豎向火源位置對高層樓梯間煙氣蔓延研究

周宇榮，苗 盼，戰乃巖，李曉莉，毛開宗

（吉林建筑大學應急科學與工程學院，吉林 長春 130118）

近年來，建筑業和上述建筑工程的發展突飛猛進，在許多一二線城市里出現了高層建筑，成為當地標志。使人們對高層建筑的理解逐漸增加到一個更高的層次。從城市空間的角度來看，高層建筑不僅有效減少了城市的使用土地面積，而且大大有利于城市居民的生活。應對建筑樓高目標的要求，許多建筑物使用的復雜功能的設計和技術復雜和建筑新材料，電路復雜，電纜較多，容易發生火災，消防員救援不及時，會造成財產損失和人員傷亡，給社會安全造成不穩定影響。

通常，產生的煙霧會降低能見度，并含有有毒氣體，如一氧化碳，是火災中的“主要殺手”。煙霧蔓延嚴重威脅人們的疏散和救援活動。豎井，如樓梯井和電梯中不僅可以作為疏散通道，還可以作為煙霧和火焰在垂直方向上傳播的一種可能方式。因此，研究高層建筑火災樓梯井內的煙霧運動具有重要意義。針對火災的煙氣流動，國內學者朱毅等通過小尺寸模型試驗，研究了火災條件下高層建筑走廊煙氣擴散特性、最佳機械排煙量和風速值。LONG 等通過數值模擬的方式對某大學宿舍樓進行了火災和疏散模擬。毛軍等通過數值模擬方式對地鐵站火災發生情況下的煙氣蔓延進行研究，并得出其防控方法。國外學者PEACOCK等通過對收集到的31場事故數據進行分析，推導出不同因素對避難的影響。BAE 等通過建立煙霧效應模型，研究心理因素對火災壓力下人員疏散的影響。朱杰等人在分析影響超高層建筑火災煙氣擴散的各種因素的基礎上，提出了防止超高層建筑火災煙氣擴散的有效措施。杜峰等對高層建筑樓梯間廣泛應用的隔煙空氣幕進行了研究。靖成銀等人采用數值模擬的方法，對比分析了不同排煙方式對高層建筑煙氣蔓延的影響。中國科學技術大學孫曉乾等人為了研究不同因素對樓梯內正壓送風系統的影響，找到了最有效的方法，能影響門扇葉與通風管位置之間的臨界寬度。Morgan在以往不同建筑結構火災相關工作的基礎上，通過改變相關參數，得出有關煙氣控制的措施。Peppes等人運用實驗方式，對建筑物樓梯間的相關火災進行實際分析，再通過數值模擬的方式，得到樓梯間內煙氣蔓延特性、溫度和壓力等分布情況。張建榮以煙氣流動因素、煙氣上升速率以及分布特性為變量，分析高層建筑豎井內煙氣流動的特性，為相關部門進行煙氣控制提供理論依據。討論了關于不同類型的煙控制系統的一些可能的故障模式，并注意到單一狀態可能是一種煙控制系統的故障狀態，但提高了另一種系統的有效性。自然風的替代效果表明，設計者必須充分了解每種類型的煙霧控制系統的目標和物理概念。ZHAO通過對中間開口溫度的分析，發現煙霧的移動速度比實驗中移動的要快。通過比較兩種案例來證明：一個有樓梯和一個沒有樓梯。壓力之間之差由樓梯井內的浮力，樓梯井內和外部的壓力隨高度而增加。然而，當樓梯間內有樓梯時，壓力差的演化是非單調的。與實驗數據和相應的解析表達式相比，通過后處理仿真結果得到的中性平面高度值過高。最后，證明了湍流模型的影響可以忽略不計。

綜上，國內外學者們運用數值模擬和試驗對高層建筑內煙氣蔓延特性進行了大量研究，其中由于火災試驗成本高、難度大等特點成為學者們較少的選擇。因此，文章將使用Pyrosim火災模擬軟件，根據煙氣在樓梯間火災特性和煙氣蔓延過程分析，對高層樓梯間火災的不同場景設想情況，設置4種不同工況，進行疏散模擬，通過對有效疏散路線模擬的結果進行分析，得到煙氣的蔓延規律，進一步分析火災情況下人員從樓梯間疏散的路徑，并為高層火災消防措施提供建議，對高層建筑物消防提供消防理論參考。

1 火災模型建立

運用火災動力學模擬器（FDS）。FDS采用大渦模擬技術，引入低通濾波器，獲得平均控制動量、質量和能量方程。在FDS濾波器中，寬度被推導為單元格體積的立方根。火災可以被認為是一種低速的熱驅動的流體流動。因此，采用低馬赫數近似方法將時空分辨壓力分解為背景壓力。FDS利用直線網格實現均勻網格，減少了LES模型的計算時間。FDS采用集中物種的方法，簡化了反應進展變量。采用渦旋耗散概念（EDC）假設反應以無限的速度發生。FDS采用灰色氣體假設來計算輻射。輻射輸運方程（RTE）也只解決了燃燒產物中的煤煙，因為它是控制輻射的主要因素。而解決其他的RTE需要更多的計算時間。建筑物周圍的風的狀況對建筑物內的火災蔓延造成了重大影響。在FDS中使用單寧-奧布霍夫相似度方法。

樓梯是每一個建筑的重要組成部分。 一旦發生火災，樓梯是高層建筑人員安全逃生的唯一途徑。煙霧可以通過樓梯井或樓梯垂直傳播到頂層。有許多可能的驅動力，如堆疊效應（由于建筑物內外溫度的差異）、火災浮力、機械通風和風，主要由火災浮力驅動。為研究高層建筑樓梯間不同火源位置對煙氣蔓延的影響，文章根據圖紙建立了一棟16層樓梯間模型，并在pyrosim火災動力軟件中設置相應參數，將16層樓梯間內窗戶設置為打開，并添加上方和窗戶方向兩個開放區域，且由于此模型為方形，故設置為長方形網格，網格尺寸為0.4×0.4×0.4，總網格數為137 982，燃燒反應為聚氨酯反應，模擬時間為600 s。并設置4種工況，分別將火源放置在1層、5層、10層和16層樓梯間。

2 模擬結果分析

圖1為4種不同火災工況下，煙氣在樓梯間內的蔓延情況。當火災發生時，煙氣因其自身浮力和煙囪效應等作用迅速向上蔓延，使煙氣在樓梯間上方積聚。400 s時，工況1中煙氣上升了8個樓層，工況2中煙氣向上蔓延了6個樓層，工況3中煙氣向上蔓延了5個樓層，工況4向上蔓延了一個樓層。說明火源放置的樓層越低，火災受煙囪效應的影響越大。

圖1 不同工況下煙氣蔓延圖

600 s時，工況1較400 s向上蔓延了1個樓層，工況2中煙氣在向上方蔓延的同時也在向下蔓延，直到600 s充滿整個樓梯間。工況3中煙氣充滿15層及以上樓層，且向下蔓延了兩個樓層。工況4中煙氣向上蔓延，充滿本層，且向下了一個樓層。根據模擬結果可得出火災危險性：工況2＞工況1＞工況3＞工況4。造成這種煙氣蔓延路徑是由于高層建筑中中性面的存在。中性面是在煙囪效應條件下，建筑內外壓力相等的一個水平面。高層建筑需要找到建筑的中性面。煙氣流動是在壓力下產生的，中性面將建筑分成上下兩個區域，上下區域內煙氣由于壓力不同會形成不同的流動路徑。因此，對于高層建筑五上下區域會采用不同的煙氣控制措施。在火災發生時，建筑高層受火災影響較大，對人員生命財產造成較大威脅，因此需要對建筑高層增加額外的救援及排煙設施進行有效救援。

3 結論

為研究不同豎向火源位置對樓梯間煙氣蔓延的影響，文章在樓梯間內設置了4種不同工況進行數值模擬，根據模擬結果，可得出以下結論：

（1）煙氣因其自身浮力和煙囪效應等因素向上蔓延，其中火源處于5層樓梯間時，其煙氣蔓延速度最快，在600 s基本充滿整個樓梯間，能見度最小，對人員疏散造成的影響最大，最不利于人員疏散。（2）當火源處于15層時，煙氣蔓延僅在15層及16層，對其他樓層影響不大，故是最佳人員疏散場景。（3）中性面是高層建筑的重要參數，確定中性位置對高層建筑火災防控有重要作用，根據中性面位置，確定高層建筑上下區域不同的疏散策略。（4）當火災發生在1層、5層、10層時，需要采用額外的救援設施對人員進行救助。消防員可以根據現實具體火災發生位置進行救援。