豎向火源位置對高層樓梯間煙氣蔓延研究

周宇榮，苗 盼，戰(zhàn)乃巖，李曉莉，毛開宗

（吉林建筑大學(xué)應(yīng)急科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130118）

近年來，建筑業(yè)和上述建筑工程的發(fā)展突飛猛進(jìn)，在許多一二線城市里出現(xiàn)了高層建筑，成為當(dāng)?shù)貥?biāo)志。使人們對高層建筑的理解逐漸增加到一個更高的層次。從城市空間的角度來看，高層建筑不僅有效減少了城市的使用土地面積，而且大大有利于城市居民的生活。應(yīng)對建筑樓高目標(biāo)的要求，許多建筑物使用的復(fù)雜功能的設(shè)計和技術(shù)復(fù)雜和建筑新材料，電路復(fù)雜，電纜較多，容易發(fā)生火災(zāi)，消防員救援不及時，會造成財產(chǎn)損失和人員傷亡，給社會安全造成不穩(wěn)定影響。

通常，產(chǎn)生的煙霧會降低能見度，并含有有毒氣體，如一氧化碳，是火災(zāi)中的“主要殺手”。煙霧蔓延嚴(yán)重威脅人們的疏散和救援活動。豎井，如樓梯井和電梯中不僅可以作為疏散通道，還可以作為煙霧和火焰在垂直方向上傳播的一種可能方式。因此，研究高層建筑火災(zāi)樓梯井內(nèi)的煙霧運動具有重要意義。針對火災(zāi)的煙氣流動，國內(nèi)學(xué)者朱毅等通過小尺寸模型試驗，研究了火災(zāi)條件下高層建筑走廊煙氣擴(kuò)散特性、最佳機(jī)械排煙量和風(fēng)速值。LONG 等通過數(shù)值模擬的方式對某大學(xué)宿舍樓進(jìn)行了火災(zāi)和疏散模擬。毛軍等通過數(shù)值模擬方式對地鐵站火災(zāi)發(fā)生情況下的煙氣蔓延進(jìn)行研究，并得出其防控方法。國外學(xué)者PEACOCK等通過對收集到的31場事故數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，推導(dǎo)出不同因素對避難的影響。BAE 等通過建立煙霧效應(yīng)模型，研究心理因素對火災(zāi)壓力下人員疏散的影響。朱杰等人在分析影響超高層建筑火災(zāi)煙氣擴(kuò)散的各種因素的基礎(chǔ)上，提出了防止超高層建筑火災(zāi)煙氣擴(kuò)散的有效措施。杜峰等對高層建筑樓梯間廣泛應(yīng)用的隔煙空氣幕進(jìn)行了研究。靖成銀等人采用數(shù)值模擬的方法，對比分析了不同排煙方式對高層建筑煙氣蔓延的影響。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)孫曉乾等人為了研究不同因素對樓梯內(nèi)正壓送風(fēng)系統(tǒng)的影響，找到了最有效的方法，能影響門扇葉與通風(fēng)管位置之間的臨界寬度。Morgan在以往不同建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)相關(guān)工作的基礎(chǔ)上，通過改變相關(guān)參數(shù)，得出有關(guān)煙氣控制的措施。Peppes等人運用實驗方式，對建筑物樓梯間的相關(guān)火災(zāi)進(jìn)行實際分析，再通過數(shù)值模擬的方式，得到樓梯間內(nèi)煙氣蔓延特性、溫度和壓力等分布情況。張建榮以煙氣流動因素、煙氣上升速率以及分布特性為變量，分析高層建筑豎井內(nèi)煙氣流動的特性，為相關(guān)部門進(jìn)行煙氣控制提供理論依據(jù)。討論了關(guān)于不同類型的煙控制系統(tǒng)的一些可能的故障模式，并注意到單一狀態(tài)可能是一種煙控制系統(tǒng)的故障狀態(tài)，但提高了另一種系統(tǒng)的有效性。自然風(fēng)的替代效果表明，設(shè)計者必須充分了解每種類型的煙霧控制系統(tǒng)的目標(biāo)和物理概念。ZHAO通過對中間開口溫度的分析，發(fā)現(xiàn)煙霧的移動速度比實驗中移動的要快。通過比較兩種案例來證明：一個有樓梯和一個沒有樓梯。壓力之間之差由樓梯井內(nèi)的浮力，樓梯井內(nèi)和外部的壓力隨高度而增加。然而，當(dāng)樓梯間內(nèi)有樓梯時，壓力差的演化是非單調(diào)的。與實驗數(shù)據(jù)和相應(yīng)的解析表達(dá)式相比，通過后處理仿真結(jié)果得到的中性平面高度值過高。最后，證明了湍流模型的影響可以忽略不計。

綜上，國內(nèi)外學(xué)者們運用數(shù)值模擬和試驗對高層建筑內(nèi)煙氣蔓延特性進(jìn)行了大量研究，其中由于火災(zāi)試驗成本高、難度大等特點成為學(xué)者們較少的選擇。因此，文章將使用Pyrosim火災(zāi)模擬軟件，根據(jù)煙氣在樓梯間火災(zāi)特性和煙氣蔓延過程分析，對高層樓梯間火災(zāi)的不同場景設(shè)想情況，設(shè)置4種不同工況，進(jìn)行疏散模擬，通過對有效疏散路線模擬的結(jié)果進(jìn)行分析，得到煙氣的蔓延規(guī)律，進(jìn)一步分析火災(zāi)情況下人員從樓梯間疏散的路徑，并為高層火災(zāi)消防措施提供建議，對高層建筑物消防提供消防理論參考。

1 火災(zāi)模型建立

運用火災(zāi)動力學(xué)模擬器（FDS）。FDS采用大渦模擬技術(shù)，引入低通濾波器，獲得平均控制動量、質(zhì)量和能量方程。在FDS濾波器中，寬度被推導(dǎo)為單元格體積的立方根?；馂?zāi)可以被認(rèn)為是一種低速的熱驅(qū)動的流體流動。因此，采用低馬赫數(shù)近似方法將時空分辨壓力分解為背景壓力。FDS利用直線網(wǎng)格實現(xiàn)均勻網(wǎng)格，減少了LES模型的計算時間。FDS采用集中物種的方法，簡化了反應(yīng)進(jìn)展變量。采用渦旋耗散概念（EDC）假設(shè)反應(yīng)以無限的速度發(fā)生。FDS采用灰色氣體假設(shè)來計算輻射。輻射輸運方程（RTE）也只解決了燃燒產(chǎn)物中的煤煙，因為它是控制輻射的主要因素。而解決其他的RTE需要更多的計算時間。建筑物周圍的風(fēng)的狀況對建筑物內(nèi)的火災(zāi)蔓延造成了重大影響。在FDS中使用單寧-奧布霍夫相似度方法。

樓梯是每一個建筑的重要組成部分。 一旦發(fā)生火災(zāi)，樓梯是高層建筑人員安全逃生的唯一途徑。煙霧可以通過樓梯井或樓梯垂直傳播到頂層。有許多可能的驅(qū)動力，如堆疊效應(yīng)（由于建筑物內(nèi)外溫度的差異）、火災(zāi)浮力、機(jī)械通風(fēng)和風(fēng)，主要由火災(zāi)浮力驅(qū)動。為研究高層建筑樓梯間不同火源位置對煙氣蔓延的影響，文章根據(jù)圖紙建立了一棟16層樓梯間模型，并在pyrosim火災(zāi)動力軟件中設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，將16層樓梯間內(nèi)窗戶設(shè)置為打開，并添加上方和窗戶方向兩個開放區(qū)域，且由于此模型為方形，故設(shè)置為長方形網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為0.4×0.4×0.4，總網(wǎng)格數(shù)為137 982，燃燒反應(yīng)為聚氨酯反應(yīng)，模擬時間為600 s。并設(shè)置4種工況，分別將火源放置在1層、5層、10層和16層樓梯間。

2 模擬結(jié)果分析

圖1為4種不同火災(zāi)工況下，煙氣在樓梯間內(nèi)的蔓延情況。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，煙氣因其自身浮力和煙囪效應(yīng)等作用迅速向上蔓延，使煙氣在樓梯間上方積聚。400 s時，工況1中煙氣上升了8個樓層，工況2中煙氣向上蔓延了6個樓層，工況3中煙氣向上蔓延了5個樓層，工況4向上蔓延了一個樓層。說明火源放置的樓層越低，火災(zāi)受煙囪效應(yīng)的影響越大。

圖1 不同工況下煙氣蔓延圖

600 s時，工況1較400 s向上蔓延了1個樓層，工況2中煙氣在向上方蔓延的同時也在向下蔓延，直到600 s充滿整個樓梯間。工況3中煙氣充滿15層及以上樓層，且向下蔓延了兩個樓層。工況4中煙氣向上蔓延，充滿本層，且向下了一個樓層。根據(jù)模擬結(jié)果可得出火災(zāi)危險性：工況2＞工況1＞工況3＞工況4。造成這種煙氣蔓延路徑是由于高層建筑中中性面的存在。中性面是在煙囪效應(yīng)條件下，建筑內(nèi)外壓力相等的一個水平面。高層建筑需要找到建筑的中性面。煙氣流動是在壓力下產(chǎn)生的，中性面將建筑分成上下兩個區(qū)域，上下區(qū)域內(nèi)煙氣由于壓力不同會形成不同的流動路徑。因此，對于高層建筑五上下區(qū)域會采用不同的煙氣控制措施。在火災(zāi)發(fā)生時，建筑高層受火災(zāi)影響較大，對人員生命財產(chǎn)造成較大威脅，因此需要對建筑高層增加額外的救援及排煙設(shè)施進(jìn)行有效救援。

3 結(jié)論

為研究不同豎向火源位置對樓梯間煙氣蔓延的影響，文章在樓梯間內(nèi)設(shè)置了4種不同工況進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果，可得出以下結(jié)論：

（1）煙氣因其自身浮力和煙囪效應(yīng)等因素向上蔓延，其中火源處于5層樓梯間時，其煙氣蔓延速度最快，在600 s基本充滿整個樓梯間，能見度最小，對人員疏散造成的影響最大，最不利于人員疏散。（2）當(dāng)火源處于15層時，煙氣蔓延僅在15層及16層，對其他樓層影響不大，故是最佳人員疏散場景。（3）中性面是高層建筑的重要參數(shù)，確定中性位置對高層建筑火災(zāi)防控有重要作用，根據(jù)中性面位置，確定高層建筑上下區(qū)域不同的疏散策略。（4）當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在1層、5層、10層時，需要采用額外的救援設(shè)施對人員進(jìn)行救助。消防員可以根據(jù)現(xiàn)實具體火災(zāi)發(fā)生位置進(jìn)行救援。