當火災發生至600s時，煙氣已經充滿至相鄰樓層的樓梯間通道。

3.1.2" 工況2火災煙氣蔓延情況分析

工況2設置情況下T=300s時的煙氣時刻圖。工況1和工況2的不同在于左側樓梯的防火門是否打開。通過對比工況1和工況2可知：打開一個樓道和打開兩個樓道的火災煙氣蔓延情況完全不同，打開兩個樓道的火災煙氣蔓延情況更加劇烈。

3.1.3" 工況3火災煙氣蔓延情況分析

工況3設置情況下的T=300s時的煙氣時刻圖。工況2和工況3的不同在于火源位置的不同。通過對比工況2和工況3可知：火災發生的位置不同，煙氣首先擴散的方式不同，但是隨著火災的持續進行，這兩種情況下煙氣對建筑的影響差別不大，都蔓延至樓上數層。

3.2" 火災一氧化碳濃度分析

3.2.1" 工況1火災一氧化碳濃度分析

T=400s時工況1火災情況下的一氧化碳濃度分布情況。隨著時間的推移，一氧化碳濃度逐漸增大，并且隨著火災的不斷進行，一氧化碳高濃度區始終位于著火房間內。

3.2.2" 工況2火災一氧化碳濃度分析

為T=400s時工況2火災情況下的一氧化碳濃度分布情況。通過對比工況1和工況2的一氧化碳分布圖可知：由于工況2兩側樓道都打開，一氧化碳可以有更廣闊的空間擴散至其余樓層，因此著火樓層的一氧化碳濃度較工況1低。

3.2.3" 工況3火災一氧化碳濃度分析

T=400s時工況3火災情況下的一氧化碳濃度分布情況。由于著火位置位于左側走廊，并且靠近左側樓道，并且由于左側走廊頭端封閉，一氧化碳不能擴散至其余各處，因此左側各房間內的一氧化碳濃度較高。通過對比工況2和工況3的一氧化碳分布圖可知：由于火源位置不同，一氧化碳的高濃度區不同。

3.2.4" 各工況測點數據分析

各工況在不同測點位置的一氧化碳濃度變化曲線。由測點1可知：工況1在測點1處的一氧化碳濃度變化最為劇烈，上升幅度最大，這是由于工況1左側樓道封閉，一氧化碳不能及時蔓延至其余樓層，因此其濃度最大;同時，對比工況2和工況3在測點1處的一氧化碳濃度變化曲線，可知工況3測點1處的一氧化碳濃度上升較快，這是由于火源位于左側走道，火災發生時更加靠近測點1的原因。

3.3" 火災溫度分布情況分析

火災發生時，室內空間的各點由于距離火源的距離不同以及受熱方式不同，溫度分布是不斷變化的，并且隨著時間的不斷變化，室內火災的燃燒越來越猛烈，功率越來越大，因此室內空間的各點的溫度也隨著時間不斷發生變化[13-15]。

3.3.1" 工況1火災溫度分布分析

隨著火災的發生，著火樓層的溫度逐漸升高，火災發生至100s時，高溫區主要位于著火房間內;當火災進行至200s時，高溫煙氣劇烈蔓延，著火樓層高溫區擴大;當火災進行400s到600s時，高溫區擴大至整個走廊和各房間內。T=400s時工況1火災情況下的溫度分布情況。

3.3.2" 工況2火災溫度分布分析

T=400s時工況2火災情況下的溫度分布情況。通過對比工況2和工況1的溫度分布情況，可知：由于工況2兩側樓梯打開，高溫煙氣有更大的空間能夠擴散至其余樓層，因此其高溫區較之于工況1較小。

3.3.3" 工況3火災溫度分布分析

T=400s時工況3火災情況下的溫度分布情況。通過對比工況2和工況3的溫度分布情況，可知：由于著火位置的不同，其高溫區的分布也不同。

3.3.4" 各工況測點數據分析

各工況在不同測點位置的溫度變化曲線。由測點1可知：工況3在測點1處的溫度變化最為劇烈，上升幅度最大，這是由于火源位于左側走道，火災發生時更加靠近測點1的原因。對比工況1和工況2在測點1處的溫度變化曲線，工況1的溫升稍大于工況2，這是由于工況1左側樓道封閉，高溫煙氣不能及時蔓延至其余樓層，因此高溫煙氣滯留在該處，而工況2處高溫煙氣能夠從左側樓道蔓延至其余樓層，因此工況1處溫度較工況2稍高。

3.4" 火災能見度分布情況分析

在設計建筑物的性能防火方面，能見度也是一個必須要考慮進去的參數。能見度又稱可見度，指的是人們在一定環境下剛剛看到某個物體的最遠距離，一般理論上認為，在建筑物內沒有煙氣存在的情況下，正常人的極限視程為30m[16-18]。

3.4.1" 工況1火災能見度分布分析

隨著火災的發生，著火樓層的能見度逐漸降低。火災發生至50s時，著火房間的能見度就已經下降至人眼不能識別的范圍;當火災進行至100s時，部分走廊的能見度降低至人眼不能識別的范圍;當火災進行150s時，部分房間的能見度出現劇烈下降的情況;當火災進行200s時，大部分房間的能見度劇烈下降;當火災進行600s時，著火樓層的能見度下降至0m。由于工況1左側樓梯封閉，煙氣無法進入，因此能見度良好。T=150s時工況1火災情況下的能見度分布情況。

3.4.2" 工況2火災能見度分布分析

T=150s時工況2火災情況下的能見度分布情況。同樣，隨著火災的發生，著火樓層的能見度逐漸降低。通過對比工況1和工況2可知：由于工況2左側樓道打開，因此其能見度也受到了影響。

3.4.3" 工況3火災能見度分布分析

T=150s工況3火災情況下的能見度分布情況。通過對比工況2和工況3可知：由于著火位置不同，火災開始時各房間的能見度下降情況不同，最后都會出現能見度下降至人眼不能識別的范圍。

3.4.4" 各工況測點數據分析

各工況在不同測點位置的能見度變化曲線。由測點1可知：工況3在測點1處的能見度最先下降，這是由于火源位于左側走道，火源更加靠近測點1的原因。對比工況1和工況2在測點1處的能見度變化曲線可知能見度變化大致相同。

5" 結語

本文應用火災模擬軟件PyroSim、Smokeview，以無為縣九州文化廣場商業大廈實體作為研究對象，設置數值模擬需要的各項參數，選取大廈進行火災數值模擬，從室外條件的設置，火源的安排，熱釋放速率的確定以及網格的劃分等方面，綜合考慮對模擬結果產生影響的因素，設計了商業大廈火災模擬方案。分別研究了只打開一側樓梯間門的火災煙氣蔓延情況，樓梯間門全部打開的火災煙氣蔓延情況以及改變火源位置后的火災煙氣蔓延情況，得出以下結論：

（1）在模擬中，氧氣充足的情況下，通風量越大，模擬區域內燃燒就越劇烈，熱值越大。

（2）在模擬中，從火災中CO的濃度的變化和分布來看，隨著時間的增加，CO的濃度越來越高，達到極值后保持穩定。在相同高度上，走廊兩端CO濃度較高，不論何種情況，CO最高濃度始終位于著火房間內，火源位置的改變會對最終CO濃度分布產生較大影響。

（3）在模擬中，從火災煙氣溫度的變化和分布來看，在同一高度處，離開燃燒中心越遠，煙氣溫度越低，溫度最高處依然位于著火房間內，在火災發生后高溫區域開始迅速擴散，高溫區域內人體已無法再進行正常活動。

（4）在模擬中，從火場能見度的分布和變化來看，隨著時間的增加，能見度越來越低，越靠近火源的位置，能見度下降越快，火災發生后200s整個樓層大部分房間能見度劇烈下降，這對人員疏散是很不利的。" " " " " " "（下轉41頁）

（上接39頁）

根據模擬軟件PyroSim、Smokeview等模擬建筑物室內火災，從煙氣蔓延情況，室內溫度變化情況，煙氣中CO濃度以及能見度情況等方面進行，得出了大廈中火災煙氣蔓延規律，對商業大廈火災煙氣的有效控制以及人員安全保障具有重大的意義。

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作者簡介：潘登（1995.06-），男，漢族，籍貫安徽蕪湖，在讀研究生，研究方向：火災防治理論及技術。