基于FDS 的大空間自然排煙窗火災排煙效能影響分析

何 方，丁哲勇

（1.上海凱玲消防工程有限公司，上海 200050；2.上海眾盈消防工程有限公司，上海 200040）

建筑物在發(fā)生火災時，會在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量高溫高熱的煙霧，建筑物所設置的排煙設施對于火災煙霧及時排放起到重要作用。同時國家《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標準》對高大空間自然排煙的排煙設施設置及排煙量有較為明確規(guī)定。國內(nèi)開展了大量針對高大空間自然排煙的排煙設施設置及排煙量的分析研究[1-4]。

在建筑場所設置自然排煙的排煙設施，還存在自然排煙工況下補風設施設置問題，但是目前國內(nèi)對于自然排煙工況下補風設施的設置并不明確[5-6]。同時，針對自然排煙工況下補風設施的火災排煙效能影響分析較少。為此，本文基于FDS 軟件并結(jié)合10 種不同自然排煙及補風工況，對各種工況進行了火災排煙效能的分析。

1 火災場景設置及煙氣控制有效性評價的性能指標選定

南方某地攝影棚建筑為鋼結(jié)構(gòu)建筑，長、寬、高分別為37.48 m、15.48 m、18.00 m，面積為580.19 m2。長邊一側(cè)設2 個寬5 m、高4 m 的安全疏散門（常開）。火災時采用自然排煙及自然補風。自然排煙補風工況的設定，根據(jù)GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標準》（以下簡稱“標準”）表4.6.3 可得，凈高大于9.0 m 場所計算排煙量為2.43×105m3/h，側(cè)窗口部風速為1.06 m/s，得到側(cè)窗排煙窗面積為63.68 m2。

當采用頂開窗排煙時，其自然排煙窗（口）的風速可按側(cè)窗口部風速的1.4 倍計，即為1.48 m/s，得到頂開窗排煙窗面積為45.61 m2。根據(jù)標準表4.6.7，該場所（無噴淋情況）火災達到穩(wěn)態(tài)時熱釋放率為10 MW。設火災初起火源位置為建筑中間地面，火源熱釋放率為10 MW，火災情況下煙羽流形式為軸對稱型煙羽流，該建筑設為一個防煙分區(qū)。

共設10 種自然排煙工況，具體各自然排煙工況參數(shù)如下：①排煙開窗（長邊兩側(cè)高位，開窗高度12.3～17.8 m），補風開門（低位，長邊一側(cè)）；②排煙開窗（長邊兩側(cè)中位，開窗高度10.0～15.5 m），補風開門（低位，長邊一側(cè)）；③排煙開窗（長邊兩側(cè)低位，開窗高度3.0～6.5 m），補風開門（低位，長邊一側(cè)）；④排煙開窗（長邊一側(cè)高位，開窗高度12.3～17.8 m），補風開門（低位，長邊一側(cè)）；⑤排煙開窗（短邊兩側(cè)高位，開窗高度12.3～17.8 m），補風開門（低位，長邊一側(cè)）；⑥排煙開窗（短邊一側(cè)高位，開窗高度12.3～17.8 m），補風開門（低位，長邊一側(cè)）；⑦排煙頂部開窗（短邊一側(cè)高位，開窗高度12.3～17.8 m），補風開門（低位，長邊一側(cè)）；⑧排煙開窗（長邊兩側(cè)高位，開窗高度12.3～17.8 m），補風開門（低位，長邊兩側(cè)）；⑨排煙開窗（長邊兩側(cè)高位，開窗高度12.3～17.8 m），補風開門（低位，短邊一側(cè)）；⑩排煙開窗（長邊兩側(cè)高位，開窗高度12.3～17.8 m），補風開門（低位，短邊兩側(cè)）。

每種工況設4 個排煙窗，每個窗長3 m，高5.5 m，總自然排煙面積66 m2（大于計算的側(cè)窗排煙窗面積63.68 m2和頂開窗排煙窗面積45.61 m2），安全疏散門（2 個，寬5 m，高4 m）作為自然補風，補風面積40 m2。防煙分區(qū)內(nèi)任一點與最近的自然排煙窗（口）之間的水平距離不應大于30 m，自然排煙窗（口）分散均勻布置，且每組的長度不大于3.0 m。

最小清晰高度按下式計算：

式（1）中：Hq為最小清晰高度，m，該建筑層高18 m，得最小清晰高度3.4 m；H′為對于單層空間，取排煙空間的建筑凈高度，m。

煙氣控制有效性評價的性能指標如下：①該建筑的排煙系統(tǒng)應能夠?qū)煔饪刂圃谌藛T活動區(qū)域以上的高度；②在建筑內(nèi)部發(fā)生火災，不應產(chǎn)生火災蔓延的現(xiàn)象；③建筑為鋼結(jié)構(gòu)建筑，應確保其結(jié)構(gòu)的安全性能，火災后一定時間內(nèi)不能垮塌。

為保證人員安全疏散，采用以下性能指標：①清晰高度不宜小于3.4 m，不應小于2 m；②如果煙層下降到距離地面高度2 m 以下，煙層的溫度不超過60 ℃；③距離地面高度2 m 以下的煙氣能見度不能小于10.0 m；④距離地面高度2 m 以下的煙氣CO 體積分數(shù)不大于0.05%。

為保證鋼結(jié)構(gòu)屋頂?shù)南腊踩阅埽蓓斾摻Y(jié)構(gòu)的溫度不超過200 ℃。

用FDS 軟件進行模擬運算，模擬火災發(fā)生后0～120 s 的情況，每種工況提取參數(shù)如下：①非火源區(qū)域清晰高度，m；②非火源區(qū)域高度2 m 截面的煙層溫度，℃；③高度2 m 截面的煙氣能見度，m；④高度2 m 截面的煙氣CO 體積分數(shù)（0.05%）；⑤火源區(qū)域的屋頂溫度，℃；⑥非火源區(qū)域的屋頂溫度，℃。

2 火災模擬試驗結(jié)果分析

火災發(fā)生120 s 時刻時，火災模擬結(jié)果如表1 所示。

表1 火災模擬試驗測試結(jié)果

圖1—圖10 為火災模擬分析圖和火源中心點的溫度實時變化曲線。

圖1 工況1 基于FDS 的火災排煙效能分析圖

對于工況1：排煙開窗（長邊兩側(cè)高位，開窗高度12.3～17.8 m），補風開門（低位，長邊一側(cè)）。頂棚溫度（火源中心）大于350 ℃時，若頂棚為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應做相應防火處理。

圖2 工況2 基于FDS 的火災排煙效能分析圖

對于工況2：排煙開窗（長邊兩側(cè)中位，開窗高度10.0～15.5 m），補風開門（低位，長邊一側(cè)）。高度2 m溫度（非火源中心）基本在35～60 ℃以內(nèi)，該溫度區(qū)間對人員疏散影響可忽略。由于在建筑高度超過16 m但不超過26 m 時，煙氣在6～7 m 處開始出現(xiàn)第一次分層現(xiàn)象，上升至11～12 m 處開始出現(xiàn)第二次分層現(xiàn)象；在開窗或通風空調(diào)形成對流層時，煙氣會在該對流層下1 m 左右產(chǎn)生橫向擴散。若自然排煙位置高度設置在中部，該部位為煙氣的滯留層高度區(qū)間（11～12 m），對煙氣的熱量釋放較為有利。

對于工況3：排煙開窗（長邊兩側(cè)低位，開窗高度3.0～6.5 m），補風開門（低位，長邊一側(cè)）。高度2 m溫度（非火源中心）溫度在65 ℃以上，該溫度區(qū)間不利于人員疏散。

對于工況4：排煙開窗（長邊一側(cè)高位，開窗高度12.3～17.8 m），補風開門（低位，長邊一側(cè)）。高度2 m溫度（非火源中心）溫度在40～100 ℃，該溫度區(qū)間不利于人員疏散。

對于工況5：排煙開窗（短邊兩側(cè)高位，開窗高度12.3～17.8 m），補風開門（低位，長邊一側(cè)）。高度2 m溫度（0～120 s），非火源中心。

對于工況6：排煙開窗（短邊一側(cè)高位，開窗高度12.3～17.8 m），補風開門（低位，長邊一側(cè)）。高度2 m溫度（非火源中心）在初始為40～160 ℃，100 s 后下降至60 ℃內(nèi)，該溫度區(qū)間對人員疏散影響大。

圖3 工況3 基于FDS 的火災排煙效能分析圖

圖4 工況4 基于FDS 的火災排煙效能分析圖

圖5 工況5 基于FDS 的火災排煙效能分析圖

圖6 工況6 基于FDS 的火災排煙效能分析圖

圖7 工況7 基于FDS 的火災排煙效能分析圖

對于工況7：排煙頂部開窗，補風開門（低位，長邊一側(cè)）。高度2 m 溫度（非火源中心）在初始為40～65 ℃，該溫度區(qū)間對人員疏散影響小。

圖8 工況8 基于FDS 的火災排煙效能分析圖

對于工況8：排煙開窗（長邊兩側(cè)高位，開窗高度12.3～17.8 m），補風開門（低位，長邊兩側(cè)）。高度2 m溫度（非火源中心）初期持續(xù)上升至80 ℃，然后下降至70 ℃以下，該溫度區(qū)間對人員疏散影響大。

圖9 工況9 基于FDS 的火災排煙效能分析圖

對于工況9：排煙開窗（長邊兩側(cè)高位，開窗高度12.3～17.8 m），補風開門（低位，短邊一側(cè)）。高度2 m溫度（非火源中心），基本在55 ℃以內(nèi)，該溫度區(qū)間對人員疏散影響較小。

圖10 工況10 基于FDS 的火災排煙效能分析圖

對于工況9：排煙開窗（長邊兩側(cè)高位，開窗高度12.3～17.8 m），補風開門（低位，短邊兩側(cè)）。高度2 m溫度（非火源中心）初期持續(xù)上升至110 ℃，然后下降至70 ℃以下，該溫度區(qū)間對人員疏散影響大。

3 結(jié)論

10 個工況下（在火災荷載較大時），頂棚溫度在火災初起（0～120 s）均達到200 ℃及以上溫度，不能保證鋼結(jié)構(gòu)屋頂?shù)南腊踩阅埽瑧獙︿摻Y(jié)構(gòu)構(gòu)件進行防火保護。

補風口位置應設在建筑物下部，多個補風口設在同一側(cè)且當補風氣流水平方向與排煙水平方向一致時對自然排煙有利。

當設置在外墻時，自然排煙窗（口）應沿建筑物的兩條對邊均勻設置，但該情況在標準中只對廠房倉庫提出要求，對高大空間的民用建筑未提出，建議應對該類民用建筑強調(diào)此要求，且自然排煙窗（口）沿建筑物的兩條長邊均勻設置對排煙更為有利。

工況1 和2 中火災排煙效能影響相似，均能達到煙氣控制的有效性評價性能指標。其中工況1 為標準規(guī)定的情況，工況2 自然排煙窗（口）未在理論的儲煙倉以內(nèi)，但考慮高大空間情況（高度大于16 m），在開窗或通風空調(diào)形成對流層時，煙氣會在該對流層下1 m 左右產(chǎn)生橫向擴散。若自然排煙位置高度設置在中部，該部位為煙氣的滯留層高度區(qū)間（11～12 m），對煙氣的熱量釋放較為有利。在某些情況下，考慮到自然排煙窗（口）的設置或維修的便利程度、成本因素等，建議可在高大空間的中部（10～12 m）開設。