基于FDS的觀光層固定窗窗地比火災煙氣蔓延影響研究

摘要：本文以上海金茂大廈觀光層為研究對象，探討機械排煙失效時，固定窗窗地比對觀光層煙氣蔓延的影響。得出結論：火源功率為1.5MW時，固定窗窗地比不應小于3%；當火源功率為4.5MW時，固定窗窗地比不應小于5%。建議《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術標準》（GB51251-2017）修訂時增補條文：設置在靠外墻且不位于頂層區(qū)域的固定窗，其總面積不應小于樓地面面積的5%。

關鍵詞：超高層建筑；觀光層；固定窗

引言

根據《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術標準》（GB51251-2017）[1]中4.1.4第3條規(guī)定，觀光層是集觀光與娛樂為一體的場所且面積通常大于1000m2，因此需要設置固定窗。趙元華[2]利用IFE圖像型火災探測系統(tǒng)，為觀光層火災探測設計提供了新的選擇；葉玲玲[3]結合不同國家超高層建筑觀光層針對商業(yè)空間提供一些建議；Yu Z[4]等人通過FDS模擬20多種火災情景，對預測大空間建筑煙溫的BFD模型參數進行完善。Tyler B[5]等人提出了一種名為Brain-STORM的深度學習模型，可以在高層火災場景中快速預測煙霧、溫度和壓力。已有的關于觀光層研究大都是如何更好引導人流觀光[6]，缺乏關于消防安全類研究。

一、模型建立以及熱釋放速率的確定

（一）建立模型

本文以上海金茂大廈為原型，觀光層位于88樓，建筑高度為340.1m。觀光層面積為1440m2，凈高6m[7]。該建筑平面圖以及三維圖如圖1、圖2所示。

（二）熱釋放速率的確定

熱釋放速率（HRR）是指在單位時間內材料燃燒所釋放的熱量[8]。公式如下：

HRR=m·ΔH·φ（1.1）

其中，m—可燃物的質量燃燒速率（kg/s），ΔH—可燃物的熱值（MJ/kg），φ—燃燒效率因子，取值范圍0.3-0.9。

熱力值計算公式：

ΔH=ki·mi·hi（1.2）

其中，ki—建筑內可燃物所占比例，mi—建筑內可燃物的質量（kg），hi—建筑內可燃物的熱值（MJ/kg）。

根據可燃物的質量、熱值統(tǒng)計，計算出熱力值。當火災發(fā)生時，觀光層內所有可燃材料都會參與燃燒。有噴淋情況時，燃燒效率因子取小值0.3，即火源熱釋放速率HRR為1.5MW；無噴淋情況時，燃燒效率因子取大值0.9，即火源熱釋放速率HRR為4.5MW。

二、火源功率不同時固定窗窗地比對觀光層煙氣蔓延的影響研究

當火源位于觀光層時，在觀光層儲煙倉以下均勻布置煙霧報警器并串聯(lián)可破拆固定窗，當煙霧報警器發(fā)出預警，則認為觀光層機械排煙失效。火源設定在娛樂間，檢測點設置在觀光區(qū)中心觀景臺附近，考慮最不利因素，除娛樂間，樓梯間外走道門外的其余門為關閉狀態(tài)。

（一）火源功率1.5MW時，固定窗窗地比對觀光層煙氣蔓延的影響研究

火源位于觀光層，火源功率為1.5MW時，各組固定窗窗地比工況設置見表1。

根據FDS模擬數據，當火源位于觀光層娛樂間內，火源功率為1.5MW時，檢測觀光層探測點處能見度、CO濃度變化曲線如圖3、圖4所示。

由圖3結合數值模擬數據可得出以下結論：當火源位于觀光層，火源功率為1.5MW，固定窗窗地比為1%、2%時，超出了能見度危險臨界值，之后維持平穩(wěn)狀態(tài)，其余固定窗窗地比情況下未超出危險臨界值；觀光層達到最低能見度的時間隨著固定窗窗地比的增大而延長。由圖4結合數值模擬數據可得出以下結論：當火源位于觀光層，火源功率為1.5MW時，對比5個工況，CO濃度值均為超出危險臨界值，固定窗窗地比為1%時CO濃度值最高為2.41×10-4，固定窗窗地比為5%時CO濃度值最低為1.42×10-5；隨著固定窗窗地比的增大，觀光層CO濃度逐漸降低，固定窗窗地比越大，CO達到最高濃度所需時間越長。

綜上所述，當火源位于觀光層，火源功率為1.5MW，機械排煙失效時，觀光層固定窗窗地比不應小于3%。

（二）火源功率4.5MW時固定窗窗地比對觀光層煙氣蔓延影響研究

火源位于觀光層，火源功率為1.5MW時各組固定窗窗地比工況設置見表2。

根據FDS模擬數據可得，當火源位于觀光層娛樂間內，火源功率為4.5MW時，檢測觀光層探測點處能見度、CO濃度變化曲線如圖5、圖6所示。

由圖5結合數值模擬數據可得出以下結論：當火源位于觀光層，火源功率為4.5MW，固定窗窗地比為2%、3%、4%時，超出了能見度危險臨界值，之后維持平穩(wěn)狀態(tài)，其余固定窗窗地比情況下未超出危險臨界值；觀光層達到最低能見度的時間隨著固定窗窗地比的增大而延長；當固定窗窗地比為2%、3%時，對比火源功率為1.5MW時的數據，得到火源功率越大，觀光層最低能見度越低，達到最低能見度所需時間越短。由圖6結合數值模擬數據可得出以下結論：當火源位于觀光層，火源功率為4.5MW時，對比5個工況，固定窗窗地比為2%時，超出了CO濃度危險臨界值，其余固定窗窗地比情況下未超出危險臨界值；隨著固定窗窗地比的增大，觀光層CO濃度逐漸降低；當固定窗窗地比為2%、3%時，對比火源功率為1.5MW時的數據，可得火源功率越大，觀光層最高CO濃度越高。

綜上所述，當火源位于觀光層，火源功率為4.5MW，觀光層機械排煙發(fā)生故障失效時，觀光層固定窗窗地比不應小于5%。

結語

本文對觀光層發(fā)生火災，機械排煙失效時，其可破拆固定窗窗地比進行數值模擬，得出以下結論：分別將火源功率設置為1.5MW和4.5MW，通過FDS對固定窗窗地比進行數值模擬，分析得出當火源功率為1.5MW時，固定窗窗地比不應小于3%；當火源功率為4.5MW時，固定窗窗地比不應小于5%；分析結論可得，機械排煙失效時，火源功率越大，固定窗窗地比越大。建議《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術標準》（GB51251-2017）修訂時增補條文：設置在靠外墻且不位于頂層區(qū)域的固定窗，其總面積不應小于樓地面面積的5%。

參考文獻

[1]GB51251-2017，建筑防煙排煙系統(tǒng)技術標準[S].

[2]趙元華.某核電廠區(qū)辦公樓屋頂觀光層的火災探測優(yōu)化方案[J].智能建筑電氣技術，2016，10（03）：76-81.

[3]葉玲玲，戰(zhàn)誼.超高層觀光商業(yè)空間的場景營造研究及建議[J].中國商論，2020（07）：71-72.

[4]Yu Z，Zhu G，Zhang G， et al.Study of Shape Coefficient in BFD Model[J].Procedia Engineering，2016，13（05）：622-630.

[5]Tyler B ，Serhat B.Brain-Storm：a Deep Learning Model for Computationally Fast Transient High-Rise Fire Simulations[J].Fire Safety Journal，2021，（01）：25.

[6]喬偉，周玲娟.超高層建筑觀光層流線設計研究[J].城市建筑，2016（13）：29-31.

[7]朱軍.上海金茂大廈的消防策略和措施[J].上海消防，2001（03）：88-91.

[8]何洪源.火災現場調查與火場物證分析[M].中國人民公安大學出版社，2010.

作者簡介：王碩（1998- ），男，漢族，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，研究方向：消防安全工程。