某大型商業綜合體的火災蔓延機理及消防系統優化研究

摘要：以某大型商業綜合體為研究對象，針對該建筑特有的垂直井道與幕墻系統結構特性，分析其火災蔓延機理，優化設計消防系統方案。通過系統優化研究表明，采用多級增壓高壓細水霧與正壓送風協同控制策略，能夠有效抑制建筑內部煙氣流動態勢，使煙氣溫度顯著下降，有效延緩火災蔓延速度。結合不同功能區域獨特的火災風險特征，開發具有分區響應功能的智能化消防系統，提升了滅火效率與精準度，為此類大型商業綜合體的消防安全提供了切實可行的技術解決方案。

關鍵詞：商業綜合體；火災蔓延；煙氣流動；高壓細水霧；智能化消防系統

某大型商業綜合體具有功能復雜、火災負荷分布不均等特點，建筑的垂直井道與幕墻系統在火災中可能會加速火勢蔓延，而傳統滅火設備在應對此類建筑火災時，常面臨噴射高度有限、滅火劑利用率不高等問題。因此，深入研究該建筑的火災蔓延特性，開發適應其空間特點的消防系統具有重要意義。

1 某大型商業綜合體基本情況與火災風險特征

某大型商業綜合體集辦公、商業及餐飲等多種功能于一體，建筑高度95m，建筑面積38000m2，包含3個主功能區，各功能區呈現不同的火災風險特征。1～5層為商業區，該區域以商品陳列和裝修材料為主要可燃物，火災負荷密度高，火災增長迅速。6～12層為辦公區，該區域火災負荷密度較低，分布均勻，火災初期發展緩慢。13～15層為餐飲區，該區域以油煙管道和廚房設備為主要風險源，火災特點是快速增長后持續穩定燃燒，并產生大量有毒煙氣。這種差異化的火災負荷分布，需要制定針對性的消防防護策略，以有效應對各區域特有的火災發展特性和潛在威脅[1]。

2 火災蔓延機理

2.1" 垂直井道火災蔓延機理

垂直井道系統在大型商業綜合體火災過程中呈現出顯著的“煙囪效應”。電梯井、管道井等貫通空間構成連續的豎向通道，使高溫煙氣在熱浮力作用下快速上升。通過現場實驗測試可知，當火源位于低層區域時，井道內的煙氣溫度隨高度呈指數增長，在15層以上區域可達580℃。這種溫度分布特征導致井道周邊區域出現強烈的對流換熱現象，加速了建筑結構與可燃物的升溫過程[2]。煙氣在垂直井道內形成穩定的上升氣流，并在各層開口處產生渦流，促使火勢向鄰近空間蔓延。

建筑內部的電纜及管線在穿越井道時，若防火封堵部位處理不當，容易成為火災防護系統的薄弱環節。實地調查數據顯示，該大型商業綜合體的管線井每層平均有4～6處穿越開口，這些位置在火災工況下容易形成煙氣擴散通道。研究記錄的一起實際火災案例顯示，由于井道的貫通效應，8層的初始火源僅用12min便使12層以上區域完全充滿煙氣。管道井內的可燃材料在高溫作用下進一步加劇火勢蔓延，產生連鎖反應。針對井道火災蔓延特性，本文開展了溫度場數值模擬。模擬結果顯示，井道頂部形成負壓區，底部形成正壓區，壓差可達120Pa，這種壓力分布加劇了豎向氣流運動。同時，建筑外部風壓與井道煙囪效應相互作用，在不同樓層形成了復雜的氣流組織，對火災蔓延路徑產生顯著影響。

2.2" 幕墻系統傳熱機制

該大型商業綜合體采用全玻璃幕墻系統，在火災下表現出獨特的傳熱特性。通過實驗觀測發現，當室內溫度達到200℃時，中空玻璃幕墻開始發生應力變形，在400℃以上溫度環境中，玻璃因熱應力作用出現裂紋并最終破碎。破損的幕墻系統形成新的對流通道，導致火勢沿建筑外立面快速蔓延。實驗數據顯示，幕墻破損后火焰溫度在外立面處達到750℃，輻射熱通量峰值超過55kW/m2，對上部樓層構成嚴重威脅。幕墻系統的傳熱過程呈現出明顯的階段性特征。在火災初期，中空玻璃的隔熱性能可有效阻滯熱量傳遞，內外表面溫差可達180℃。隨著火災發展，中空層內氣體受熱膨脹，玻璃層間產生額外應力，加速了幕墻系統的破壞進程。研究表明，當火源距離幕墻1.5m時，玻璃外表面溫度上升速率達15℃/min，這種快速升溫使幕墻系統在短時間內失去結構完整性。通過熱工分析確定了幕墻系統的臨界失效溫度，并建立了破損預測模型[3]。模擬結果表明，幕墻系統的破損模式與火源位置及熱通量分布密切相關。當火焰直接沖擊幕墻時，局部溫度梯度顯著增大，在熱應力集中區域引發鏈式破壞。這種破壞模式為火災防控策略的制定提供了重要依據。

2.3" 不同功能區域火災發展特性

該大型商業綜合體3個功能區的火災發展特性鮮明。商業區（1～5層）火災發展迅速，主要是商品陳列和塑料包裝材料較密集造成的?；馂某跗跍囟瓤焖偕仙?，閃燃時間短，會產生大量黑煙和有毒氣體。測試顯示，標準貨架發生火災，5min內熱釋放率達1MW，輻射熱通量高達35kW/m2，極易引發連鎖燃燒。辦公區（6～12層）火災發展較緩慢，開放式布局使初期熱量分散，溫度上升緩和。然而電氣設備或家具燃燒產生的高溫煙氣積聚于吊頂區域，形成熱層向下輻射，達臨界溫度后可引發二次閃燃，導致火勢突然加劇，熱釋放率呈階梯狀增長。餐飲區（13～15層）火災最為復雜，兼具快速發展和持續時間長的特點，油煙管道積污燃燒產生高溫煙氣，且富含未完全燃燒的碳氫化合物，毒性顯著高于其他區域，可通過垂直管道向高層蔓延。

3 消防系統優化設計

3.1" 改進高壓細水霧系統

針對該大型商業綜合體火災特性，優化設計了多級增壓高壓細水霧系統，改進系統采用變頻調速泵組實現壓力智能分區，以確保不同樓層噴頭工作壓力穩定在8～12MPa范圍內，通過計算機模擬優化設計的雙流體霧化噴頭將水滴粒徑控制在50～100μm之間，可顯著提升霧滴群的穿透能力與冷卻效率，見表1，系統核心技術參數經過全方位優化，在保證滅火效能的同時降低了水損程度。

系統采用環形管網布置方式提升可靠性，在各防火分區設置獨立控制閥組，實現精準定位噴射，管網采用316L不銹鋼材質，壁厚4.5mm，可承受16MPa工作壓力，可在高溫環境下保持良好的機械性能。水泵選用高轉速離心泵，通過智能變頻系統根據樓層高度自動調節出水壓力，提供最佳霧化效果，改進后系統在15s內可建立穩定噴霧效果。設置兩座容積各為180m3的消防水池，通過管道連通形成雙聯供水系統[4]。泵組配置3臺主泵與1臺備用泵，單臺泵流量為280L/min，揚程420m，能夠滿足全樓層同時啟用工況，根據高壓輸送試驗，系統在20層最不利點處仍可保持9.5MPa的工作壓力，確保高層區域的滅火能力。

3.2" 正壓送風策略

基于該大型商業綜合體的火災動力學特性，本文設計了分區聯動的正壓送風系統。系統在防火分區之間建立40～50Pa的穩定壓力差，通過梯度加壓有效阻斷煙氣擴散，送風系統采用變頻風機組，根據火災位置動態調節送風量，保持疏散通道持續正壓，實驗表明，當相鄰防火分區壓差維持在45Pa時，煙氣擴散速度降低至0.3m/s以下。系統配置智能控制裝置，通過溫度傳感器與煙氣濃度探測器實現多參數聯動。在火災樓層形成350m3/h的機械送風，同時在其上下相鄰樓層維持200m3/h的基礎送風量，構建三維防護氣幕，送風口采用可調節導流板設計，風速控制在8m/s內，避免產生氣流擾動，合理的送風氣流組織能夠將防火分區煙氣濃度控制在0.1%以下，為人員疏散爭取寶貴時間[5]。垂直井道的煙氣控制采用多層聯動策略，在著火層實施強制排煙，相鄰樓層保持正壓防護，送排風系統通過中央控制器協同運行，根據火災發展階段自動調整工作模式。

3.3" 智能分區控制方案

本文設計采用分布式控制架構，在該大型商業綜合體各防火分區設置現場控制單元與數據采集模塊。控制系統由中央控制器與分區控制器組成，通過千兆光纖環網連接形成控制網絡。每個防火分區配置溫度傳感器與紅外探測器構建多源感知網絡，傳感器間隔不大于6m且交錯布置，確保監測數據全覆蓋。商業區域控制方案設計變壓調節系統，將高壓細水霧系統噴射壓力設定為8～12MPa可調范圍，流量在12～15L/min之間動態調節。控制柜內置3臺工控機并聯運行，采用2+1冗余配置，主備切換時間要求不超過0.5s。系統設計包含獨立的UPS電源，可支持控制設備持續運行4h。辦公區控制方案強化電氣火災防控，設計電流監測點與紅外成像儀雙重布置。在配電室與強電井設置剩余電流式電氣火災監控探測器，監測閾值設定為300mA。餐飲區控制方案針對油煙管道特點，設計8m間距安裝防爆型熱解紅外探測器，配合氣體濃度傳感器構建專項監測網絡。各功能區控制策略庫預置10種應急處置方案，可根據火災情況自動調用并執行相應控制指令。

4 系統性能評估

通過模擬實驗與實地測試，對優化后消防系統的綜合性能進行評估，見表2。改進系統在不同火災場景下均表現出顯著的性能提升。商業區域火災模擬中，高壓細水霧系統響應時間縮短至15s，噴霧覆蓋半徑達4m，水霧粒徑分布90%集中在50～100μm內。現場測試數據表明，改進系統可在120s內將800℃火源溫度降至350℃以下，提升了滅火效率。正壓送風系統的壓力場測試顯示，在標準工況下疏散通道正壓值穩定維持在45Pa，相鄰防火分區壓差達到設計要求。

5 結束語

本文針對某大型商業綜合體的火災安全問題進行了系統研究，重點解決了復雜建筑環境下火災快速蔓延的技術難題，通過實驗數據分析與數值模擬，揭示了垂直井道“煙囪效應”與幕墻傳熱機制對火災發展的影響規律，基于此開發了一套包含多級增壓高壓細水霧、正壓送風與智能分區控制的集成消防系統，這種基于建筑特性與功能分區的差異化消防策略，不僅提高了滅火效率，還為人員疏散創造了更安全的環境。未來研究將進一步探索人工智能技術在火災早期識別與動態滅火控制中的應用，提升系統的自適應能力與智能化水平。

參考文獻

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