基于FDS 的大空間自然排煙窗火災(zāi)排煙效能影響分析

何 方，丁哲勇

（1.上海凱玲消防工程有限公司，上海 200050；2.上海眾盈消防工程有限公司，上海 200040）

建筑物在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量高溫高熱的煙霧，建筑物所設(shè)置的排煙設(shè)施對(duì)于火災(zāi)煙霧及時(shí)排放起到重要作用。同時(shí)國(guó)家《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)高大空間自然排煙的排煙設(shè)施設(shè)置及排煙量有較為明確規(guī)定。國(guó)內(nèi)開(kāi)展了大量針對(duì)高大空間自然排煙的排煙設(shè)施設(shè)置及排煙量的分析研究[1-4]。

在建筑場(chǎng)所設(shè)置自然排煙的排煙設(shè)施，還存在自然排煙工況下補(bǔ)風(fēng)設(shè)施設(shè)置問(wèn)題，但是目前國(guó)內(nèi)對(duì)于自然排煙工況下補(bǔ)風(fēng)設(shè)施的設(shè)置并不明確[5-6]。同時(shí)，針對(duì)自然排煙工況下補(bǔ)風(fēng)設(shè)施的火災(zāi)排煙效能影響分析較少。為此，本文基于FDS 軟件并結(jié)合10 種不同自然排煙及補(bǔ)風(fēng)工況，對(duì)各種工況進(jìn)行了火災(zāi)排煙效能的分析。

1 火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)置及煙氣控制有效性評(píng)價(jià)的性能指標(biāo)選定

南方某地?cái)z影棚建筑為鋼結(jié)構(gòu)建筑，長(zhǎng)、寬、高分別為37.48 m、15.48 m、18.00 m，面積為580.19 m2。長(zhǎng)邊一側(cè)設(shè)2 個(gè)寬5 m、高4 m 的安全疏散門(mén)（常開(kāi)）。火災(zāi)時(shí)采用自然排煙及自然補(bǔ)風(fēng)。自然排煙補(bǔ)風(fēng)工況的設(shè)定，根據(jù)GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“標(biāo)準(zhǔn)”）表4.6.3 可得，凈高大于9.0 m 場(chǎng)所計(jì)算排煙量為2.43×105m3/h，側(cè)窗口部風(fēng)速為1.06 m/s，得到側(cè)窗排煙窗面積為63.68 m2。

當(dāng)采用頂開(kāi)窗排煙時(shí)，其自然排煙窗（口）的風(fēng)速可按側(cè)窗口部風(fēng)速的1.4 倍計(jì)，即為1.48 m/s，得到頂開(kāi)窗排煙窗面積為45.61 m2。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)表4.6.7，該場(chǎng)所（無(wú)噴淋情況）火災(zāi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)熱釋放率為10 MW。設(shè)火災(zāi)初起火源位置為建筑中間地面，火源熱釋放率為10 MW，火災(zāi)情況下煙羽流形式為軸對(duì)稱(chēng)型煙羽流，該建筑設(shè)為一個(gè)防煙分區(qū)。

共設(shè)10 種自然排煙工況，具體各自然排煙工況參數(shù)如下：①排煙開(kāi)窗（長(zhǎng)邊兩側(cè)高位，開(kāi)窗高度12.3～17.8 m），補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)（低位，長(zhǎng)邊一側(cè)）；②排煙開(kāi)窗（長(zhǎng)邊兩側(cè)中位，開(kāi)窗高度10.0～15.5 m），補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)（低位，長(zhǎng)邊一側(cè)）；③排煙開(kāi)窗（長(zhǎng)邊兩側(cè)低位，開(kāi)窗高度3.0～6.5 m），補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)（低位，長(zhǎng)邊一側(cè)）；④排煙開(kāi)窗（長(zhǎng)邊一側(cè)高位，開(kāi)窗高度12.3～17.8 m），補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)（低位，長(zhǎng)邊一側(cè)）；⑤排煙開(kāi)窗（短邊兩側(cè)高位，開(kāi)窗高度12.3～17.8 m），補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)（低位，長(zhǎng)邊一側(cè)）；⑥排煙開(kāi)窗（短邊一側(cè)高位，開(kāi)窗高度12.3～17.8 m），補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)（低位，長(zhǎng)邊一側(cè)）；⑦排煙頂部開(kāi)窗（短邊一側(cè)高位，開(kāi)窗高度12.3～17.8 m），補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)（低位，長(zhǎng)邊一側(cè)）；⑧排煙開(kāi)窗（長(zhǎng)邊兩側(cè)高位，開(kāi)窗高度12.3～17.8 m），補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)（低位，長(zhǎng)邊兩側(cè)）；⑨排煙開(kāi)窗（長(zhǎng)邊兩側(cè)高位，開(kāi)窗高度12.3～17.8 m），補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)（低位，短邊一側(cè)）；⑩排煙開(kāi)窗（長(zhǎng)邊兩側(cè)高位，開(kāi)窗高度12.3～17.8 m），補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)（低位，短邊兩側(cè)）。

每種工況設(shè)4 個(gè)排煙窗，每個(gè)窗長(zhǎng)3 m，高5.5 m，總自然排煙面積66 m2（大于計(jì)算的側(cè)窗排煙窗面積63.68 m2和頂開(kāi)窗排煙窗面積45.61 m2），安全疏散門(mén)（2 個(gè)，寬5 m，高4 m）作為自然補(bǔ)風(fēng)，補(bǔ)風(fēng)面積40 m2。防煙分區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)與最近的自然排煙窗（口）之間的水平距離不應(yīng)大于30 m，自然排煙窗（口）分散均勻布置，且每組的長(zhǎng)度不大于3.0 m。

最小清晰高度按下式計(jì)算：

式（1）中：Hq為最小清晰高度，m，該建筑層高18 m，得最小清晰高度3.4 m；H′為對(duì)于單層空間，取排煙空間的建筑凈高度，m。

煙氣控制有效性評(píng)價(jià)的性能指標(biāo)如下：①該建筑的排煙系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)煔饪刂圃谌藛T活動(dòng)區(qū)域以上的高度；②在建筑內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)，不應(yīng)產(chǎn)生火災(zāi)蔓延的現(xiàn)象；③建筑為鋼結(jié)構(gòu)建筑，應(yīng)確保其結(jié)構(gòu)的安全性能，火災(zāi)后一定時(shí)間內(nèi)不能垮塌。

為保證人員安全疏散，采用以下性能指標(biāo)：①清晰高度不宜小于3.4 m，不應(yīng)小于2 m；②如果煙層下降到距離地面高度2 m 以下，煙層的溫度不超過(guò)60 ℃；③距離地面高度2 m 以下的煙氣能見(jiàn)度不能小于10.0 m；④距離地面高度2 m 以下的煙氣CO 體積分?jǐn)?shù)不大于0.05%。

為保證鋼結(jié)構(gòu)屋頂?shù)南腊踩阅埽蓓斾摻Y(jié)構(gòu)的溫度不超過(guò)200 ℃。

用FDS 軟件進(jìn)行模擬運(yùn)算，模擬火災(zāi)發(fā)生后0～120 s 的情況，每種工況提取參數(shù)如下：①非火源區(qū)域清晰高度，m；②非火源區(qū)域高度2 m 截面的煙層溫度，℃；③高度2 m 截面的煙氣能見(jiàn)度，m；④高度2 m 截面的煙氣CO 體積分?jǐn)?shù)（0.05%）；⑤火源區(qū)域的屋頂溫度，℃；⑥非火源區(qū)域的屋頂溫度，℃。

2 火災(zāi)模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

火災(zāi)發(fā)生120 s 時(shí)刻時(shí)，火災(zāi)模擬結(jié)果如表1 所示。

表1 火災(zāi)模擬試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

圖1—圖10 為火災(zāi)模擬分析圖和火源中心點(diǎn)的溫度實(shí)時(shí)變化曲線(xiàn)。

圖1 工況1 基于FDS 的火災(zāi)排煙效能分析圖

對(duì)于工況1：排煙開(kāi)窗（長(zhǎng)邊兩側(cè)高位，開(kāi)窗高度12.3～17.8 m），補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)（低位，長(zhǎng)邊一側(cè)）。頂棚溫度（火源中心）大于350 ℃時(shí)，若頂棚為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)做相應(yīng)防火處理。

圖2 工況2 基于FDS 的火災(zāi)排煙效能分析圖

對(duì)于工況2：排煙開(kāi)窗（長(zhǎng)邊兩側(cè)中位，開(kāi)窗高度10.0～15.5 m），補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)（低位，長(zhǎng)邊一側(cè)）。高度2 m溫度（非火源中心）基本在35～60 ℃以?xún)?nèi)，該溫度區(qū)間對(duì)人員疏散影響可忽略。由于在建筑高度超過(guò)16 m但不超過(guò)26 m 時(shí)，煙氣在6～7 m 處開(kāi)始出現(xiàn)第一次分層現(xiàn)象，上升至11～12 m 處開(kāi)始出現(xiàn)第二次分層現(xiàn)象；在開(kāi)窗或通風(fēng)空調(diào)形成對(duì)流層時(shí)，煙氣會(huì)在該對(duì)流層下1 m 左右產(chǎn)生橫向擴(kuò)散。若自然排煙位置高度設(shè)置在中部，該部位為煙氣的滯留層高度區(qū)間（11～12 m），對(duì)煙氣的熱量釋放較為有利。

對(duì)于工況3：排煙開(kāi)窗（長(zhǎng)邊兩側(cè)低位，開(kāi)窗高度3.0～6.5 m），補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)（低位，長(zhǎng)邊一側(cè)）。高度2 m溫度（非火源中心）溫度在65 ℃以上，該溫度區(qū)間不利于人員疏散。

對(duì)于工況4：排煙開(kāi)窗（長(zhǎng)邊一側(cè)高位，開(kāi)窗高度12.3～17.8 m），補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)（低位，長(zhǎng)邊一側(cè)）。高度2 m溫度（非火源中心）溫度在40～100 ℃，該溫度區(qū)間不利于人員疏散。

對(duì)于工況5：排煙開(kāi)窗（短邊兩側(cè)高位，開(kāi)窗高度12.3～17.8 m），補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)（低位，長(zhǎng)邊一側(cè)）。高度2 m溫度（0～120 s），非火源中心。

對(duì)于工況6：排煙開(kāi)窗（短邊一側(cè)高位，開(kāi)窗高度12.3～17.8 m），補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)（低位，長(zhǎng)邊一側(cè)）。高度2 m溫度（非火源中心）在初始為40～160 ℃，100 s 后下降至60 ℃內(nèi)，該溫度區(qū)間對(duì)人員疏散影響大。

圖3 工況3 基于FDS 的火災(zāi)排煙效能分析圖

圖4 工況4 基于FDS 的火災(zāi)排煙效能分析圖

圖5 工況5 基于FDS 的火災(zāi)排煙效能分析圖

圖6 工況6 基于FDS 的火災(zāi)排煙效能分析圖

圖7 工況7 基于FDS 的火災(zāi)排煙效能分析圖

對(duì)于工況7：排煙頂部開(kāi)窗，補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)（低位，長(zhǎng)邊一側(cè)）。高度2 m 溫度（非火源中心）在初始為40～65 ℃，該溫度區(qū)間對(duì)人員疏散影響小。

圖8 工況8 基于FDS 的火災(zāi)排煙效能分析圖

對(duì)于工況8：排煙開(kāi)窗（長(zhǎng)邊兩側(cè)高位，開(kāi)窗高度12.3～17.8 m），補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)（低位，長(zhǎng)邊兩側(cè)）。高度2 m溫度（非火源中心）初期持續(xù)上升至80 ℃，然后下降至70 ℃以下，該溫度區(qū)間對(duì)人員疏散影響大。

圖9 工況9 基于FDS 的火災(zāi)排煙效能分析圖

對(duì)于工況9：排煙開(kāi)窗（長(zhǎng)邊兩側(cè)高位，開(kāi)窗高度12.3～17.8 m），補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)（低位，短邊一側(cè)）。高度2 m溫度（非火源中心），基本在55 ℃以?xún)?nèi)，該溫度區(qū)間對(duì)人員疏散影響較小。

圖10 工況10 基于FDS 的火災(zāi)排煙效能分析圖

對(duì)于工況9：排煙開(kāi)窗（長(zhǎng)邊兩側(cè)高位，開(kāi)窗高度12.3～17.8 m），補(bǔ)風(fēng)開(kāi)門(mén)（低位，短邊兩側(cè)）。高度2 m溫度（非火源中心）初期持續(xù)上升至110 ℃，然后下降至70 ℃以下，該溫度區(qū)間對(duì)人員疏散影響大。

3 結(jié)論

10 個(gè)工況下（在火災(zāi)荷載較大時(shí)），頂棚溫度在火災(zāi)初起（0～120 s）均達(dá)到200 ℃及以上溫度，不能保證鋼結(jié)構(gòu)屋頂?shù)南腊踩阅埽瑧?yīng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行防火保護(hù)。

補(bǔ)風(fēng)口位置應(yīng)設(shè)在建筑物下部，多個(gè)補(bǔ)風(fēng)口設(shè)在同一側(cè)且當(dāng)補(bǔ)風(fēng)氣流水平方向與排煙水平方向一致時(shí)對(duì)自然排煙有利。

當(dāng)設(shè)置在外墻時(shí)，自然排煙窗（口）應(yīng)沿建筑物的兩條對(duì)邊均勻設(shè)置，但該情況在標(biāo)準(zhǔn)中只對(duì)廠(chǎng)房倉(cāng)庫(kù)提出要求，對(duì)高大空間的民用建筑未提出，建議應(yīng)對(duì)該類(lèi)民用建筑強(qiáng)調(diào)此要求，且自然排煙窗（口）沿建筑物的兩條長(zhǎng)邊均勻設(shè)置對(duì)排煙更為有利。

工況1 和2 中火災(zāi)排煙效能影響相似，均能達(dá)到煙氣控制的有效性評(píng)價(jià)性能指標(biāo)。其中工況1 為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的情況，工況2 自然排煙窗（口）未在理論的儲(chǔ)煙倉(cāng)以?xún)?nèi)，但考慮高大空間情況（高度大于16 m），在開(kāi)窗或通風(fēng)空調(diào)形成對(duì)流層時(shí)，煙氣會(huì)在該對(duì)流層下1 m 左右產(chǎn)生橫向擴(kuò)散。若自然排煙位置高度設(shè)置在中部，該部位為煙氣的滯留層高度區(qū)間（11～12 m），對(duì)煙氣的熱量釋放較為有利。在某些情況下，考慮到自然排煙窗（口）的設(shè)置或維修的便利程度、成本因素等，建議可在高大空間的中部（10～12 m）開(kāi)設(shè)。