不同控制措施對超高層建筑火災蔓延影響研究

焦天驁 JIAO Tian-ao；司蕊 SI Rui；李豪 LI Hao

（北方工業大學土木工程學院，北京 100144）

0 引言

目前火災蔓延模擬主要集中在大型商業綜合體、交通樞紐站等低多層公共建筑，對超高層建筑垂直方向火災蔓延的研究還較少。袁慧[1]等通過研究煙氣運動、著火點附近區域溫度變化、二氧化碳濃度變化等，得出火災參數變化規律。文波[2]等建立高層住宅建筑火災荷載分布模型，以單室內的熱釋放速率、火源位置等為變量，建立單室火災轟燃模型和演化模型，構建了高層住宅建筑單室火災可持續發展判據。衛文彬[3]等通過分析高層建筑典型功能房間及共享空間火災條件下的溫度場分布，得出溫度對于火災蔓延的影響規律。唐莉青[4]等通過研究樓梯間防火門的開閉情況，得出火災蔓延及煙氣蔓延規律。

上述僅有的幾項超高層建筑火災模擬，也未能深入考慮噴淋和機械排煙等防火措施對火災蔓延的控制效果。因此本文將研究重點放在超高層上，研究不同的火災控制措施對超高層建筑火災蔓延的控制效果。希望此研究可給火災控制以及超高層建筑中噴淋系統和排煙系統的完善提供依據。

1 火災模擬

本文選取沈陽某超高層寫字樓，該塔樓總建筑面積約22 萬m2，地下5 層，層高3.5～4.5m；地上71 層，1、2 層層高5.5m，標準層層高4.1m；主要功能為酒店和辦公。塔樓12，24，36，48，60 層為設備層和避難層，層高4.9m。1-2層，每層各有4 部樓梯，1 部電梯；3-24 層，每層各有4 部樓梯；25-70 層，每層各有3 部樓梯。建筑屋檐高度330m，結構高度300m。

2 模擬條件

本文選取的超高層建筑，樓層多、面積大，所以選取兩個避難層之間的13 個樓層作為模擬對象。

本文將安全疏散的溫度臨界值設置為60℃，CO 濃度臨界值設置為1000ppm，能見度臨界值為10m。設定墻體為混凝土，地板和天花板為木材，房間中的機器為金屬。設定火災熱釋放速率為1000kW/m2，火災增長類型為t2型，燃燒反應材料為聚氨酯，環境初始溫度20℃，火源設置在模型中的第6 層，著火方式為立即著火，著火面積5m2，火災模擬運行時間600s。探測器設置在模型中的第6、8、10、12 層，靠上樓梯間內，距左邊門口2m，距地面1.8m，共四組，每組三個探測器，分別用來監測溫度、CO 濃度、能見度的變化。同時設置三組切片，分別是X=38m、X=50m、Y=68m，同樣用來監測樓梯間內溫度、CO 濃度、能見度的變化。工況一為噴淋、機械排煙均無效的火災模擬場景，工況二為噴淋有效、機械排煙無效的火災模擬場景，工況三為噴淋無效、機械排煙有效的火災模擬場景，工況四為噴淋有效、機械排煙有效的火災模擬場景。

3 模擬結果

3.1 能見度結果分析

圖1 給出了各工況各測點能見度模擬結果。由圖可知，噴淋和機械排煙均有效，測點1 所在的樓梯間，在9.75s 時能見度開始從10m 下降；測點2 所在樓梯間，在24.11s 時能見度開始從10m 下降；測點3 所在的樓梯間，在33.66s 時能見度開始從10m 下降；測點4 所在的樓梯間，在64.22s 時能見度開始從10m 下降。由此可以得出，距離火源越遠，能見度到達危險臨界值所需時間越長，說明火災蔓延需要一定的時間。其它三種情況也符合此結論。

測點4 在噴淋和機械排煙均無效時，能見度在48s 開始從10m 下降；在噴淋有效、機械排煙無效時，能見度在48.67s 開始從10m 下降；在噴淋無效、機械排煙有效時，能見度在51.68s 開始從10m 下降；在噴淋和機械排煙均有效時，能見度在64.22s 開始從10m 下降。由此可以分析出，兩種控制措施分別單獨作用時，對于火災蔓延都有抑制作用；但兩種控制措施同時作用的情況比只有一種控制措施作用的情況，對于火災蔓延的抑制作用更明顯。說明兩種控制措施同時作用才能發揮最大的效用，對于人員的疏散幫助最大。其它測點也符合此結論。

3.2 溫度結果分析

圖2給出了各工況各測點溫度模擬結果。由圖可知，噴淋和機械排煙均有效，測點1 所在的樓梯間，在12.14s時溫度第一次到達危險臨界值，而后溫度略微下降，在51.71s 時第二次到達危險臨界值，之后保持此狀態；測點2、測點3、測點4 所在樓梯間，溫度均未到達危險臨界值。由此可以得出，距離火源越遠，溫度對人的影響減小，人員逃生的幾率增大。其它三種情況也符合此結論。

圖2 各工況各測點溫度模擬結果

測點1 在噴淋和機械排煙均無效時，溫度在10.92s 到達危險臨界值；在噴淋有效、機械排煙無效時，溫度在11.48s 到達危險臨界值；在噴淋無效、機械排煙有效時，溫度在11.45s 到達危險臨界值；在噴淋和機械排煙均有效時，溫度在12.14s 到達危險臨界值。由此可以分析出，兩種控制措施分別單獨作用時，對于火災蔓延都有抑制作用；噴淋對于溫度的影響較大，機械排煙對于溫度的影響較小；但兩種控制措施同時作用的情況比只有一種控制措施作用的情況，對于火災蔓延的抑制作用更明顯。說明兩種控制措施同時作用才能發揮最大的效用，對于人員的疏散幫助最大。其它測點的溫度雖未達到危險臨界值，但也能看出上述結論。

3.3 CO 濃度結果分析

圖3 給出了各工況各測點CO 濃度模擬結果。由圖可知，噴淋和機械排煙均有效，測點1 所得數據呈波動狀態，樓梯間內CO 濃度多次到達危險臨界值；測點2、測點3、測點4 所在樓梯間CO 濃度均未到達危險臨界值。由此可以得出，距離火源越遠，CO 濃度對人的影響減小，人員逃生幾率增大。其它三種情況也符合此結論。

圖3 各工況各測點CO 濃度模擬結果

測點1 在噴淋和機械排煙均無效時，CO 濃度在22.8s到達危險臨界值；在噴淋有效、機械排煙無效時，溫度在31.21s 到達危險臨界值；在噴淋無效、機械排煙有效時，溫度在72.07s 到達危險臨界值；在噴淋和機械排煙均有效時，溫度在142.2s 到達危險臨界值。由此可以分析出，兩種控制措施分別單獨作用時，對于火災蔓延都有抑制作用；噴淋對于CO 濃度的影響較小，機械排煙對于CO 濃度的影響較大；但兩種控制措施同時作用的情況比只有一種控制措施作用的情況，對于火災蔓延的抑制作用更明顯。說明兩種控制措施同時作用才能發揮最大的效用，對于人員的疏散幫助最大。其它測點的CO 濃度雖未達到危險臨界值，但也能看出上述結論。

4 研究結論

本文研究不同控制措施對超高層建筑火災蔓延的控制效果，將噴淋和機械排煙這兩種控制措施的有效與無效作為模擬條件，分別得到能見度、溫度、CO 濃度的模擬數據，通過數據分析得到如下結論。①兩種控制措施分別單獨作用時，對于火災蔓延都有抑制作用；但兩種控制措施同時作用的情況比只有一種控制措施作用的情況，對于火災蔓延的抑制作用更明顯。②噴淋對于CO 濃度的影響較小，機械排煙對于CO 濃度的影響較大；噴淋對于溫度的影響較大，機械排煙對于溫度的影響較小。③兩種控制措施同時作用比沒有控制措施作用時，煙氣慢了6s 蔓延到下一個測點所在樓層，兩種控制措施同時作用對火災蔓延抑制作用效果明顯。④兩種控制措施均有效時比兩種控制措施均無效時，對于火災的抑制作用增加了13%；噴淋作用時對于火災的抑制作用增加了10%；機械排煙作用時對于火災的抑制作用增加了4%。