體育館大空間火災(zāi)煙氣分析

摘 要：本文對體育館大空間發(fā)生火災(zāi)后的煙氣流動情況進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬分析，分析了火災(zāi)發(fā)生點(diǎn)在不同區(qū)域的情況下煙氣的擴(kuò)散情況及安全影響，并對大空間是否需設(shè)置擋煙垂壁進(jìn)行了計(jì)算驗(yàn)證，為類似的體育館大空間消防設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：體育館大空間；數(shù)值模擬；火災(zāi)煙氣分布

SMOKE ANALYSIS OF LARGE SPACE FIRE IN GYMNASIUM

Liu Jian

TONGJI ARCHITECTURAL DESIGN （GROUP） CO.， LTD.

Abstract： The author simulute The gas flow of fire in large space gymnasium，analysis of the point spread and influence the safety of flue gas in different regions under the condition of fire， and the large space whether the need to set the hanging wall is calculated and verified， the paper provide reference for fire protection design of similar large space gymnasium.

Key words： Large space in Gymnasium，Numerical simulation， Fire smoke distribution

1.背景

隨著近年經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，市場對文化體育的需求逐漸增大，很多大型體育館建筑在各地興建，由于體育館建筑規(guī)模越來越大，且造型越來越多樣化，經(jīng)常出現(xiàn)規(guī)范要求與建筑效果相沖突的問題。

本文就對某室內(nèi)體育館防煙設(shè)施與建筑效果相沖突的問題進(jìn)行分析，該體育館屋面采用空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，觀眾席座位數(shù)有5600個，按照上海市防排煙規(guī)范要求，需要在網(wǎng)架內(nèi)設(shè)置約5m高的固定擋煙垂壁加約5m高的活動擋煙垂壁，這樣不僅破壞了網(wǎng)架的整體性，其對聲、光均有不受控制的遮擋和反射作用，其卷簾盒對整個場館的美觀影響也非常大。而不做防煙設(shè)施，又可能對生命財(cái)產(chǎn)安全造成重大影響，因此本文將對該室內(nèi)體育館設(shè)施煙氣的運(yùn)動采用數(shù)值模擬的方法，以分析大型體育館空間煙氣對人員活動區(qū)的影響，為類似大空間消防設(shè)計(jì)提供參考。

2.物理模型及參數(shù)設(shè)置

2.1軟件介紹

本項(xiàng)目采用數(shù)值模擬軟件FDS，該軟件由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院開發(fā)。FDS專門從數(shù)值技術(shù)方面解決一系列適合于熱驅(qū)動、低速流動的Navier-Stokes方程，重點(diǎn)適用于火災(zāi)導(dǎo)致的熱煙傳播和蔓延的數(shù)值模擬。利用FDS軟件能夠?qū)?shí)際消防安全工程中的一系列物理參數(shù)和設(shè)施，如火場溫度、速度、火源、火災(zāi)探測器、風(fēng)機(jī)、擋煙設(shè)施、噴頭等在模型中建立，并能夠在模擬中讓它們再現(xiàn)實(shí)際火災(zāi)中的動作時序，與真實(shí)火災(zāi)的相似性很大。

2.2物理模型

該室內(nèi)體育館建筑面積約5000 m2，場地凈高27.6m，長邊長80m，短邊長64m，其中中間為比賽場地，周邊為觀眾座位，建筑平面與剖面見圖1-3。室內(nèi)體育館設(shè)置機(jī)械排煙，整個空間作為一個防煙分區(qū)，排煙量設(shè)置為451700m3/h，沿體育館屋頂網(wǎng)架結(jié)構(gòu)周圍均勻布置8個排煙口，火災(zāi)時，煙氣通過吊裝在網(wǎng)架內(nèi)的排煙風(fēng)管排至室外，消防補(bǔ)風(fēng)采用底部直接對外的大門作為消防補(bǔ)風(fēng)口。

2.3火災(zāi)場景

FDS火災(zāi)模擬包含四個火災(zāi)場景，主要分析可能存在的不同火災(zāi)發(fā)生點(diǎn)情況，以分析不同情況下火災(zāi)煙氣的分布情況：

（1） 比賽場地發(fā)生火災(zāi)，

（2） 觀眾席中間區(qū)域發(fā)生火災(zāi)，

（3） 觀眾席最高處發(fā)生火災(zāi)，

（4） 比賽場地發(fā)生小規(guī)模火災(zāi)，

場景1-3主要分析不同區(qū)域發(fā)生火災(zāi)煙氣分布的情況，場景4分析小規(guī)模火災(zāi)情況下，煙氣是否無法形成穩(wěn)定的上升氣流，從而不規(guī)則的四散彌漫，對觀眾區(qū)人員造成不利影響。

2.4主要參數(shù)設(shè)置

2.4.1火災(zāi)規(guī)模和熱釋放速率

該室內(nèi)體育館為無噴淋的公共場所，場景1-3根據(jù)上海防排煙規(guī)范規(guī)定，選取火災(zāi)規(guī)模為8MW，場景4考慮為小規(guī)模火災(zāi)，選取火災(zāi)規(guī)模為2MW。

火災(zāi)熱釋放量按以下公式計(jì)算：

式中：Q - 火災(zāi)熱釋放量（kW）；

t- 排煙系統(tǒng)啟動時間（s）；

a- 火災(zāi)增長系數(shù)，由于體育場館引發(fā)火災(zāi)的材料很可能為比賽用的泡沫塑料和木箱等，因此火情考慮為快，選取0.047。

模擬時間為600s。熱釋放速率曲線如圖4-2：

圖4 火災(zāi)熱釋放速率曲線

2.4.2機(jī)械排風(fēng)設(shè)置

根據(jù)體育館防排煙設(shè)計(jì)，場館上方設(shè)置8個排煙口，消防補(bǔ)風(fēng)采用兩個直通室外的大門提供，火災(zāi)發(fā)生后，煙感和溫感探測器達(dá)到探測閾值時，發(fā)出火災(zāi)報(bào)警，并啟動機(jī)械排煙，考慮實(shí)際系統(tǒng)延遲啟動的因素，如火災(zāi)探測延遲、報(bào)警系統(tǒng)延遲、防火閥關(guān)閉延遲等因素，模型中設(shè)置為煙感和溫感探測器達(dá)到閾值后60s開啟機(jī)械排煙。

2.5判定標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)火災(zāi)煙氣對人員的危害情況，主要有下列因素：

（1） 煙氣層高度；

在疏散過程中，煙氣層應(yīng)始終保持在人群頭部以上一定高度，人在疏散時不必要從煙氣中穿過或受到熱煙氣流的輻射熱威脅。根據(jù)規(guī)范所推薦的方法計(jì)算清晰高度為：

h=1.6+0.1H

式中，h，清晰高度，m；endprint

H，大空間建筑高度，m。

室內(nèi)體育館需要保證的清晰高度應(yīng)為：h=15.52m。

（2） 熱輻射；

人體對煙氣層等火災(zāi)環(huán)境的輻射熱的耐受極限為2.5kW/m2，即相當(dāng)于上部煙氣層的溫度約為180℃～200℃。

（3） 對流熱；

高溫空氣中的水分含量對人體的耐受能力有顯著影響。人體在60℃環(huán)境中可以待至半小時以上。

（4） 煙氣毒性；

火災(zāi)中的熱分解產(chǎn)物及其濃度與分布因燃燒材料、建筑空間特性和火災(zāi)規(guī)模等不同而有所區(qū)別。在設(shè)計(jì)和評估時，可簡化為：如果空間內(nèi)煙氣的光密度不大于0.1OD/m，則視為各種毒性燃燒產(chǎn)物的濃度在30min內(nèi)達(dá)不到人體的耐受極限，通常以CO的濃度為主要定量判定指標(biāo)。

（5）能見度。

可視度的定量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)建筑內(nèi)的空間高度和面積大小確定。一般對于小空間，其可視度要求為5m以上；對于大空間，其可視度要求在10m以上，考慮到本項(xiàng)目屬于人員密集場所，可視度要求按15m以上考慮。

綜上所述，本項(xiàng)目安全的判定標(biāo)準(zhǔn)如下：

1）15.52m高度以下，對于充滿飽和水蒸汽的空氣的耐受溫度不超過60°C；

2）15.52m高度以下，空間內(nèi)CO濃度不超過500ppm；

3）15.52m高度以下，空間能見度不低于15m。

3.模擬結(jié)果分析

3.1場景1 比賽場地發(fā)生火災(zāi)

t=60s時火源中心豎向剖面溫度變化

當(dāng)室內(nèi)體育館比賽場地發(fā)生火災(zāi)后，火源中心豎向剖面溫度變化如圖5，火災(zāi)發(fā)生后在火源點(diǎn)上方形成了穩(wěn)定的上升氣流，隨著火災(zāi)的發(fā)展，煙氣逐漸在體育館屋頂區(qū)域集聚，且煙氣界面逐漸下降，但是在火災(zāi)發(fā)生600s時，除火源點(diǎn)及上部區(qū)域以外，煙氣溫度均不超過60℃。

火災(zāi)發(fā)生600s后室內(nèi)體育館內(nèi)火源中心豎向剖面能見度和CO濃度分布如圖6，除火源點(diǎn)外，能見度均超過15m，CO濃度均低于500ppm。

由上可知，室內(nèi)體育館在比賽場地發(fā)生火災(zāi)后，由于整個空間較大，煙氣充分與空氣混合，溫度下降很快，除火源點(diǎn)及上方區(qū)域外，煙氣均不超過60℃，同時大部分區(qū)域的能見度和CO濃度也沒有超過限值，對人員疏散影響較小。

3.2場景2 觀眾席中間區(qū)域發(fā)生火災(zāi)

當(dāng)室內(nèi)體育館觀眾席中間區(qū)域發(fā)生火災(zāi)后，火源中心豎向剖面溫度變化如圖7，火災(zāi)發(fā)生后形成穩(wěn)定的上升氣流，隨著火災(zāi)的發(fā)展，煙氣靠近建筑墻體集聚，在火災(zāi)發(fā)生600s時，火源點(diǎn)及靠近墻體附近，煙氣溫度都超過了60℃，體育館上方煙氣層高度比場景1的高。

火災(zāi)發(fā)生600s后室內(nèi)體育館內(nèi)火源中心豎向剖面能見度和CO濃度分布如圖8，除火源點(diǎn)及靠近墻體區(qū)域外，能見度均超過15m，CO濃度均低于500ppm。

由上可知，室內(nèi)體育館在觀眾席中間區(qū)域發(fā)生火災(zāi)后，煙氣發(fā)展初期氣流穩(wěn)定向上，但是當(dāng)煙氣繼續(xù)增加后，煙氣貼附墻體，向四周蔓延，煙氣沒有足夠的空氣稀釋降溫，逐漸在火源點(diǎn)與墻體間形成高溫區(qū)域，可能造成火災(zāi)的蔓延，不利于人員的疏散。

3.3 場景3 觀眾席最上方發(fā)生火災(zāi)

當(dāng)室內(nèi)體育館觀眾席最上方發(fā)生火災(zāi)后，火源中心豎向剖面溫度變化如圖9，火災(zāi)發(fā)生后，由于觀眾席上方構(gòu)筑物的影響，煙氣沒有形成穩(wěn)定的上升氣流，而是在構(gòu)筑物下方集聚，隨著火災(zāi)的發(fā)展，煙氣向儲煙倉流動，在火災(zāi)發(fā)生600s時，火源點(diǎn)及靠近墻體附近，煙氣溫度都超過了60℃。

火災(zāi)發(fā)生600s后室內(nèi)體育館內(nèi)火源中心豎向剖面能見度和CO濃度分布如圖10，除火源點(diǎn)外，能見度均超過15m，CO濃度均低于500ppm。

由上可知，室內(nèi)體育館在觀眾席最高點(diǎn)發(fā)生火災(zāi)后，受上方構(gòu)筑物的影響，煙氣沒有通暢的向上通道，煙氣易向四周蔓延，并在局部空間形成高溫區(qū)域，可能造成火災(zāi)的蔓延，不利于人員的疏散。

3.4場景4 比賽場地發(fā)生小規(guī)模火災(zāi)

t=60s時火源中心豎向剖面溫度變化

t=120s時火源中心豎向剖面溫度變化 t=300s時火源中心豎向剖面溫度變化

t=600s時火源中心豎向剖面能見度

t=600s時火源中心豎向剖面CO濃度 圖12 場景3火災(zāi)發(fā)生后溫度變化圖表

當(dāng)室內(nèi)體育館發(fā)生小規(guī)模火災(zāi)后，火源中心豎向剖面溫度變化如圖11，火災(zāi)發(fā)生后在火源點(diǎn)上方形成了穩(wěn)定的上升氣流，隨著火災(zāi)的發(fā)展，煙氣逐漸在體育館屋頂區(qū)域集聚，在火災(zāi)發(fā)生600s時，除火源點(diǎn)上部區(qū)域以外，煙氣溫度均不超過60℃。

火災(zāi)發(fā)生600s后室內(nèi)體育館內(nèi)火源中心豎向剖面能見度和CO濃度分布如圖12，除火源點(diǎn)外，能見度均超過15m，CO濃度均低于500ppm。

由上可知，室內(nèi)體育館發(fā)生小規(guī)模火災(zāi)后， 可以形成穩(wěn)定的上升氣流，并不會向觀眾區(qū)域蔓延。

4.總結(jié)

通過對室內(nèi)體育館內(nèi)不同火源點(diǎn)、不同規(guī)模的火災(zāi)模擬，可得出以下結(jié)論：

1） 該火災(zāi)發(fā)生的10分鐘內(nèi)，觀眾區(qū)溫度、能見度、CO濃度均未超過限值，遠(yuǎn)超過規(guī)范規(guī)定體育館建筑3.5分鐘的疏散時間要求，可以滿足人員疏散要求。

2） 由于室內(nèi)體育館空間開闊，火災(zāi)發(fā)生后，人員能及時發(fā)現(xiàn)火情并逃離，因此對于同等規(guī)模的室內(nèi)體育館，不設(shè)擋煙垂壁可以增加儲煙倉的空間，延緩煙氣層向觀眾區(qū)蔓延，有利于人員疏散。

3） 在觀眾席上方應(yīng)避免設(shè)置過大的構(gòu)筑物，影響煙氣向儲煙倉流動，可能對人員疏散造成不利影響。

4） 在儲煙倉區(qū)域避免設(shè)置人員活動區(qū)，防止火災(zāi)和煙氣的蔓延。

本項(xiàng)目由于實(shí)際情況的限制，無法完全按照規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此申請召開了消防專家評審會，以上對消防性能方面的專項(xiàng)分析以及設(shè)計(jì)采取相應(yīng)的消防措施，最終獲得了專家的認(rèn)可，保證了建筑效果與消防安全兩方面的平衡。

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【文章編號】1627-6868（2017）09-0001-05

【作者簡介】劉建，男，籍貫湖南，高級工程師，擔(dān)任機(jī)電專業(yè)負(fù)責(zé)人職務(wù)，主要方向有計(jì)算流體模擬分析以及BIM（建筑信息模型）技術(shù)研究。endprint