某國際會展中心火災煙氣流動特性數值模擬

●李守斌

(烏魯木齊市消防支隊,新疆烏魯木齊 830002)

1 消防設計基本概況

新疆國際會展中心占地面積 329 443m2,建筑面積 110 767m2,其中地上建筑面積 93 295m2,地下建筑面積 17 472m2,會展中心主體建筑高為 50.3m,地面建筑物共 5層,地上展廳為 2層(局部有 2層夾層作為辦公、配套用房),會議中心設在 2～5層,共設 8個展廳,展位約 2 630個。該工程主體為鋼筋混凝土框架結構,屋頂采用大跨度張弦桁架,屋面采用直立鎖邊鋁鎂錳合金板飾面。

新疆國際會展中心屬大型公共建筑,消防設計建筑類別為一類,耐火等級為一級,屬于高層民用建筑,本工程按照《高層民用建筑設計防火規范》要求設置了消防控制中心。并根據各區域功能的不同,分別設置了火災自動報警、室內(外)消火栓、自動噴水滅火、固定消防炮滅火和防排煙等系統。

1.1 消防排煙設施的設計

本項目按照《高層民用建筑設計防火規范》第8.1.3條要求應設置機械排煙設施,但考慮到展廳高大空間的實際情況,在制定展覽廳排煙方案時,利用這個空間作為蓄煙空間,以削弱火災時煙氣對建筑內人員疏散的影響,同時設置了自然排煙設施。即展廳部分排煙設計按照大空間進行考慮,采用自然排煙方式,同時,設計展廳的電動開啟排煙口面積不小于地面面積的 2%,休息廊開啟面積不小于地面面積的 5%。排煙口具有自動和手動開啟和關閉功能,并能輸出開啟和關閉動作信號。

1.2 消防排煙設計中存在的問題

新疆國際會展中心屬于超大規模高層建筑,應按照《高層民用建筑設計防火規范》進行消防設計,但由于建筑結構和使用功能的限制,在消防設計時存在局部超過規范或不符合規范要求的情況,尤其是展廳在火災狀態下煙氣的排煙是否符合或滿足現行規范要求,這對建筑消防設計提出了新問題。

筆者在參與對該工程項目的具體消防監督審核過程中,針對消防設計方案,運用火災動力學模擬軟件 FDS模擬計算了展廳的煙氣蔓延情況,佐證其設計的合理性和安全性,以指導該類型大空間建筑的消防設計。

2 火災狀態下煙氣計算模型

FDS模型是專門用于火災煙氣傳播的模型,可以模擬三維空間內空氣的速度、溫度和煙氣的流動情況。筆者擬對展廳按自然排煙方式進行性能化評估,并對自然排煙開口面積進行分析確定。本研究將運用火災動力學模擬軟件 FDS(第五版)模擬計算出該展廳的煙氣蔓延情況。

2.1 初始條件假設

為科學模擬計算,根據實際情況,做出如下假設：(1)假設周圍環境溫度為 20℃,展廳的內部初始溫度為 20℃,壓力為 1個標準大氣壓。建筑內火災蔓延不受風力的影響,這樣可設風速為 0m/s。(2)在火災模擬過程中,除防火門關閉外,展廳的疏散出口均處于開啟狀態。(3)起火地點具體位置為圖 1所示火災場景 A。(4)火災場景 A采用自然排煙。

圖1 計算對象火災場景結構簡圖

2.2 火災場景煙氣流動特性模擬

整個展廳室內凈空高度：17.5～26.5m;最大設計火災規模：5MW;設計火災類型：非穩態;火災發展速率：0.047kW/s;排煙情況：地面面積 2%的自然排煙口;起火地點：一層 2號展廳中部。

2.2.1 煙氣溫度模擬結果

煙氣溫度模擬結果見圖2、圖3。模擬過程中,模擬至 561s時,上層煙氣溫度達到 60℃,下層煙氣溫度達到 25℃。模擬至 900s時,下層溫度未達到50℃,上層煙氣溫度未達到 180℃。

2.2.2 CO2濃度模擬結果

CO2濃度模擬結果見圖4、圖5。模擬過程中,模擬至 561s時,距離地面上方 2m處的 CO2濃度在0.015%左右;直至模擬結束(900s)時,距離地面上方 2m處的 CO2濃度未達到 1%。

圖2 煙氣溫度分布(縱向 561s時)

圖3 煙氣溫度分布(縱向 900s時)

圖4 CO2濃度分布(水平 561s時)

圖5 CO2濃度分布(水平 900s時)

2.2.3 CO濃度模擬結果

CO濃度模擬結果見圖 6、圖 7。在模擬過程中,模擬至 561s時,距離地面上方 2m處的 CO濃度為7.5ppm,整個模擬過程中,距離地面上方 2m處的CO濃度最高為 15ppm,未超過 2 500ppm。

2.2.4 能見度的模擬結果

在整個模擬過程中,離地面上方 2m處的能見度維持在 10m以上。

圖6 CO濃度分布(水平 561s時)

圖7 CO濃度分布(水平 900s時)

3 數值模擬結論

整個火災模擬結果見表 1。在對新疆國際會展中心工程進行數值模擬綜合分析的基礎上,結合該工程建筑消防設計方案,主要針對展覽廳面積過大引起火災狀態下煙氣蔓延困難的特性,經過模擬計算,可得到以下結論：(1)該展廳設計的電動開啟排煙口面積不小于地面面積的 2%,休息廊開啟面積不小于地面面積的 5%的消防設計能夠滿足火災狀態下的自然排煙要求,該消防設計方案可行。(2)由于展廳防火分區存在空間上劃分的困難,建設中可以將 1、2、3號展廳劃為一個防火分區,為防止火災的擴大和蔓延,應當在展廳之間設置防火隔離帶,防火隔離帶寬度根據展廳展出貨物的類別進行調整,以達到消防安全性能的目標。

表1 火災模擬結果

[1]GB50045-95,高層民用建筑設計防火規范(2005年版)[S].

[2]李引擎.建筑防火性能化設計[M].北京：化學工業出版社,2005.

[3]霍然,胡源,李元洲.建筑火災安全工程導論[M].合肥：中國科學技術大學出版社,1999.