计算流体力学在现代建筑消防设计中的应用

厦门市公安消防支队翔安区大队 施华杰厦门市公安消防支队 薛文秀



计算流体力学在现代建筑消防设计中的应用

厦门市公安消防支队翔安区大队 施华杰
厦门市公安消防支队 薛文秀

【摘要】在现代计算机技术广泛应用的今天，在建筑消防设计中计算流体力学也发挥了越来越重要的作用。本文与实际的工程实例相结合，对现代建筑消防设计中计算流体力学的应用进行了分析和介绍。

【关键词】计算流体力学；消防；烟气流场模拟

如今现代建筑水平发展的越来越高，与此同时，现代建筑的消防设计也受到人们的普遍关注。发达国家从上世纪80年代开始对建筑消防设计管理体制进行审视，并且将性能化设计体系提了出来。所谓的性能化设计体系主要是指的表现型设计，其并非是对传统消防设计技术要求的生搬硬套，而是以火灾原理、新建筑的设计和疏散的具体情况为根据对建筑在火灾时的防灾能力进行模拟。在对火灾进行模拟的时候其中最为主要的一个分支就是火灾的烟气疏散，而计算流体力学则是模拟烟气扩散的主要依据，所以性能化设计中非常重要的一个工具就是计算流体力学。

1 某建筑消防设计的案例以及性能化评估

1.1 建筑消防设计案例

本案例中原建筑消防设计并不符合我国强制性防火规范要求，因此无法在消防验收中通过，后委托建筑设计研究院以及当地消防局等联合针对该建筑实施火灾模拟设计，从而将是否需要对排演系统进行加设确定下来[1]。首先，该建筑的概况为现浇钢筋混凝土结构，具有2万多平米的建筑面积，可以将其建筑形式划分为塔式核心桶式，其具有19层的建筑层数，具有60.6m的建筑主体高度。其南北建筑都设置了疏散楼梯，在北楼梯对疏散楼梯间前室进行了设计，在南楼梯对合用前室进行了设计。在南北楼梯间和前室该建筑都对消防机械加压设施进行了设置，这样就能够确保火灾的烟气无法向楼梯间和前室侵袭。在其工字型内走道中虽然对外窗自然排烟装置进行了设计，然而由于设计变更导致其自身排演通道失效。其次是人员情况。作为办公建筑，该建筑中的本单位的职工是其主要的人员组成，因此具有相对固定的特点，该建筑物中的人员只要能够对首层建筑疏散通道布局和所在层建筑布局有所了解，就可以实现疏散目标。再次是火灾荷载，办公区是该建筑的主要火灾荷载分布，办公用纸张、资料、电气设备、办公家具等属于主要的火灾荷载。最后是需要解决的问题，该建筑具有全长44米的工字型内走道，没有对排烟设施进行设置，因此与相关规定不符合。

1.2 性能化评估内容

首先，以该建筑内火灾荷载为根据对多种火灾可能性进行设计，同时将最危险的一种火灾情况确定下来，随后利用计算流体力学的方式将火灾烟气蔓延和堵塞通道在这种火灾情况下的需要的时间计算出来，也就是ta。其次，以计算流体力学为根据将火灾烟气上升到报警阀值的时间计算出来，也就是tb。再次，利用模拟手段将获得火灾信息后的人们疏散到安全地带的时间计算出来，也就是tc。最后对上述的几个时间进行比较，对△t=ta-(tb+tc)进行计算。如果计算结果为△t<0，那么结果就表明在人员没有疏散到安全地带之前火灾烟气就已经将疏散通道堵塞，这时候建筑就需要对排烟等消防设施进行增设，从而使该建筑的消防安全得到确保；如果计算结果为△t>0，就表明在火灾烟气没有将疏散通道堵塞之前人员就能够疏散到安全地带，因此该建筑就不需要对排烟设施进行增设。但是人们的疏散过程必须要从△t的时间内开始，而允许的“疏散开始时间”也就是△t。其主要指的是火灾报警设备感知火灾时间和建筑内人员开始疏散时间之间的时间差[2]。

2 该建筑性能化评估方法

在我国的建筑设计防火规范中明确规定，如果一类高层建筑的内走道大于20m，这时候就需要对排烟设施予以加设。而该建筑正好是一类高层建筑的性质，而且其具有大于20米的工字型内走道，因此按照规范要求必须要对排烟设施进行设置。由于该建筑工字型内走道中浓烟会封堵一个安全出口，这样就会导致一些人员无法利用具有最短距离的安全出口疏散出去，只能够选择距离较远的安全出口疏散出去。如果浓烟封堵住其中一个安全出口，那么在这种非常不利的条件下，要想全部人员都可以在楼梯间安全进入，这时候就可以不对排烟设施进行设置。那么只能够在这一建筑的三层至十七层设置工字型内走道，这时候具体的评估对象就可以确定为具有最大人员密度以及最多工作位的标准层，也就是该楼层中的第四层。

2.1 计算并确定ta

如果疏散通道中的烟气层在疏散过程中具有大2m的高度，而同时具有不高于160℃，那么疏散人员在这种情况下就是安全的；如果无法使这两个性能指标得到同时满足，那么疏散人员在这种情况下就是不安全的，也就是危险来临的时刻。这时候只要将三维瞬态的烟气运动的温度场和浓度场计算出来，也就可以将烟气蔓延和堵塞通道时间计算出来。

2.2 计算并确定tb

在危险到来之前建筑中的全部人员是否可以安全地实现转移，这是确定是否成功疏散的关键。这样对人们是否安全疏散进行判定的最为关键的参数就是疏散逃生时间。在计算之后，我们发现，由于其具有不一致的东、西侧走道高度，也具有不完全一样的时间，如果燃烧已经开始5s，这时候可能就会具有超过20cm的烟层高度，这样就会产生大于感烟探测器的保护面积，所以可以按照5s计算报警时间[3]。

2.3 计算并确定tc

从人员得到火灾报警通知，直到完全向安全出口疏散结束，这就是逃生时间。选择四层平面这一个最大一层的最不利点作为最不利的情况进行考虑，同时对烟气会对最不利点的安全出口的影响进行考虑。利用模拟计算将人员疏散在各种条件下需要的最长时间计算出来，这就是所谓的tc。

3 该建筑消防设计的模拟结果分析

出于对烟气的影响的考虑，如果设定“门1”着火房间距离火源最近，那么“安全出口1”就是最近的疏散楼梯间入口，那么“安全出口2”和“门2”就是疏散楼梯间入口和较远的门。计算结果见表1。

表1　各出口位置被烟气堵塞的时间

同时，会议室疏散完成需要7s，西办公区疏散完成需要31s，东办公区疏散完成需要32s，全部疏散完成需要46s。最后经过一系列的计算之后，我们发现，tc为46s，ta为5s，ta为121s，因此△t=70s>0，也就是如果烟气会对安全出口2产生威胁。直到最后完成整个疏散过程，就可以将应该大于70s的疏散开始时间△t采用逆向的方式计算出来。因此可以判断，一旦人们确认报警信号70s内在上述的假设条件下开始疏散是最安全的。同时也可以采用类似的方法将其他办公区着火的情况下的△t计算出来，比如△t=110 s>0，也就是一旦人们确认报警信号110s内在上述的假设条件下开始疏散是最安全的[4]。

4 结语

通过对计算模拟的评估结果进行分析，我们可以发现，在具有一定的人员数量和可燃物数量的情况下，能够不按照规范对排烟设施进行增设，就可以使人员安全得到保证。通过评估过程我们可以发现，计算流体力学在案例性能化评估中发挥了非常关键的作用。因此，在建筑消防设计领域中计算流体力学的应用将会变得越来越重要。不过在该测评中并未对疏散工作受到的有毒气体的影响进行考虑，所以必须要严禁使用会由于燃烧而产生大量毒气的材料。

参考文献

[1]雷有秀.民用建筑消防设计中的常见的相关问题探讨[J].科技风,2012(1).

[2]王海涛.有关民用建筑消防设计问题的思考[J].现代装饰(理论),2012(1).

[3]张惠远.建筑消防设计及系统运行维护分析[J].中国科技信息,2012(9).

[4]谢鑫.阐述建筑消防设计及监督管理工作体制[J].科技创新导报,2012(12).