某訓(xùn)練館防火玻璃隔熱性能數(shù)值模擬研究

莫海浩，袁譽(yù)熒，馮方鐳，吳倩，羅盛，李宇基

（1.南寧市建設(shè)工程消防服務(wù)中心，廣西 南寧 530029；2.南寧市勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530022）

1 前言

隨著我國城市建設(shè)的高速發(fā)展，各類高層、超高層建筑大量涌現(xiàn)。現(xiàn)代建筑為滿足美觀和采光的要求，通常在建筑外墻或者內(nèi)部采用玻璃幕墻或窗戶進(jìn)行分隔。然而，玻璃幕墻和窗戶是高層建筑內(nèi)外交互立體火災(zāi)蔓延的重要途經(jīng)。由于玻璃的高溫力學(xué)性能相對(duì)較弱，在火災(zāi)中容易破裂乃至脫落，形成新的通風(fēng)口，進(jìn)而影響火災(zāi)的燃燒類型和火災(zāi)蔓延趨勢，嚴(yán)重威脅人們的安全。同時(shí)從全國報(bào)道的建筑火災(zāi)事故來看，高層建筑火災(zāi)火勢擴(kuò)大，大多是由于建筑外墻未應(yīng)用防火玻璃而導(dǎo)致的。因此，研究防火玻璃的耐火性能有助于阻止高層建筑火災(zāi)蔓延，也為建筑防火設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)玻璃窗抗火性進(jìn)行了一些研究。對(duì)于玻璃破裂時(shí)間的研究，陳昊東等通過模擬研究了什么，預(yù)測了火災(zāi)中玻璃首次破裂以及三種典型熱荷載作用下破裂的時(shí)間。李羚子研究了雙層中空玻璃的破裂行為，得出迎火面、背火面的玻璃溫度與時(shí)間的函數(shù)，并且玻璃的首次破裂時(shí)間隨著玻璃面積的增大而減小。玻璃破裂規(guī)律方面，Ni 等針對(duì)雙層玻璃幕墻斷裂情況進(jìn)行了具體分析；蘇燕飛通過實(shí)驗(yàn)研究了中空玻璃在火災(zāi)場景下的破裂行為規(guī)律；高偉等通過FDS 模擬研究超高層建筑玻璃幕墻破裂對(duì)室內(nèi)排煙的影響，結(jié)果表明，玻璃幕墻的破裂會(huì)降低機(jī)械排煙的效果。玻璃窗的安裝方式對(duì)玻璃耐火性也有影響，Wang 等對(duì)玻璃的邊框遮蔽效應(yīng)以及三維動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力進(jìn)行研究，指出了玻璃的起裂位置和裂紋的開展方式，得出了建筑窗戶中使用的危險(xiǎn)玻璃安裝方法。白音等研究了點(diǎn)支撐安裝方式鋼化玻璃在火災(zāi)中的破裂行為。張嬿妮等研究了火源位置對(duì)浮法玻璃熱破裂行為規(guī)律的影響，得出了點(diǎn)支撐安裝方式防火性能優(yōu)于框支撐安裝方式，以及在火災(zāi)發(fā)展過程中，不同的安裝方式對(duì)浮法玻璃熱破裂行為的影響，得出熱載荷作用下，無遮蔽安裝方式的防火性能最好。

上述文獻(xiàn)的研究主要集中在防火玻璃破裂以及安裝方式，較少研究防火玻璃的耐火性能。因此，本文以某訓(xùn)練館為例，通過FDS 模擬防火玻璃在預(yù)定火災(zāi)場景下的實(shí)際情況，得到不同時(shí)間、位置的溫度和熱通量，為防火玻璃的選擇提供依據(jù)。

2 數(shù)值模擬

火災(zāi)動(dòng)態(tài)仿真模擬軟件（Fire Dynamic Simulation，F(xiàn)DS）由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（National Institute of Standards and Technology，NIST）研發(fā)，是一種以火災(zāi)中流體運(yùn)動(dòng)為主要模擬對(duì)象的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型，主要求解低速熱力流動(dòng)的N—S 方程并著重于計(jì)算模擬火災(zāi)時(shí)的煙氣運(yùn)動(dòng)和熱量傳遞。FDS 軟件的準(zhǔn)確性得到了大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，具有較高的可信度。目前，F(xiàn)DS 軟件已廣泛應(yīng)用于煙氣控制設(shè)計(jì)、探測器啟動(dòng)時(shí)間、火災(zāi)重建等方面。

網(wǎng)格敏感性分析如下。

FDS模擬結(jié)果的精確度與網(wǎng)格尺寸具有較大的關(guān)系，網(wǎng)格尺寸越小，模擬結(jié)果越精確，但計(jì)算時(shí)間更長且模擬效率偏低。因此，為了得到準(zhǔn)確的模擬結(jié)果并且提高模擬效率，需要選擇合適的網(wǎng)格尺寸。可通過火源特征直徑對(duì)網(wǎng)格尺寸進(jìn)行選擇。火源特征直徑定義如下：

式中，D*為火源特征直徑（m）；Q 為熱釋放速率（kW）；ρa(bǔ)為環(huán)境密度（kg/m3）；Ta為環(huán)境溫度(K)；cp為空氣定壓比熱（kJ/kg·K）；g 為重力加速度（m/s2）。

網(wǎng)格敏感性分析模擬模型如圖1（a），模擬區(qū)域?yàn)?m×6m×6m，其中設(shè)置兩個(gè)房間，中間采用玻璃進(jìn)行分隔，玻璃為6mm+9A+6mm 中空玻璃，距地0.3m，高度為4.8m，厚度0.021m，貫穿整個(gè)房間。火源位于右側(cè)房間，該房間凈空尺寸為3.6m×5.4m×6m；左側(cè)房間凈空尺寸為3.4m×5.4m×6m。模擬區(qū)域設(shè)置為開放邊界，以便于與外界環(huán)境進(jìn)行氣流交換和傳熱。火源功率設(shè)置為8MW，火源距離玻璃0.4m，模擬時(shí)間為3600s。在玻璃窗對(duì)火面和背火面的中心點(diǎn)和各1/4 區(qū)域的中心點(diǎn)設(shè)置溫度測點(diǎn)和熱輻射強(qiáng)度測點(diǎn)，同時(shí)在背火側(cè)房間內(nèi)同高度位置設(shè)計(jì)測點(diǎn)，測點(diǎn)與玻璃窗水平距離為1m，如圖1（b）。

圖1 網(wǎng)格敏感性驗(yàn)證模擬模型

研究采用遞減的方式設(shè)置5 種不同尺寸的網(wǎng)格（0.6m，0.5m，0.4m，0.3m，0.2m），進(jìn)行網(wǎng)格敏感性分析。玻璃窗背火面的中心位置的溫度隨時(shí)間變化過程如圖2，玻璃窗背火面上方1/4 處中心位置的熱通量如圖3，隨著網(wǎng)格尺寸增大，溫度值和熱通量值逐漸下降。當(dāng)網(wǎng)格尺寸為0.3m 和0.2m 時(shí)，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段的溫度瞬時(shí)值接近，熱通量隨時(shí)間變化值接近，說明網(wǎng)格尺寸達(dá)到0.3m 時(shí)，網(wǎng)格精度繼續(xù)變小對(duì)熱輻射結(jié)果的影響不明顯，此時(shí)0.3m 的網(wǎng)格已經(jīng)能夠滿足運(yùn)算需要。因此，在火災(zāi)場景中，網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.3m。

圖3 玻璃背火面熱通量

3 模擬場景與結(jié)果分析

訓(xùn)練館地上共三層，第一層層高12m，第二層層高15m，第三層層高18m，訓(xùn)練館樓層間均采用樓板進(jìn)行分隔，中間設(shè)置一處天井，天井將場館分為左右兩側(cè)。天井左側(cè)設(shè)置玻璃窗和防火卷簾，防火卷簾緊臨玻璃窗；天井右側(cè)設(shè)置防火玻璃窗，采用C 類防火玻璃，其滿足建筑美觀和采光需求的同時(shí)，也達(dá)到建筑防火要求。訓(xùn)練館第一層6m 高處右側(cè)有夾層走道，走道與天井采用C類防火玻璃窗分隔，0 ～6m 高度處天井兩側(cè)均設(shè)置防火卷簾。本研究模擬訓(xùn)練館內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，研究天井玻璃窗分隔兩側(cè)的溫度分布，分別測量玻璃窗迎火面和背火面的溫度與熱輻射通量，分析玻璃窗兩側(cè)熱輻射值與溫度值的分布情況，同時(shí)測量天井對(duì)側(cè)玻璃窗兩側(cè)的溫度與熱輻射，查看天井空間與對(duì)側(cè)場館內(nèi)的溫度與熱輻射變化。

3.1 場景設(shè)置

本次模擬對(duì)象為訓(xùn)練館一層，設(shè)置一層夾層走道區(qū)域著火，火源距天井側(cè)防火玻璃窗1.1m。著火區(qū)域?qū)痈邽?m，對(duì)應(yīng)訓(xùn)練館層高為12m。著火區(qū)熱量容易積累并向天井和訓(xùn)練館傳播，模擬查看天井和訓(xùn)練館中空區(qū)域的溫度分布。同時(shí)考慮噴淋失效情況，設(shè)置穩(wěn)態(tài)時(shí)火源熱釋放速率為6MW，火災(zāi)增長類型為快增長t2火源。

通過FDS 建立模型，第一層模擬模型如圖4（a）所示。采用分區(qū)網(wǎng)格方式，在火源近區(qū)域和天井區(qū)域設(shè)置網(wǎng)格尺寸為0.3m，較遠(yuǎn)區(qū)域網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.6m，網(wǎng)格四周和頂部邊界設(shè)置為開放邊界。根據(jù)《鑲玻璃構(gòu)建耐火試驗(yàn)方法》（GB/T12513-2006）規(guī)定，玻璃背火面平均溫度超過初始溫度140℃，或最高溫度超過初始溫度180℃，則認(rèn)為失去耐火隔熱性。考慮人員疏散高度2.0m 以下的臨界溫度60℃，將溫度等值面監(jiān)測值分別設(shè)為60℃、140℃和180℃，由于本研究的玻璃背面和對(duì)側(cè)玻璃面都位于天井，該高度位置沒有人員經(jīng)過，因此不考慮人員疏散臨界溫度。溫度測點(diǎn)位置如圖4（b）。

圖4 三維仿真模型

3.2 結(jié)果分析

模擬訓(xùn)練館第一層6m 標(biāo)高處起火，噴淋作用失效情況下的溫度分布，查看天井內(nèi)和對(duì)側(cè)場館內(nèi)的溫度與熱通量變化，分析防火玻璃窗對(duì)熱量的隔離作用效果。

3.2.1 溫度

天井與火源相鄰一側(cè)玻璃窗背火面的溫度隨時(shí)間變化值，如圖5。當(dāng)燃燒時(shí)間超過1500s 后，玻璃窗背火面溫度上升速度減緩。此時(shí)，防火玻璃窗豎直方向1/2以下部分的溫度比1/2 以上部分的溫度低，因?yàn)榛鹩鹆飨蛏蟼鞑ィ瑱M向位置距離火源越近，溫度越高。火災(zāi)發(fā)生超過1200s 時(shí)，玻璃窗背火面1/2 以上部分的溫度開始超過60℃，火災(zāi)發(fā)生超過1500s 時(shí)，玻璃窗背火面1/2 以下部分的溫度開始超過60℃，防火玻璃窗背火面的溫度均小于90℃。

圖5 L1-2 場景天井與火源相鄰側(cè)玻璃窗背火面溫度

天井內(nèi)靠近著火區(qū)域?qū)?cè)場館防火玻璃表面的溫度結(jié)果，如圖6。該側(cè)玻璃窗上側(cè)1/2 區(qū)域表面溫度在火災(zāi)發(fā)生2000s 后開始超過60℃，玻璃窗下側(cè)1/2 區(qū)域處的溫度在火災(zāi)發(fā)生超過2800s 后，開始超過60℃，最高溫度不超過70℃；所有溫度值均小于臨界溫度140℃和180℃。由于該區(qū)域?yàn)樘炀峡眨瑹o人員通行，不會(huì)影響人員安全疏散和引燃對(duì)側(cè)可燃物。玻璃窗面向場館內(nèi)側(cè)的溫度無明顯上升。

圖6 L1-2 場景火源對(duì)側(cè)場館玻璃窗面向天井側(cè)溫度

場景著火3600s 后防火玻璃窗兩側(cè)的溫度分布，如圖7。著火側(cè)防火玻璃窗背火面的溫度明顯低于迎火面，且溫度遠(yuǎn)低于140℃，其原因?yàn)榉阑鸩ＡЦ綦x了大部分熱量。著火后，熱量通過天井橫向蔓延到對(duì)側(cè)場館防火玻璃窗處，導(dǎo)致對(duì)側(cè)場館防火玻璃窗面向天井側(cè)的溫度升高并在部分區(qū)域超過60℃。升溫區(qū)域均位于天井上空，離地面超過6m。但玻璃表面溫度均小于140℃，對(duì)側(cè)場館防火玻璃窗向場館一側(cè)的溫度值沒有明顯上升，這是由于防火玻璃的隔離作用。火災(zāi)場景發(fā)生3600s 時(shí)不同溫度等值面的結(jié)果，如圖8。溫度60℃等值面分布在天井上空，說明天井上空溫度達(dá)到60℃，但140℃和180℃溫度值均沒有在天井和對(duì)側(cè)場館分布。在火災(zāi)發(fā)生3600s時(shí)間內(nèi)，天井和著火區(qū)對(duì)側(cè)場館溫度均低于140℃；火災(zāi)發(fā)生3600s 時(shí)間內(nèi)，著火區(qū)域?qū)?cè)場館內(nèi)溫度均低于60℃，表明天井兩側(cè)的玻璃窗對(duì)高溫進(jìn)行了較好的隔離。

圖7 L1 場景著火3600s 時(shí)防火玻璃窗兩側(cè)的溫度分布

圖8 L1-2 場景火災(zāi)發(fā)生3600s 時(shí)溫度等值面

3.2.2 熱通量

熱通量是火災(zāi)場景中的一項(xiàng)重要參數(shù)，本次模擬中共設(shè)置熱通量等值面5kW/m2、10kW/m2、15kW/m2、20kW/m2、25kW/m2，分析其在天井和著火區(qū)對(duì)側(cè)場館內(nèi)的分布。火災(zāi)發(fā)生1800s 時(shí)，熱通量值5 ～20kW/m2在著火側(cè)防火玻璃背火面的影響區(qū)域較小，并限制在著火臨近的一扇玻璃窗內(nèi)，并沒有擴(kuò)散到其他區(qū)域，并且距地面高度較高，熱通量等值面5kW/m2最低側(cè)與地面距離大于6m，對(duì)地面的影響較小。火災(zāi)發(fā)生1800s 內(nèi)，著火區(qū)域?qū)?cè)場館的熱通量未達(dá)到5kW/m2。

由圖9 可得，防火玻璃窗背火面區(qū)域的熱通量明顯比著火區(qū)域低。只有火源位置玻璃窗背側(cè)較小區(qū)域的熱通量達(dá)到5kW/m2、10kW/m2、15kW/m2、20kW/m2，其他區(qū)域熱通量較低，天井內(nèi)熱通量未達(dá)到25kW/m2；由于防火玻璃窗對(duì)火焰的阻隔作用，火災(zāi)發(fā)生3600s 時(shí)間內(nèi)，熱通量對(duì)著火區(qū)對(duì)側(cè)場館內(nèi)的影響較小，對(duì)側(cè)場館的熱通量均小于5kW/m2。

圖9 L1-1 場景火災(zāi)發(fā)生3600s 時(shí)熱通量等值面

4 結(jié)語

通過對(duì)訓(xùn)練館一層6m 標(biāo)高處火災(zāi)場景進(jìn)行模擬，分析防火玻璃窗背火面溫度，天井內(nèi)和對(duì)側(cè)訓(xùn)練館的溫度及熱輻射強(qiáng)度分布。（1）天井內(nèi)靠近著火側(cè)防火玻璃窗近火源區(qū)域溫度達(dá)到60℃，但僅在火源臨近玻璃窗背火面，該區(qū)域溫度值小于臨界值140℃，天井內(nèi)有人通行的其他區(qū)域溫度值均低于60℃。著火區(qū)對(duì)側(cè)場館溫度均小于60℃，熱通量值均小于5kW/m2。（2）防火玻璃窗對(duì)火焰和熱輻射起到較好的隔離作用，天井內(nèi)和著火區(qū)對(duì)側(cè)場館的溫度均在臨界值以下，確保了對(duì)側(cè)場館的安全。