樓梯對豎井內火災煙氣運動影響的研究

吳建波，朱 杰

(西南交通大學環境科學與工程學院，四川成都610031)

建筑中存在一些樓梯井，電梯井及各種垂直分布的通道，在火災的情況下，如果煙氣進入此類豎井，初期由于熱煙浮力的作用，當豎井內溫度上升，豎井內外形成溫差，就會形成煙囪效應，氣體的上升運動十分顯著，致使煙氣迅速向上蔓延，進而危及上部樓層。對于煙囪效應對煙氣在豎井中的運動的影響，目前做了很多研究，一般認為煙氣在煙囪效應和熱煙浮力的作用下會運動到最高層，所以當發生火災時，除著火層外最高層會先達到危險。但是通過對某住宅樓火災風險評估為例研究，發現結果并非完全如此［1－7］。

該住宅樓為11+1層二類單元式住宅樓，為敞開式的樓梯間，當2層著火時，在各樓層前室門的1.8 m高度處設置探測點，各層可用安全疏散時間如表1，Fn代表第n樓層，研究表明，當2層發生火災后，2層最先達到危險，接著3層達到危險，依次是上一層先達到危險。因此，筆者認為樓梯對火災煙氣在樓梯這種特殊的豎井內運動的阻礙作用大。

表1 各層可用安全疏散時間

1 模擬驗證

1.1 軟件介紹

FDS主要用于預測在設計火災下所導致的火災環境。該模型是一個基于有限元的計算流體動力學模型，是用數學方法，通過求解代表物理定律的數學方程，來預測流體流動、熱傳輸、質量傳輸、化學反應和相關現象的學科。FDS是一個由公認的政府權威機構開發的模型，有相當多關于該模型的文獻資料，而且該模型經過了大型及全尺寸實驗的驗證［8］。

1.2 數學模型的建立

FDS軟件進行模擬驗證，采用簡化的模型，建一個8層的建筑，每層只設置樓梯間，前室和房間，層高為3 m，總體尺寸為12 m×2.4 m×24 m，模擬網格尺寸為0.3 m×0.3 m×0.3 m，火源位于房間中部，功率為0.5 MW，設置兩個場景，都為1層房間著火，但是場景1設置樓梯，如圖1所示:場景2設置為空井，如圖2所示，在每層的前室門中央的1.8 m高度處分別設置探測點，研究火災下溫度和能見度隨時間的變化。

2 模擬結果分析

2.1 煙氣運動規律

場景1在各個時間階段豎井內的煙氣分布，如圖3所示。

圖像表明，在火災下，煙氣先是在本層蔓延，然后通過樓梯間向上部各個樓層逐步蔓延，在火災初期階段，上部樓層幾乎沒有煙氣存在，在900 s的時候最上面的三層樓層里的煙氣也很少。

場景2在各個時間階段豎井內的煙氣分布，如圖4所示。圖像表明，在火災下，煙氣先是在本層蔓延，然后通過樓梯間向上部各樓層蔓延，在300 s時，豎井內充滿煙氣，其中在頂部樓層煙氣較多，在900 s的時候幾乎整個樓層都充滿煙氣。

結合圖3和圖4，可以看出當為空井時，煙氣有前期熱煙浮力的作用，當火災發生一定的時間后，由于熱煙浮力和煙囪效應的雙重作用，煙氣在豎井內向上運動，豎井內充滿煙氣，且在最高層煙氣較多。當為樓梯井時，由于樓梯對煙氣的縱向運動起到了一定的阻擋作用，煙氣向上蔓延的速度減小，而橫向運動作用相對較大，使得煙氣逐步向上層蔓延。

2.2 不同場景下測點處溫度變化曲線分析

圖1 場景1

圖2 場景2

圖3 場景1中火災煙氣運動情況

圖4 場景2中火災煙氣運動情況

圖5 不同豎井時測點處溫度變化曲線

從圖5可以看出，在900 s時間內，對于場景1而言，著火層測點處的溫度最高，在95 s的時候就達到溫度60℃，其次是二層，接著三層，在七，八層溫度基本不變。即煙氣蔓延到上部樓層較少。對于場景2而言，著火層的溫度最高，因為煙氣向上部樓層運動的過程中會與周圍空氣或者較冷煙氣進行熱傳遞，所以上部各樓層測點處的差異不大，頂部樓層測點處溫度較高。

2.3 不同場景下測點處能見度變化曲線分析

圖6 不同豎井時測點處能見度變化曲線

從圖6可以看出，在900 s時間內，對于場景1而言，著火層測點處的能見度最低，在75 s的時候能見度就降到10 m以下，其次是二層，接著三層，在八層能見度基本不變;即煙氣蔓延到上部樓層較少。對于場景2而言，著火層的能見度最低，在65 s的時候能見度就降到10 m以下，其次是頂部樓層測點處能見度較低;即煙氣蔓延到上部樓層較多。

結合溫度和能見度，對于場景1而言，各層達到危險時間的快慢為F1＞F2＞F3＞F4＞F5＞F6＞F7＞F8，而對于場景2而言，各層達到危險時間的快慢為F1＞F8＞F7＞F6＞F5＞F3＞F2＞F4。可以看出，除著火層最危險以外，當豎井內有樓梯時，樓梯對煙氣的向上運動起到的阻礙作用比較明顯。

3 結束語

本文利用FDS軟件分別建立樓梯井和空井的建筑內火災煙氣運動模型，對比分析煙氣運動的情況發現:樓梯對火災煙氣在樓梯井中蔓延影響較大。在樓梯井中熱煙浮力和煙囪效應的驅動力對煙氣蔓延的作用不明顯。對于研究豎井中火災煙氣蔓延，樓梯井和空井(豎直管道井，電梯井)應該分別考慮。

［1］張靖巖，霍然，王浩波，等.煙囪效應形成機理的實驗［J］.中國科學技術大學學報，2006(1):73－76

［2］霍然，袁宏永.性能化建筑防火分析與設計［M］.合肥:安徽科學技術出版社，2003

［3］Klote J H.an analysis of the influence of piston effect on elevator smoke control［J］.NBSIR，1988

［4］朱杰，霍然，付永勝.超高層建筑火災防排煙研究［J］.消防科學與技術，2007(1):54－57

［5］孫建軍，李烈，路世昌，等.高層建筑管道井內煙氣運動大渦模擬［J］.中國安全科學學報，2006(9):40－45

［6］Klote J.A General Routine for Analysis of Stack Effect［J］.National Institute of Standards and Technology，NISTNR，1991

［7］張靖巖，霍然，王浩波，等.高層建筑中利用豎井進行排煙的可行性分析［J］.工程力學，2006(7):147－154

［8］鄧玲.FDS場模擬計算中的網格分析［J］.消防科學與技術，2006(2):207－210