基于并行計(jì)算的高層建筑火災(zāi)多參數(shù)數(shù)值模擬

李建偉，楊培中

(上海交通大學(xué) a. 機(jī)械與動力工程學(xué)院；b. 上海市網(wǎng)絡(luò)化制造與企業(yè)信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；c. 機(jī)械系統(tǒng)與振動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

高層建筑火災(zāi)時有發(fā)生，一旦發(fā)生將會嚴(yán)重危害人類生命財產(chǎn)安全。對高層建筑火災(zāi)事故進(jìn)行模擬、分析和預(yù)測可有效預(yù)防火災(zāi)事故的發(fā)生和擴(kuò)散。而火災(zāi)事故由于具有不可復(fù)現(xiàn)性，往往難以通過現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行研究，需要借助高性能計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬[1]。

國內(nèi)外學(xué)者對高層建筑火災(zāi)事故的特性進(jìn)行了分析。于志超等[2]研究建筑高度對大空間溫度場的影響，利用FDS(fire dynamic simulation)仿真軟件模擬火源功率恒定、建筑高度不同、建筑面積不同的火災(zāi)場景，分析了建筑高度對頂棚溫度場的影響。王經(jīng)緯等[3]為探究環(huán)境風(fēng)作用下逆向雙點(diǎn)火源聚氨酯泡沫的火蔓延及融合行為，開展了多組對照試驗(yàn)，并從材料傳熱機(jī)理角度分析側(cè)向風(fēng)速對火蔓延行為中火羽流形態(tài)和輻射熱流場等特征參數(shù)的影響。葉超等[4]利用FDS軟件模擬6種工況，對比分析了不同窗檻墻高度和設(shè)置方式對火災(zāi)蔓延的影響。解北京等[5]以某火災(zāi)事故建筑為原型，模擬了凹廊式建筑火災(zāi)的蔓延過程。王昶舜等[6]對高大空間火災(zāi)自然排煙與機(jī)械防排煙的匹配性進(jìn)行研究，得出不同模式下達(dá)到最佳排煙效果的參數(shù)配置。趙平等[7]以某大學(xué)在建宿舍為研究對象，利用FDS軟件對室外保溫材料起火、室內(nèi)木板材料起火、室內(nèi)保溫材料起火等場景進(jìn)行模擬，得到了火災(zāi)特征參數(shù)值的變化規(guī)律。鄧軍等[8]對高層建筑火災(zāi)煙氣的蔓延過程和煙囪效應(yīng)進(jìn)行分析，以某酒店為研究對象建立火災(zāi)模型，利用FDS軟件分析了兩種不同火源功率對煙氣蔓延速度的影響，結(jié)果表明，火源功率越大，建筑頂層達(dá)到臨界溫度的時間越短。Lange等[9]對高層建筑受火坍塌原理進(jìn)行研究，以標(biāo)準(zhǔn)的溫升曲線為基礎(chǔ)，從梁、柱等構(gòu)件失效入手，將建筑結(jié)構(gòu)的失效機(jī)制劃分為強(qiáng)樓層失效機(jī)制和弱樓層失效機(jī)制，并分別對其進(jìn)行數(shù)值模擬研究。Jiang等[10]對上海塔發(fā)生火災(zāi)時的性能進(jìn)行獨(dú)立評估，檢查了關(guān)鍵構(gòu)件的耐火性，包括混凝土芯、巨型柱、復(fù)合地板、支腿桁架和皮帶桁架，結(jié)果表明這些構(gòu)件的實(shí)際耐火時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)耐火時間。

上述研究表明，在高層建筑火災(zāi)事故中，建筑高度、結(jié)構(gòu)、可燃物材料等對火勢的蔓延和煙氣的傳播有重大影響。同時由于建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致高層建筑的火災(zāi)發(fā)展規(guī)律難以估計(jì)，因此對高層建筑火災(zāi)的特性進(jìn)行分析是十分重要的。目前，國內(nèi)外對高層建筑火災(zāi)的研究主要集中于在建階段或建成階段建筑發(fā)生的火災(zāi)，較少涉及處于維修階段的高層建筑發(fā)生火災(zāi)時的火災(zāi)特性[11-12]。而維修階段的高層建筑因存在大量維修材料、木制腳手架等易燃物質(zhì)，更易催生特大火災(zāi)，引發(fā)重大事故。以上海市某特大火災(zāi)事故為原型，建立高層建筑模型，同時在建筑外側(cè)添加維修時的腳手架和保溫材料等可燃物，對處于維修狀態(tài)下的高層建筑火災(zāi)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并對該火災(zāi)事故進(jìn)行多參數(shù)數(shù)值分析研究。

1 火災(zāi)事故建模

2010年11月15日，上海市某公寓發(fā)生特大火災(zāi)，造成58人死亡，71人受傷。根據(jù)火災(zāi)事故調(diào)查報告，該建筑建成于1998年，高28層，底層為商場，2～4層為辦公區(qū)，5～28層為住宅區(qū)，大樓外部被腳手架包圍，樓高88 m。事故起火于當(dāng)天14時14分，火勢迅速發(fā)展，至14時40分已基本擴(kuò)散至全樓。起火原因是4名無證焊工在10層北窗外進(jìn)行違章電焊作業(yè)，由于未采取防護(hù)措施，濺落的金屬熔融物引燃9層腳手架平臺上堆放的大量聚氨酯硬泡保溫材料，聚氨酯迅速燃燒形成密集火災(zāi)。同時腳手架上的毛竹片、室內(nèi)的家具、煤氣等可燃物也隨著火勢的蔓延急劇燃燒，火災(zāi)迅速蔓延至全樓。

基于該事故調(diào)查報告建立火災(zāi)數(shù)值模型(見圖1)，每個樓層的內(nèi)部構(gòu)造如圖2所示。考慮到實(shí)際情況下室內(nèi)可燃物的分布過于復(fù)雜，對室內(nèi)可燃物進(jìn)行簡化，每個樓層每個房間都布置一張床或桌子。模型墻體采用石膏材料，為模擬維修狀態(tài)，建筑外側(cè)全部包圍木制腳手架，腳手架距離墻體0.3 m，同時第9層的腳手架上堆放大量毛竹片和聚氨酯保溫材料。設(shè)置兩個著火點(diǎn)，室外著火點(diǎn)設(shè)置于第9層腳手架上的聚氨酯硬泡保溫材料表面，室內(nèi)著火點(diǎn)設(shè)置于室內(nèi)右側(cè)某房間的可燃物上表面。兩處火源均為單位面積熱釋放率為2 000 kW/m2的燃燒表面，燃燒反應(yīng)物設(shè)置為聚氨酯。建筑火災(zāi)中往往是距離著火點(diǎn)較遠(yuǎn)處的逃生機(jī)會更大，但人們由于缺乏逃生知識，易選擇錯誤逃生路線導(dǎo)致錯過逃生時機(jī)。因此從第9層開始每隔2層設(shè)置如圖2所示的T1和T2測點(diǎn)。其中：T1測點(diǎn)設(shè)置在樓梯轉(zhuǎn)角處的平臺處，用以研究人們常見逃生路線樓梯的煙氣蔓延情況；T2測點(diǎn)設(shè)置在距離火源較遠(yuǎn)處的一間房間內(nèi)，高度為中國人平均身高1.67 m，用以研究距離火源較遠(yuǎn)處的火勢發(fā)展?fàn)顩r及逃生可能性。模型總共28層，層高3 m，其他建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)及腳手架的尺寸信息如表1所示。

圖1 高層建筑整體模型圖Fig.1 Overall model of high-rise building

圖2 室內(nèi)布局及測點(diǎn)設(shè)置Fig.2 Indoor layout and measuring point layout

表1 建筑內(nèi)部及腳手架尺寸設(shè)計(jì)

2 火災(zāi)事故的并行計(jì)算

模型網(wǎng)格長36 m、寬34 m、高88 m，全局網(wǎng)格數(shù)為1 683 000，模擬時長300 s。采用遞歸坐標(biāo)二分法進(jìn)行分區(qū)，再通過MPI (message passing interface)進(jìn)行并行計(jì)算。為忽略處理器個數(shù)對計(jì)算時長的影響，在FDS軟件中特別設(shè)置每個處理器只處理一個分區(qū)，如8分區(qū)分配8個處理器進(jìn)行計(jì)算。加速比是衡量并行計(jì)算加速效果的重要指標(biāo)，為串行計(jì)算耗時與并行計(jì)算耗時的比值，并且加速比越大，加速效果越好。設(shè)計(jì)不同分區(qū)數(shù)與1分區(qū)串行計(jì)算進(jìn)行對比，結(jié)果如表2所示。由表2可知：1分區(qū)時的計(jì)算時間為253 086 s；4分區(qū)時的計(jì)算時間為227 623 s，加速比為1.11；但在16分區(qū)的情況下，計(jì)算時間縮短至102 600 s，加速比高達(dá)2.47，加速效果顯著。證明并行計(jì)算可大幅提升計(jì)算效率，且分區(qū)數(shù)越大，加速比越大。

表2 不同分區(qū)數(shù)下的計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)果與討論

3.1 火勢蔓延情況分析

利用FDS軟件對上述模型進(jìn)行數(shù)值模擬，得到熱釋放率隨時間變化曲線，如圖3所示。火勢的發(fā)展與蔓延圖如圖4所示。

圖3 熱釋放率隨時間變化曲線Fig.3 Curve of heat release rate with time

由圖4可知，50 s以前，燃燒正處于發(fā)展階段，火源附近的可燃物迅速燃燒，尤其是外側(cè)的腳手架以及架上的聚氨酯和毛竹片等建筑維修材料，導(dǎo)致火勢迅速蔓延，并在50 s時達(dá)到第1個峰值(見圖4(b))。50～200 s時，由于火源一側(cè)聚氨酯、毛竹片等維修材料燃燒殆盡，熱釋放率逐漸降低，進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。200 s時，火勢蔓延至建筑的另一側(cè)，由于該側(cè)腳手架上存放了大量的可燃物，火勢再次發(fā)展，并在240 s時達(dá)到新的峰值，此時燃燒達(dá)到頂峰，熱釋放率高達(dá)1.1×106kW，幾乎整個大樓都處于燃燒狀態(tài)(見圖4(d))。在模擬的最后階段，由于可燃物已經(jīng)消耗殆盡，熱釋放率也逐漸降低。此外，觀察到建筑外側(cè)的火勢發(fā)展迅速，可燃物已基本耗盡，而室內(nèi)的火勢發(fā)展緩慢，說明維修狀態(tài)下建筑外側(cè)的維修材料極易加速火災(zāi)的發(fā)展。

圖4 不同時間火勢的發(fā)展與蔓延

3.2 煙氣濃度分析

不同時刻煙氣的擴(kuò)散與蔓延情況如圖5所示。在火災(zāi)初始階段，火勢較小，煙氣擴(kuò)散較慢，僅僅到達(dá)第15層。但在30 s時，煙氣在火源一側(cè)的凹廊處形成了煙囪效應(yīng)，導(dǎo)致煙氣迅速向上擴(kuò)散至頂層。隨著火勢的發(fā)展，煙氣逐漸向全樓擴(kuò)散，此時樓棟的東北側(cè)已經(jīng)全部被煙氣覆蓋，見圖5(c)。在180 s時，煙氣已經(jīng)擴(kuò)散至起火層以上的所有樓層。在270 s時，煙氣擴(kuò)散至全樓，第9層以上的樓層全部被濃煙覆蓋，且平均煙氣質(zhì)量濃度達(dá)到4.5×10-4kg/m3， 在此煙氣濃度下，人類的行動和呼吸都會受到極大影響。不同樓層T1測點(diǎn)處的煙氣質(zhì)量濃度變化如圖6所示。由圖6可知，樓梯(T1測點(diǎn))處的煙氣聚集較快，且高度越高，煙氣質(zhì)量濃度峰值越大。說明樓梯處形成了煙囪效應(yīng)，濃煙在高處聚集，故高度越高則煙氣質(zhì)量濃度越大。不同樓層T2測點(diǎn)處的煙氣質(zhì)量濃度變化如圖7所示，第9層為起火點(diǎn)所在樓層，煙氣質(zhì)量濃度一直保持在4.0×10-4kg/m3，第11～19層的煙氣質(zhì)量濃度則在初始階段處于較低水平，僅為5.0×10-5kg/m3。但是，隨著火勢的發(fā)展，煙氣逐漸向全樓層擴(kuò)散，位于高處的第19層的煙氣質(zhì)量濃度率先達(dá)到較高水平，而位于低層的第11層和第13層的煙氣擴(kuò)散速度則較慢。說明樓棟內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煙氣擴(kuò)散速度比建筑外側(cè)更慢，煙氣更容易在頂層聚集，隨后逐漸向底層擴(kuò)散。同時火勢在外圍腳手架的發(fā)展速度也比室內(nèi)更快，因此建筑外側(cè)產(chǎn)生的煙氣比室內(nèi)更多，最終形成“中間低、兩邊高”的煙氣分布規(guī)律。

圖5 不同時間煙氣的擴(kuò)散與蔓延

圖6 不同樓層T1測點(diǎn)處的煙氣質(zhì)量濃度變化Fig.6 Flue gas mass concentration changes at T1 measurement points at different floors

圖7 不同樓層T2測點(diǎn)處的煙氣質(zhì)量濃度變化Fig.7 Flue gas mass concentration changes at T2 measurement points at different floors

3.3 煙氣溫度分析

高溫?zé)煔鈬?yán)重影響人類的呼吸和行動。人體對高溫?zé)煔獾某惺苣芰Ψ浅Ｓ邢蓿?dāng)煙氣溫度超過120 ℃時，極易對人體造成高溫?zé)釗p傷。因此研究煙氣溫度分布對建筑火災(zāi)意義重大。不同樓層T1測點(diǎn)處的煙氣溫度變化如圖8所示。由圖8可知，樓梯處煙氣溫度上升快，在數(shù)十秒內(nèi)達(dá)到120 ℃，且高度越高，煙氣溫度峰值越高。不同樓層T2測點(diǎn)處的煙氣溫度變化如圖9所示。由圖9可知，第9層起火層的煙氣溫度迅速升高，達(dá)到400 ℃，隨后趨于穩(wěn)定，這個溫度的煙氣對人體的危害極其嚴(yán)重，會造成不可恢復(fù)的高溫?zé)釗p傷甚至威脅生命安全。同時，隨著火勢的發(fā)展，高層的溫度也逐漸升高達(dá)到危險值，第19層的最高溫度甚至超過了起火層，呈現(xiàn)出與煙氣質(zhì)量濃度隨時間和高度變化的相似的“中間低、兩邊高”規(guī)律。同時溫度越高，煙氣運(yùn)動速度越快，正反饋?zhàn)饔孟拢沟酶邔拥臒煔鉁囟缺鹊讓痈焐摺Ｒ虼耍诟邔咏ㄖ馂?zāi)中，并非距離火源越遠(yuǎn)越安全，高層往往更加危險，同時樓梯處由于煙氣聚集也不適合人員逃生。

圖8 不同樓層T1測點(diǎn)處的煙氣溫度變化Fig.8 Flue gas temperature changes at T1 measurement points at different floors

圖9 不同樓層T2測點(diǎn)處的煙氣溫度變化Fig.9 Flue gas temperature changes at T2 measurement points at different floors

3.4 氧氣、一氧化碳、二氧化碳體積分?jǐn)?shù)分析

高層建筑火災(zāi)中，濃煙易造成缺氧且濃煙中含有大量的有毒成分，如一氧化碳、氰化氫、二氧化硫、二氧化氮等，火災(zāi)煙氣的毒害性往往造成大量人員傷亡。當(dāng)氧氣的體積分?jǐn)?shù)為12%～15%時，人的呼吸就會急促，頭痛、眩暈、渾身疲勞無力，動作遲鈍；當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)為10%～12%時，人就會出現(xiàn)惡心嘔吐、無法行動乃至癱瘓的癥狀。當(dāng)煙氣中含有的各種有毒氣體的體積分?jǐn)?shù)超過人正常生理所允許的最低體積分?jǐn)?shù)時，就會造成中毒死亡。不同樓層T2測點(diǎn)處的氧氣體積分?jǐn)?shù)變化曲線如圖10所示。由圖10可知，由于可燃物燃燒消耗大量氧氣，使得第9層氧氣體積分?jǐn)?shù)在100 s內(nèi)迅速下降到8%。不同樓層T2測點(diǎn)處的二氧化碳體積分?jǐn)?shù)變化曲線如圖11所示。由圖11可知，此時的二氧化碳體積分?jǐn)?shù)也達(dá)到了峰值，高達(dá)10%。高體積分?jǐn)?shù)的二氧化碳會讓人窒息，并且在低氧的情況下，8%～10%體積分?jǐn)?shù)的二氧化碳即可在短時間內(nèi)引致人、畜死亡。因此在建筑火災(zāi)中處于起火層是十分危險的，逃生時間不到1 min。在200 s火勢發(fā)展到北側(cè)后，其他樓層的室內(nèi)可燃物也發(fā)生燃燒反應(yīng)，氧氣體積分?jǐn)?shù)也逐漸降低。其中高層第19層的燃燒更加劇烈，氧氣和二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)也達(dá)到高危險值。

圖10 不同樓層T2測點(diǎn)的氧氣體積分?jǐn)?shù)變化曲線Fig.10 The change curve of oxygen volume fraction at T2 measurement points at different floors

圖11 不同樓層T2測點(diǎn)的二氧化碳體積分?jǐn)?shù)變化曲線Fig.11 The change curve of carbon dioxide volume fraction at T2 measurement points at different floors

同時，建筑火災(zāi)中一氧化碳的體積分?jǐn)?shù)對人體的影響也非常大。健康成年人在一氧化碳體積分?jǐn)?shù)為0.08%時，45 min內(nèi)會出現(xiàn)眼花、惡心、痙攣等癥狀，2 h內(nèi)失去知覺，2～3 h內(nèi)則會死亡。一氧化碳體積分?jǐn)?shù)在0.16%時1 h內(nèi)就會死致人亡。不同樓層T2測點(diǎn)的一氧化碳體積分?jǐn)?shù)變化曲線如圖12所示，起火層在100 s內(nèi)一氧化碳體積分?jǐn)?shù)迅速達(dá)到0.14%，這已經(jīng)達(dá)到了高致死量，對人員生命安全威脅極大。同時，在200 s時，隨著火勢的蔓延，更高層的一氧化碳體積分?jǐn)?shù)也開始迅速上升，其中第19層的一氧化碳體積分?jǐn)?shù)均值達(dá)到0.12%，說明高層建筑發(fā)生火災(zāi)時，盲目往高處逃生是非常不科學(xué)的，高處更加危險。

圖12 不同樓層T2測點(diǎn)的一氧化碳體積分?jǐn)?shù)變化曲線Fig.12 The change curve of carbon monoxide volume fraction at T2 measurement points at different floors

4 結(jié) 語

面向某特大火災(zāi)事故，建立火災(zāi)數(shù)值模型，運(yùn)用并行計(jì)算大幅減少了運(yùn)算時間。通過對火災(zāi)事故的多參數(shù)研究，得出以下結(jié)論：

(1)高層建筑火災(zāi)數(shù)值模擬的網(wǎng)格數(shù)巨大，需要采用并行計(jì)算提升效率。分別采用了4分區(qū)、8分區(qū)和16分區(qū)計(jì)算與串行計(jì)算(1分區(qū))對比，得出16分區(qū)下并行計(jì)算的加速比高達(dá)2.47，且分區(qū)數(shù)越大，加速比越大。

(2)建筑處于維修狀態(tài)下，外側(cè)的火勢發(fā)展明顯快于室內(nèi)，并且燃燒產(chǎn)生大量煙氣，在凹廊處形成煙囪效應(yīng)迅速向上擴(kuò)散，而建筑內(nèi)部障礙物眾多，不利于火勢的發(fā)展，最終呈現(xiàn)“中間低、兩邊高”的發(fā)展趨勢。

(3)維修狀態(tài)下的建筑發(fā)生火災(zāi)時，樓梯處極易匯聚大量有毒煙氣，而高樓層的煙氣溫度顯著高于其他樓層，氧氣濃度低和二氧化碳濃度高，極易造成人員窒息，故人員應(yīng)避免盲目往高層或樓梯逃生。