環形教學樓火災煙氣流動規律與疏散時間研究★

沈 斌 宋曉陽 劉新蕾 張 芳 姜雷鳴

(1.黑龍江科技大學安全工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022；2.黑龍江科技大學瓦斯等烴氣輸運管網安全基礎研究國家級專業中心實驗室，黑龍江 哈爾濱 150022)

高校校園建筑以教學樓為主，人流密度大，一旦發生火災極易引發群死群傷事故，嚴重威脅學生生命安全[1]。開展教學樓火災研究，有助于提升火災應對能力，科學制定人員疏散路徑。FDS(Fire Dynamics Simulator)技術被廣泛應用于建筑防火研究。余明高等[2]運用FDS軟件分析了高校教學樓走廊火災煙氣風險，得出了該教學樓極限疏散時間；孫超等[3]對高校教學樓單一樓層內呈對稱布置的房間內火勢蔓延及人員疏散情況進行了模擬研究，獲得了所有房間內人員疏散時間；劉新蕾等[4]運用FDS軟件模擬分析哈一百中庭商廈的火災煙氣擴散規律，得出了室內中庭類建筑在天窗開閉兩種工況下的煙氣流動規律和安全疏散時間。上述研究為建筑火災研究提供了參考，但尚未對全尺寸中庭類大型建筑開展相關火災研究，據此，本文選取黑龍江科技大學環形中庭教學樓——科技大廈作為研究對象，建立全尺寸模型，以影響人員安全疏散的煙氣溫度、CO濃度、能見度等外界因素為指標點，采用FDS軟件對大廈開放空間內火災煙氣流動影響開展模擬研究。

1 計算模型及場景設定

1.1 計算模型

黑龍江科技大學科技大廈教學樓為典型的環形中庭建筑，長130 m，寬100 m，高21.5 m，面積13 000 m2，中間部分為非建筑區(1樓右側為旁樓區域)，每層樓設置3個主樓梯和6個副樓梯。為了提高計算效率、保證精度，以1∶1比例建立仿真模型，如圖1所示，共劃分286 000個網格。

1.2 火災場景設定

火災場景顯著影響建筑內的火勢發展，依據保守和最不利原則進行設定[5]。該建筑主要為上課辦公的場所，人員多而集中，因此，將火源的位置設為1層南部樓梯附近，為配電箱電氣火災，火源位置截面如圖2a)所示，其余樓層的截圖如圖2b)所示。模擬中的桌椅表面選用黃松，其他參數選用pyrosim數據庫內的默認參數，火源熱釋放速率為4 000 kW/m2。火災模擬過程選取類型為快速火，采用t2型火災模型，其發展系數取值為0.046 9 kW/s2，通過公式計算獲得火災達到最大熱釋放速率的時間為185 s。由于本次火災屬于室內，假設不考慮風的影響。

在南北部的主樓梯和每層走廊的拐角位置設置了監測器，每層樓的監測器共6處，每處3個監測器，分別監測走廊溫度，CO濃度，能見度的分布。如圖2所示，分別為監測點a,b,c,d,e和f，即南部主樓梯附近、走廊西南拐角、走廊西北拐角、北部主樓梯附近、走廊東北拐角和走廊東南拐角。本次模擬中，取疏散人員的平均肉眼水平高度1.6 m，選取模擬的最長時間為1 000 s，將人員的安全疏散時間約束為3個條件[6]：1)煙氣熱對流溫度不高于60 ℃；2)一氧化碳濃度不高于500 ppm；3)能見度不低于10 m。

2 結果與分析

2.1 模擬煙氣流動情況

火災煙氣的流動一般會先沿著火焰的蔓延方向，在受到建筑物布局與尺寸等約束后，達到最終的狀態。筆者通過對該環形建筑火災發生煙氣流動情況的觀察，以頂部樓層煙氣蔓延為時間點，截取各層煙氣流動情況圖，見圖3。

如圖3所示，頂層模擬的時間點分別選取煙氣布滿北部樓梯口、達到頂層北部走廊處和達到最大面積的三個時刻。從圖3中可以看出，當火源充分燃燒后，短時間內會產生大量煙氣，并由于空氣密度差的原因向上擴散。1樓火源處的煙氣可以很快到達5樓，呈現出該建筑的煙囪效應，煙氣從底部開始豎直上升，到達頂層樓板后，沿走廊向四周擴散，可在500 s內完全覆蓋頂層。該建筑為環形中庭結構，火災發生后各層走廊與樓梯是煙氣擴散通道。煙氣的水平擴散會形成明顯的回流和沉降，隨著溫度的不斷升高，最終會在每層的頂部形成熱煙氣層[7]。

2.2 溫度分布

通過在各層設置監測點，得出各層溫度變化圖，見圖4。

從圖4中可以看出，南部樓梯處的a點溫度較其他各個監測點都要高出許多，并且各點達到極限值的時間，由下到上依次為149 s,101 s,93 s,121 s和149 s。1樓和2樓的最高溫度可達到250 ℃以上，而3樓～5樓的最高溫度依次降低，除b,f點的溫度在5樓的煙氣溫度接近60 ℃以外，其余各點的溫度始終處于30 ℃以內，較為安全。

2.3 CO濃度分布

根據各層設置的監測點，得出各層CO濃度變化圖，如圖5所示。

從圖5中可以看出，南部樓梯處的a點CO濃度增長較快，達到極限值0.000 5 mol/mol的時間，由下到上，依次為189 s,103 s,126 s,146 s和170 s；b點依次為920 s,304 s,306 s,未達到、253 s；c點依次為未達到、966 s,706 s、未達到、421 s；d點依次為820 s,768 s,714 s,586 s和363 s；e點依次為998 s,965 s,764 s、未達到、531 s；f點依次為566 s,273 s,334 s、未達到、334 s。易知除去a點情況外，樓層越低，CO濃度達到極限值的時間越晚。

2.4 能見度分析

火災煙氣具有遮光性特點，會阻礙人員的視線，影響人員的安全疏散。各樓層監視點能見度變化如圖6所示。

從圖6中可以看出，依然是南部樓梯處的a點煙氣能見度增長較快，達到極限值10 m以下的時間，由下到上，依次為43 s，56 s，58 s，76 s和82 s；b點依次為354 s，247 s，170 s，187 s，168 s；c點依次為577 s，519 s，278 s，285 s，252 s；d點依次為440 s，415 s，387 s，381 s和349 s；e點依次為489 s，444 s，424 s，351 s，273 s；f點依次為302 s，223 s，142 s，201 s，172 s。

2.5 安全疏散時間確定

通過對3種煙氣危險因素的模擬結果進行分析，得出各個樓層的安全疏散時間，見表1。

表1 安全疏散時間統計表 s

從表1可以看出，煙氣溫度、CO濃度和煙氣能見度的影響范圍主要是南部樓梯附近，對于表中溫度來說，除走廊西南拐角處外，煙氣溫度均未達到60 ℃。表1中的CO濃度和能見度達到極限值的時間，除a處以外，越高的樓層安全疏散時間越短。通過表1中橫向數據對比，發現CO濃度達到極限值時間的幾個監測點排列順序為e，c，d，b，f，a，煙氣能見度極限時間排序為e，d，c，b，f，a。

綜合考慮3種危險因素，選擇走廊東北拐角e處的樓梯逃生最合適，1層～5層的逃生極限時間依次為489 s，444 s，424 s，381 s，273 s。

3 結論

本文采用FDS技術，以火災發生過程中的溫度、CO濃度、能見度為指標，對環形中庭式教學樓建筑的火災煙氣流動情況進行了模擬研究，結果表明：

1)以1層南部樓梯為火源，煙氣擴散由于煙囪效應，垂直上升到達樓頂頂板，在受到頂板的阻礙后開始水平擴散，其擴散的路徑為各層樓梯與走廊對稱性蔓延。此環形建筑由于走廊較窄，走廊、樓梯與起火區相連，將嚴重影響人員的安全疏散，且越高的樓層危險性越大。

2)通過模擬得出了最佳逃生路徑為各層的東北拐角處樓梯，并得出1層～5層的逃離時間分別為489 s，444 s，424 s，381 s和273 s。本次模擬可為今后環形中庭教學樓建筑的逃生路徑及疏散時間提供理論指導。