高层建筑外立面U型结构火蔓延的实验研究

李建涛，闫维纲，朱红亚，王青松，孙金华＊

（1天津市消防总队重点保卫处，天津，300090；2中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥，230026）

0 引言

随着中国城市化进程的深入推进，城市高层建筑的数量越来越多，高度越来越高，近年来房价的不断攀升和居民对住房需求量的居高不下，刺激各房地产企业加快了开发建设商用高层住宅的速度。而在科学发展观理念不断深化和全球能源问题的日趋严峻，全社会大力倡导建设环境友好型社会的背景下，提倡低碳节能环保，使用外保温材料进行建筑节能也得到了普遍推广。同时，U型结构外立面已广泛为实际生活中的建筑，特别是高层住宅建筑所采用。一方面极大丰富了建筑构造形态的造型和美感，增加了造型变化的元素，从美学角度具有不可替代的作用；另一方面，也是立体利用空间、增大空间使用率及采光、户型设计的需要。但随之而来的，则是其火蔓延特性的改变。当发生外立面火灾时，高层建筑U型结构的火蔓延特性将不同于一般的平面结构，这很有可能导致火蔓延速度发生变化。因此，研究高层建筑外立面U型结构对火蔓延特性规律的影响作用，具有重要的研究价值和意义。

目前国内外对保温材料的火灾特性研究较多［1－5］，如 Stec等人研究了建筑保温材料燃烧毒性［6］，然而建筑外立面结构对火灾特性的影响则较为少见。本文针对高层建筑中常见的U型外立面结构，对典型有机保温材料PU（硬质聚氨酯泡沫）进行了小尺度条件下的U型结构竖直火蔓延实验研究，分析给出了高层建筑外立面U型结构火蔓延区别于普通平面结构火蔓延的特点。

1 实验

1.1 实验材料

硬质聚氨酯泡沫（PU）［7－8］在工程实际中应用广泛。在建筑围护保温、夹心板钢结构建筑、空调风管和门窗及供热系统等领域均有广泛应用［9］。因此实验以PU为可燃物，不添加任何阻燃剂。聚氨酯泡沫的密度直接影响了聚氨酯的燃烧特性，其密度根据需要有多种规格，本文实验中使用的聚氨酯泡沫的密度为60kg／m3。

1.2 实验模型与装置

典型的高层建筑外立面U型结构见图1所示，该U型结构左右对称，正面开口，背面和两个侧面覆盖保温材料。为了更好地研究U型结构，将建筑的U型结构简化为如图2所示的模型，该模型在高度方向上有无限长度，底部宽度为A，侧面宽度为B，背面和侧面覆盖有热厚型保温材料。定义U型结构的结构因子α＝，该结构因子反映了U型结构形成的凹槽的进深程度。

图1 典型高层建筑外立面U型结构Fig.1 Typical U shaped structure in high building

图2 U型结构简化模型图Fig.2 Simplified model of U shaped structure

基于上面提出的物理模型，本文实验着重研究火焰在竖直布置的U型结构的保温材料表面的蔓延特性。实验中由于U型结构存在两个侧墙，加上正面的火焰以及烟气对材料表面热解区域的遮挡，使得无法确定材料的热解区和热解前锋位置，因此本文采用火焰前锋位置作为确定火蔓延速度的参数。聚氨酯泡沫为热厚材料，在火蔓延过程中，其热穿透厚度较小，只有当猛烈燃烧之后，背火面才有明显温升。而本实验所研究的是火焰前锋位置的蔓延特性，因此在实验研究范围内聚氨酯泡沫厚度始终大于热穿透厚度。

实验装置如图3所示，实验中U型结构保温材料PU的长度均为1m，厚度均为2cm，背板保温材料的结构参数A＝10cm，其结构参数B根据工况变化。在保温材料的背面放置对应大小石膏板，可以防止火焰在背面蔓延。DV摄像机布置在装置侧前方，对实验过程中影像进行记录，材料表面每隔5cm使用记号笔划水平线，方便后期处理。

实验采用电子天平采集材料燃烧时的质量变化数据，型号为METTLER TOLEDO，精度为0.01g，最大量程10kg。天平放置在实验装置下方，与实验装置主体之间隔有石膏衬板。

热电偶测温点沿实验装置背板竖直中线布置，从距离背板下边沿10cm处开始，每隔10cm布置一个，到80cm位置止，测温点测量贴近材料表面处的气相温度。本实验中使用0.5mm直径的K型铠装热电偶进行测温，由于直径比较细，其响应速度比常用的1mm或更大直径的热电偶快。温度数据采集模块采用C－7018，7018产品具有内置的微处理器和坚固的工业级塑料外壳，被广泛的应用于各种工业环境。安全性高，通用性好，内置485自适应芯片，可以很方便的组网连接。性能优良，内部有3000VDC隔离系统。

1.3 实验设计

本实验研究高层建筑U型结构对火蔓延特性的影响，通过改变U型结构简化模型的结构因子α的值，模拟不同工况下火蔓延行为，得到火焰的唯象特性、火蔓延速度、质量损失速率以及温度特性等参数。本实验中结构参数A的取值均为10cm，B的取值分别为4cm、6cm、8cm、10cm、12cm、14cm、16cm，因而对应的结构因子α＝0.4，0.6，0.8，1.0，1.2，1.4，1.6。

2 结果与讨论

2.1 唯象特性

保温材料竖直方向火蔓延属于顺流火蔓延。图4显示的是结构因子为1.2时的等时间间距实验图像序列。在该组实验中，从点火的时刻开始，火焰在U型结构中向上蔓延。开始阶段，由于火势较小，对预热区的传热速度比较慢，导致火焰向上蔓延的速度较小。5s之后，火蔓延速度迅速增大。一方面由于火焰对预热区的直接作用，另一方面也由于火焰产生的热烟气对预热区的传热作用，使得预热区温度迅速升高，同时，由于比较强烈的气流流动导致火焰被拉长，使得预热区面积迅速增大，这些因素藕合在一起，导致热解区迅速增大，进而导致热解气释放速率增大，火势迅速增大，释放热量增多，增大的热量释放对于预热区有正反馈作用，最终导致火焰的蔓延速度急剧加快。

图4 结构因子为1.2时的实验图像序列Fig.4 Fire spread atα＝1.2

2.2 火蔓延速度

火蔓延速度是表征固体可燃物表面火蔓延行为的最重要参数。火蔓延速度的定义如式（1）所示。

对于固体可燃物表面火蔓延来说，火蔓延速度一般可定义为燃烧热解前锋相对于试样表面的移动速度，而对于本文中的固体材料的竖直顺流火蔓延，由于火焰贴壁的影响，热解前锋比较难以辨别，因此将其定义为火焰前锋相对于试样表面的移动速度。

通过对实验录像进行计算机图像处理，得到火焰前锋在特定时刻相对于点火位置的距离。图5为结构因子分别为0.4、1.0和1.6三种情况下，火焰前锋位置随燃烧时间的变化规律。其中，L表示距实验材料底端点火位置的距离，t＝0的时刻是点火时刻。从图5中可以看出，随着时间的增加，火焰前端在相同时间段内的距离增量越来越大，这说明同一工况下，火焰的蔓延速度处于一个不断加速的过程中。对于不同的工况而言，蔓延到相同距离所需要的时间各不相同，结构因子为1.6的工况用时总是最短的，而结构因子为0.4的工况则总是最长的。这说明，结构因子越大，火蔓延的速度也越快。这是因为结构因子越大，U型结构的进深越深，这导致产生的烟囱效应越明显，烟囱效应对火蔓延的加速作用越大，导致火蔓延速度越大。

图5 三种工况下火焰前锋位置随时间变化曲线图Fig.5 Flame front varying with time in three cases

图6显示了不同工况下火焰前锋蔓延至可燃物顶端所需要的时间，从图中可以看出，随着结构因子的增大，火焰前锋蔓延的整体速度越来越快，这是因为烟囱效应对火焰蔓延的加速作用。火焰蔓延的加速随结构因子的增大存在一个减速的趋势，也即，火蔓延的速度随结构因子的增大呈现加速增加的趋势，而火蔓延加速度则随结构因子的增大呈降低的趋势，并趋于一稳定值。

图6 各工况下火焰前锋蔓延至100cm处所用时间Fig.6 Time used when the flame spreads to 100cm

2.3 质量损失速率

可燃物在燃烧时的质量损失速率作为火灾研究中的一个重要参数，可以反映出火势的大小。而且从某种程度上，质量损失速率可以反映出火蔓延速度的大小。

图7是不同工况下有效火蔓延过程中的可燃物质量随时间变化的曲线，从图中可以看出，对于某个工况而言，质量损失呈加速趋势，这是由于随着燃烧的进行，火蔓延速度逐渐加快，热解区域面积不断扩大，这导致热解气的析出速率不断增大，因此质量损失呈加速趋势。对于不同工况整体而言，随着结构因子的增大，质量损失及在整体上呈增大趋势，这是由于随着结构因子的增大，一方面由于烟囱效应对火蔓延的影响，火蔓延的加速度增大，导致热解造成的质量损失速率增大，另一方面由于结构因子的增大，造成整体的可燃物表面积增大，这都有利于质量损失的增大。

图8显示了不同工况的质量损失速率曲线。从图中可以看出，整体而言，质量损失速率呈增大趋势，这与火蔓延速率的加速有直接关系，火蔓延速率的加速导致在单位时间内增加的热解区面积随时间增大，进而单位时间内热解气析出加速，导致质量损失速率增大。另外，对于不同工况，随着结构因子的增大，质量损失速率也逐渐增大，这是由于火蔓延速率随结构因子的增大而增大以及可燃物表面积随结构因子增大而增大这两种因素的耦合作用造成的。

对图8进行更加深入的分析，发现本实验中的U型结构竖直火蔓延过程可以大致分为两个阶段，第一个阶段中，质量损失速率较小，并且质量损失速率基本不变，同时，对于不同工况而言，这个阶段经历的时长基本相同；在第二个阶段中，质量损失速率明显不同于第一阶段，开始变的更大，而且随着时间的增大，质量损失速率开始增加，此阶段中，随着结构因子的增大，质量损失速率也在增大。

图7 质量随时间变化曲线Fig.7 The mass loss with time

图8 不同工况下的质量损失速率Fig.8 The mass loss rate in various cases

第一阶段对应于刚刚点火的初始阶段，此时火焰功率较小，而且火焰高度较小，同时，由于刚刚点火不久，热烟气的速度比较小，由于热烟气的运动引起的烟囱效应比较小，综合起来对未燃区的加热效率比较低，致使这一阶段中火蔓延速率比较小，从图5中也可以看出，这个阶段的火蔓延近似于稳态火蔓延，火蔓延速度近似于定值，因此这个阶段的质量损失速率较小，而且基本是定值。此外，由于第一阶段近似于稳态，则达到能够产生强度足够大的烟囱效应的时间也应该是相近的，这也就解释了为什么第一个阶段经历的时间是相近的。

对于第二个阶段而言，这个阶段对应于在烟囱效应作用下的竖直火蔓延，烟囱效应对于火蔓延的影响很大，对于本实验而言，烟囱效应越强，火蔓延的加速就越快，因此，在第二阶段中，随着结构因子的增大，质量损失速率也在增大。

2.4 温度特性

温度是衡量燃烧特性的一种重要参数，一定程度上，温度的大小能作为衡量燃烧剧烈情况的一种指标。在同样实验条件下，不同可燃物的燃烧温度也不尽相同。在本次实验中，测量的是U型结构聚氨酯材料表面的火焰温度。

每份样品长均为100cm，从下方向上第15cm处开始放置热电偶，每隔10cm放置一个，至85cm处结束，一共八个热电偶。热电偶固定在样件后方支架，其前端穿过样件上预先打好的孔，超出表面2cm～3cm，测量贴近材料表面处的气相温度。由于发生轰燃后，由于材料的燃烧变形导致热透性改变，不再是热厚性平板。因而我们分析只着重处理点燃至火焰前锋到达顶端这一阶段。

图9和图10分别是α为1.2与0.8时，同种工况内不同点温度变化情况。由图中曲线可以发现，整体而言，位置越高的点，在实验中最高温度越高。除此之外，在不同工况下，各点温度上升速率以及最高温度值差别很小。比如，在55cm高度，两种工况下的气象最高温度均在600℃到650℃之间。这是因为，可燃物的最高燃烧温度，在外界条件几乎一定的情况下，仅与可燃物本身性质有关，在此实验中，不同α值对燃烧速率以及火蔓延速率影响较大，但是对氧气浓度，外界气压等影响燃烧的因素并无影响，因而并不会改变其本身的最高燃烧温度。

图11和图12是不同工况下，高度分别为35cm和65cm时温度变化情况。从上图可以看出，在不同α值下，同一高度点温度上升速率基本一致。考察每种α值下此点的最高温度，同一高度点的最高温度（图中每条曲线的最高点）差别很小（35cm高度为580℃左右，65cm高度为650℃左右），证明了前文中对最高燃烧温度的分析。

图9 α为1.2时同种工况内不同点温度变化情况Fig.9 The temperature history atα＝1.2

图10 α为0.8时同种工况内不同点温度变化情况Fig.10 The temperature history atα＝0.8

另外，从火蔓延角度分析，不同α值下火焰蔓延至35cm处的时间差别，要远大于火焰蔓延至64cm处所用时间。由图11中可知不同α值下蔓延至35cm处时间差为12s左右，而图12中可知至65cm处则仅为8s左右。这说明，火焰蔓延速率的增长率，也在随着高度的增加在不断增大，侧面说明火焰的剧烈程度，也与火焰的燃烧时间以及火蔓延高度成正比。

3 结论

本文以常用的硬质聚氨酯泡沫（PU）为外保温材料，针对高层建筑中常见的U型外立面结构，根据实际情况将建筑的U型结构简化为小尺度模型，定义了结构因子和结构参数，通过改变U型结构的结构因子，实验模拟了U型结构对竖直火蔓延行为的影响规律，得到如下结论：

图11 不同工况下高度为35cm时的温度变化情况Fig.11 The temperature history at height of 35cm

图12 不同工况下高度为65cm时温度的变化情况Fig.12 The temperature history at height of 65cm

（1）U型结构竖直方向火蔓延是一个非稳态的火蔓延过程，火蔓延速度会随着时间的推进逐渐加速；

（2）U型结构在着火的时候会产生烟囱效应，烟囱效应对火蔓延有促进作用。随着结构因子的增大，烟囱效应的促进作用逐渐增强，导致火蔓延速度逐渐增大，火蔓延加速度趋于稳定；

（3）火蔓延的质量损失随时间的推进逐渐增大，并且质量损失速率整体也呈增大趋势；对于不同的结构因子而言，结构因子越大，质量损失和质量损失速率也越大；

（4）U型结构竖直方向火蔓延在本实验中呈现两个阶段：第一个阶段属于近似稳态蔓延，蔓延速度较小，质量损失较小，质量损失速率近似定值；第二个阶段属于烟囱效应作用下的火蔓延，火蔓延速度和加速度明显增大，质量损失及其损失速率随时间推进而增大，同时也随结构因子增大而增大。

（5）在各个结构因子α值下，样件表面气相最高燃烧温度与样件测温点高度成正比，测量点越高，最大温度越大。而对与不同α值下样件的同一高度测温点，其最大温度差别不大。同时由不同高度测温点所测得的温度峰值时间点也证明了火蔓延速率也随着蔓延高度的增加而在不断加大。

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