芻議高層建筑火災煙氣特性和其防控

葉一帆

【摘要】現階段，我國社會主義經濟持續發展，隨著國家城市化的不斷向前，城市有效的土地與持續增加的人口之間的問題越來越明顯，因此，我們選擇在城市中建設高樓大廈成為了一種有效的決絕途徑。但是這種方式將帶來人口密集、高樓大廈結構復雜、裝修易燃物增多以及數量較多的電器裝置，如果在高樓里出現火災，火勢必將迅速蔓延開來，根據相關調查數據表明，有七成受害者由于煙氣窒息致死。本文主要研究城市高樓大廈中發生火災后對煙氣的及時控制以及煙氣流動性等的相關技術和影響。

【關鍵詞】建筑；煙氣；火災

1.高層建筑火災煙氣流動的特性

1.1 高層建筑火災產生的原因

對于在高樓大廈中出現火災的原因，有多種因素。由于高樓大廈特殊的結構導致人員流動有一定的難度，因此火勢的蔓延程度較迅猛，對火災發生之后的救助工作也帶來了極大的困難。其中高樓引發火災的因素主要有以下幾點：1.高樓大廈中的可燃物相對較多，以裝修材料居多；2.高樓大廈普遍具備數量較多的用電裝置，形成自動化模式，隨著電路的老化，引起火災的線路增多；3.在高樓大廈建筑初期，一些不法工程隊伍為了降低成本，導致防火規劃性不足；4.高樓的使用者的防火意識仍需要增強；6.樓層中消防設備不足。

1.2 火災煙氣的危害

在火災發生之后，煙氣的產生對人流的疏散、火勢的發展、財物的損害具有明顯的作用。在火災發生時，煙氣的主要危害性可以歸納為以下幾個方面：

（1）對人體損傷。

經過研究表明，煙氣里含有高濃度的有毒成分，是一種有毒氣體，人體吸入部分煙氣后，達到一定的量將直接導致死亡。在相關數據分析中顯示，在火災發生時，人體損傷甚至死亡的首要因素就是煙氣的吸入。

（2）灼傷溫度。

在引發火災過程中，煙氣能夠有效的幫助火勢的進一步發展，對人體構成高溫燙傷，在生物上，超過45攝氏度，人體將感到疼痛，而火勢中的高溫煙氣能夠使得人體灼傷問題達到150攝氏度，對人體造成不可逆轉的損傷；

（3）降低氧氣濃度。

在生物上，如果人體呼吸的空氣中氧氣含量不足百分之六，則將引起腦部缺氧，甚至導致死亡。

（4）降低能見度。

由于煙氣將帶來一定含量的固體顆粒，從而阻擋人員逃離的能見度；

（5）精神上帶來恐懼。

人們在煙氣彌漫的環境中，容易造成慌亂，不能有效的進行逃生行為。

1.3 煙氣流動的特性

對煙氣相對運動進行研究，能夠有效的指導建筑物中消防設備的布置和規劃。

1.3.1 火羽流

在火災發生后，火羽流是指火災上燃燒形成的煙氣流以及火勢上端的火焰。絕大部分的火焰將進行自由擴散。在擴散區域中主要分為間接性和連續性的火焰范圍。其中，羽流區通過空氣浮力完成流動方向的把控，主要是位于火焰區域的上部，也叫浮力羽流。在火勢發展過程中，上述區域帶來了絕大多數的熱量，并將空氣流的下層熱量一同吸收傳遞到上層，使得煙氣不斷獲得能量。

1.3.2 頂棚和窗口射流

根據高樓中空間形態的變化，在火災發生過程中，煙氣將逐漸形成垂直方向和水平方向的流向。在圖1中可以看到，假如煙氣受到頂棚的阻礙，火羽流將由垂直方向變成水平方向。其中，頂棚射流的高度能夠達到頂棚的百分之五至百分之十二。在引發火災的區間內，進行相應對流換熱的估算，需要根據頂棚射流的最大速度和最高溫度作為基本數據，最終得到水噴頭響應和火災探測儀的數據。從室內往外部空間流出的煙氣稱為窗口射流?；馂倪^程煙氣的發展如示。

1.3.3 煙氣蔓延的驅動力

在高層建筑中，引發火災后，煙氣將迅速在室內得到發展，跟著火區域相通的電梯井、過道、樓道等區域隨時會被煙氣彌漫，進一步阻礙人員的疏散和救援工作。在高樓中，推動煙氣的持續流動性作用的主要是外界風向、空氣浮力、氣體膨脹、煙囪反應等，另外還包括空調、暖通系統的活塞作用。

2.煙氣控制模擬技術

2.1 Fluent計算機模擬技術

FLUENT是用于計算流體流動和傳熱問題的程序。它提供的非結構網格生成程序，對相對復雜的幾何結構網格生成非常有效，可以生成的網格包括二維的三角形和四邊形網格；三維的四面體、六面體及混合網格。FLUENT還叫根據計算結果調整網格，這種網格的自適應能力對于精確求解有較大梯度的流場有很實際的作用。由于網格自適應和調整只是在需要加密的流動區域里實施，而非整個流場，因此可以節約計算時間。

2.2 模型建立及模擬結果分析

模擬對象為公寓類高層建筑，平面圖如圖3所示。建筑模型大小為：房間門尺寸lm*2m（寬*高），前室門尺寸1.6m*2m（寬*高），走廊尺寸26m*2m（長*寬），走廊兩端外窗尺寸為血，lm（寬*高），共10層，層高3m，起火層為第5層，起火房間位于501 客房，火源位于客房內床上?；馂墓β蕿?.5MW，模擬時間為1200s，模擬時設定起火房間房門開啟，樓梯電梯前室門開啟，非起火房間的房門關閉。

模擬結果表明，自然排煙情況下，發生火災的樓層CO濃度和煙氣溫度隨著火災的發展而不斷升高，在200s-300s升高最為劇烈。離火源最近的測點a的溫度變化尤為明顯，發生轟燃，直到900s時才穩定下來。樓層內CO濃度最高達到470PPM，煙氣溫度最高達到950℃。煙氣層高度隨著時間推移先降低后上升，并且離火源越遠，煙氣層高度越小，尤其是離火源較遠的e、g測點的煙氣層高度降到0.8m以下。隨著火災功率的增人，CO濃度和溫度都明顯升高，煙氣層高度和能見度顯著降低，甚至影響到火災層以上3層。因此，火災功率越大，其危險性越大。在實際的消防設計中必須考慮到高層建筑可能發生的大功率火災，提前準備必要的消防裝備器材和疏散逃生路線。

圖3 模型平面圖

3.煙氣控制系統的性能化設計

火災發生，會產生大量有毒煙霧，為控制煙氣蔓延的速度，增加人員獲救的機會，需要對建筑進行性能化防排煙系統設計。性能化防排煙系統設計的流程一般是：

（1）根據建筑功能和部局進行防排煙系統設計方案選擇，然后按照設定方案確定一系列的火災場景作為設計的依據；

（2）采用合適的火災模型對設計火災場景的煙氣蔓延情況進行模擬計算，最后根據這些分析的結果對選擇的防排煙系統設計方案進行評價；

（3）根據模擬結果對防排煙方案進行調整，直至最終確定建筑采取的最優方案。

影響性能化防排煙系統設計的因素主要有：自動噴水滅火系統和火災發生位置。由于噴水滅火系統動作，火災熱釋放的速率會降低，產生的煙量也會隨著下降，同時，噴淋系統動作會使煙氣溫度下降，造成煙氣的熱浮升力減少，煙氣層厚度降低，從而對防排煙系統的工作產生影響。高層建筑發生火災時，煙氣的蓄積和排放與火源點為位置有密切關系。例如在緊鄰建筑中庭和大空間的區域發生火災時，火災煙氣在蔓延是根可能進入中庭或大空間內，在火災區域滯留的煙氣反而會很少，此時科適量減個著火區域的設計排煙量。

4.結束語

總之，高層建筑火災煙氣蔓延直接影響到建筑內人員疏散和救援展開。研究表明，煙氣蔓延速度快慢除受火災規模、起火位置、建筑布局、空間高度影響外，還與建筑內的墻、地板、門等隔煙措施及機械風機產生的壓差等有關。