室外风对高层建筑主体施工期火灾烟雾扩散影响分析

何夕平，张地，陈冉

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)

0 引言

近年来我国高层建筑的建设规模和数量日益增多，建筑主体结构施工期因各种原因导致严重的火灾事故时有所闻[1]，如：2017年3月，苏州某在建的研发大楼工地四楼脚手架附近区域发生火灾，火灾原因是由工人电焊施工操作不当、引燃可燃物所致；2017年11月，成都某小区在建工程发生火灾为某栋楼第三层堆放的胶木板燃烧所致，同时因室外风影响致使火灾范围扩大，造成严重财产损失更引起附近居民恐慌等社会影响。

目前尽管国内外专家学者对既有建筑的高层建筑火灾烟气及人员疏散做了很多卓有成效的理论及实验研究，然而对高层建筑主体结构施工期在室外风下发生火灾的时的烟气规律及疏散研究非常少，研究此类问题具有十分重要的实际意义[2][3]。

本文通过建立某施工至11层的高层住宅楼为背景，建立物理模型并设立边界条件进行火灾模拟分析，研究建筑物在不同室外风速、不同风向下烟气的蔓延规律，为实现高层建筑施工期火灾预防、施工期间火灾应急响应预案制定及施工人员安全疏散提供理论依据及参考[4-6]。

1 建筑火灾模型建立与边界条件

1.1 物理模型

某钢筋混凝土剪力墙结构住宅楼，该住宅楼地上19层，地下1层，层高2.9 m，单层建筑面积约407 m2，模型设置施工至11层，模型如图1所有的墙体宽度统一设定为200 mm，每层楼板厚度全部设定为100 mm，1～5层外填充墙完成施工，其余楼层完成剪力墙、楼梯和楼板施工，内部厨房、卫生间部分填充墙、轻质隔墙未施工，所有门窗设定为孔洞，符合本文所研究的高层建筑主体结构施工期火灾烟气运动。

1.2 边界条件设定

火源位置设置在一层门厅(靠近电梯井)位置，如图2所示，着火源尺寸设定为1.5 m×1.5 m，着火源以快速平方火开始发展，设定火源最大热释放速率为3000 kw，考虑建筑物的大小和计算精度，设定软件选取模型网格尺寸为0.28×0.28×0.28 m，网格总数为1 137 500个。

1.2.1 前提假设

(1)着火源范围为设定的范围，不考虑其燃料界面的变化；

(2)着火源设定为软件材质库中的聚氨酯和参数；

(3)不考虑建筑内部施工人员走动对气流的影响，假定建筑内部气流稳定。

1.2.2 边界条件

(1)模型建筑内部的气流、火灾产生的烟气均为理想气体；

(2)模型建筑室内与室外无温差，设定外界温度均为20℃，大气压为常压；

(3)考虑施工期无遮挡，100 m高建筑物2 min内火势即可串至屋顶，模型的火灾模拟时间设定为120 s；

(4)模型四周及高度z=34 m处(网格边界)设定为通风口[7][8]。

图1 模型南立面

图2 着火源及探测点位置

1.3 风速及风向设定

各工况设定条件如表1所示，重点研究工况1～3之间对比，工况2、工况4、工况5之间的对比，及不同工况情形下模型建筑物火灾烟气的蔓延规律，根据施工规范，大于5级风不可施工，因此风速设定最大2 m/s。

表1 各类工况参数设定

2 数值模拟与结果分析

2.1 不同工况下烟气蔓延规律

图3为各工况下的建筑物烟气蔓延分布，工况1下当着火源刚被引燃时烟气朝上层蔓延速度极快，这是楼体处于主体结构施工过程中，所有门窗均是孔洞，与空气接触为着火源提供了充足的氧气与稳定的通风条件，着火源燃烧产生的部分烟气迅速在1楼门厅蔓延，一部分烟气通过门厅大门处孔洞向着北侧蔓延至建筑室外，接着迅速的朝上面蔓延，另一部分烟气通过1楼走廊迅速蔓延至楼梯间和电梯井与天井中，竖井结构内产生烟囱效应，在火灾发生20 s后，烟气通过天井、电梯井、设备电器井已蔓延至11层施工区，危害正在11层的施工人员安全。

在工况2下，火灾发生10 s时，位于1层处的着火源燃烧产生的烟气通过电梯井、天井及设备井蔓延至第2层，受北侧风影响，天井处烟气一部分通过窗口流动至厨卫房间内；20 s时，烟气向南侧蔓延至客厅和卧室房间，45 s后，楼层南侧整个房间区域充满烟气，随后烟气继续朝着室外风向方向蔓延并通过外墙窗口流动至室外，室外烟气受自身密度影响沿着建筑外墙垂直向上蔓延。北侧风风速越高，烟气流动在水平方向越快。

在工况4下，受南侧风影响，火灾烟气主要朝北侧蔓延，大部分烟气通过楼梯间孔洞及走廊处流出室外，而南侧房间区域烟气量明显较少，随着时间增加，天井及设备井烟气部分蔓延至走廊，烟气量减少，但楼梯间烟气量有所增加。

在工况5下，烟气仍主要通过竖井结构蔓延至上层，在西侧风影响下电梯井及设备井部分烟气扩散蔓延至走廊区域，走廊区域烟气浓度明显增加；而天井部分烟气则在西侧风影响下蔓延至南侧房间区域，使楼层客厅区域烟气浓度明显增加；烟气通过走廊扩散至建筑物北侧楼室外，并随时间增加而烟气不断聚集。

图3 各工况火灾60 s时建筑物烟气蔓延图

2.2 火灾场温度分析

对比工况1～3的模拟结果，图4为火灾发生60 s时温度切片分析，x=13 m处切片通过着火源，此处火焰温度中心位置温度最高。工况1在1层楼着火源附近最高温度达到420℃，烟气均匀分散蔓延至四周房间区域内；工况2下着火源附近最高温度下降至320℃，烟气在1层沿室外风朝南侧偏移，且南侧方向房间高温烟气区域集中在1层楼板下部区域，高温烟气量明显增加；工况3处着火源温度下降至120℃，其火源向南侧偏移更加明显，南侧房间处温度明显高于工况1与工况3，且高温烟气充斥整个南侧房间区域，同时建筑物在中间楼层区域内烟气温度高于前面2种工况。

当火灾烟气从1层蔓延至10层时，建筑物10层电梯井处温度变化如图5，工况1无室外风情形下10层电梯井处温度从23 s时开始发生变化，温度变化范围在20～76℃之间；在工况2下，10层电梯井处温度从27 s时开始发生变化，温度变化范围在20～45℃之间；而在工况3下，10层电梯井处温度变化很小，最高温度仅为20.09℃，温度无明显上升，变化幅度可忽略不计。同时通过设备井10层处对比分析总结得出以下规律：在室外风作用下的建筑物竖井结构中，1层发生火灾时烟气蔓延至10层时间会有所延长，这是室外风影响下使竖直上升的烟气运动轨迹发生了变化，烟气在5层以上时呈顺风向倾斜上升的趋势，从而延缓了烟气垂直上升至顶层时间；在10层处温度变化幅度明显随着室外风风速增大而变小，这是由于烟气顺着室外风方向蔓延和移动，致使该探测点处烟气量减少，温度也随之降低。

图4 东立面T=60 s时x=13 m切片处各工况温度分布

图5 不同工况下建筑物10层电梯井探测点b10处温度变化

对比工况2、工况4、工况5的模拟结果，由图6可以看出：工况2在1层楼着火源附近最高温度达到320℃，烟气朝着南侧房间区域移动；在工况4情形下着火源附近最高温度下降至120℃，火源烟气沿室外风方向朝北侧蔓延，并通过北侧门窗洞口后并顺着室外墙面垂直向上移动；在工况5情形下火源附近烟气最高温度最高达470℃，烟气向四周扩散蔓延；对比分析可得出，在西侧风影响下火源附近处烟气温度最高，严重危害施工人员的生命安全，在北侧及南侧风影响下火源附近烟气温度有所降低，且南侧风对火源附近烟气温度影响更明显。

图6 T=60 s时x=13 m切片处不同风向下温度分布

2.3 火灾烟雾速度分析

对比工况1～3，由图7看出，北侧室外风风速为2 m/s时楼梯间烟气速度明显高于其他两种工况情形，通过计算工况3在图7(a)-图7(d)中的烟气平均速度为分别为 6.15 m/s、5.62 m/s、4.31 m/s、2.53 m/s，工况 2 分别为 3.35 m/s、2.95 m/s、2.08 m/s、1.25 m/s，工况 1 分别为 0.89 m/s、0.52 m/s、0.41 m/s、0.38 m/s，因此随着楼层的增高，工况2与工况3情形在楼梯间烟气速度下降明显，而工况1情形下楼梯间烟气速度也有所下降但相对平稳，下降幅度低，变化幅度小。

图8显示了在3种工况情形下不同楼层走廊处(d点)烟气运动速度，其烟气运动速度规律与楼梯间处相似，室外风速越大，建筑物走廊处烟气流动速度越快，5层以下楼层在不同风速情形下速度差异明显，5层以上楼层3种工况下烟气速度差变小；楼层越高，工况2和工况3烟气速度呈逐渐下降的趋势。同时通过对天井及电梯井内探测点烟气速度对比分析，发现上述规律并不适用于模型建筑物的竖井结构中，在不同室外风影响下，烟气速度在竖井结构中都很快且变化幅度大，烟气运动复杂多变。

对比工况2、工况4、工况5，图9对比了不同风向情形下在各楼层楼梯间烟气运动速度，火灾发生前20 s左右，在北侧、南侧室外风影响下各层楼梯间处烟气速度发展极快，这是室外风通过南北侧窗口、门洞口迅速扩散至楼梯间所致；而西侧室外风受整栋楼建筑结构约束，无法通过洞口流入楼梯间，因此对楼梯间处烟气速度影响较小；5层楼楼梯间处于建筑物中性层，烟气运动复杂多变，无明显规律；整体上室外风对楼梯间处烟气速度影响为北侧风＞南侧风＞西侧风；在5层以下区域，烟气运动速度和变化幅度大，在5层以上区域，因未施工填充墙，烟气运动速度下降明显且变幅度趋于平缓。

图7 工况1～3不同楼层楼梯间烟气运动速度

2.4 火灾烟雾一氧化碳浓度分析

对比工况1～3，如图10，通过观察在不同风速影响下楼梯间的CO浓度变化情况，对比分析发现在4层以下楼层中，工况2、工况3在楼梯间CO浓度明显小于工况1情形，说明北侧室外风削弱了楼梯间CO浓度，这是由于楼梯间位于建筑物北侧，室外风通过楼梯间窗口渗入，阻碍了烟气向楼梯间内扩散，北侧室外风风速越快，楼梯间CO浓度越小；4层处在前60 s内3种工况CO浓度接近并缓慢上升，在火灾后期工况1浓度较高，如下图10(a)；5层楼梯间处3种工况CO浓度接近；6层楼梯间如图10(b)所示，工况3浓度较高；6至10层楼梯间处浓度与4层以下楼层楼梯间处接近。

由上分析得出，室外风对建筑物楼楼梯间CO浓度影响很大，除中间4至6楼外，室外风风速越高，楼梯间内CO浓度越低，有利于人员通过楼梯间疏散，但同时易导致火灾蔓延速度及发展过程加快，更易引燃周边的建筑材料使火情危害更大。

图10 工况1～3不同楼层楼梯间处烟气CO浓度

对比工况2、工况4、工况5，观察图11在不同风向影响下各层楼梯间的CO浓度变化情况，在5层以下楼层，西侧室外风下楼梯间CO浓度最高，北侧与南侧室外风通过楼梯间门窗孔洞，使其空间内压力升高，烟气进入量减少导致楼梯间CO浓度降低；在5层以上区域，3种工况下烟气CO浓度相对很低，且浓度变化幅度不大。同时分析对比了不同楼层走廊处的CO浓度情况，如图12所示，由于建筑物走廊是开放式的，与外界相通，在北侧、南侧室外风影响下走廊处烟气浓度减弱明显，CO浓度很低，走廊处烟气浓度在侧风向下CO浓度比其他2种风向高，说明侧风向情形下对走廊处烟气无减弱作用。

3 结论

(1)室外风会降低施工中主体结构建筑内着火源附近温度，风速越大，降低越明显；离着火源距离远的楼层，电梯井等竖井结构内温度变化幅度随室外风风速增大而变小。在相同风速不同风向下，针对本工程结构和火源位置，在西侧风影响下火源附近处烟气温度最高，严重危害施工人员生命安全。

(2)室外风风速越高，烟雾流动速度越快；在不同风向下，整体上室外风对楼梯间处烟气速度影响为北侧风＞南侧风＞西侧风。

(3)北侧室外风影响下削弱了楼梯间CO浓度，外风风速越快，楼梯间CO浓度越小；不同风向下，在5层以下楼层，西侧室外风下楼梯间CO浓度最高，在5层以上区域，不同风向下下烟气CO浓度相对很低，且浓度变化幅度不大。

需要说明的是，本文是以某施工至11层的高层住宅楼为背景，设置了一定的边界条件并进行火灾模拟分析。在不同的风向下，对楼梯间烟气、温度等的影响不具有普遍性，但全文的研究方法和研究思路值得施工现场安全预案分析时借鉴。

图11 不同风向在各楼层楼梯间烟气CO浓度

图12 不同风向在各楼层走廊烟气CO浓度