風速對某彩鋼結構廠房火災時拆除寬度影響的數值模擬研究

【摘要】由于聚苯乙烯彩鋼板作為建筑材料耐火性能差、易倒塌，此類建筑火災時的滅火救援工作面臨著一系列問題。以某大跨度彩鋼結構廠房火災為例，結合實際救援工作中通過快速拆除部分彩鋼板而將燃燒區域與未燃燒區域進行分隔的方法，運用FDS數值模擬，研究在一定火源功率下，風速對所需拆除寬度的影響。研究結果表明：在火源功率一定時，燃燒區域側風速越大，未燃燒區域與燃燒區域所需拆除寬度越大。燃燒區域側風速≤3 m/s時，所需的安全拆除寬度為5 m；3 m/s＜V≤9 m/s，所需的安全拆除寬度為6 m；9 m/s＜V≤12 m/s，所需的安全拆除寬度為7 m。

【關鍵詞】聚苯乙烯彩鋼板； 滅火； 拆除寬度； 風速； FDS數值模擬

【中圖分類號】TU998.12A

0 引言

大跨度、大空間建筑具有結構簡單、空間大、分隔自由等優點，在經濟迅速發展的今天受到各類企業的青睞，已廣泛應用于現代工業廠房、企業原料成品倉庫、大型物流倉庫等生產儲存類建筑中［1］。由于成本低廉，安裝方便，使用聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）夾芯彩鋼板作為屋頂側墻材料最為常見。然而，由于彩鋼板建筑耐火等級低、發生火災后蔓延快、不易撲救等原因造成其火災日趨增多，損失加重［2］。據不完全統計，2012年10月10日5時，西安市引漢濟渭工程工地一彩鋼板（芯材為聚苯乙烯）活動房發生火災，造成12人死亡、2人失蹤、24人受傷；2010年5月3日，內蒙古呼和浩特市在建鐵路隧道工地民工彩鋼板工棚（芯材為聚苯乙烯）發生火災，造成10人死亡、14 人受傷［3］；追溯至2001年1月16日，某公司聚苯乙烯復合彩鋼板車間發生火災，9000余m2鋼結構廠房整體坍塌，直接財產損失7 669 284元［4］。

時下雖然已經出現了更好的替代材料，但目前鋼結構的大空間廠房、倉庫已經大量存在，要完成此類建筑的更新換代需要付出較大的人力和物力，耗時過長，并非經濟合理的處理方案。因此，有必要對現存的大量彩鋼夾芯板建筑火災危險性進行分析和研究，在此基礎上對其消防設施的設計應用、重點部位的特殊保護、滅火救援作戰的戰略制定和消防管理的對策實施等方面進行研究。楊慶云、顏東升［5］利用全尺寸實驗裝置采集了不同情況下EPS夾芯板燃燒的熱釋放速率，通過對數據的分析提出了相應的防火對策；聶曉勝［6］對彩鋼板房發生火災的主要因素、彩鋼板建筑火災的特點進行了調研和分析，提出了若干預防彩鋼板建筑火災的措施，強調初期階段最有效的滅火方式是對板材金屬面進行切割阻止火勢的蔓延，同時采用滅火器等進行滅火。石祥、邱華［7］分析了不同材料大跨度工業廠房火災時的結構性能，從實際滅火角度出發，提出了調足滅火力量、展開火情偵查、冷卻建筑主體、科學實施破拆等火災撲救措施，并詳細闡述了火災撲救過程中的注意事項。

對于大跨度彩鋼結構廠房實際滅火救援，可通過快速拆除部分彩鋼板而將燃燒區域與未燃燒區域進行分隔，風速對拆除寬度有一定影響。若風向與著火區域相同且風速較大，將加劇火災蔓延趨勢，此種情況下須達到較大的拆除寬度，才能有效阻止火災蔓延。若風向與著火區域相反，較小的拆除寬度即能夠阻止火災擴大至未燃燒區域。目前缺乏風向與風速大小對火災時所需拆除寬度的影響研究。筆者針對火災迅速蔓延而導致建筑物鋼結構大面積坍塌的危險，運用FDS數值模擬，研究在火源功率一定時，風速對所需拆除寬度的影響。本文的研究成果將為今后此類建筑滅火救援作戰中工作的開展和決策提出指導性意見。

1 某大跨度彩鋼結構廠房火災案例分析

1.1 工程概況

某大跨度彩鋼結構廠房是加工生產食品的企業成產車間和倉庫，由液氨間、凍菜車間、罐頭車間、調理罐頭車間和成品倉庫組成。廠房全長170 m，寬120 m，高10 m，西部局部2層（第二層為辦公場所），總建筑面積1.49萬m2，平面如圖1所示。廠房的結構形式為鋼結構框架和框排架，主跨為鋼屋面梁，雙層EPS夾芯彩鋼板屋面和外墻，其中液氨間隔墻采用磚混結構墻體。廠房內有生產器械，冷凍塔罐，生產的食品成品、半成品，包裝專用機械和紙箱等。

1.2 火災現場分析

該廠房西側二層辦公區由于電器線路短路引燃周邊可燃物發生大火，大火迅速蔓延，并導致作為廠房建筑材料的彩鋼板起火。彩鋼板結構發生火災后，燃燒猛烈，蔓延迅速，形成大面積立體燃燒。彩鋼板架構較輕，支架為輕質鋼結構，跨度較大，結構設計受力較平均，由于受大火長時間烘烤高溫變形，一旦有個別地失去支力，就像雞蛋皮破損一樣，失去整體相互支力，形成整體倒塌。火災中，整個廠房凍菜車間、罐頭車間和調理罐頭車間過火嚴重，并發生結構坍塌，雖然調集了多個消防隊人員和設備，但由于車間部分火勢太猛，已超出了當時的消防力量滅火范圍。現場指揮員以防止火勢繼續蔓延為目標，通過冷卻液氨間和庫房以及用挖掘機挖開庫房與車間部分的彩鋼板的方法，有效保存了液氨間和成品倉庫的完整性，減少了經濟損失和控制了火情。

實際救援工作中，通過分隔燃燒區域與未燃燒區域保持一定的安全距離，能夠有效阻止火災的蔓延，而對于具體的分隔寬度尤其是風速影響下的分隔寬度并沒有可供參考的數據。因此，筆者以該彩鋼結構廠房火災為例，通過FDS數值模擬的方法，研究在不同風速情況下燃燒區域與未燃燒區域之間所需的拆除寬度。

2 彩鋼結構廠房數值模擬研究

根據廠房的實際構造和尺寸，在軟件中搭建該廠房的模型，如圖2所示。

由于筆者考察的是為保護庫房區的完整性，在一定火源功率、不同風速情況下對庫房和著火車間的彩鋼板結構進行拆除所需的拆除寬度。因此，火災場景的確定本著盡可能與實際情況相符合的原則，設計為車間部分全部過火，庫房與車間保持一定的距離，考察在最不利情況下，隨著西風強度的增加，需要多大拆除寬度才能保證車間的火災不會引燃庫房。

2.1 模擬參數確定

車間的主要可燃物為彩鋼夾芯板和車間內的紙盒，彩鋼夾芯板的主要組成部分為聚苯乙烯泡沫塑料，可以判定廠房火災為t2快速火，火災增長系數為0.0469 kW/s2［8］。模擬時間設置為1200 s，假設車間可燃物和彩鋼板結構劇烈燃燒后的過火面積為原橫截面的1/3，即175 m2，則模擬的火災規模為43.75 MW，火源高度取為5 m。在火災規模不變的情況下，監測不同風速時庫房西側彩鋼板所受的輻射強度和溫度，通過和聚苯乙烯臨界輻射熱流量和臨界熔化溫度相比較，得到拆除寬度值。聚苯乙烯泡沫塑料單位面積熱釋放速率峰值不大于250 kW/m2，考慮到彩鋼板的燃燒性能介于“木材”與“帶漆木材及輕質裝飾材料”之間，因此，取12 kW/m2為彩鋼板的臨界輻射熱流量。聚苯乙烯的熔點為240 ℃，燃點為360 ℃［9］，考慮到現場水槍對庫房的冷卻作用，臨界引燃溫度取360 ℃。根據廠房所在地2012年度風速情況，取最大風速12 m/s為模擬的最大風速。因此，本文模擬的不同風速范圍為0 m/s到12 m/s。

綜上分析，設計火災場景如表1所示（風速0，1，2，……，12分別對應場景1，2，3，……，13）。

2.2 模擬結果處理

通過在庫房西側立面布置18個熱輻射強度監測點以及將庫房西側立面設置為溫度監測面，模擬得出最大熱輻射強度和最高溫度。在不同拆除寬度情況下，若兩個監測值均小于相應臨界值時，則庫房不會被引燃。由于拆除寬度是逐漸加大，因此，可以得到不同風速時庫房不被引燃的所需最小拆除寬度。在此只列舉對最終結論造成直接影響的數據和圖表，如圖3、圖4所示。

綜合上述數值模擬數據，匯總結果如表2所示。

2.3 數值模擬結果分析

通過對不同拆除寬度時監測面熱輻射強度和溫度數據進行分析，可以得到該彩鋼結構廠房火災（火災規模為43.75 MW）。

（1）燃燒區域側風速越大，未燃燒區域與燃燒區域所需安全拆除寬度越大。

（2）燃燒區域側風速v≤3 m/s時，所需的安全拆除寬度為5 m；3 m/s＜v≤9 m/s，所需的安全拆除寬度為6 m；9 m/s＜v≤12 m/s，所需的安全拆除寬度為7 m。

（3）當燃燒區域與未燃燒區域間拆除寬度小于對應風速下的所需安全拆除寬度，將不能阻止火災的蔓延和擴大。

3 結論

通過FDS數值模擬方法得到本文所研究的某彩鋼結構廠房在火災規模為43.75 MW，風向為燃燒區域向未燃燒區域，風速在0～15 m/s之間的所需安全拆除寬度研究結論如下：

（1）在火源功率一定的情況下，燃燒區域側風速越大，未燃燒區域與燃燒區域所需安全拆除寬度越大。

（2）通過將0～12 m/s風速分為幾個等級，確定所需安全拆除寬度值：燃燒區域側風速≤3 m/s時，所需的安全拆除寬度為5 m；3 m/s＜v≤9 m/s，所需的安全拆除寬度為6 m；9 m/s＜v≤12 m/s，所需的安全拆除寬度為7 m。

（3）當燃燒區域與未燃燒區域間拆除寬度小于對應風速下的所需安全拆除寬度，將不能阻止火災的蔓延和擴大。

（4）在火災規模相同的情況下，本文所得模擬結果可直接應用于實際的滅火救援工作中。

參考文獻

［1］ 項劍嶺，劉建國.大跨度大空間廠房（倉庫）火災撲救實例分析［J］.消防技術與產品信息，2010（2）：20-23.

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［8］ NFPA 204， Standard of Smoke and Heat Venting［S］. 2007 Edition.

［9］ 王剛，苗慧艷.彩鋼板的建筑火災撲救和破拆［J］.安全科學技術，2009（6）：5-8.