凹型建筑外立面火灾烟气蔓延特性研究*

潘晓菲，吕　品

(安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001)

0　引言

从上世纪开始，我国高层建筑得到快速发展，并变得越来越普及。据不完全统计，我国目前有36万余栋高层民用建筑，其中包括有8 500多栋超高层民用建筑。但是，随着这种高层和超高层建筑的兴起，火灾安全也成为了一个严峻的问题[1-3]。类似2011年沈阳皇朝王鑫酒店“2.3”火灾、2010年上海静安公寓火灾、2009年北京央视北配楼火灾等事故屡见不鲜[4]。2010年，西安空军医院在建的建筑发生火灾，只有外墙有保温材料，整个建筑整体呈矩形，但局部有凹槽结构，所以导致火势从一楼蔓延到了十楼；上海静安公寓建筑外形整体呈现凹型结构，所以在起火的6 min内就形成了立体燃烧，并向东侧毗邻的高层居民楼蔓延。高层建筑发生火灾后，极有可能出现火与烟气快速蔓延的情况，从而造成巨大的经济损失和人员伤亡。

近年来，诸多学者研究分析了有关建筑火灾的影响因素，比如建筑布局、材料、通风等[5]，蒋亚强等[6]研究了基于L型外立面和U型外立面结构下的火灾竖向蔓延规律，并总结出了开口尺寸对火焰高度和外立面热辐射的热流密度影响规律；阳东等[7]对建筑外立面水平分隔物下方的开口溢流火焰长度进行了模拟研究；朱艳[8]通过数值模拟研究了非封闭式天井的火焰温度场规律，并指出了烟囱效应对火灾烟气发展的显著作用；唐虎潇[9]通过分析十起典型外立面火灾案例，并通过模拟研究总结出凹型平面建筑外立面火灾竖向蔓延的特点，但研究的工况只有3种，所以缺乏对比性；秦挺鑫等[10]研究了不同季节对中庭火灾烟气沉降的影响规律，得出温度变化对烟气沉降速度速度没有明显影响，但对烟气温度影响显著。现在，凹型建筑外立面形式越来越普及，因此，本文针对高层建筑中大量采用的凹型外立面结构形式，研究分析凹槽尺寸对火灾烟气蔓延的影响，并结合模拟得出的温度分布、烟气蔓延速度和CO浓度等参数，分析得出高层建筑具备何种凹槽尺寸时对火灾烟气蔓延影响最大。

1　模拟场景设置

本文主要利用FDS软件进行模拟，FDS是由美国NIST开发的模拟火灾中流体运动的计算流体动力学软件，通过相应的网格划分和算法，可以快速分析火灾问题[11-13]。FDS软件可以对火灾发生后烟气的流动过程进行充分地考虑和模拟，是极具特色的场模型模拟软件。此外，由FDS所开发的smokeview软件，可以动态的展示FDS的计算结果，其准确性也得到了大量的实验验证。基于以上特点，本文采用FDS软件来模拟计算在凹型高层建筑具备不同尺寸的凹槽时所具备的火灾烟气蔓延规律是可行的，最终也可得到合理有效的计算结果。

本文重点是研究凹槽尺寸对烟气蔓延的影响规律，所以将凹型高层建筑简化成以下模型，如图1所示。该模型是在一块较厚的墙体一侧开个上下贯通的凹槽，大致是呈现U型结构，该模型高度定为40 m，符合国家规定的高层建筑高度不低于24 m的要求。图中A为凹槽槽宽，模拟中将A定为1 m，B为凹槽进深，B的取值从0.4 m开始，依次增加0.2 m，直至1.8 m结束。当B取值为零时，正是生活中常见的标准平面，将其记为标准模型，而当B非零时，则记为凹槽模型。可以定义凹槽模型结构因子α=B/A[14-15]，这个参数反映了凹槽的进深程度，由上可知，结构因子α的取值从0.4开始，间隔0.2，递增至1.8结束。

以结构因子α=0.4为例，模型中计算区域为1 m×0.4 m×40 m(X×Y×Z，下同)，网格数量为16 000，网格大小为0.1 m×0.1 m×0.1 m，满足于FDS软件对于火灾工况模拟的网络尺寸要求[16]。当结构因子改变的时候，计算区域和网格数量也随之改变，但网格大小维持不变。在凹槽底部设置一个6 MW的火源，面积为0.6 m×0.3 m，距凹槽A所在底边垂直距离0.05 m。凹槽顶部和前面设置open边界，底部和3个侧面设置insert，外界环境温度定为20℃，且无风的作用，模拟时间设置为600 s。在模型的1，10， 20，30及40 m处设置多个温度传感器、CO浓度检测装置和烟气蔓延速度检测装置，放置在距离凹槽底边0.01，0.1，0.2，0.3，0.4和0.5 m等处，且均匀排列。

2　结果与讨论

2.1　温度对比

图2　第600 s标准模型和α=0.8凹槽模型温度对比Fig.2　Temperature contrast cloud image of standard model and α=0.8 groove model at 600 s

通过模拟分析，对比分析标准平面和凹型结构，可以得知当高层建筑凹槽附近有火灾发生时，烟气运动到凹槽里具备有不同于标准平面的扩散情况，如图2所示。图2中展示了矩形模型和结构因子为0.8时，凹槽模型在第600 s时刻距离凹槽底部20 mm处温度分布对比情况，纵坐标Z表示凹槽高度，可以看出，凹型模型整体温度要高于标准模型。

统计对应不于同结构因子α的各个模型，汇总4列测点的平均温度，具体分布情况如表1所示。

表1　各测点处温度分布情况

从表1可知，当结构因子α=0时，第一列测点温度随着高度的增加而急剧减小，除去位于1 m处的测点，其他测点温度都低于凹槽模型所对应的温度，可见在相同时间下，凹槽模型温度扩散明显快于标准模型，与图2所得结论相符。从整体上看，凹槽模型相比较于标准模型，防火效果更差。这是因为在标准模型中，火源释放的热量可以快速得传播至开敞区域，而带有凹槽的外立面因为受到墙壁阻隔作用，难以向两侧无障碍传播和辐射。同时，两侧隔墙会阻挡新鲜空气的卷入，这就会使得凹槽里低温空气难以进入，凹槽里的高温空气难以向两侧扩散，从而导致热量更集中于竖向蔓延，所以当建筑楼下凹槽附近有火灾发生，比如楼下广告牌着火，高温烟气更容易向建筑高层蔓延。

当α≠0时，随着α值的增大，各测点处的温度有所改变，不同测点在不同α值下平均温度分布情况如图3所示。结合图3与表1可知，当α=0.4时，在凹槽10 m高度处高温区域就出现脱离壁面的情形，高温烟气受空气的卷吸作用明显；当α=0.6时，在凹槽20 m处同样出现高温区域脱离壁面的情形，直到当α=1.2的时候，整个凹槽内高温区域才能稳定吸附内壁面，此时再继续增大结构因子α的值，各测点处温度变化不明显，由此可见，当α=1.2时已充分形成烟囱效应，继续改变凹槽结构因子的值，凹槽内温度变化不大。

2.2　CO浓度对比

在模型的凹槽里设置CO浓度检测装置，不同结构因子α下，各测点处测得的CO平均浓度如表2所示。

图3　不同测点在不同α下平均温度分布Fig.3　Area temperature distribution under different α

α10m处/(kg·kg-1)20m处/(kg·kg-1)01m02m03m04m01m02m03m04m00000483———0000089———04000082400009910001171000117100005300000580000059700005970600008490000526000036800003090000643000064700006310000614080001725000060100003300000330000070400005870000558000055810000198900007920000432000043200007790000582000053000005301200020610000941000055400005540000885000063400005570000557140002055000098100006050000605000090600006480000578000057816000204300009960000641000064100009140000664000059400005941800020670001000000063800006380000912000068900006260000626α30m处/(kg·kg-1)40m处/(kg·kg-1)01m02m03m04m01m02m03m04m00000019———0000004———04000039400004200000450000045000003030000328000034900003490600005800000578000057100005630000413000042400004200000413080000613000057500005740000574000050200005330000553000055310000060100005640000557000055700005450000537000054200005421200006030000559000053400005310000504000049900004910000491140000593000054100005280000528000048600004830000486000048616000059800005430000527000052700004660000464000046500004651800006000000547000053000005300000449000044600004450000445

分析表中数据可知，当α=0时，也就是在标准平面下，在从10 m开始的各测点中，CO浓度值低于凹槽平面对应位置的值，与温度变化规律相符。图4为不同测点在不同α下CO浓度分布。当α=0.4时，由图4(b)可知CO高浓度区出现脱离凹槽内壁面的情形，这时尚未形成烟囱效应，烟气可以从水平方向向外蔓延。从α=0.6开始增大α的值，在各测点处CO浓度都有所增加，这是因为增大结构因子数值，凹槽进深增加，烟气在水平方向疏散困难，导致烟气大量集聚，对烟气的拔烟作用明显提升，从而显著地促进烟气向上扩散，如若低处发生火灾，会波及到高处，不利于高层建筑的外立面防火，还会对居住在高层的住户产生极大的安全隐患。但当α增大到1.2的时候，再增大凹槽进深，各测点处CO浓度值变化不大，这是因为进深与面宽达到一定比例时，烟囱效应已然形成，所以整个凹槽中CO浓度变化不大。对于表中所示的40 m高处的测点，它们因为所处位置较高，所以随着α值增大到一定值，CO平均浓度也达到了最大值，继续增大结构因子α的数值，

图4　不同测点在不同α下CO浓度分布Fig.4 Distribution of CO concentration in different α

CO浓度反而会有所减小，这是因为烟囱效应在α=1.2的时候就已形成，继续增大α的值，随着凹槽截面尺寸变大，烟气运动空间增大，对烟囱效应作用影响较小。

2.3　烟气蔓延速度对比

在凹槽里面设置5列测点，并在各个工况下各处测点测得的火灾烟气蔓延速度如表3所示。

表3　不同α下各测点处烟气蔓延速度

由表3可知，对于第1列中的所有测点，从10 m的高度开始，当α=0时，也就是在标准模型中，烟气向上蔓延速度最小，在30 m和40 m测点处，矩形模型和凹槽模型速度差异更为明显，这是因为火源附近没有翼墙的阻隔，所以烟气可以同时从横向和竖向传播至开敞区域。不同测点在不同α下烟气蔓延速度分布如图5所示。对于凹槽模型，由图5(a)可见，对于10 m高处，当α=0.4的时候，速度分布呈现于凹槽内壁面距离越大，烟气蔓延速度越大的特点；当α=0.6的时候，凹槽的中高层区域烟气蔓延速度最大，直到当α=1.2以及更大值的时候，速度分布呈现一定的规律性，并在一定范围内保持稳定性。由图5(b)所示，对于30 m高度及以上的中高层区域，当α=1.2开始呈现一定规律性，在此基础上继续增大α的数值，烟气蔓延速度整体略微下降。当结构因子α达到一定数值时，烟囱效应作用明显，继续增大凹槽进深，凹槽截面尺寸变大，内部空间也增大，所以对凹槽的中高部分烟气蔓延速度整体出现细微的下降趋势。

图5　不同测点在不同α下烟气蔓延速度分布Fig.5 Velocity of smoke concentration in different α

3　结论

1)当α=0时，该模型记为标准模型，与α非零时的凹槽模型对比可知，凹槽模型在一定结构因子下因具备烟囱效应，所以当火灾发生时，高温烟气更容易向上蔓延，速度更快，范围也更广，这就使得凹槽里整体温度、CO浓度和烟气蔓延速度都较标准模型有所上升，不利于建筑的防灭火。

2)从α=0.6开始，增大结构因子的值，凹槽各处平均温度升高， CO浓度和烟气蔓延速度变化明显，这是因为增大凹槽的进深，空气卷吸效应减弱，加剧了烟囱效应；但当α=1.2时，再继续增大α的数值，各处温度、CO浓度和烟气蔓延速度趋于稳定变化，可见当α=1.2时烟囱效应已然形成。

3)在高层建筑外立面设计中，设计到凹型外立面的时候，应当使得凹槽结构因子低于0.6，也就是凹槽进深与槽宽之比应小于0.6，当α=0.6的时候，凹槽中高部分烟气蔓延迅速，当α达到1.2的时候，建筑凹槽内的火灾烟气烟囱效应显著。建议高层建筑外立面凹槽内侧采用不燃材料装修，凹槽内的窗户采用防火窗，这样有助于降低火灾沿凹槽竖向蔓延的概率。

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