高層及超高層建筑火災試驗用環境風場 模擬裝置研發

摘要：開展高層及超高層建筑火災試驗研究時，若不考慮室外環境風場的影響將無法較為真實地反映出建筑外立面真實的火場環境，既有的環境風場模擬裝置大多應用于火災科學以外的領域，雖然也有為數不多的用于火災試驗的環境風場模擬裝置，但其在高層及超高層建筑外立面火災試驗方面的應用仍存在很大的局限性。本文主要介紹了一種針對上述技術不足而專門研發的應用于建筑外立面火災試驗的環境風場模擬裝置，論述了該裝置的主要組成和技術功能，并對其今后的應用提出設想和展望。

關鍵詞：環境風場模擬；火災試驗；外立面；高層建筑

隨著社會經濟的發展和城鎮化進程的加劇，城市土地資源承載力受到了前所未有的挑戰，土地資源的集約利用及建筑空間的高效整合成為必然的發展趨勢，許多高層及超高層建筑應運而生。但伴隨著巨大的建筑體量、密集的人員分布和較高的火災荷載，一旦發生火災其危害性也絕非普通單、多層建筑可比，極易造成重大的人員傷亡和財產損失。因此，對高層及超高層建筑開展火災試驗研究對火災蔓延機理的掌握、防火滅火策略的制定以及人員疏散的決策均具有極其重要的指導作用。

近些年諸多火災案例表明，建筑外立面已成為高層及超高層建筑火災迅速蔓延的重要途徑，研究不同外立面形式下的開口火溢流行為特征對保障高層及超高層建筑消防安全具有非常重要的現實意義。由于作用于高層和超高層建筑外立面的環境風場的風速大小隨建筑高度的增加依冪指規律呈逐步增大的趨勢，較高樓層處室外環境風場的風速可達十幾米每秒甚至幾十米每秒，火災工況時開口火溢流行為勢必受到環境風場的強烈影響。因此，在開展高層及超高層建筑火災試驗研究時若不考慮室外環境風場的影響將無法較為真實地反映出建筑外立面真實的火場環境，因而研發一款應用于建筑外立面火災試驗的環境風場模擬裝置就顯得尤為迫切和重要。

一、既有環境風場模擬裝置研發現狀

既有的各環境風場模擬裝置大多應用于火災科學以外的領域，如用于海面風場模擬的室內環境風模擬試驗裝置，用于導線舞動試驗用的風場模擬裝置，以及用于模擬舒適性自然風的空調裝置等。而對于既有為數不多的應用于火災試驗的環境風場模擬裝置，其在高層及超高層建筑外立面火災試驗方面的應用仍存在很大的局限性。如中國石油大學（華東）研發的一種環境風作用下寬闊水面油池火燃燒模擬裝置僅能用于縮尺火災試驗，其中用于環境風場模擬的裝置雖可實現送風風速的變頻調節，但送風角度不能改變，也無法同時于不同高度處輸出不同大小的風速。又如中國科學技術大學研發的一種外界風作用下高層建筑樓梯井或豎井火災實驗模擬裝置也僅能用于縮尺火災試驗，其中用于環境風場模擬的裝置雖采用了移動風幕系統，可實現對任意樓層室外環境風場的模擬，但無法實現整個建筑外立面環境風場的同時再現，此外送風角度無法改變，僅能垂直于建筑外立面，送風速度的區間也僅為0～8m/s，很難反映超高層建筑較高樓層處的室外環境風場。同時，上述兩類環境風場模擬裝置送風面的幾何形狀均較為單一，無法產生具有多種分布規律的環境風場，且無法較好地應用于復雜幾何形狀的建筑外立面。因此，有必要設計一種能夠專門為高層及超高層建筑外立面全尺及縮尺火災試驗提供環境風場模擬的系統。

二、建筑外立面火災試驗用環境風場模擬裝置的設計與研發

針對上述技術不足，筆者及其課題組設計了一種應用于建筑外立面火災試驗的環境風場模擬單元及系統，以專門為高層及超高建筑火災試驗提供外部風場條件。如圖1及圖2所示，所設計的應用于建筑外立面火災試驗的環境風場模擬單元，包括殼體，以及設置于殼體內順次排布的變速風機、電動風閥、整流格柵及送風風道。其中變速風機至少與三個電動風閥對應，風閥為單軸矩形風閥，閥體可在0°～90°范圍內自由轉動。整流格柵和送風風道均與電動風閥數量相同且一一對應。每個送風風道的末端均設有球形噴口且不少于三個，球形噴口呈均勻分布，每個噴口可輸出0～20m/s風速，送風角度可在正負30°范圍內通過人工或執行機構調整。

1-風機，2-電動風閥，3-整流格柵，4-送風風道，5-球形噴口，6-支架，7-萬向輪，8-風速采集儀，9-控制柜，10-計算機

而如圖1所示，所設計的環境風場模擬系統包括至少兩個如上所述的環境風場模擬單元。所有的環境風場模擬單元按照平鋪或上下疊加的方式進行組合，以提供送風斷面為矩形、三角形或梯形等幾何形狀的環境風場。同時，該環境風場模擬系統還包括用于支撐和移動各個環境風場模擬單元的支架和萬向輪，以及用于控制系統送風速度和風向的控制系統。

控制系統由風速采集儀、控制柜及計算機組成。控制柜同時與環境場模擬單元中的變速風機、電動風閥和球形噴口連接。風速采集儀位于球形噴口前端，用于將采集到的風速值反饋給計算機。計算機與控制柜連接，用于通過控制柜控制變速風機的轉速、電動風閥的開度及球形噴口的送風角度，使每個送風通道的送風速度和風向穩定在預設值。

三、建筑外立面火災試驗用環境風場模擬裝置的應用設想

與現有技術相比，所設計的此套環境風場模擬裝置具有以下優勢及應用前景：

（一）該裝置應用廣泛，既可同時縮尺模擬整個建筑外立面不同高度處的環境風場，也可全尺模擬某著火層的室外環境風場，可同時應用于高層及超高層建筑的縮尺及全尺火災試驗。

（二）該裝置的環境風場模擬系統可通過支架將多個模擬單元快速組合及拼接，便于模塊化及標準化生產。同時可根據需要將送風斷面組合為矩形、三角形或梯形等幾何形狀，可應用于各種復雜幾何形狀的建筑外立面開口形式。

（三）該裝置在垂直方向上設置了多個送風風道，可根據某地環境風場隨高度的變化規律通過控制系統同時模擬多個高度處不同風速風向的環境風場，更加真實地反映出高層及超高層建筑外立面環境風場的分布特性。

（四）該裝置的送風末端采用球形噴口的形式，具有送風距離遠及速度衰減慢的優良特性，進行火災試驗時可在保證環境風場模擬系統與縮尺或全尺起火建筑之間安全距離的前提下，為高層及超高層建筑外立面提供符合速度要求的環境風場。

四、結語

所研發的應用于高層及超高層建筑外立面火災試驗的環境風場模擬單元及系統，通過合理的結構設計，利用變速風機、電動風閥以及球形噴口之間的配合，能夠很好地實現建筑外部環境風場的模擬，可為開展相關防火技術與產品的驗證試驗提供重要技術支持，使試驗結果更加真實可靠。同時，所獲取的試驗數據也可為防火滅火策略的制定及人員疏散決策提供重要參考。

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作者簡介：尹航，男，日本東京大學工學博士，公安部四川消防研究所消防技術規范研究室助理研究員，主要研究方向為建筑防火、建筑防排煙、暖通等。

基金項目：公安部技術研究計劃項目（2016JSYJB30），公安部消防局科研計劃重點攻關項目（2016XFGG05），公安部四川消防研究所基本科研業務費專項項目（20188819Z）。