超高層建筑火災外界風對建筑內煙氣蔓延的數值模擬

摘" 要：該文以某超高層建筑為例，使用FDS建模軟件構建仿真模型，并設置防排煙系統開啟且有外界風、防排煙系統開啟但無外界風、防排煙系統失效但有外界風、防排煙系統失效且無外界風4種工況，在著火區域布置6個測點，獲取各測點的一氧化碳濃度、溫度和可見度，并分析煙氣蔓延情況。結果表明，外界風會影響煙氣蔓延的速度與方向，并且對空氣溫度也會產生影響，但是不影響一氧化碳濃度和可見度。

關鍵詞：超高層建筑;建筑火災;防排煙系統;邊界條件;外界風

中圖分類號：TU998.1" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）25-0062-04

Abstract： In this paper， taking a super high-rise building as an example， a simulation model is constructed using FDS modeling software， and four working conditions are set up： smoke control and exhaust system is turned on and there is external wind， smoke control and exhaust system is turned on， but there is no external wind， smoke control and exhaust system fails， and there is no external wind. Six measuring points are arranged in the fire area to obtain the carbon monoxide concentration， temperature and visibility of each measuring point， and analyze the spread of smoke. The results show that the external wind will affect the speed and direction of smoke spread， and also affect the air temperature， but does not affect the concentration and visibility of carbon monoxide.

Keywords： super high-rise building; building fire; smoke prevention and exhaust system; boundary condition; external wind

超高層建筑發生火災后，火災產生的高溫和有毒煙氣會對人員的生命健康構成嚴重威脅。同時煙氣會導致能見度降低，不利于人員的安全疏散和消防救援工作的開展。基于上述特點，本文選擇了煙氣蔓延、一氧化碳、溫度、可見度這4項指標，構建超高層建筑物理模型，并模擬防排煙系統正常開啟與未開啟，有外界風和無外界風等工況，對煙氣蔓延和一氧化碳濃度、溫度以及可見度的影響。

1" 物理模型的構建

1.1" 模型概況

本文使用FDS建模工具構建了超高層建筑物理模型，并對模型做適當簡化處理。普通疏散門默認為常開狀態，防火卷簾門和防火墻設置為封閉墻體。該建筑模型有40層，高度為128 m，屬于超高層建筑。著火位置為35層，高度100 m。除了著火樓層外，其他樓層均設置成實體。模擬時間為10 min，火源位置靠近外墻立面幕墻1.5 m。在距離火源較近的幕墻上加入了一個2.5 m×2.5 m的孔，模擬幕墻在高溫烘烤下破裂后的情形，該孔在火災發生后的第5分鐘出現。外界風入口邊界與建筑外墻幕墻之間的最短距離為50 m。模型設計如圖1所示。

1.2" 選擇火災場景

本文主要探究外界風對于超高層建筑著火層各項參數（如溫度、可見度等）的影響，并設計了4種火災場景，見表1。

1.3" 布置測點

按照高層、超高層建筑的人員安全疏散要求，建模時在著火層的疏散走廊和著火區間布置了6個測點。其中，1—3測點分別布置在疏散門內的著火區域，4—6測點分別布置在疏散走廊。具體布置如圖2所示。

1.4" 劃分網格

本文根據建筑外墻的尺寸進行網格劃分。但是考慮到外界風會影響到建筑著火層的火災蔓延速度，因此在劃分網格時對x、y、z3個方向上的坐標進行了調整。在不考慮外界風影響的情況下，3個方向的區域分別為：x軸（0～70）、y軸（0～25）、z軸（55～60）。在考慮外界風影響的情況下，將網格區域在y軸正方向區域向外延長了65 m，即建筑外立面向外延伸大概50 m。經過調整后的3個方向區域為：x軸（0～70）、y軸（0～25）、z軸（0～125）。以火源功率為10 MW計算，火災特征尺寸D約為1.2 m，因此在劃分網格時每個網格的尺寸設定為0.12 m×0.12 m即可滿足模擬需要[1]。火災特征尺寸D的計算公式為

式中：Q表示火源熱釋效率;ρ表示環境空氣密度;c表示定壓比熱;T表示環境空氣溫度;g表示重力加速度。

1.5" 設置邊界條件

本文在構建模型模擬外界風的建筑內煙氣蔓延的影響時，主要設置了3種邊界條件。

1）建筑墻面邊界條件。假設建筑外墻幕墻為無滑移的固體墻壁，大氣壓力為常壓，外界大氣溫度為293 K。

2）外界風速邊界條件。使用Airpak計算超高層建筑外立面不同高度的風速，將計算結果作為該超高層建筑外立面發生火災時不同高度開口處輸入的風速邊界條件。根據Airpak模型分析，本文研究的當火災發生在100 m高度樓層時，平均風速為6.64 m/s。若不考慮外界風速影響，則在數值模擬中將風速設為0。

3）風口處邊界條件。該超高層建筑模型中包含的風口有3類，分別是補風口、外立面開口和機械排煙風口。其中，對風口處邊界條件有直接影響的因素包括排煙量、補風量、風口面積。排煙口的尺寸為1 m2，排煙速度設置為3.5 m/s，數量為4個，位于建筑外立面開口處。補風口的尺寸為5 m2，補風速度設置為1.0 m/s，位于著火層地板上方1.5 m處[2]。

2" 數字模擬結果

2.1" 煙氣蔓延分析

模擬實驗中分別探究了A、B、C、D四種情況下，外界風對煙氣蔓延的影響。由于外立面開口是在第5分鐘才形成，因此無論建筑防排煙系統處于何種工況，在火災發生的前5分鐘內，建筑內外空氣不流通，煙氣蔓延均不受外界風的影響，這時2種情況下的煙氣蔓延趨勢保持一致。但是從5分鐘以后，2種情況下的煙氣蔓延表現出差異：

在防排煙系統正常開啟的情況下，從第5分鐘開始有煙氣沿著建筑外立面開口冒出，并且在外界風的吹動下逐漸從開口沿著風向蔓延;大約在100 s后，不再有煙氣從開口處向外冒出。分析其原因，是外界風速產生的風壓大于煙氣向外蔓延的壓力，導致建筑內部煙氣無法蔓延出去。對于其他不受外界風速影響的煙氣，則能夠持續不斷地從開口向外蔓延，但是蔓延的煙氣總量并不多。由于開啟了防排煙系統，因此建筑火災產生的絕大部分煙氣，都會經過機械排煙口排出。同時，在排煙口抽吸作用下，周邊形成負壓，也會使大量煙氣從建筑外立面蔓延到室外。

在防排煙系統失效的情況下，從第5分鐘開始，至第10分鐘模擬實驗結束，整個過程中均有大量的煙氣從外立面開口向建筑外部空間蔓延。在受外界風影響的情況下，開口處冒出的煙氣，會沿著風向向右側蔓延;在不受外界風影響的情況下，煙氣則向開口正對的方向向外蔓延[3]。

2.2" 一氧化碳濃度分析

在發生建筑火災后，可燃物的燃燒不充分會產生大量的一氧化碳。模擬實驗中分別探究了A、B、C、D四種情況下，外界風對煙氣蔓延的影響。實驗結果表明，無論防排煙系統是否正常運行，除了火源附近區域的一氧化碳濃度略高外，其他區域的一氧化碳濃度變化趨勢基本一致。這里以測點5為例，一氧化碳濃度隨火災發生時間的變化趨勢如圖3所示。

結合圖3可知，在火災發生的前550秒內，無論是否開啟防排煙系統，無論有無外界風影響，一氧化碳濃度的變化趨勢相同，隨著時間的增加呈現出緩慢增長趨勢。只有第550秒以后，在未開啟防排煙系統的2種工況下，才出現了一氧化碳濃度明顯上升的情況。橫向對比可以發現，在開啟防排煙系統的情況下，直到實驗的第6分鐘，一氧化碳濃度均處在危害人體健康的安全濃度（4.5×10-6 kg/m3）以下。而未開啟防排煙系統的情況下，在實驗的第6分鐘一氧化碳濃度分別達到了0.5×10-5 kg/m3和2.2×10-5 kg/m3，均超過了安全濃度。這一數據說明了超高層建筑的防排煙系統，在火災發生后能夠發揮降低著火區域內一氧化碳濃度的功能。

2.3" 溫度分析

模擬實驗中分別探究了A、B、C、D四種情況下，外界風對溫度的影響。根據模擬結果，無論超高層建筑的防排煙系統是否開啟，在不受外界風影響的工況下，建筑著火空間內的溫度均高于受外界風影響的工況。分析其原因，在建筑外立面出現開口后，外界風會從開口處進入。由于外界風屬于低溫空氣，而建筑內的煙氣屬于高溫空氣，兩者混合后使得著火空間的溫度出現一定程度的下降。相比之下，在不受外界風影響的工況下，不僅沒有溫度較低的外界風來降低煙氣溫度，而且煙氣的產生速度要明顯高于煙氣的排放速度，隨著建筑著火空間內高溫煙氣的密度不斷增加，相應的溫度也會呈現出持續上漲趨勢[4]。因此，2種工況下的溫度差也會進一步加大。

4種工況下建筑著火區域內6個測點的溫度變化趨勢基本一致，這里以測點3為例，溫度隨時間的變化曲線如圖4所示。

結合圖4可知，在超高層建筑發生火災后的前150秒內，雖然著火區域內的溫度有所增加，但是升高趨勢并不明顯。在火災發生時，該區域內的溫度為17.1 ℃，至火災發生后的第150秒，火災溫度為21.1 ℃，僅升高了4 ℃。從火災發生后的第150秒開始，著火區域的溫度增幅較為明顯，但是不同工況下的溫度變化趨勢表現出差異。在A、C兩種工況下，開啟了防排煙系統，使得著火區域內的高溫煙氣能夠通過排煙口快速排出，因此建筑著火區域的溫度相對較低。從火災發生后的第350秒開始，溫度逐漸穩定下來，維持在74～76 ℃;而B、D兩種工況下，由于未開啟防排煙系統，火災發生后產生的高溫煙氣無法快速排出，在著火區域內不斷累計，導致溫度持續升高。從火災發生后的第400秒開始，溫度增幅趨于平緩。

2.4" 可見度分析

超高層建筑發生火災后，由于可燃物的燃燒不充分，會產生大量的煙氣并夾雜著顆粒物，導致可見度下降，對人員的安全疏散和消防救援帶來不利影響。模擬實驗中分別探究了A、B、C、D四種情況下，外界風對可見度的影響。根據模擬結果，無論超高層建筑的防排煙系統是否正常開啟，距離著火層地面1.5 m高度處可見度在有外界風影響和無外界風影響下的變化趨勢基本一致。分析其原因，火災發生后產生的煙氣溫度較高，因此會聚集在建筑空間的上部，即距離著火層地面1.5 m以上。在防排煙系統正常開啟的情況下，高溫煙氣主要從排煙口排出，此時無論有無外界風，對煙氣排放的影響并不明顯，2種工況下的可見度沒有明顯差別;在防排煙系統未正常開啟的情況下，高溫煙氣的排出速度緩慢，造成大量煙氣堆積在著火層的上方。由于煙氣濃度過高，此時無論有無外界風，也不會對可見度產生太大的影響[5]。

4種工況下超高層建筑著火區域內6個測點的可見度隨時間的變化趨勢基本一致，這里以測點6為例，變化曲線如圖5所示。

結合圖5可知，在火災發生后的前100秒內，著火區域的可見度為30 m，并且4種工況下的可見度一致。從火災發生后的第100秒開始，A、C兩種工況下，由于開啟了防排煙系統，可以使煙氣加快排出，因此可見度要好于B、D兩種未開啟防排煙系統的情況。在火災發生后的300 s以后，形成了外立面開口，建筑內部的一部分煙氣從開口處向外蔓延，此時可見度的下降趨勢有所減緩。但是由于外立面開口的排煙速度遠遠低于煙氣的產生速度，因此可見度總體上還是呈下降趨勢。

3" 結束語

超高層建筑發生火災后，外界風的存在會對建筑著火區域的煙氣蔓延、一氧化碳濃度、溫度等產生不同程度的影響。相比于無外界風的情況，當有外界風從外墻幕墻開口處吹向著火區域時，會對煙氣蔓延速度和蔓延方向產生影響;同時著火區域內的空氣溫度也會有所降低;但是對于一氧化碳的濃度和可見度的影響并不明顯。明確外界風對建筑內煙氣蔓延的影響，對火災發生后的救援工作開展有積極幫助。

參考文獻：

[1] 袁威，梁棟，褚燕燕，等.環境風對高層建筑樓梯井內火災煙氣運動特性的影響[J].安全與環境工程，2022（1）：6-8.

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[3] 黃治成，張浩.基于Pyrosim的高層建筑火災煙氣蔓延規律研究[J].消防界：電子版，2022（16）：8-10.

[4] 文康.非封閉式天井開口對火災煙氣蔓延的影響[J].今日消防，2022（4）：7-9.

[5] 張健，宋志剛.基于有向圖的傳統村落建筑群火災蔓延風險分析[J].西南交通大學學報，2022（2）：57-58.