高层建筑典型房间及共享空间火灾温度场分布规律

卫文彬，刘松涛，刘文利

（1.中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京 100083；2.中国建筑科学研究院建筑防火研究所，北京 100013；3.住房和城乡建设部防灾研究中心，北京 100013）

高层建筑典型房间及共享空间火灾温度场分布规律

卫文彬1，刘松涛2，3，刘文利2

（1.中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京 100083；2.中国建筑科学研究院建筑防火研究所，北京 100013；3.住房和城乡建设部防灾研究中心，北京 100013）

基于高层建筑的空间布局和结构特性，分析了其可燃物荷载和火灾发展类型，并建立了热传递模型。以某高层建筑综合体的办公层为典型场所，运用火灾动态模拟软件，对高层建筑典型功能房间及共享空间火灾条件下的温度场分布进行了数值模拟分析。分析结果表明：在研究场所典型的可燃物分布条件下，办公室的火灾功率可在500 s内增长至14.27 MW，房间和共享空间温度分层明显，房间的最高温度可达到1 250℃，回廊内最高温度可达165℃。

火灾；高层建筑；温度场；数值模拟

0 引言

随着城市经济与建筑科技的发展，为了解决城市日益突出的用地紧张等问题，各类高层建筑开始在城市建设中蓬勃发展。中国的高层建筑在经过了近30年的发展之后，逐渐呈现出以下特点：建筑高度不断增加，结构体型日趋复杂，以钢－混凝土混合、组合结构为主，涌现一些新型结构体系［1－2］。

日趋复杂的结构体型以及高层建筑中密布的管井、风筒、电缆井、走廊等共享空间，导致火灾发生时高温有毒烟气的蔓延途径增多，增大了建筑内人员的危险性。不断增加的建筑高度导致火灾发生时消防车外部射水效果差，消防救援登高困难，消防人员进入火场的通道少，无法有效进行救助，从而导致严重的火灾后果［3］。

目前，众多学者对建筑火灾进行了探讨，并取得了一系列研究成果。文献［4］对火灾高温下钢筋混凝土的变形、位移进行了分析，得出了连续梁结构的荷载最不利位置。文献［5］对混凝土构件进行高温试验，得出了混凝土结构破坏分析与缺陷诊断的方法。文献［6］对高层建筑内火灾烟气扩散进行了数值模拟分析，确定了合理的排烟设计方案。文献［7－8］对高层建筑的火灾隐患及成因进行了分析，并提出了有效的消防预防对策。

上述研究成果主要是针对建筑主体结构，研究烟气蔓延扩散、火灾成因、扑救及消防预防对策等，对于高层建筑室内及共享空间的火灾温度场分布规律的研究尚不充分。本文经过对高层建筑火灾特点的分析，提出蔓延性火灾是造成高层建筑火灾严重后果的一个主要原因。基于对火灾蔓延特性的研究，通过火灾动态模拟软件（FDS）进行数值模拟，得出高层建筑典型房间及共享空间火灾温度场的基本分布特征，可以为建筑结构的防火设计，防排烟系统、喷淋系统及火灾探测器系统的设计提供合理有效的依据，对于提高建筑整体防火性能，减少高层建筑火灾损失具有重要意义。

1 高层建筑火灾基本特性分析

1.1 火灾荷载分析

在现代高层建筑中，由于建筑标准高、功能多、装修量大、电气化程度密集，加之部分可燃性建材的使用，导致高层建筑中可燃物的火灾荷载往往较高。酒店和办公室是高层建筑中比较常见的两种业态形式。酒店客房的房间内可燃物包括床上用品、家具、内装修等；办公用房的房间内可燃物包括纸张用品、办公家具、内装修等。

考虑到高层建筑中的可燃物均为固体，因此，可以采用固体木材可燃物燃烧模型对高层火灾载荷进行评估。模型计算公式如下［9］：

其中：m″为单位面积质量损失速率，kg／（s·m2）；ρ为可燃物的密度，kg／m3；vp为线速率，m／s，取0.67 mm／min；R为质量损失速率，kg／s；A为暴露表面积，m2；Q为热释放速率，MW；△Hc为燃烧热，MJ／kg。

同时，可以根据下式预测可燃物不断燃烧的时间：

其中：Td为燃烧时间，s；D为燃料厚度，m；β为常数（一个面燃烧取1，两个面燃烧取2）；其他符号同上。

在对建筑火灾进行一定程度的简化之后，可以根据下式计算出其火灾载荷：

其中：q为载荷密度，MJ／m2；mi为单个可燃物的质量，kg；△hi为单个可燃物的热值，MJ／kg；At为着火房间内表面的总面积，m2。

因此，根据上述模型便可对高层建筑火灾载荷进行合理的评估。

以某高层建筑综合体的办公层为研究对象，选取固体木材的燃烧热值为17 MJ／kg，密度为0.54×103kg／m3。假设房间内所有可燃物换算为热值等量的木材后，其体积在房间内形成的薄板厚度为层高的10%，在通风条件充足的情况下，通过已建立的燃烧模型进行火灾载荷分析，结果如表1所示。

表1 火灾载荷分析结果统计表

1.2 火灾发展趋势分析

火灾的发生、发展一般包括引燃、轰燃发生前、轰燃、轰燃发生后和衰减等几个阶段。大量试验表明：在实际火灾的初期和增长期，热释放速率随时间的推移不断增长，大多数常见可燃物着火时，热释放速率增长遵循时间的平方规律。

其中：Q为热释放速率，kW；a为火灾增长系数，kW／s2；t为时间，s。

不同的可燃物火灾增长的时间常数不同，按热释放速率增长的快慢通常将t2火分为4类，即超快、快速、中速和慢速火。根据文献［10］中关于t2火特征及典型可燃材料的表述，高层办公室火灾发展趋势可用中速－快速火表征。

1.3 火灾热传递模型

火灾的蔓延往往通过热传递来进行，火灾中可燃物燃烧产生的热量总和包括传导热、辐射热和对流热3部分［11］，可分别对这3部分热量建立模型进行分析。

（Ⅰ）传导热

传导热遵循热力学第二定律，是指热量从高温物体向低温物体传递，其大小取决于两物体之间的温差、距离等。式中：q″为单位面积的热流量，W／m2；k为热传导率，W／m K；α为热发散系数，m2／s；x为热流量方向的距离，m；T为传热物体的温度，K；t为传热时间，s。

根据点源模型将火源看作是一个热辐射的中心，其向四周辐射的热量为［12］：

式中：QR为辐射强度，kW；χR为辐射能比率；Di为火焰直径，m；τ为空气透射率；li为辐射距离，m；mpi为质量流率，kg／s；△Hci为燃烧热，MJ／kg；S为交界面面积，m2。

（Ⅲ）对流热

对流热的强度大小取决于热烟气质量流量，单位质量热烟气温升所需热量。

式中：Qc为对流热强度，kW；cp为流体定压热容，k J／（kg·K）；ρ为流体密度，kg／m3；v为交界面体积流率，m3／s；T为热交界面流体温度，K；T0为交界面流体初始温度，K。

2 数值模拟分析

数值模拟采用FDS［13］大涡模拟技术进行研究。FDS场模拟是基于质量、动量、化学组分等多种守恒定律建立的由连续方程、动量方程、能量方程、组分方程和辅助方程构成的数学方程来进行求解的物理模型。其大涡模拟通过把研究区域划分为许多微元控制体，可以得到较为真实的瞬态流场，能给出较详细的各种物理量的分布，且精度较高，适用于建筑火灾中的着火房间或有强通风的房间。

2.1 模型建立及参数设定

对建筑设计图纸进行适当的简化之后进行建模，如图1所示。

图1 FDS数值模型

为便于计算机计算，数值模拟过程中做以下几点假设：

部分人追求美观效果,喜欢加湿器喷出白雾,而白雾的实质是水中矿物质随水雾喷出的结果。这些含有矿物质的雾滴有很强的吸附能力,雾滴吸附细菌、病毒或装修时残留在室内的有毒物质,这种带有致病因素的“毒雾”被孕妇吸入过多可能是加湿性肺炎导致呼吸系诸多统疾的发病根源。孕、产妇这一易受疾病的群体,如果冬季室内过于干燥,可尽量选择无“雾”加湿器,并剂量在室内配置湿度表,将室内湿度保持在45%~50%之间,此时人体感觉最舒适,湿度过高容易致病[8]。而不使用加湿器时,务必将加湿器中水倒掉、擦干,防止细菌滋生,危害孕妇健康。

（Ⅰ）火灾在建筑整体之间蔓延的影响因素较多，且建筑整体模型较大，计算机计算存在较大困难，因此，本次模拟不考虑火灾在建筑整体内的蔓延。

（Ⅱ）火灾燃烧全过程持续时间（含熄灭）较长（628 m in），考虑计算机的计算能力，在模拟过程中只针对火灾增长蔓延及充分发展阶段进行模拟分析。

（Ⅲ）假设酒店客房（办公室）只有一间起火，并且在火灾发展的过程中其他各个房间的边界构件均未失效。

（Ⅳ）初始阶段的阴燃火以及非轰然火发展阶段简化为火源功率为1.0 MW的快速t2火。

（Ⅴ）火灾蔓延通过不同位置的“heat detector”来触发。

（Ⅵ）模型中的温度场通过设置不同位置、不同高度的温度测点进行监测。

模型中参数设置如表2所示。

2.2 火灾热释放功率模拟结果分析

图2为1.0 MW的初始设定火灾规模条件下，由于火灾蔓延办公室内部火灾热释放功率增长趋势图。

表2 FDS场模型参数设置一览表

图2 办公室内部火灾热释放功率增长趋势

从图2中可以看出：在0～110 s时，初始设定火源呈t2火增长趋势。在110～220 s时，由于火源燃烧释热及热传递导致与火源直接接触的小范围桌椅被引燃，火灾热释放速率的增长趋势也呈现出小范围波动，其中在t＝205 s前后，办公室房门被引燃，烟气开始流入回廊。在220～310 s时，t＝220 s前后窗户玻璃破裂，创造了良好的通风条件，持续增长的火灾将与火源间接接触的大范围内的桌椅引燃，整个办公室内部出现轰燃，火灾热释放功率急剧上升。在310～500 s，在轰然阶段过后，火灾热释放功率增长率逐渐降低，火灾热释放功率逐渐趋近于最大释热功率。在500～900 s时，火灾热释放功率达到最大值，火灾呈稳定燃烧状态，最大释热功率为14.27 MW。

图3 办公室内部轴向温度变化曲线

2.3 办公室内温度场模拟结果分析

图3为设定模拟条件下办公室内部温度轴向分布图。

从图3中可以看出：当火灾发生后，燃烧释热使房间内的空气温度升高，轴向各测点温度开始随时间增长而迅速上升，且在前220 s内，各测点升温速率随时间迅速增大。当t＝220 s时，窗户玻璃发生破裂，热空气向外流动，导致各测点温度在短时间内均产生不同程度的下降。随后，各测点温度继续上升，最后在400 s前后趋于稳定，距离地面4.2 m的测点温度最高，可达1 250℃。

2.4 回廊温度模拟结果分析

图4为办公层回廊各个测站平均温度变化曲线。从图4中可以看出：客房房门未被引燃失效前，回廊各测点的温度保持不变；当t＝200 s时，测站2附近的房门首先被引燃失效；随后t＝215 s时，测站1附近的房门被引燃失效，房间内的高温高压气体流出，回廊内的温度迅速上升。房门失效约30～40 s后烟气流动到测站3和测站4，进而充满整个回廊。之后回廊内各测点温度随时间迅速上升，在t＝750 s之后各测站温度趋于稳定，测站1和测站2平均温度较高，达165℃，测站3和测站4温度稍微偏低，平均达130℃。

图4 回廊各测站平均温度变化曲线

3 结论

（1）通过火灾载荷分析模型计算得出高层办公室的火灾载荷为1 114.9 MJ／m2，其火灾发展类型可用中速－快速t2火表征。

（2）FDS数值模拟表明蔓延性火灾条件下，初始火灾功率为1.0 MW的办公室火灾，可在500 s内发展成为14.27 MW，房间内的最高温度可达1 250℃。

（3）当边界构件（房门）失效后，办公层的热烟气在30～40 s便可蔓延至整个回廊，回廊温度测站表明其温度可达165℃。

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TU998.1

A

1672－6871（2015）05－0068－05

国家科技支撑计划基金项目（2012BAJ07B01）；中国建筑科学研究院自筹基金项目（20140111330730049）

卫文彬（1990－），男，河南焦作人，硕士生；刘松涛（1978－），男，安徽阜阳人，高级工程师，博士，硕士生导师，主要从事安全工程、火灾及消防工程等方面的研究.

2015－03－24

基金项目：国家科技支撑计划基金项目（2012BAJ04B02）

作者简介：方 伟（1988－），男，湖北应城人，硕士生；田 琦（1966－），男，山西汾阳人，教授，博士，博士生导师，主要研究方向为暖通空调新技术、新能源利用.

收稿日期：2014－10－31