基于Pyrosim的高層住宅火災煙氣蔓延數(shù)值模擬

【中圖分類號】：TU998.1 【文獻標志碼】：C 【文章編號】：1008-3197(2025）03-53-05

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.03.013

Numerical Simulation of Fire Smoke Spread from High-rise Residential Based on Pyrosim

LI Na，SUN Peng，LU Wenyuan

(The Instituteof Architectura Designand Research ofTaiyuan Universityof Technology，Taiyuan O3OO24，China)

【Abstract]:Conductafire review analysis ona high-rise residential accidentcase，anduse Pyrosim software to numerically simulate and restore the smoke spread situation，the sources of smoke in the shared front room，evacuation staircase，and electric pipewell were identified，and details，standards，and solutions that should be paid attention to in high-rise building fire engineering were proposed.

【Key words】: fire review；high-rise residential；smoke spread

高層建筑設計時會采取必要措施和方法來預防火災的發(fā)生和減少火災帶來的危害，其中疏散樓梯間是火災發(fā)生時建筑內(nèi)人員安全疏散的通道，前室是消防救援隊員開展火災救援前整裝、準備的安全區(qū)域。高層建筑的防煙系統(tǒng)通過自然通風和機械加壓送風的方式，保障疏散樓梯間和前室不受火災時產(chǎn)生的高溫煙氣影響，為人員疏散和火災救援提供一個安全通道。

本文結合一起高層住宅的真實火災案例，根據(jù)項目設計備案施工圖紙、現(xiàn)場火調(diào)數(shù)據(jù)和Pyrosim數(shù)值模擬結果，對火災時煙氣在高層住宅安全疏散口處的流動規(guī)律進行數(shù)值模擬分析，為火災時建筑內(nèi)人員安全疏散和快速消防救援提供參考。

1現(xiàn)場概況

事故現(xiàn)場為一棟一類高層住宅樓，地下1層，地上32層，層高 2.9m ，總建筑高度約 92.8m ；標準層為東、西2個單元，每個單元有4戶，設置剪刀樓梯和消防電梯。其中疏散樓梯間和合用前室采用自然通風系統(tǒng)，疏散樓梯間前室采用機械加壓送風系統(tǒng)，屋頂設置加壓送風機。見圖1。

注：紅色區(qū)域采用自然通風系統(tǒng)；黃色區(qū)域采用機械加壓送風系統(tǒng)

事故起火原因為電管井內(nèi)的供電元器件短路，造成電纜PVC絕緣護套燃燒，引燃周圍其他可燃物；起火點位于東單元8層電管井內(nèi)，火災在電管井內(nèi)豎向蔓延，8\\~32層電管井內(nèi)電纜的PVC絕緣護套已燃燒殆盡，露出內(nèi)部的銀色鋁制纜芯。

1.1防火門開關情況

前室門1位于合用前室和東單元走道連通處，因住戶日常使用頻繁，現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)前室門1基本均開啟；合用前室與電管井東單元火源處，火災煙氣受損基本一致。前室門2位于西單元防煙樓梯間前室和東單元走道連通處，根據(jù)住戶日常使用習慣，現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，前室門2部分樓層開啟，部分樓層關閉。前室門2開啟時東戶與西戶火災煙氣受損一致，前室門2關閉時東戶受損嚴重，西戶受損輕微。防煙樓梯間門1、2位于剪刀樓梯間與兩個前室連通處，根據(jù)住戶日常使用習慣，現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，防煙樓梯間門1、2部分樓層損壞、半開或障礙物撐開，僅少部分樓層關閉。

電管井防火門因住戶日常使用需求，部分防火門未關閉，部分防火門因施工質(zhì)量關閉不嚴縫隙較大；其中10層和31層處于開啟狀態(tài)，還有5處的縫隙比較大。電管井內(nèi)的橋架穿樓板處洞口尺寸約 1000mm× 400mm ，豎向貫通，不僅未進行防火封堵，而且內(nèi)部堆放了雜物。

1.2防煙措施

合用前室采用自然通風系統(tǒng)，據(jù)現(xiàn)場救援人員口述，合用前室靠屋頂側有一處外窗往外冒煙。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，31層合用前室的外窗因火災時的高溫煙氣受熱變形、玻璃破碎，東單元走道和合用前室的墻壁、屋頂?shù)孛鏌熝圹E明顯、受損嚴重；前室外窗可開啟面積為 0.9m² ，不滿足合用前室可開啟外窗面積不應<3m² 的要求[]。

剪刀樓梯間采用自然通風系統(tǒng)，據(jù)現(xiàn)場救援人員口述，樓梯間中部靠上有一處窗戶往外冒煙。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，剪刀樓梯間每層外窗可開啟面積為0.45m² ，不滿足靠外墻的防煙樓梯間每五層內(nèi)可開啟外窗總面積之和不應 <2m² 的要求1；32層剪刀樓梯中間的防火隔墻未封閉到頂，導致其中一條剪刀樓梯間的煙氣由于熱壓作用上升到32層后經(jīng)未封閉的防火隔墻蔓延到另一條剪刀樓梯間，最終導致煙氣彌漫整條剪刀樓梯間。

防煙樓梯間前室采用機械加壓送風系統(tǒng)，屋面正壓送風機的風管與出屋面豎井未有效連接，正壓送風井不僅沒有起到防煙系統(tǒng)的作用，反而變成事故現(xiàn)場連通各層前室的“煙肉”；屋面正壓送風機的開關處于“斷開\"狀態(tài)，正壓送風口的消防聯(lián)動線未連接，部分正壓送風口處于“常開\"狀態(tài)；火災時不能滿足前室正壓送風口應常閉，火災時開啟著火層及其上、下層的風口的要求[1]。

1.3 其他洞口

水暖管井與電管井中間的隔墻上，在9、11、12、16、17、24、27、28、32層有洞口，洞口尺寸約50\\~400mm 之間；電梯機房電梯轎箱的纜繩穿屋面處，有2處尺寸約 300mm×300mm 的洞口，電梯機房電梯井道上，有2處尺寸約 50mm×80mm 的洞口，電管井內(nèi)電纜穿屋面樓板預埋鋼管直徑尺寸約 150mm 。

2數(shù)值模擬分析

利用Pyrosim軟件依據(jù)工程備案施工圖紙建立火災仿真模型，火源為 t² 中速火[3，環(huán)境初始溫度 20°C ，環(huán)境室外風速為 0m/s ，網(wǎng)格大小為 0.25m×0.25m× 0.25m 。本次火災的主要燃燒物為電纜的PVC絕緣護套和電管井內(nèi)的其他可燃物，電纜型號為YJLHV，YJ為黑色外絕緣為保證電纜燃燒的數(shù)值模擬與現(xiàn)場一致，模擬中PVC的質(zhì)量損失率平均值去 0.05g/s ，峰值為 0.12g/s^[4] 。

2.1火災煙氣在前室的蔓延規(guī)律

火災時煙氣從東單元電管井的門縫溢出后，經(jīng)未關閉的前室防火門1、2直接進入部分合用前室和防煙樓梯間前室；部分煙氣經(jīng)合用前室進入樓梯間，因熱壓的作用高溫煙氣在樓梯間豎向蔓延，高溫煙氣經(jīng)未關閉的樓梯間防火門1、2進入其他層的前室；火災時電管井防火門關閉，且樓梯間門和前室防火門同時關閉的樓層，前室內(nèi)煙氣濃度很小。火源位于8層電管井內(nèi)，因電管井內(nèi)樓板處未封閉，高溫煙氣沿電管井豎向蔓延；高溫煙氣從 10、14、20、23、31 層的電管井未關閉的防火門向外蔓延，經(jīng)未關閉的前室防火門1、2直接進入各層的合用前室和防煙樓梯間前室，并逐漸蔓延整棟樓的交通核。見圖2。

擴散范圍變大，少量煙氣溫度相對降低和因墻壁的卷吸和貼壁作用產(chǎn)生“逆煙肉效應\"5，短時間內(nèi)煙氣向下蔓延；隨著樓層內(nèi)煙氣的不斷上升與蔓延，煙氣的溫度和壓力發(fā)生變化，逆煙囪效應消失，之后煙氣開始向上蔓延，最終煙氣蔓延整個樓梯間。見圖4。

火災初期， 10，20～23 層前室東部局部位置溫度達到了 90°C 左右，前室其他位置和其余樓層前室溫度均在 左右；隨著高溫煙氣的不斷蔓延，10層前室溫度約 300° 左右， 20～23.31 層前室溫度達到了200°C 左右， 10～14AA，25～30 層前室溫度約 80°C 左右，其余樓層前室溫度大約都在 50°C 以下。見圖3。

火源位于8層電管井內(nèi)，因電管井內(nèi)樓板處未封閉，高溫煙氣沿電管井豎向蔓延，從10、14、20\\~23、31層的電管井未關閉的防火門向外蔓延，經(jīng)未關閉的前室防火門1、2直接進入各層的合用前室和防煙樓梯間；樓梯間中部呈微正壓壓狀態(tài)，樓梯間上、下部呈微負壓狀態(tài)；樓梯間內(nèi)壓力因燃燒吸入空氣和生成的高溫煙氣，壓力不斷發(fā)生變化。樓梯間下部呈負壓狀態(tài)，約為 0～-50Pa ；樓梯間上部呈正壓狀態(tài)，樓層越高正壓值越大；樓梯間內(nèi)壓力因燃燒吸入空氣和生成的高溫煙氣，壓力不斷發(fā)生變化。見圖5。

2.2火災煙氣在樓梯間的蔓延規(guī)律

火災時高溫煙氣依次從 10，14，20～23，31 層經(jīng)前室進入樓梯間，因樓梯間和前室防火門開啟導致煙氣

2.3火災煙氣在電梯井的蔓延規(guī)律

10層右側電梯門開啟狀態(tài)下與轎廂之間的洞口尺寸為 30～100mm ，煙氣經(jīng)該洞口進入的最大量達到了 6.5m³/s ；10層右側電梯門關閉狀態(tài)下的門縫寬約為 5mm ，煙氣經(jīng)電梯門縫隙進入的最大量約為 3× 10^-3m³/s ，量極少。見圖6。

17層右側電梯門開啟狀態(tài)下與轎廂之間的洞口尺寸為 30～100mm ，煙氣經(jīng)該洞口進入的最大量為2×10^-3m³/s ，量極少；電梯門關閉狀態(tài)下門縫寬約為5mm 左右，煙氣經(jīng)電梯門縫隙進入的最大量為 6× 10^-3m³/s 。見圖7。

電梯井道被證明是高溫煙氣在整個建筑物中蔓延的豎向通道。因電梯門閉合不嚴密，頂部有電梯轎箱操作升降纜繩的開口，電梯井道的“煙肉效應\"的熱壓作用為高溫煙氣豎向蔓延提供了動力，使煙氣在電梯井道內(nèi)蔓延、擴散。造成本次火災時電梯井道灌滿高溫煙氣的原因之一是，火災時電梯門未及時關閉，因“煙肉效應\"的熱壓作用，大量煙氣通過電梯井道豎向蔓延至屋頂電梯機房。

2.4火災煙氣在水暖管井的蔓延規(guī)律

在現(xiàn)場勘驗中發(fā)現(xiàn)部分樓層的水暖管井與電管井中間的隔墻上有洞口，洞口的尺寸大小不一，約50\\~400mm ；模擬工況設置中也同樣與現(xiàn)場情況相同，模擬結果顯示在水暖管井與電管井中間的隔墻上有洞口的樓層，煙氣會從電管井經(jīng)洞口蔓延到水暖管井，煙氣進入水暖管井之后擴散蔓延，而部分樓層水暖管井墻壁表面的抹灰與防火門之間封閉不嚴密時，會有部分煙氣從縫隙外溢。

2.5火災煙氣在正壓送風井的蔓延規(guī)律

火災前期4層和8層因正壓送風井內(nèi)的壓力比前室高，高溫煙氣從正壓送風井進入前室，火災后期樓梯間內(nèi)壓力下低上高，樓梯間中和面以下為負壓，前室壓力變低，高溫煙氣又從前室進入正壓送風井；中和面18層處因樓梯間壓力變化，煙氣在正壓送風口處有進有出；24、26、32層因前室壓力比正壓送風井內(nèi)的高，高溫煙氣從前室進入正壓送風井。隨著火災的發(fā)展，建筑內(nèi)前室和樓梯間的壓力不斷發(fā)生變化，導致風口處的壓力也隨著不斷發(fā)生改變，進而風口處煙氣的速度大小和方向也在不斷變化，最終呈現(xiàn)出部分風口往正壓送風井內(nèi)吸煙，部分風口往前室冒煙的現(xiàn)象。見圖8。

3結論

1)該項目電管井內(nèi)未做防火封堵措施造成火災在電管井內(nèi)快速豎向蔓延，電管井防火門未關閉造成多處樓層火勢加大，部分樓層前室和樓梯間的防火門未關閉造成高溫煙氣通過樓梯間豎向蔓延至其他樓層的前室，對人員疏散和消防救援造成嚴重安全隱患；電梯井道“煙囪效應\"是高溫煙氣在建筑中豎向蔓延的現(xiàn)成管道，火災時如果電梯門沒有及時關閉，電梯并道的頂部有開口，使高溫煙氣從未關閉的電梯門縫的電梯井道中進出，形成嚴重的安全隱患。

2)該項目屋面正壓送風風機與豎井未有效連接，火災時不能為人員疏散和火災救援提供安全的通道；部分前室正壓送風口處于開啟狀態(tài)，正壓送風井成了“煙肉”，高溫煙氣通過正壓送風井和正壓送風口進、出蔓延至其他樓層的前室；樓梯間、合用前室的開啟外窗面積不滿足規(guī)范要求，且火災時未及時開啟沒有起到防煙系統(tǒng)的作用。

3)滅火救援前打開樓梯間最高處的應急排煙窗可以及時排出火災煙氣和熱量，為建筑內(nèi)人員疏散提供安全環(huán)境，也可為救援人員提供較好的救援條件。

參考文獻：

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