大空間建筑物內(nèi)火災(zāi)場景的模擬分析

周游

摘要：火災(zāi)這種突發(fā)性的災(zāi)難很常見，而且它帶來的危害是巨大的。它不僅會(huì)對(duì)我們的財(cái)產(chǎn)安全造成傷害，甚至?xí)：用竦娜松戆踩Ｒ虼宋覀儽仨氠槍?duì)類似火災(zāi)這種突發(fā)性災(zāi)難提早做準(zhǔn)備，從而減少火災(zāi)給我們帶來的傷害。文章以典型大空間建筑物為案例，通過模擬分析出在大空間建筑物內(nèi)不同情況下發(fā)生的火災(zāi)現(xiàn)象，并根據(jù)火災(zāi)的發(fā)展規(guī)律與特點(diǎn)對(duì)癥下藥。

關(guān)鍵詞：大空間建筑物;火災(zāi)場景;模擬分析

火災(zāi)是一種常規(guī)性、突發(fā)性災(zāi)害，顧名思義，這種災(zāi)害發(fā)生時(shí)我們無法進(jìn)行及時(shí)的預(yù)測，只能通過一些有效措施進(jìn)行及時(shí)的防控，以及采取一些必要的及時(shí)逃生手段，讓人們遇見此類災(zāi)害時(shí)可以冷靜處理，盡可能地將災(zāi)害造成的損失降到最低。

一、以大空間建筑物模型為例

大空間建筑物模型是指將已存在的建筑物原型在CFAST場模型內(nèi)進(jìn)行模型模擬。而文章的大空間建筑物的原型選用的是某工廠實(shí)際廠房內(nèi)的擺設(shè)，這個(gè)廠房的結(jié)構(gòu)是矩形的，空間大，長寬高分別為20m、10m和12m。整個(gè)廠房劃分為兩個(gè)區(qū)域，左邊是員工宿舍，右邊是中庭空間，它的頂部會(huì)設(shè)有一個(gè)排煙窗，建筑物內(nèi)部右側(cè)空間內(nèi)設(shè)有寬2.1m高2.0m的出口。左邊的員工宿舍是三層的建筑，每層都有兩個(gè)橫向的房間，房間的面積為10m×5m×4m，一共是6個(gè)房間，每個(gè)房間都有防火噴淋裝置。

眾所周知，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，對(duì)人體傷害最大的就是吸入的火災(zāi)煙氣，如果火災(zāi)煙氣的量減少，就會(huì)降低火災(zāi)對(duì)人體的傷害。所以文章將會(huì)測量在大空間建筑物模型中發(fā)生著火的區(qū)域煙氣層的高度與溫度，在無滅火裝置、著火房間噴淋裝置正常工作以及加入機(jī)械排煙系統(tǒng)這三種不同情況下的火災(zāi)變化情況。

二、無滅火裝置可燃物火災(zāi)模擬分析

本部分主要以布藝沙發(fā)家具這種可燃物起火的模擬對(duì)象，探討在著火區(qū)域以及中庭內(nèi)的火災(zāi)發(fā)生情況。本次模擬發(fā)生場景在工廠的宿舍區(qū)域，一層距離出口最近的一個(gè)房間，當(dāng)時(shí)房間內(nèi)的沙發(fā)發(fā)生著火。通過對(duì)布藝沙發(fā)的分析，可以得知布藝沙發(fā)主要是以紡織布料和木材為主，在氧氣充足的情況下，沙發(fā)表面發(fā)生迅速熱裂解。其中假設(shè)該材料比熱容為1000J/（kg·K），密度為2200kg/m3，發(fā)射率為0.94。在這種氧氣充足且沒有滅火設(shè)備的情況下，熱釋放率從起火到150s左右就可以達(dá)到最大值，保持300s的充分燃燒，將會(huì)在450s之后沙發(fā)燒盡，熱釋放率呈現(xiàn)下降趨勢[1]。

根據(jù)調(diào)查，人體所能短暫承受的溫度只有60℃，如果發(fā)生火災(zāi)時(shí)溫度超過100℃，那么人體就會(huì)因?yàn)槠つw和呼吸道無法忍受這劇痛而喪失逃生的能力。而在模擬工廠發(fā)生火災(zāi)時(shí)，著火的房間的煙氣層溫度在100s時(shí)溫度會(huì)達(dá)到60℃，200s達(dá)到220℃，之后會(huì)進(jìn)入緩慢上升時(shí)期，并在沙發(fā)燒盡的時(shí)候溫度才會(huì)下降，但并不會(huì)降低太多。而且在宿舍發(fā)生的火災(zāi)還會(huì)蔓延至中庭，與宿舍煙氣層溫度變化趨勢保持一致，大約在300s時(shí)溫度會(huì)升高至60℃。通過推算可以發(fā)現(xiàn)工廠員工只有100～300s的安全期時(shí)間用來快速逃離[2]。

上文所說明的情況雖是保守估計(jì)，但依然不容樂觀。更可怕的是，物體在發(fā)生著火時(shí)還可能會(huì)存在一個(gè)陰燃階段，不被人們所察覺。在這個(gè)階段宿舍的煙氣已經(jīng)發(fā)生上移并蔓延，由于煙氣的密度小于空氣密度，它會(huì)在著火初期將煙氣層高度升高至4m，在著火后的100s左右就會(huì)降低到1.5m，并且會(huì)保持不變，在600s時(shí)會(huì)上升0.1m的高度。根據(jù)研究表明，當(dāng)煙氣層高度低于1.5m時(shí)就會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害，所以宿舍的員工要及時(shí)在100s之內(nèi)迅速逃離，否則就會(huì)危及生命安全。幸運(yùn)的是由于中庭本身的空間領(lǐng)域大，中庭的煙氣層高度在瞬間達(dá)到12.0m，會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生降低，在200s降至最低至5.0m左右，但在600s內(nèi)煙氣層的高度一致保持在4.0m以上，這樣煙氣上升的時(shí)間會(huì)往后發(fā)生推移，位于中庭空間的員工由于存在一定的時(shí)間差，因此受到煙氣層高度的危害就會(huì)比較少。

三、加入噴淋裝置的火災(zāi)模擬分析

為了分析加入噴淋裝置之后火災(zāi)煙氣層的變化情況，該段將會(huì)繼續(xù)沿用上述模擬情景，并假設(shè)宿舍房間添加了噴淋裝置。該噴淋裝置的適用溫度是68℃，當(dāng)受熱溫度達(dá)到68℃以上就會(huì)正常啟動(dòng)，此時(shí)沙發(fā)發(fā)生著火的時(shí)間已經(jīng)過去80s，噴淋裝置開始工作，在受到直徑為15mm的噴頭直接噴射后，沙發(fā)的火勢明顯受到了抑制，火勢開始降低，最后熄滅。

擁有噴淋裝置的煙氣層溫度變化情況如下：在前200s，煙氣層溫度變化情況與沒有噴淋裝置的區(qū)域變化情況無異，都是逐漸升高，大約在210s時(shí)升至90℃。之后在500s時(shí)，由于噴淋作用，將煙氣層溫度下降到人體可以忍受的階段。而中庭的溫度也一直沒有超過人體的臨界值，是一個(gè)很好的環(huán)境狀態(tài)[3]。

擁有噴淋裝置的煙氣層的變化情況與未加入噴淋裝置時(shí)的情況相比，煙氣層的高度并沒有太明顯的變化。同樣是在約100s左右降至最低，之后持續(xù)穩(wěn)定到580s，在580s之后只是出現(xiàn)略微上升，上升的幅度遠(yuǎn)小于沒有噴淋時(shí)。而中庭的煙氣層與沒有加入噴淋裝置時(shí)相比，高度始終沒有上升，而是呈現(xiàn)出逐漸下降的態(tài)勢，這顯示了擁有噴淋裝置與沒有噴淋裝置的不同模樣。

四、加入機(jī)械排煙裝置的火災(zāi)模擬分析

在大空間建筑物模型的中庭加入一個(gè)機(jī)械排煙裝置進(jìn)行模擬分析。這個(gè)排煙裝置可以將室內(nèi)的煙經(jīng)過排煙系統(tǒng)機(jī)械地排到室外，當(dāng)然也是需要一定的時(shí)間。在與上文相同的火災(zāi)情境下，可以得出以下的實(shí)驗(yàn)結(jié)論：由于添加了一個(gè)排煙裝置，溫度并沒有發(fā)生明顯的變化，與沒安裝相比就低了2℃，但中庭煙氣層的溫度與高度都受到了一定的影響，煙氣層往下降的時(shí)間增加了，人們?cè)黾恿烁嗟臅r(shí)間用于逃生。

五、結(jié)語

根據(jù)上述三種不同情況下的模擬分析可知，在大空間典型建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，無任何滅火和機(jī)械排煙裝置、有噴淋裝置、有噴淋與機(jī)械排煙裝置情況下大空間火災(zāi)發(fā)展的不同變化過程，結(jié)論如下：

（1）在無任何滅火和機(jī)械排煙裝置的情況下，留給著火區(qū)域人員的逃生時(shí)間只有100s，超出100s，人體將無法承受火災(zāi)溫度與煙氣的高度，生命安全受到威脅，而中庭內(nèi)人員逃生時(shí)間相對(duì)較長，危險(xiǎn)相對(duì)低一些。

（2）加入噴淋裝置后，著火區(qū)域與中庭區(qū)的火勢危害都會(huì)被降低。因?yàn)閲娏苎b置的啟動(dòng)也會(huì)浪費(fèi)一定的時(shí)間，因此要根據(jù)具體的火勢情況進(jìn)行具體分析，不要浪費(fèi)任何可以逃生的時(shí)間。

（3）機(jī)械排煙裝置的作用主要體現(xiàn)在安裝該系統(tǒng)的空間，但是模擬分析發(fā)現(xiàn)該裝置對(duì)于煙氣層溫度和高度的控制效果都比較有限。

火災(zāi)是指在空間與時(shí)間上失去控制的燃燒現(xiàn)象，它是世界上最常見，也是對(duì)人類影響最嚴(yán)重的災(zāi)害之一。通過系統(tǒng)性地對(duì)大空間建筑內(nèi)火災(zāi)發(fā)展演化過程的模擬研究，表明大空間建筑內(nèi)著火房間存在有效的噴淋裝置可以在一定程度上控制火災(zāi)發(fā)展，增加被困人員的逃生時(shí)間。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡玉玲，肖麒麟，王懷秀，等.大空間建筑物內(nèi)火災(zāi)場景的模擬研究[J].北京建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2020（02）：74-79.

[2]周綱.大空間建筑火災(zāi)模擬計(jì)算[J].福建建材，2009（02）：37-38.

[3]白音，楊海勇，石永久，等.大空間結(jié)構(gòu)各種火災(zāi)場景下的溫度場分布[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011（08）：1122-1127.

3107500338233