高層建筑窗口羽流火焰對防火隔離帶影響的數值模擬研究

李世鵬 王 超 蔣小軍 劉 小 陳姍姍

高層建筑的火災蔓延方式主要有內部火蔓延和外部火蔓延兩種，其中外部火蔓延速度更快、破壞性更強、救援更困難[1]。高層建筑的外部火蔓延大多由羽流火焰引起，而室內火災沖破外窗口形成的窗口羽流火焰，對高層建筑外部火蔓延影響尤為突出。

為揭示不同外窗口形式下防火隔離帶的設置需求，本文以北京順義新國展項目西地塊土建及水電安裝工程為例，采用火災動態仿真模擬軟件PyroSim 對窗口羽流火焰及其融合進行數值模擬研究，分析窗口羽流火焰的溫度分布情況，探究窗口羽流火焰對防火隔離帶的影響，以期為同類高層建筑外部火蔓延的防控提供參考。

1 工程概況

北京順義新國展項目西地塊土建及水電安裝工程位于北京市順義區順義新城第23街區，共有15棟住宅樓（地上7 ～15 層，地下1 ～2 層）、3 棟公寓（地上14 層，地下2 層）、1 棟寫字樓（地上9 層，地下2 層）?？偨ㄖ娣e達21萬m2，建筑高度47.6 m，外立面形式以無側墻的口字型和有側墻的凹字型為主。項目外墻保溫采用石墨聚苯板，每層設置300 mm 寬的巖棉防火隔離帶。

2 模型建立

2.1 模型尺寸

本文采用1-12#住宅樓建立火災建筑模型，地上15 層，層高為3 m?；鹪次挥诨顒邮?，其臥室開間尺寸為2.9 m×4.5 m，其窗檻墻高度為0.9 m，窗口尺寸為1.7 m×1.8 m。在設置的所有工況中，火災荷載密度、可燃物布置方式、火源熱釋放速率相同。兩個單元間側墻長度為3.3 m，作為結構因子對窗口羽流火焰融合的影響參數。事實證明，縱向相鄰多窗口同時出現羽流火焰時，羽流火焰將產生融合現象，因此本文分別對單窗口、縱向相鄰窗口、側墻窗口的羽流火焰進行了數值模擬。在窗口的中心設置熱電偶，并布置橫縱向溫度切片。本文將T=540 ℃、T1=350 ℃定義為危險溫度，相對應的危險溫度所在位置與火源外窗上口之間垂直高差即為危險溫度高度。其中，T為羽流火焰高度的判斷溫度、T1為石墨聚苯板的點燃溫度。1-12#住宅樓平面圖如圖1 所示。

圖1 1-12#住宅樓平面圖（來源：作者自繪）

2.2 網格劃分

在PyroSim 中劃分的網格尺寸與火源特征直徑D*呈正比關系，在將所建模型的網格尺寸設置為0.25 m×0.25 m×0.25 m 時，可以滿足模擬所需的精度要求，其表達式為：

式中：Q*為火源熱釋放速率，單位W；ρ0為空氣密度，單位kg/m3；c0為空氣比熱容，單位J/（kg·℃）；T0為室內溫度，單位℃；g為重力加速度，單位m/s2。

2.3 熱釋放速率

本次模擬火源位于活動室，該活動室屬于無噴淋的辦公室、客房，熱釋放速率取值為6 MW[2]。在通風受限條件下，當室內熱釋放速率超過通風因子時，火災發展至通風限制階段，進而形成窗口羽流火焰[3-4]。

通過計算可以得知，本文設置的窗口尺寸及火源熱釋放速率能夠形成窗口羽流火焰，表達式為：

式中：A為窗口面積，單位m2；H為窗口高度，單位m。建筑防排煙技術規程如表1 所示。

表1 建筑防排煙技術規程

為使數據模擬研究能夠真實體現火災的發展過程，選用非穩態t2模型確定熱釋放速率曲線，其表達式為：

式中：α為火災增長系數，單位kW/s2；t為火災發展時間，單位s；t1為達到最大火源熱釋放速率的時間，單位s。

火災增長系數是衡量火災發展速度的重要參數，根據表2 所示的排煙、排熱標準可知，案例的火災發展級別為快速火，則火源熱釋放速率達到了6 MW 所需時間約為355 s。

表2 排煙、排熱標準

3 工況模擬分析

3.1 無側墻口字型

在火災建筑模型每層活動室窗口中心處設置熱電偶，收集羽流火焰溫度數據。在所劃分網格的橫向中心布置溫度切片，將540 ℃等溫面作為火焰判定依據，同時以350 ℃為石墨聚苯板的點燃溫度，因此將T=540 ℃、T1=350 ℃定義為危險溫度。火源所在外窗上口為羽流火焰底部，危險溫度所在位置與火源外窗上口之間的垂直高差即為危險溫度高度，因羽流火焰溫度從內至外呈現梯度分布狀態，危險溫度高度需要結合窗口溫度曲線和等溫線兩組數據確定[5]。

通過數值模擬分析，得到住宅樓無側墻口字型部位的單窗口、縱向兩窗口及縱向三窗口羽流火焰的窗口溫度曲線，如圖2 所示。圖2 中的HCP2、THCP3、THCP4、THCP5、THCP6、分別代表設置在第2 層、第3 層、第4 層、第5 層、第6 層窗口的熱電偶。

圖2 無側墻窗口溫度曲線（來源：作者自繪）

將模擬切片數據整合，得到等溫線分布，如圖3 表內數據所示。通過分析窗口溫度曲線與等溫線分布，可以得出以下結論：第1，單窗口時危險溫度T 高度0.97 m，T1高度1.47 m；縱向兩窗口時危險溫度T高度3.47 m，T1高度為3.97 m；縱向三窗口時危險溫度T高度為3.47 m，T1高度4.47 m。第2，縱向相鄰多窗口的羽流火焰有融合，危險溫度高度相比單窗口相比提升約2.5 m。

圖3 無側墻窗口等溫線分布（來源：作者自繪）

3.2 有側墻凹字型

通過模擬分析，得到1-12#住宅樓有側墻凹字型部位的單窗口、縱向兩窗口及縱向三窗口羽流火焰的窗口溫度曲線，如圖4 所示。通過分析窗口溫度曲線與等溫線分布，可以得出以下結論：第1，單窗口時危險溫度T高度為1.22 m，T1高度為1.72 m；縱向兩窗口時危險溫度T高度4.47 m，T1高度為7.47 m；縱向三窗口時危險溫度T高度為8.47 m，T1高度10.47 m。第2，有側墻結構產生的煙囪效應，使得羽流火焰高度隨縱向窗口數量增加且呈倍數增長。

圖4 有側墻窗口溫度曲線（來源：作者自繪）

4 結語

本文分析了高層建筑窗口羽流火焰對防火隔離帶的影響，并進行了工況模擬分析，并對如何設置防水隔離帶提出了具體對建議。相關研究結論能夠為石墨聚苯板外墻保溫條件下防火隔離帶的設置提供參考。