基于FDS模擬的高層建筑火災蔓延特點分析

摘要：高層建筑結構復雜，火災蔓延規律存在特殊性，現通過對某高層建筑火災進行數值模擬，從煙氣蔓延和溫度變化情況定量描述火災蔓延特征，分析總結火災煙氣在建筑內橫向及縱向蔓延的特點，為高層建筑的疏散逃生及滅火救援提供參考。

關鍵詞：高層建筑；火災蔓延；火災模擬

中圖分類號：TU998.1" " " 文獻標識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2025）03-0007-03

近年來，高層建筑個體數量顯著增長，高層建筑火災時有發生，給社會面火災防控帶來了巨大的挑戰[1]。在定性與定量分析的基礎上，了解掌握高層建筑的火災蔓延特點，有效提升高層建筑的消防安全水平，成為迫切需要解決的問題。

1 高層建筑火災數值模擬

1.1" 火災在單樓層蔓延

1.1.1" 模型設計

建立的模型為高層建筑某一樓層的物理模型。在樓層內共設有5個房間，建筑尺寸見表1。

1.1.2" 火災場景設計

該火災場景用來對高層建筑火災在單樓層蔓延的情況進行模擬，主要對煙氣蔓延特點、走廊內溫度情況進行分析。

根據模擬的目的和要求，將著火部位設置在房間內部，著火物質為織物、聚乙烯塑料混合物，火災時室內防排煙設備未啟用，各房間門設置為開啟狀態，模擬時間為60s。場景示意見圖1。

1.1.3" 模擬結果分析

1）煙氣蔓延速度：圖2給出了走廊內0.8、1.6、2.4m高度處的煙氣流動速度變化曲線，圖中負值表示此時刻煙氣流動方向向下。如圖2所示，走廊內煙氣蔓延平均速度在1～2m/s，火災蔓延速度較為平緩。

2）煙氣溫度變化：走廊內16、22、28m處0.8m高度溫度隨時間變化見圖3。走廊內16、22、28m處1.6m高度溫度隨時間變化見圖4。

圖3、圖4描述了走廊內同一高度處溫度隨時間的變化。同一高度下，隨著時間推移，距離起火房間越遠，溫度越高。在33s時，走廊內28m處1.6m高度溫度已經達到200℃以上，對被困人員生命安全威脅嚴重。

走廊16m處溫度隨時間變化見圖5。走廊22m處溫度隨時間變化見圖6。

圖5、圖6描述了走廊內不同高度處溫度隨時間的變化。從曲線圖中可知，封閉的走廊內，在同一坐標位置，高度越大，溫度越高。

原因可以解釋為，熱煙氣的浮力作用使煙氣沿著頂棚蔓延，在1.6m以上，走廊內平均溫度達到300℃以上，個別部位溫度達到450℃以上，足以引燃大部分內裝修可燃物。總體來看，蔓延通道內上部溫度高于中下部溫度，說明火災的蔓延主要是通過高溫煙氣引燃走廊中上部可燃物進行的，走廊頂部如有通風管道等開口，高溫煙氣會在浮力及膨脹力作用下沿這些管道蔓延，引燃可燃物，造成新的火點[2]；走廊0.8m高度以下溫度相對較低，普遍在75℃以下，火災主要通過煙氣熱輻射和火焰延燒蔓延。

1.2" 火災在多樓層蔓延

1.2.1" 模型設計

模型為某一高層建筑物理模型，建筑規格見表2。建筑具體情況見圖7。

1.2.2" 火災場景設計

模型的主要意義在于模擬高層建筑起火后火災煙氣蔓延和溫度變化情況。起火部位共2處，均位于建筑物底部一層，著火物質為木柴，熱釋放速率為3MW。在前室設置了正壓送風系統，風口的尺寸為0.5m×0.5m，風口面積為0.25m2，前室的門設置為開啟，每隔兩層疏散樓梯間設置一個正壓送風口，風口的尺寸為0.5m×0.5m，風口面積為0.25m2，風口中心距地面的高度為0.5m。

1.2.3" 模擬結果分析

1）煙氣蔓延情況：圖8為樓梯間內煙氣流動速率變化曲線。

圖8" 樓梯間內煙氣流速變化曲線圖

從圖8可以看出，在火災發展階段，樓梯間內煙氣流動速度普遍在3～6m/s之間，最快可以達到10m/s，大于火災煙氣在走廊等水平位置處煙氣流動速度，蔓延迅速，體現了高層建筑內煙囪效應對火災煙氣蔓延的促進作用。

高層建筑火災煙氣在煙囪效應的作用下蔓延迅速，在未受到阻隔的情況下，起火后60s內，煙氣已基本蔓延到整個樓梯間；100s時，煙氣已充滿樓梯間，著火層相鄰樓層基本被煙氣充滿；隨著火勢繼續發展，至180s時，除頂層外，其余樓層均有煙氣進入。

2）蔓延通道溫度變化：為了說明樓梯間內溫度變化特點，選取樓梯間3、6、9、12m高度處溫度變化情況，見圖9。

圖9" 樓梯間溫度變化曲線圖

從圖9可以看出，同一時刻，受到高層建筑煙囪效應和熱煙氣浮力作用的影響，樓梯間內溫度隨著高度的增加而顯著上升，115s時，樓梯間高3m處溫度為200℃，12m處溫度已達到350～400℃，在此溫度下，建筑內被困人員疏散已十分困難，同時，高溫煙氣會引燃樓梯間內可燃物，造成火勢的擴大。

2 結束語

綜上，當著火房間與走廊連通后，走廊與室內相連的地毯、壁紙、走廊內可燃物以及吊頂等是促進火災蔓延的重要媒介[3]。這些物質主要通過熱輻射方式被點燃，熱輻射源于高溫火災煙氣和房間內火焰對外部的輻射熱量。高溫煙氣水平蔓延至走廊盡頭后不斷積聚，使局部區域溫度升高，空氣中含氧量迅速下降，極大阻礙人員逃生。隨著火勢的發展，在蔓延條件具備的情況下，火災極易突破單一樓層的限制，向立體火災發展。火災蔓延的主要途徑包括樓梯間、建筑中庭、豎井、垂直開口、變形縫、外墻、隱蔽空間等處[4]。當煙氣溫度達到可燃物起火溫度時，樓梯內可燃物被點燃，火災沿樓梯蔓延。垂直開口和變形縫未做防火處理時，高溫煙氣或者火焰會借此蔓延至相鄰樓層擴大火勢。

參考文獻

[1]顧長偉.高層建筑火災特點及滅火救援策略研究[J].今日消防，2024，9（1）：33-35.

[2]趙乾宏.基于FDS的高層建筑火災數值模擬研究[J].住宅與房地產，2023（5）：54-56.

[3]劉曉東，趙文文，李璇，等.帶連廊高層住宅建筑火災蔓延規律模擬研究[J].中國計量大學學報，2021，32（2）：260-266.

[4]張玉濤，車博，張玉杰.煙囪效應作用下火災煙氣蔓延規律模擬[J].安全與環境學報，2023，23（3）：740-748.