基于FDS的高層建筑火災數值模擬研究

劉曉 蔡治勇 馬勝杰 范愛迪 辛萍 龔迎秋

摘要：高層建筑數量的快速增長，其建筑結構和功能比較復雜，使得火災危險性大大增加。近年來，高層建筑火災發(fā)生的起數在不斷增加，因其獨有的建筑特點給火災救援工作帶來巨大挑戰(zhàn)。利用FDS軟件對一幢高層住宅建筑的房間和走廊設置火源進行數值模擬，通過對三個不同測點的煙氣濃度、CO濃度、溫度和能見度進行測試得出其結果，以此來得到最佳的疏散時間。

Abstract： The rapid growth of the number of high-rise buildings and the complex structure and function of the buildings have greatly increased the fire risk. In recent years， the number of high-rise building fires has increased， and its unique architectural features have brought enormous challenges to fire rescue work. In this paper， the FDS software is used to simulate the fire source in the room and corridor of a high-rise residential building. The results are obtained by testing the smoke concentration， CO concentration， temperature and visibility of three different measuring points， so as to get best evacuation time.

關鍵詞：高層建筑;火災;數值模擬

Key words： high-rise building;fire;numerical simulation

中圖分類號：TU998.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）31-0131-03

0? 引言

隨著我國經濟的快速增長，農村人口大量涌入城市，使得城市人口急劇增加，然而城市土地卻越來越匱乏，使得建筑物勢必向高層發(fā)展。根據建筑規(guī)范，我國將10層或10層以上的居住建筑或高估超過24米的建筑歸為高層建筑[1]。由中國消防網公布的數據顯示，截止2018年，我國已有35萬余幢高層建筑。高層建筑具有樓層多、人員密集、內部裝飾材料多等特點，因此火災危險性遠高于普通建筑。每年我國高層建筑火災占了總火災的6%，造成了重大的經濟損失和人員傷亡，給社會安全帶來了較大影響。

1? 高層建筑火災特點

高層建筑火災是指高層建筑內的某一空間起火燃燒，進而發(fā)展到某些區(qū)域甚至整座建筑物的火災[2]。加之高層建筑獨有的特點，使其發(fā)生火災時的救援工作和人員疏散難度較大，高層建筑火災特點主要有以下三點：

1.1 火焰燃燒迅猛，煙氣蔓延迅速

由于受熱壓和正壓的影響，高層建筑中空氣流速快，這是造成煙氣蔓延迅速的主要因素。加之幾乎每幢高層建筑物內都設有豎向通道，如電梯井，樓梯間，電纜井，排風管道以及管道井等，當發(fā)生火災時，這些豎向通道就形成了天然的煙囪，致使火災煙氣從底層迅速竄向高樓層[3]。

1.2 人員集中，疏散困難

就高層住宅建筑而言，居住人口多，年齡階段參差不齊，受教育程度不同。一旦發(fā)生火災，樓梯是我們唯一疏散途徑，所有人都往樓梯口疏散，每個人的行走速度不同，在火災發(fā)生時人員的恐慌情緒會導致摔倒、踩踏、跳樓等情況的發(fā)生。

1.3 救援設備有限，營救困難

目前，我國消防隊針對高層建筑最有效的救援設備是登高消防云梯車、直升機。登高消防云梯車的局限性太大，消防人員的徒步登樓滅火的忍耐極限只有10層樓左右，對于再高的樓層他們也無能為力。然而普通的消防云梯最大高度也只有53米，很難達到20層以上，完全滿足不了現在高層建筑的高度。如果火災發(fā)生在高樓層時，濃煙熱流上竄形成沖天火柱，直升機無法進行救援。

2? 高層建筑火災場景設置

2.1 FDS模擬軟件

FDS的全稱為Fire Dynamics Simulator，是由美國國家標準技術局開發(fā)的一款火災動力學模擬軟件，它根據建筑和火災的特性，以簡單直觀的形式動態(tài)的的顯示出火災發(fā)展的全過程，并對火災中煙氣蔓延和熱傳遞等相關問題進行研究分析[4]。該軟件將設定的建筑物劃分成多個網格，采用質量守恒，動量守恒和能量守恒，計算其內部氣體密度、速度、溫度、壓力和濃度。FDS主要完成模擬場景的構建和計算，是其主體部分;SmokeView則將FDS計算的結果進行處理，并將處理的數據以二維或三維形式顯示出來。其一般步驟流程圖如圖1所示。

2.2 火災模型的建立

本次模擬的對象是一幢33層的民用高層住宅樓，每層有5戶，2部電梯，1部剪刀式疏散樓梯。此次模擬的室內溫度為20℃，單位內最大熱釋放速率設置為2.5kW，火災增長類型定為快速t2增長型，模擬火災燃燒時間為900s。本次模擬確定該幢住宅建筑物的網格大小為0.5m*0.5m*0.5m，網格個數為982800個。

2.2.1 火源的設置

根據對全國高層住宅建筑火災案例的分析，火災發(fā)生最高頻率位置在房間和走廊，因此此次的火源位置選取了房間和走廊兩個位置，火源大小為一立方米。如圖2所示。

2.2.2 火災工況的確定

①工況一

該幢住宅樓20層某一房間內設置一處火源，分別在房間內、走廊和樓梯口設置測點。

②工況二

該幢住宅樓20層走廊設置一處火源，分別在房間內、走廊和樓梯口設置測點。

2.3 數值模擬結果及分析

2.3.1 煙氣蔓延濃度

從曲線圖3中可以看出當房間內發(fā)生火災時，房間內的煙氣濃度在很短的時間內就上升到0.0012kg/m3，而走廊和樓梯口的煙氣就相對較小，但在300s時煙氣的濃度已經達到人不能承受的范圍。從曲線圖4中可以看出當走廊發(fā)生火災時，樓梯和走廊的煙氣濃度在300s時就達到了0.0008kg/m3，反而對房間的影響不是很大。

2.3.2 CO濃度

從曲線圖5中可以看出當房間內發(fā)生火災，房間內的CO濃度很快達到0.0007kg/m3，相當于700ppm，根據一氧化碳濃度對人體的影響程度，當一氧化碳濃度達到800ppm時，人在45min內會眼花、惡心、痙攣，2h內會失去知覺、2～3h內會死亡。從圖6中可以看出當走廊發(fā)生火災時，在300s時走廊和樓梯口的CO濃度達到400ppm，人在1～2h內會失去意識，3h后就會威脅生命[5]。

2.3.3 溫度

從曲線圖7中可以看出當房間發(fā)生火災時，房間的溫度迅速升高到250℃左右，同時走廊的溫度也迅速上升到50℃左右。圖8中當走廊發(fā)生火災時，走廊和樓梯口的溫度迅速上升到130左右，人體所能承受的時間最多5min，因此在5min之內必須迅速撤離。人體在高溫煙氣下所能承受的最大時間如表1所示。

2.3.4 能見度

從曲線圖9中看出當房間內發(fā)生火災后，在50s左右時能見度就下降到0，幾乎看不見，在200s左右時走廊的能見度也下降到3m左右，圖10所示，當走廊發(fā)生火災后，走廊和樓梯口的能見度在50s左右時迅速下降帶3m左右。有研究表明，針對建筑物熟悉者，其安全疏散的最小能見距離約為5m;不熟悉者其最小距離約為30m。然而在火災情境下，為了能保證人員的安全疏散，其最佳能見距離必須在5～30m之間，往往在火災全盛時期，能見度都小于5m，大大提升了疏散難度[6]。

3? 結論

通過對高層建筑的特點分析，高層建筑的火災危險性遠遠高于普通建筑物。利用FDS軟件對一幢高層住宅建筑進行數值模擬，得出在房間內、走廊和樓梯口各處的煙氣濃度值、CO濃度、溫度以及能見度，從模擬的結果中分析出當發(fā)生火災時人員逃生的最佳時間在發(fā)生火災后的300s之內，這個時間內安全疏散的可能性最大。

參考文獻：

[1]呂紅卓，華高英.某辦公建筑局部超高空間防火設計與排煙模擬研究[J].消防技術與產品信息，2018，31（06）：5-9.

[2]王錕，盛武，段若男.基于 Pathfinder 的高校教學樓出口人員疏散仿真研究[J].中國安全生產 科學技術，2016，12（07）：180-186.

[3]Richard D. Peacock， Jason D.? Overview of Major Studies on the Evacuation of World Trade Center Buildings 1 and 2 on 9/11[J]. Fire Technology，2013，49（3）.

[4]Hwang Hyun-seung， Choi Jun-ho， Hong Won-hwa. Special Issue on Fire Safety of High-Rise Buildings[J]. Fire Technology，2017，53（1）.

[5]任貴紅.高層住宅防火技術措施的分析與研究[J].建筑技術開發(fā)，2018，45（10）：102-104.

[6]何欣.基于火災模擬和人員疏散模擬的鋼結構建筑防火疏散研究[D].天津工業(yè)大學，2017.