基于FDS 高層建筑樓梯間自然排煙開窗研究

■ 鄧聰聰 張偉男 李鈺 大連交通大學交通運輸工程學院

近年來，高層建筑和超高層建筑興起，與此同時高層建筑火災接踵而來，危害生命財產安全。高層建筑發生火災時，在未設置消防電梯的情況下，樓梯是主要的逃生通道。當煙氣不慎流入樓梯間或者火源位于樓梯間或前室時，煙氣在樓梯間內順著豎井迅速攀升，其擴散速度為3 ～4m/s[1]。據統計火災煙氣直接或間接影響85%以上的死亡，吸入有毒煙氣將嚴重危害生命[2]。本文研究的48m 高層辦公建筑屬于二類公共建筑，這類建筑大多數采用自然排煙。2010 年，許兆宇[3]總結了樓梯井上下兩開口布置下的開口高度對煙氣擴散的影響；2015 年，陳艷波[4]用FDS 模擬了樓梯間窗戶不同布置方式的排煙量，得出逐層開窗效果最佳；2018 年丁厚成、余點[5]研究樓梯間的自然排煙，得出連續兩層各設置1m2的排煙窗比每5 層樓設置2m2的排煙窗效果差；2020 年，張軍[6]對樓梯間做了全尺寸實驗觀察煙氣蔓延情況，進行數值模擬，研究門窗、火源位置、功率對樓梯間排煙的影響。通過閱讀相關文獻發現，前人對樓梯間防排煙的研究大多針對規范的某一條文展開詳細研究，本文不局限于條文規范，研究不同火源位置提出不同開窗方式組合最優方案。

一、模型的建立與設計

（一）軟件選取及模型建立

本文采用火災模擬專用軟件FDS（Fire Dynamic Simulation）對樓梯間采用兩個樓層開窗的布置方式的優選方案進行了數值模擬研究。以某辦公樓為原型簡化，該辦公樓建筑高度為48m，共12 層，層高4m，凈高3.8m，樓梯踏步高0.2m。該模型的建筑首層平面與三維模型示意圖如圖1 和圖2 所示，該數值模擬模型各組成部分建筑具體尺寸見表1。

表1 某高層建筑模型各部分尺寸

圖1 某建筑首層平面圖

圖2 某建筑三維模型示意圖

（二）模擬參數和測點設置

火源位于辦公室中央，火源尺寸為1m×1m，根據《建筑防煙排煙系統技術標準》[7]規定火源熱釋放速率定為1.5MW，火災類別設定為t2超快速增長火，超快速火災增長系數為0.178kw/s2，模擬時間600s。FDS 中選定網格尺寸為0.25m×0.25m×0.25m。樓梯間每層中心2m 處設1 個能見度探測器，在其左側0.1m 處每層設1個CO 濃度探測器，在其右側0.1m 處每層設1 個溫度探測器，在x=2.45m 處設一個能見度切片。火災危險狀態判定條件：對小空間清晰度的危險臨界值規定為5m[8]，人體可以在60℃的環境下短暫忍耐，超過一段時間人會出現危險[9]，用500ppm 作為判定CO 濃度危險的標準[10]，所以本文將能見度、溫度、CO 濃度的標準設為2m 高度溫度、CO 濃度不應大于60℃、500ppm，能見度不應小于5m。

（三）模擬工況

將火源分別放置在首層、非首層（6 層），樓梯間開窗方式分別是火源層和其他層組合，樓梯間門、前室門的開啟樓層設置為著火層及其上下層，模擬工況共計11 組。（見表2）

表2 模擬工況設置

二、模擬結果與分析

（一）火源位于首層時模擬結果分析

火源位于首層時，通過能見度、溫度、CO 濃度探測器測得數據，得到不同工況下的各參數變化情況。

1. 能見度變化情況分析

圖3 至圖5 分別是該高層建筑在工況1 到工況6 在不同樓層（1、3、6、9、12 層）間能見度的對比圖。該建筑首層著火時，各工況在1、3 層能見度均迅速降低，在此不做贅述。

圖3 工況1-6 第6 層能見度對比

圖5 工況1-6 第12 層能見度對比

從圖3 到圖5 可以看出工況1 的能見度始終比其他工況高，只有在6 層的420s 后測得能見度達到臨界值5m，其余樓層測得能見度均在30m 左右。

2. 溫度分布情況分析

圖6 是該高層建筑在工況1 到工況6 下第3 層樓梯間溫度變化圖。該建筑首層著火時，各工況在1 層內溫度均迅速上升，各工況在6、9、12 層內溫度均未超過60℃，在此不做贅述。由圖6 可見，工況2 到工況6 溫度均超過60℃，工況6 的溫度上升速度略比其他工況快，工況1 上升較慢未超過安全臨界值60℃。

圖6 工況1-6 第3 層溫度對比

3.CO 濃度分布情況分析

圖7 至圖10 分別是該高層建筑在工況1 到工況6下不同樓層間（1、3、6、9、12 層）CO 濃度的對比圖。該建筑首層著火時，各工況在1 層內CO 濃度均迅速升高，在此不做贅述。

圖7 工況1-6 第3 層CO 濃度對比

圖8 工況1-6 第6 層CO 濃度對比

圖9 工況1-6 第9 層CO 濃度對比

圖10 工況1-6 第12 層CO 濃度對比

結合圖7 到圖10 可以看出，工況1 的CO 濃度始終比其他工況低，在3、6 層的180s、420s 后測得CO 濃度達到臨界值500ppm，其余樓層測得CO 濃度均小于500ppm。

由于煙氣具有煙囪效應，樓梯間開窗的樓層數越高，能見度下降越迅速，CO 濃度、溫度上升越快，煙囪效應越強烈，所以火源位于首層時，樓梯間開窗設置在火源層及其上一層有利于煙氣的排出。

（二）火源位于非首層時模擬結果分析

火災發生在首層時，危害最大。火源發生在非首層時，由于煙囪效應和熱浮力的共同作用，使得煙氣溫度、CO 濃度、能見度順著火源層樓梯間向上流動，所以非首層發生火災時殃及火源層及以上樓層，相對較少。本節研究非首層火源，以中層（6 層）為例，在x=2.45m處設置一個能見度切片，觀察分析不同工況在600s 時的能見度變化情況。

圖11 為工況7 到工況11 樓梯間在Y-Z 面上600s時的能見度分布等值線圖，因為火源位于中層，煙氣未向火源下層蔓延，所以圖11 僅展示了6 層及以上樓層（即20m ～48m）的煙氣蔓延情況。工況7、8、9 分別是樓梯間1、6，3、6，5、6 開窗，工況10、11 是樓梯間6、10，6、12 開窗，由圖11 明顯看出工況7、8、9 在40m 以上的能見度優于工況10、11，即中層著火時，火源層及其下層組合的樓梯間開窗方式優于火源層及其上層組合的開窗方式。從圖中可以看出11 層樓梯上半部分（45m 左右）的能見度情況：工況9 略優于工況7 和工況8，總體來說工況9 優于工況7、8、10、11，即高層建筑非首層著火時樓梯間開窗方式為火源層及其下一層。

圖11 不同工況下樓梯間能見度分布情況對比

三、開窗實現方式

將樓梯間的窗戶與消防控制室聯動控制，有火情發生時，火災探測器動作并能在消防控制室的火災報警控制器上顯示火情所在樓層及防火分區，即可對應所在防火分區的樓梯間。在確定火情所在樓層及防火分區之后按上文總結的規律選取樓梯間的窗戶，實現在消防控制室自動開啟，開啟方法見文獻[11]，以達到火災初期及時開窗排煙的目的。

四、結論

本文針對總高度48m、總層數為12 層、層高為4m的高層建筑，火源位于首層和非首層時，樓梯間采用兩個樓層開窗的布置方式進行了數值模擬研究，得出如下結論：

（1）火源位于首層時，樓梯間開窗設置在火源層及其鄰近層防煙效果好，且設置在火源層及其上一層效果最好；

（2）火源位于非首層時，火源層及其下層組合的樓梯間開窗方式優于火源層及其上層組合的樓梯間開窗方式且火源層及其下一層效果最好；

（3）開窗實現方式：樓梯間的窗戶與消防控制室聯動控制，在確定火情所在樓層及防火分區之后按上述規律選取樓梯間的窗戶，實現在消防控制自動開啟。