高層建筑凹型結構外立面火災豎向蔓延規律數值模擬

呂辰， 夏新興， 潘鍇， 羅分

(1.中國計量大學質量與安全工程學院， 杭州 310018； 2.安徽理工大學安全科學與工程學院， 淮南 232001)

隨著城鎮化的不斷發展，各類高層建筑如雨后春筍般拔地而起，同時也給城市帶來了較高的建筑火災風險。據中國消防統計2018年、2019年高層建筑火災分別為6 306起次和6 974起次，僅一年就增長了10.6%[1]，并且高層建筑一旦發生火災，其火勢蔓延速度之快，救援難度之大，也給日常城市建筑火災風險防控帶來了新的難題。尤其是近年來常采用的凹型外立面墻體結構設計，一旦在凹型結構體內發生火災事故，很容易引發火災煙氣流煙囪效應，使高溫火災熱煙氣沿凹型外立面快速上升，并透過墻面上的窗戶縫隙和各種孔洞向高層建筑物內滲入，室外冷空氣則因密度大，由低層卷吸進入凹立面補充，從而促進火勢加速向上蔓延。如2019年河南開封“3·14”以及2021年大連市“1·14”高層住宅樓火災事故都呈現出這一特性，火災在凹立面外墻結構影響下，在短短的2 min時間內快速向上蔓延十幾層到達建筑頂層，使消防救援基本無法實現對火災的有效控制。

近期國內外學者就高層建筑外立面火災蔓延規律進行了大量研究，對影響火災蔓延的各影響因素進行了分析。例如，張玉濤等[2]借助FDS(fire dynamics simulator)數值模擬對凹型結構建筑外立面擠塑聚苯乙烯(XPS)外墻保溫材料的火災蔓延特性進行了探究；黃新杰等[3]通過自主搭建的小尺寸火蔓延的實驗平臺，研究了凹型結構中保溫材料聚苯乙烯泡沫(EPS)垂直向上和向下蔓延特性；笪良軍等[4]、陳應周[5]和丁超等[6]研究了EPS、XPS和硬 聚氨酯(PU)等典型建筑外墻保溫材料的燃燒性能及火災蔓延行為；侯亞楠[7]研究了外墻保溫材料在防火隔墻條件下溢流火的火災蔓延特性；Bakhtiyari等[8]分析了材料厚度和密度對外墻保溫材料火災特性的影響；卿偉健等[9]為探究多窗口溢流火現象及機理，基于FDS建立兩種建筑模型，研究表明雙窗口溢流火對上層建筑立面墻的危險性遠大于單窗口溢流火；汪華兵[10]建立20層全尺寸辦公建筑三維全尺寸模型，探究了不同窗戶面積、窗戶位置對建筑外立面豎向火蔓延的影響；王宇等[11]研究了室內外溫差對不同外立面超高層建筑窗口羽流火焰的影響以及火焰溫度的變化規律。李曉戀[12]重點關注了正壓送風位置及送風量對高層建筑豎井煙氣控制效果影響；尹晨晨等[13]、潘曉菲等[14]、雷晶晶等[15]利用數值模擬的方法研究得到了不同風速下建筑外立面窗羽流溫度及速度矢量分布；張孝春等[16]對傾斜外立面火溢流沿程溫度分布特性進行了研究，從而研究建立了適用于傾斜外立面火溢流沿程溫度分布的預測公式。綜上所述，關于外立面各影響因素對火災蔓延規律的影響目前已開展了大量研究工作，而結構本身對火災蔓延規律的影響還研究尚少。

因此，現運用FDS數值模擬方法，對凹型外立面建筑結構特征對火災蔓延規律的影響進行研究。通過對比分析不同凹型外立面結構因子對火場溫度、火焰前鋒蔓延速率的影響，為凹型結構外立面建筑結構消防安全優化設計提供科學依據。

1 凹型結構外立面火災場景設置

1.1 物理模型建立

研究對象選取中國東部地區某綜合辦公樓，該建筑主體部分長48 m，寬18 m，高29 m，共計7層，如圖1所示。在建筑物正面共有兩處豎直高度為25 m的凹型外立面結構，凹型結構內部背墻寬度為1.4 m，進深為0.7 m。

圖1 建筑物正面視圖Fig.1 Front view of the building

1.2 火災場景及模擬參數設置

模擬環境參數選取為常溫20 ℃，大氣壓力1.01 325×105Pa，重力加速度為9.8 m/s2。火源點設置在凹型建筑外立面中心線0.3 m高度處距離背墻0.01 m位置，模擬停放的電動車自燃引發的火災事故情景。

火災發展過程中火源對外界的熱釋放功率計算公式為

Q=αt2

(1)

式(1)中：t為模擬時間，s；α為火災增長系數，kW/s2。采用t2火災增長超快速火模型，考慮停放在樓層底部的電動車自燃事故情景，設置火災熱釋放功率為1 MW，火災增長系數α=0.187 kW/s2。

依據復雜的火災煙羽動力學特點，采用大渦模擬(large eddy simulation，LES)算法模擬火災蔓延發展過程，模擬時間設定為120 s。

網格是數值模擬運算的最小單元，網格尺寸參數的合理選取將對計算的準確度產生一定的影響。在綜合考慮火羽流的發展狀態和計算機實際運算能力的基礎上，判斷準則合理確定網格尺寸大小[17-18],依據為

D*/δx∈[8,10]

(2)

(3)

式(2)中：D*為火源特征尺寸；δx為火源所在網格單元尺寸；Q為火源釋放速率，kW；ρ∞為環境溫度下氣體密度，取值1.2 kg/m3；Cp為空氣的定壓比熱容，取值1.02 kJ/(kg·K)；T∞為環境溫度，K；g為重力加速度，m/s2。

將已知設定參數代入式(2)和式(3)計算可知，δx取值范圍為0.095～0.119，因此，本物理模型設定網格單元尺寸取定為0.1 m×0.1 m×0.1 m。

2 凹型外立面火災蔓延規律研究

XPS外墻保溫材料物理特性參數如表1所示，其在火焰加熱的情況下，一般需經歷以下材料物理性狀變化過程：升溫、熔融、分解、升華、達到燃點后著火燃燒。雖然此變化過程會伴有熱量的吸收，但考慮到吸收的熱量相對較小且難以量化表征，故在模擬計算過程中暫不對其進行考慮。

表1 XPS外墻保溫材料物理特性參數Table 1 Physical characteristics parameters of XPS exterior wall insulation materials

2.1 建筑凹型外立面火場溫度變化特征

在不同外立面結構工況條件下，凹型外立面離地面不同高度，不同時間測點溫度值計算結果如表2所示。由表2數據分析可知，外立面保溫材料初始階段升溫速率較慢，當達到某一臨界溫度后開始迅速上升發生燃燒，最后燃燒溫度趨于穩定，如離地面5 m處在20 s左右溫度開始上升，在隨后的10 s內，溫度上升至622.02 ℃，平均升溫速率達62.2 ℃/s，50 s后火災燃燒溫度漸趨于穩定達900 ℃。但是，不同離地高度最終達到的火焰燃燒溫度不同，整體而言，高度越高最終穩定燃燒溫度值也越高。因為，當離地高度越高時，越接近大樓頂部，導致火焰向上蔓延速率減緩，低層火焰燃燒產生的大量高溫煙氣通過熱對流、傳導、輻射等形式在高層產生聚積，從而造成高層穩定燃燒溫度值較高。

表2 凹型外立面各測點處溫度隨樓層高度變化情況Table 2 Temperature change with floor height at each measuring point of concave fa?ade

對于平面外立面結構墻體而言，相同測點火焰燃燒溫度與凹型外立面結構相比存在較大的差異，如圖2所示。在離地面5 m以下時，兩者火焰燃燒溫度上升趨勢基本相同，但隨著離地面高度升高，由于凹型外立面墻體受煙囪效應作用影響，其火焰豎向蔓延速率與平面外立面相比增加，并且高度越高煙囪效應作用效果越顯著，溫度差異越大。

圖2 不同高度處不同外立面形式溫度變化曲線Fig.2 Temperature change curves of different fa?ade forms at different heights

2.2 建筑凹型外立面火焰前鋒變化特征

當電動車自燃導致外立面墻體保溫材料發生燃燒時，燃燒火焰沿墻體不斷向上發生豎向蔓延，為描述外立面火焰豎向傳播變化特性，采用火焰前鋒隨時間傳播速率變化曲線進行分析。經數值模擬和數學擬合計算得到了不同外立面條件下火焰前鋒隨時間傳播速率變化曲線，如圖3所示。根據圖分析可知：兩種類型的外立面火焰前鋒高度發展隨時間變化規律大體均呈指數函數變化關系，外墻保溫材料火焰前鋒高度隨時間推移先緩慢增加后快速上升，高度越高，火焰前鋒蔓延速率越大。同時應注意到凹型外立面火焰前鋒上升速率明顯大于平面外立面，火災蔓延至27 m高度時，平面外立面需耗時40 s，而凹型外立面僅需26 s，火災蔓延速率從1.9 m/s增大到16.7 m/s，增長幅度達779%。因此可知，外立面結構的變化對火焰傳播存在較大影響。

圖3 火焰前鋒隨時間變化情況Fig.3 Flame strikers change over time

3 凹型外立面消防安全優化設計

上述研究表明，凹型外立面建筑結構形式在火災發生時，易導致煙囪效應，加速火災豎向蔓延速度，對高層建筑消防救援產生極其不利的影響。為此，現從緩解煙囪效應的角度出發，提出通過改變外立面結構因子和增設防火挑檐的技術措施，減緩凹型外立面火災豎向蔓延速率，為消防救援爭取寶貴時間。

3.1 結構因子對火災蔓延影響

a為凹型外立面寬度，b為凹形外立面進深圖4 外立面結構因子Fig.4 Fa?ade structural factor

由表3數據分析可知，當?≠0時，此時受煙囪效應作用，燃燒火焰沿豎向蔓延速度明顯增快。隨結構因子?不斷增大，火焰前鋒到達各高度時間大體上呈現先減小后增大的趨勢，當?=0.5時，火焰前鋒豎向蔓延速率達到最大；當?>0.5時，隨著凹型外立面進深加大，因側向卷吸新鮮空氣作用困難，助燃氧氣不能得到及時補充，對火焰沿豎向蔓延將產生一定減緩作用影響。

表3 不同結構因子外立面火焰前鋒到達各高度時間Table 3 Time for different structural factors for the flame strikers to reach each altitude

3.2 防火挑檐對火災蔓延影響

依據《建筑設計防火規范》(GB 5016—2014)及上述研究結果，提出設置突出外墻0.6 m，距離樓層窗口下檐0.1 m的防火挑檐設計，如圖5所示。對凹型外立面無防火挑檐和有防火挑檐兩種工況條件下，外立面溫度分布及火災豎向蔓延規律進行計算分析，計算結果如表4所示。由計算結果可知，在未設置防火挑檐情況下，火災豎向蔓延速率較快，在27 s多時燃燒火焰便已蔓延至樓層頂部28 m；在設置防火挑檐的情況下，火災豎向蔓延速率大幅度降低，在接近30 s時燃燒火焰只達到7.54 m，有效阻止火勢向高處相鄰住戶蔓延。因為防火挑檐的設置，一方面有效削弱煙囪效應的形成；另一方面起到了很好的阻火隔熱作用。

圖5 防火挑檐示意圖Fig.5 Schematic diagram of fireproof eaves

表4 不同挑檐工況下外立面火焰前鋒到達各高度時間Table 4 The time when the flame strikers on the facade reach each height under different eaves conditions

4 結論

(1)凹型外立面火災豎向蔓延速率較平面外立面顯著增加，建筑高度越高煙囪效應作用效果越顯著，火焰豎向蔓延速率越快，且火焰前鋒高度隨時間變化規律大體符合指數函數變化關系。

(2)凹型外立面結構因子改變對火災豎向蔓延規律會產生一定影響，當?=0.5時，火災前鋒豎向蔓延速率達到最大；當?>0.5，隨著凹型外立面進深加大，因側向卷吸作用困難，助燃氧氣得不到及時補充，對火焰沿豎向蔓延產生一定減緩作用影響。

(3)在設置防火挑檐的情況下，火災豎向蔓延速率大幅度降低，在接近30 s時燃燒火焰只達到7.54 m，防火挑檐的設置一方面可以有效削弱煙囪效應的形成，另一方面可以起到很好的阻火隔熱作用，可有效阻止火勢沿凹型外立面向高處相鄰住戶蔓延。

本文在工況條件設置時未考慮外界風速變化對火災豎向蔓延規律的影響，下一步將對此做更進一步深入研究。