某国际会展中心火灾烟气流动特性数值模拟

●李守斌

(乌鲁木齐市消防支队,新疆乌鲁木齐 830002)

1 消防设计基本概况

新疆国际会展中心占地面积 329 443m2,建筑面积 110 767m2,其中地上建筑面积 93 295m2,地下建筑面积 17 472m2,会展中心主体建筑高为 50.3m,地面建筑物共 5层,地上展厅为 2层(局部有 2层夹层作为办公、配套用房),会议中心设在 2～5层,共设 8个展厅,展位约 2 630个。该工程主体为钢筋混凝土框架结构,屋顶采用大跨度张弦桁架,屋面采用直立锁边铝镁锰合金板饰面。

新疆国际会展中心属大型公共建筑,消防设计建筑类别为一类,耐火等级为一级,属于高层民用建筑,本工程按照《高层民用建筑设计防火规范》要求设置了消防控制中心。并根据各区域功能的不同,分别设置了火灾自动报警、室内(外)消火栓、自动喷水灭火、固定消防炮灭火和防排烟等系统。

1.1 消防排烟设施的设计

本项目按照《高层民用建筑设计防火规范》第8.1.3条要求应设置机械排烟设施,但考虑到展厅高大空间的实际情况,在制定展览厅排烟方案时,利用这个空间作为蓄烟空间,以削弱火灾时烟气对建筑内人员疏散的影响,同时设置了自然排烟设施。即展厅部分排烟设计按照大空间进行考虑,采用自然排烟方式,同时,设计展厅的电动开启排烟口面积不小于地面面积的 2%,休息廊开启面积不小于地面面积的 5%。排烟口具有自动和手动开启和关闭功能,并能输出开启和关闭动作信号。

1.2 消防排烟设计中存在的问题

新疆国际会展中心属于超大规模高层建筑,应按照《高层民用建筑设计防火规范》进行消防设计,但由于建筑结构和使用功能的限制,在消防设计时存在局部超过规范或不符合规范要求的情况,尤其是展厅在火灾状态下烟气的排烟是否符合或满足现行规范要求,这对建筑消防设计提出了新问题。

笔者在参与对该工程项目的具体消防监督审核过程中,针对消防设计方案,运用火灾动力学模拟软件 FDS模拟计算了展厅的烟气蔓延情况,佐证其设计的合理性和安全性,以指导该类型大空间建筑的消防设计。

2 火灾状态下烟气计算模型

FDS模型是专门用于火灾烟气传播的模型,可以模拟三维空间内空气的速度、温度和烟气的流动情况。笔者拟对展厅按自然排烟方式进行性能化评估,并对自然排烟开口面积进行分析确定。本研究将运用火灾动力学模拟软件 FDS(第五版)模拟计算出该展厅的烟气蔓延情况。

2.1 初始条件假设

为科学模拟计算,根据实际情况,做出如下假设：(1)假设周围环境温度为 20℃,展厅的内部初始温度为 20℃,压力为 1个标准大气压。建筑内火灾蔓延不受风力的影响,这样可设风速为 0m/s。(2)在火灾模拟过程中,除防火门关闭外,展厅的疏散出口均处于开启状态。(3)起火地点具体位置为图 1所示火灾场景 A。(4)火灾场景 A采用自然排烟。

图1 计算对象火灾场景结构简图

2.2 火灾场景烟气流动特性模拟

整个展厅室内净空高度：17.5～26.5m;最大设计火灾规模：5MW;设计火灾类型：非稳态;火灾发展速率：0.047kW/s;排烟情况：地面面积 2%的自然排烟口;起火地点：一层 2号展厅中部。

2.2.1 烟气温度模拟结果

烟气温度模拟结果见图2、图3。模拟过程中,模拟至 561s时,上层烟气温度达到 60℃,下层烟气温度达到 25℃。模拟至 900s时,下层温度未达到50℃,上层烟气温度未达到 180℃。

2.2.2 CO2浓度模拟结果

CO2浓度模拟结果见图4、图5。模拟过程中,模拟至 561s时,距离地面上方 2m处的 CO2浓度在0.015%左右;直至模拟结束(900s)时,距离地面上方 2m处的 CO2浓度未达到 1%。

图2 烟气温度分布(纵向 561s时)

图3 烟气温度分布(纵向 900s时)

图4 CO2浓度分布(水平 561s时)

图5 CO2浓度分布(水平 900s时)

2.2.3 CO浓度模拟结果

CO浓度模拟结果见图 6、图 7。在模拟过程中,模拟至 561s时,距离地面上方 2m处的 CO浓度为7.5ppm,整个模拟过程中,距离地面上方 2m处的CO浓度最高为 15ppm,未超过 2 500ppm。

2.2.4 能见度的模拟结果

在整个模拟过程中,离地面上方 2m处的能见度维持在 10m以上。

图6 CO浓度分布(水平 561s时)

图7 CO浓度分布(水平 900s时)

3 数值模拟结论

整个火灾模拟结果见表 1。在对新疆国际会展中心工程进行数值模拟综合分析的基础上,结合该工程建筑消防设计方案,主要针对展览厅面积过大引起火灾状态下烟气蔓延困难的特性,经过模拟计算,可得到以下结论：(1)该展厅设计的电动开启排烟口面积不小于地面面积的 2%,休息廊开启面积不小于地面面积的 5%的消防设计能够满足火灾状态下的自然排烟要求,该消防设计方案可行。(2)由于展厅防火分区存在空间上划分的困难,建设中可以将 1、2、3号展厅划为一个防火分区,为防止火灾的扩大和蔓延,应当在展厅之间设置防火隔离带,防火隔离带宽度根据展厅展出货物的类别进行调整,以达到消防安全性能的目标。

表1 火灾模拟结果

[1]GB50045-95,高层民用建筑设计防火规范(2005年版)[S].

[2]李引擎.建筑防火性能化设计[M].北京：化学工业出版社,2005.

[3]霍然,胡源,李元洲.建筑火灾安全工程导论[M].合肥：中国科学技术大学出版社,1999.