大空間建筑物內火災場景的模擬分析

■ 周游 撫順市消防救援支隊

火災是一種常規性、突發性災害，顧名思義，這種災害發生時我們無法進行及時的預測，只能通過一些有效措施進行及時的防控，以及采取一些必要的及時逃生手段，讓人們遇見此類災害時可以冷靜處理，盡可能地將災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 場模型內進行模型模擬。而文章的大空間建筑物的原型選用的是某工廠實際廠房內的擺設，這個廠房的結構是矩形的，空間大，長寬高分別為20m、10m 和12m。整個廠房劃分為兩個區域，左邊是員工宿舍，右邊是中庭空間，它的頂部會設有一個排煙窗，建筑物內部右側空間內設有寬2.1m 高2.0m 的出口。左邊的員工宿舍是三層的建筑，每層都有兩個橫向的房間，房間的面積為10m×5m×4m，一共是6 個房間，每個房間都有防火噴淋裝置。

眾所周知，當火災發生時，對人體傷害最大的就是吸入的火災煙氣，如果火災煙氣的量減少，就會降低火災對人體的傷害。所以文章將會測量在大空間建筑物模型中發生著火的區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械排煙系統這三種不同情況下的火災變化情況。

二、無滅火裝置可燃物火災模擬分析

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

根據調查，人體所能短暫承受的溫度只有60℃，如果發生火災時溫度超過100℃，那么人體就會因為皮膚和呼吸道無法忍受這劇痛而喪失逃生的能力。而在模擬工廠發生火災時，著火的房間的煙氣層溫度在100s時溫度會達到60℃，200s 達到220℃，之后會進入緩慢上升時期，并在沙發燒盡的時候溫度才會下降，但并不會降低太多。而且在宿舍發生的火災還會蔓延至中庭，與宿舍煙氣層溫度變化趨勢保持一致，大約在300s 時溫度會升高至60℃。通過推算可以發現工廠員工只有100～300s 的安全期時間用來快速逃離[2]。

上文所說明的情況雖是保守估計，但依然不容樂觀。更可怕的是，物體在發生著火時還可能會存在一個陰燃階段，不被人們所察覺。在這個階段宿舍的煙氣已經發生上移并蔓延，由于煙氣的密度小于空氣密度，它會在著火初期將煙氣層高度升高至4m，在著火后的100s 左右就會降低到1.5m，并且會保持不變，在600s 時會上升0.1m 的高度。根據研究表明，當煙氣層高度低于1.5m 時就會對人體產生危害，所以宿舍的員工要及時在100s 之內迅速逃離，否則就會危及生命安全。幸運的是由于中庭本身的空間領域大，中庭的煙氣層高度在瞬間達到12.0m，會隨著時間發生降低，在200s 降至最低至5.0m 左右，但在600s 內煙氣層的高度一致保持在4.0m 以上，這樣煙氣上升的時間會往后發生推移，位于中庭空間的員工由于存在一定的時間差，因此受到煙氣層高度的危害就會比較少。

三、加入噴淋裝置的火災模擬分析

為了分析加入噴淋裝置之后火災煙氣層的變化情況，該段將會繼續沿用上述模擬情景，并假設宿舍房間添加了噴淋裝置。該噴淋裝置的適用溫度是68℃，當受熱溫度達到68℃以上就會正常啟動，此時沙發發生著火的時間已經過去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域變化情況無異，都是逐漸升高，大約在210s 時升至90℃。之后在500s 時，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，是一個很好的環境狀態[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，之后持續穩定到580s，在580s 之后只是出現略微上升，上升的幅度遠小于沒有噴淋時。而中庭的煙氣層與沒有加入噴淋裝置時相比，高度始終沒有上升，而是呈現出逐漸下降的態勢，這顯示了擁有噴淋裝置與沒有噴淋裝置的不同模樣。

四、加入機械排煙裝置的火災模擬分析

在大空間建筑物模型的中庭加入一個機械排煙裝置進行模擬分析。這個排煙裝置可以將室內的煙經過排煙系統機械地排到室外，當然也是需要一定的時間。在與上文相同的火災情境下，可以得出以下的實驗結論：由于添加了一個排煙裝置，溫度并沒有發生明顯的變化，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，煙氣層往下降的時間增加了，人們增加了更多的時間用于逃生。

五、結語

根據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生火災時，無任何滅火和機械排煙裝置、有噴淋裝置、有噴淋與機械排煙裝置情況下大空間火災發展的不同變化過程，結論如下：

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

（2）加入噴淋裝置后，著火區域與中庭區的火勢危害都會被降低。因為噴淋裝置的啟動也會浪費一定的時間，因此要根據具體的火勢情況進行具體分析，不要浪費任何可以逃生的時間。

（3）機械排煙裝置的作用主要體現在安裝該系統的空間，但是模擬分析發現該裝置對于煙氣層溫度和高度的控制效果都比較有限。

火災是指在空間與時間上失去控制的燃燒現象，它是世界上最常見，也是對人類影響最嚴重的災害之一。通過系統性地對大空間建筑內火災發展演化過程的模擬研究，表明大空間建筑內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發展，增加被困人員的逃生時間。