辦公樓火災煙氣流動特性數值模擬

劉 影，劉一為，周天宇

(安徽工業大學 建筑工程學院，安徽 馬鞍山 243032)

0 前 言

火災給人類社會造成過巨大的生命財產損失，已成為一個災難性的問題。由火災造成的各類損失，也在成倍增加[1-2]，特別是多層多室建筑發生火災時所產生的“煙囪效應”造成的后果最為嚴重[3]。與其他類型火災相比，建筑火災隱患多，危險大，救援困難[4-6]，因此，掌握產生的高溫煙氣的蔓延情況，研究多層多室建筑火災特性是十分重要的。

研究表明，火災模擬技術能為建筑火災過程提供科學指導。基于此，本文以小型辦公樓建筑火災相關特性為研究對象。借助FDS軟件，模擬多層多室建筑火災過程，研究火災時著火房間、各樓層走廊的煙氣層高度的分布規律，重點分析高溫煙氣在建筑內部的蔓延規律及影響，尤其對著火房間及各樓層走廊的煙氣層高度進行對比分析，得出不同火災場景的火災危險臨界時間。

1 火災場景設計與模型建立

1.1 火災場景設計

本文以多層多室小型辦公樓為模擬對象進行一系列的火災特性研究。選擇的建筑總面積為2 050 m2，層數為5層，建筑總高度為16 m，每一層的凈高為3.0 m，共有65個辦公房間，每個房間可容納4人辦公。每層各房間通過走廊連接，走廊寬1.8 m。該辦公樓的墻壁和地板材料均為混凝土，阻燃性材料，辦公房間內的沙發為易燃性材料，無機械排煙設施，全部為自然排煙。著火房間長為6 m，寬為3.8 m，總面積為22.8 m2，火源的面積大小為0.24 m2。本次模擬在建筑物內共設置3個火源位置，分別為：一層正對樓梯間的辦公室、二層正對樓梯間的辦公室和辦公樓頂層中間位置的辦公室，其中，火源1主要研究在無機械排煙設施的情況下，火災煙氣在著火房間、各樓層走廊的發展蔓延情況；火源2主要研究自然排煙狀態下，火災煙氣在二層著火房間、二層及二層以上各層走廊的蔓延狀態及對人員疏散的影響；火源3主要研究自然排煙的情況下頂層著火房間對頂層人員疏散所產生的影響。

1.2 模型建立

本次模擬建立的模型尺寸為長×寬×高=29.7 m×13.8 m×16 m的長方體，設置最小網格模型尺寸是0.5 m×0.5 m×0.5 m，網格總數為53 760個。通過相關公式計算設定了火災荷載密度qf為230 MJ/m2，火災增長因子al為0.046 9 kW/s2，火災最大熱釋放速率設定為1 500 kW。設置相應探測點收集火災模擬結果，針對具體情況，設置了煙氣層高度的探測點48個。

2 模擬結果與討論

煙氣層高度的探測是建筑物發生火災時人員進行相關急救活動的重要參數。本次模擬設定的人眼特征高度為1.7 m，通過相關公式計算得出，高溫煙氣層對人體構成危險的臨界高度為2.0 m。模擬結果顯示，著火房間內的煙氣蔓延情況如圖1所示，其中，(a)是火災發生后，高溫煙氣充滿整個著火房間；(b)是高溫煙氣充滿著火房間后，迅速向建筑的一層走廊擴散的過程。

(a)高溫煙氣充滿整個 著火房間

由圖1可以看出，首層房間著火時，火災產生大量煙氣，由于房間空間較小，煙氣無法立即排出，會在很短時間內在房間頂端附近聚集，煙氣層的厚度隨著火災的發展越來越厚，當煙氣層高度下降至房間門高度時，煙氣擴散至一層走廊，沿走廊的左右兩個方向擴散，同時高溫煙氣向著正對著火房間的樓梯間蔓延，隨后因為“煙囪效應”使得煙氣迅速擴散至其他樓層。

2.1 各樓層房間煙氣層高度分析

將一層著火房間和其他各樓層中處于最不利位置房間的煙氣層高度對比分析發現(見圖2)：一層著火房間和二層房間煙氣層高度趨于穩定，相對其他各層來說較快，其中一層著火房間的煙氣層高度趨于穩定的速度最快，三層最慢。一層著火房間里的煙氣層高度在65 s時趨于穩定，且最終煙氣層高度趨于0.5 m左右。相比一層的著火房間，其他房間趨于最終煙氣層的高度和時間也具有一定的參考價值。

(a)1、2層房間煙氣高度對比

2.2 各樓層走廊煙氣層高度分析

各樓層走廊煙氣層分布如圖3所示。

(a)1、2層走廊煙氣高度對比

由各樓層具體煙氣層高度總結得出各樓層走廊煙氣層高度趨于穩定的時間(見圖3)，結合本文此前所設定的高溫煙氣層對人構成危險的臨界高度為2.0 m可知，火災發生后，各樓層走廊煙氣層高度趨于穩定值均低于臨界高度，火場疏散環境惡劣，由于每層的凈層高為3 m，煙氣的擴散速度很快，每層煙氣層高度趨于穩定值所需時間也很短。實驗數據表明，一層房間著火時，一層走廊煙氣層高度降至2 m最快需要接近165 s的時間，隨著樓層的增加，各樓層走廊的煙氣層高度降至煙氣層高度危險臨界值2 m所需的時間就越長。

3 結 論

1)在一層房間著火的情況下，煙氣層高度對人員疏散的火災危險臨界時間均有著極大的影響。

2)一層房間著火的情況下，著火房間的人員必須在40 s之內撤離，而其他人員必須在165 s內撤離建筑物。在165 s時，一層走廊的煙氣層高度下降至2 m，當疏散路徑上的煙氣層高度低于安全疏散高度值時就會影響到人員疏散整個過程。

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