基于FDS高層建筑火災煙囪效應模擬分析

鄧軍　許秦坤

摘要：本文首先對高層建筑火災煙氣蔓延的過程和煙囪效應進行分析;其次以某酒店為研究對象建立火災模型，利用FDS仿真模擬軟件分別對6MW和15MW兩個不同火源功率對煙氣蔓延速度的影響進行分析;然后再對火源功率為6MW時不同開口對煙氣蔓延速度影響進行研究。結果表明：不同火源功率下，煙氣到達頂層的時間不同，火源功率越大，煙氣到達頂層短時間越短;火源功率越大，頂層到達臨界溫度的時間越短;不同開口下煙氣到達頂層的時間也不同等。相關結論為高層建筑火災的煙氣控制、人員逃生提供一定的工程參考價值。

關鍵詞：火災;高層建筑;煙囪效應;FDS;火源功率;蔓延速度

隨著社會的發展，越來越多的城市為了節約土地占用量也為了體現經濟的繁榮，越來越多的高層建筑拔地而起，隨之而來的是高層建筑的火災也越來越多的出現在我們面前。例如，2017年12月1日，天津城市大廈火災，死傷10人以上（死亡10人，傷5人），事故直接原因是堆放在電梯間內的雜物和廢棄裝修材料燃燒，起火點是城市大廈38層電梯間。高層建筑出于減輕建筑物自重的考慮，所用的高分子易燃裝飾裝修材料使建筑整體的耐火能力大大降低，加之高層建筑內人員密集，用火用電增加了火災荷載，這些都為高層建筑防火埋下隱患[1]，當發生火災后，火勢蔓延很快，很難控制，因此在高層建筑發生火災后，如何疏散人員以及減少相應的損失是急待我們解決的問題。高層建筑發生火災，煙氣是阻礙人們逃生、進行滅火行動和導致人員死亡的主要原因之一。統計資料表明，火災中死亡的人數大約80%是吸入有毒煙氣而致死的[2]。因此，研究高層建筑的煙氣流動規律對于高層建筑火災的控制有很大的意義，也給人員逃生爭取更多的時間。人員逃生時間包括從火災發生到發現時間、決策時間、正式開始逃生時間。破拆門窗目的是及時排走通道內的煙氣，減緩臨界態（臨界溫度）的到來[3]，為人員逃生爭取更多時間。

當發生火災時，隨著室內空氣溫度的急劇升高，氣體體積迅速增大，煙囪效應更加明顯，此時，像樓梯間這種豎井是火災垂直蔓延的主要途徑，并且還會助長火勢。煙囪效應的影響因素有：環境溫度、高度、豎向通道斷面面積、火源、開口等方面，本文重點放在火源和開口上面。

1高層建筑火災的煙氣流動特點

1.1煙氣的產生

在高層建筑的火災煙氣流動規律中，煙囪效應是很大的一個影響因素。在有共享中庭、豎向通風（排煙）風道、樓梯間等具有類似煙囪特征--即從底部到頂部具有通暢的流通空間的建筑物、構筑物（如水塔）中，空氣（包括煙氣）靠密度差的作用，沿著通道很快進行擴散或排出建筑物的現象，即為煙囪效應[4]。此處的煙囪效應是指發生火災時，主要是由建筑易燃材料和內部易燃設備引起的。高層建筑一旦發生火災，就會點燃使這些易燃的建筑材料和內部設備，然后火災就會沿著豎向管道延伸，然后快速向電梯井、樓梯間等區域大面積延伸[5]。

由于高層建筑物內雜物、起火點、可燃建筑材料都比較多，因此，建筑物一旦發生火災，就有大量的煙氣產生，煙氣在建筑物內流動，導致火災迅速蔓延。據調查研究表明[6]，發生火災時，煙氣以每秒2m-4m的速度進行蔓延。在火災燃燒猛烈階段，由于高溫的作用，熱對流而產生的煙氣擴散速度為0.5-3m/s，煙氣沿樓梯間等豎向管井的垂直擴散速度為3-4m/s[7]。火災煙氣是一種燃燒過程中產生的混合物，主要包括C02、CO等可燃物熱解或燃燒產生的氣相產物、由于卷吸而進入的空氣以及多種微小的固體顆粒和液滴。可燃物的組成和化學性質以及燃燒條件對煙氣的產生均具有重要的影響。建筑物中大量建筑材料、家具、衣服、紙張等可燃物，火災時受熱分解，然后與空氣中的氧氣發生氧化反應，燃燒并產生各種生成物。其中的有毒有害物質會降低空氣中的氧濃度，妨礙人們的呼吸，造成人員逃生能力的下降，也可能直接造成人體缺氧致死[8]。因此，有必要研究煙氣的流動規律，為高層建筑的人員疏散和火災控制提供有效參考。

1.2煙氣蔓延的過程

當室外溫度小于豎井內溫度時，室外空氣從中性面[9]，以下開口進入豎井，從中性面以上的開口流出。如果著火層在中性面以下時，煙氣就會通過豎井傳播到中性面以上各層，而中性面以下則只有著火層是有煙氣的;如果著火層在中性面以上時，若無樓層之間的滲透，則只有著火層是有煙的。由于火災煙氣溫度相對較高，一般不存在建筑通風中存在的逆煙囪效應[10]。

高層建筑物在建筑結構上的顯著特點是具有很多豎向管道和豎井，這些豎向管道和豎井上下都是貫通的，這些都像是隱藏的煙囪.火災發生時所生成的煙氣的流動過程完全受到熱壓的作用，然而在一般情況之下，正熱壓作用為多.所以，在高層建筑物中層以下的任何一個樓層發生火災的時候，所產生的煙氣將先從著火房間流到著火層走廊再侵入附近的樓梯間煙氣隨后將上升并進人上部各樓層.因此，火災發生時，煙氣的流動可分為水平流動和豎直流動。并且在火災發生時，由于燃燒放出大量熱量，室內溫度快速升高，建筑物的煙囪效應更加顯著，使火災的蔓延更加迅速[11]。

2數值模擬

2.1火源設計

為了研究不同火源功率對高層建筑煙氣蔓延速度的影響，選取火源功率為6MW和15MW的火源功率進行對比研究。

2.2模型建立

以某酒店為研究對象，選取防煙樓梯間高48米，樓梯間層3.4*7.2*3.6（長*寬*高），合用前室4.7*2.5（長*寬），臺階1.44*0.28*0.15（長*寬*高），防火門1.5*2.1（寬*高），火源2*1.5m2。酒店正面圖與平面圖如圖1，圖2所示。

2.3場景模擬

分別設計在6MW和15MW時的初始狀態和在80s時打開門后煙氣到達頂層的時間和狀態，然后利用FDS進行場景的模擬。下圖是模擬的場景圖：

根據模型模擬數據，在火源功率為6MW時，第80s的時候打開門，在100s的時候煙氣到達最頂層。在火源功率為15MW時，無開門的情況下，煙氣在70s的時候到達最頂層。

3結果分析

3.1在不同火源功率下，煙氣到達頂層的時間

分別研究火源功率為6MW和15MW的時候，煙氣到達頂層時所用的時間，在6MW的時候是95.8s，在15MW的時是56.4s。可以得知6MW煙氣到達頂層的時間比15MW所用的時間晚39.4s。

圖5火源功率為6MW時，煙氣到達頂層的時間

圖6火源功率為15MW時，煙氣到達頂層的時間

3.2在不同火源功率下，頂層溫度隨時間的變化

以50℃為臨界溫度，高于此臨界溫度人將無法正常居住。圖7顯示在6MW的時候樓道的溫度達到臨界溫度的時間是107s，而圖8顯示，在15MW的時候，樓道達到臨界溫度的時間為74s。可以得知火源功率為15MW時頂層達到臨界溫度的時間比6MW所用的時間早33s。

3.3不同開口對頂層煙氣層厚度的影響（6MW）

在確定火源功率為6MW的情況下，同時打開2樓和8樓的門和只打開4樓的門，研究煙氣到達頂層的時間，當煙氣厚度相同時，記錄下此時對應的時間，再比較其二者的時間。具體如圖9，圖10所示。

從圖中可以看出，打開2樓和8樓的門，煙氣在95.8s時到達頂層。而只打開4樓的門時，煙氣在87.2s到達頂層。同時打開2樓和8樓的門比只打開4樓的門煙氣會遲8.6秒到達頂層。人可以充分利用8.6秒的時間進行逃生。

4結論

本文就火源功率和開口對煙囪效應的影響展開分析，得出以下結論：在開口不變的狀況下，火源功率越大，留給高層建筑高樓層人員逃生時間越短，達到相同煙層厚度的時間差為39.4s和臨界溫度到達的時間差為33s;在火源功率不變的情況下，開口越大越多，留給高層建筑高樓層人員逃生時間越長，從煙層厚度和臨界溫度到達的時間差為8.6s。

參考文獻：

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