基于并行计算的高层建筑火灾多参数数值模拟

李建伟，杨培中

(上海交通大学 a. 机械与动力工程学院；b. 上海市网络化制造与企业信息化重点实验室；c. 机械系统与振动国家重点实验室，上海 200240)

高层建筑火灾时有发生，一旦发生将会严重危害人类生命财产安全。对高层建筑火灾事故进行模拟、分析和预测可有效预防火灾事故的发生和扩散。而火灾事故由于具有不可复现性，往往难以通过现场试验进行研究，需要借助高性能计算机进行数值模拟[1]。

国内外学者对高层建筑火灾事故的特性进行了分析。于志超等[2]研究建筑高度对大空间温度场的影响，利用FDS(fire dynamic simulation)仿真软件模拟火源功率恒定、建筑高度不同、建筑面积不同的火灾场景，分析了建筑高度对顶棚温度场的影响。王经纬等[3]为探究环境风作用下逆向双点火源聚氨酯泡沫的火蔓延及融合行为，开展了多组对照试验，并从材料传热机理角度分析侧向风速对火蔓延行为中火羽流形态和辐射热流场等特征参数的影响。叶超等[4]利用FDS软件模拟6种工况，对比分析了不同窗槛墙高度和设置方式对火灾蔓延的影响。解北京等[5]以某火灾事故建筑为原型，模拟了凹廊式建筑火灾的蔓延过程。王昶舜等[6]对高大空间火灾自然排烟与机械防排烟的匹配性进行研究，得出不同模式下达到最佳排烟效果的参数配置。赵平等[7]以某大学在建宿舍为研究对象，利用FDS软件对室外保温材料起火、室内木板材料起火、室内保温材料起火等场景进行模拟，得到了火灾特征参数值的变化规律。邓军等[8]对高层建筑火灾烟气的蔓延过程和烟囱效应进行分析，以某酒店为研究对象建立火灾模型，利用FDS软件分析了两种不同火源功率对烟气蔓延速度的影响，结果表明，火源功率越大，建筑顶层达到临界温度的时间越短。Lange等[9]对高层建筑受火坍塌原理进行研究，以标准的温升曲线为基础，从梁、柱等构件失效入手，将建筑结构的失效机制划分为强楼层失效机制和弱楼层失效机制，并分别对其进行数值模拟研究。Jiang等[10]对上海塔发生火灾时的性能进行独立评估，检查了关键构件的耐火性，包括混凝土芯、巨型柱、复合地板、支腿桁架和皮带桁架，结果表明这些构件的实际耐火时间远远超出设计耐火时间。

上述研究表明，在高层建筑火灾事故中，建筑高度、结构、可燃物材料等对火势的蔓延和烟气的传播有重大影响。同时由于建筑结构复杂，导致高层建筑的火灾发展规律难以估计，因此对高层建筑火灾的特性进行分析是十分重要的。目前，国内外对高层建筑火灾的研究主要集中于在建阶段或建成阶段建筑发生的火灾，较少涉及处于维修阶段的高层建筑发生火灾时的火灾特性[11-12]。而维修阶段的高层建筑因存在大量维修材料、木制脚手架等易燃物质，更易催生特大火灾，引发重大事故。以上海市某特大火灾事故为原型，建立高层建筑模型，同时在建筑外侧添加维修时的脚手架和保温材料等可燃物，对处于维修状态下的高层建筑火灾进行数值模拟计算，并对该火灾事故进行多参数数值分析研究。

1 火灾事故建模

2010年11月15日，上海市某公寓发生特大火灾，造成58人死亡，71人受伤。根据火灾事故调查报告，该建筑建成于1998年，高28层，底层为商场，2～4层为办公区，5～28层为住宅区，大楼外部被脚手架包围，楼高88 m。事故起火于当天14时14分，火势迅速发展，至14时40分已基本扩散至全楼。起火原因是4名无证焊工在10层北窗外进行违章电焊作业，由于未采取防护措施，溅落的金属熔融物引燃9层脚手架平台上堆放的大量聚氨酯硬泡保温材料，聚氨酯迅速燃烧形成密集火灾。同时脚手架上的毛竹片、室内的家具、煤气等可燃物也随着火势的蔓延急剧燃烧，火灾迅速蔓延至全楼。

基于该事故调查报告建立火灾数值模型(见图1)，每个楼层的内部构造如图2所示。考虑到实际情况下室内可燃物的分布过于复杂，对室内可燃物进行简化，每个楼层每个房间都布置一张床或桌子。模型墙体采用石膏材料，为模拟维修状态，建筑外侧全部包围木制脚手架，脚手架距离墙体0.3 m，同时第9层的脚手架上堆放大量毛竹片和聚氨酯保温材料。设置两个着火点，室外着火点设置于第9层脚手架上的聚氨酯硬泡保温材料表面，室内着火点设置于室内右侧某房间的可燃物上表面。两处火源均为单位面积热释放率为2 000 kW/m2的燃烧表面，燃烧反应物设置为聚氨酯。建筑火灾中往往是距离着火点较远处的逃生机会更大，但人们由于缺乏逃生知识，易选择错误逃生路线导致错过逃生时机。因此从第9层开始每隔2层设置如图2所示的T1和T2测点。其中：T1测点设置在楼梯转角处的平台处，用以研究人们常见逃生路线楼梯的烟气蔓延情况；T2测点设置在距离火源较远处的一间房间内，高度为中国人平均身高1.67 m，用以研究距离火源较远处的火势发展状况及逃生可能性。模型总共28层，层高3 m，其他建筑内部结构及脚手架的尺寸信息如表1所示。

图1 高层建筑整体模型图Fig.1 Overall model of high-rise building

图2 室内布局及测点设置Fig.2 Indoor layout and measuring point layout

表1 建筑内部及脚手架尺寸设计

2 火灾事故的并行计算

模型网格长36 m、宽34 m、高88 m，全局网格数为1 683 000，模拟时长300 s。采用递归坐标二分法进行分区，再通过MPI (message passing interface)进行并行计算。为忽略处理器个数对计算时长的影响，在FDS软件中特别设置每个处理器只处理一个分区，如8分区分配8个处理器进行计算。加速比是衡量并行计算加速效果的重要指标，为串行计算耗时与并行计算耗时的比值，并且加速比越大，加速效果越好。设计不同分区数与1分区串行计算进行对比，结果如表2所示。由表2可知：1分区时的计算时间为253 086 s；4分区时的计算时间为227 623 s，加速比为1.11；但在16分区的情况下，计算时间缩短至102 600 s，加速比高达2.47，加速效果显著。证明并行计算可大幅提升计算效率，且分区数越大，加速比越大。

表2 不同分区数下的计算结果

3 结果与讨论

3.1 火势蔓延情况分析

利用FDS软件对上述模型进行数值模拟，得到热释放率随时间变化曲线，如图3所示。火势的发展与蔓延图如图4所示。

图3 热释放率随时间变化曲线Fig.3 Curve of heat release rate with time

由图4可知，50 s以前，燃烧正处于发展阶段，火源附近的可燃物迅速燃烧，尤其是外侧的脚手架以及架上的聚氨酯和毛竹片等建筑维修材料，导致火势迅速蔓延，并在50 s时达到第1个峰值(见图4(b))。50～200 s时，由于火源一侧聚氨酯、毛竹片等维修材料燃烧殆尽，热释放率逐渐降低，进入稳定状态。200 s时，火势蔓延至建筑的另一侧，由于该侧脚手架上存放了大量的可燃物，火势再次发展，并在240 s时达到新的峰值，此时燃烧达到顶峰，热释放率高达1.1×106kW，几乎整个大楼都处于燃烧状态(见图4(d))。在模拟的最后阶段，由于可燃物已经消耗殆尽，热释放率也逐渐降低。此外，观察到建筑外侧的火势发展迅速，可燃物已基本耗尽，而室内的火势发展缓慢，说明维修状态下建筑外侧的维修材料极易加速火灾的发展。

图4 不同时间火势的发展与蔓延

3.2 烟气浓度分析

不同时刻烟气的扩散与蔓延情况如图5所示。在火灾初始阶段，火势较小，烟气扩散较慢，仅仅到达第15层。但在30 s时，烟气在火源一侧的凹廊处形成了烟囱效应，导致烟气迅速向上扩散至顶层。随着火势的发展，烟气逐渐向全楼扩散，此时楼栋的东北侧已经全部被烟气覆盖，见图5(c)。在180 s时，烟气已经扩散至起火层以上的所有楼层。在270 s时，烟气扩散至全楼，第9层以上的楼层全部被浓烟覆盖，且平均烟气质量浓度达到4.5×10-4kg/m3， 在此烟气浓度下，人类的行动和呼吸都会受到极大影响。不同楼层T1测点处的烟气质量浓度变化如图6所示。由图6可知，楼梯(T1测点)处的烟气聚集较快，且高度越高，烟气质量浓度峰值越大。说明楼梯处形成了烟囱效应，浓烟在高处聚集，故高度越高则烟气质量浓度越大。不同楼层T2测点处的烟气质量浓度变化如图7所示，第9层为起火点所在楼层，烟气质量浓度一直保持在4.0×10-4kg/m3，第11～19层的烟气质量浓度则在初始阶段处于较低水平，仅为5.0×10-5kg/m3。但是，随着火势的发展，烟气逐渐向全楼层扩散，位于高处的第19层的烟气质量浓度率先达到较高水平，而位于低层的第11层和第13层的烟气扩散速度则较慢。说明楼栋内部结构复杂，烟气扩散速度比建筑外侧更慢，烟气更容易在顶层聚集，随后逐渐向底层扩散。同时火势在外围脚手架的发展速度也比室内更快，因此建筑外侧产生的烟气比室内更多，最终形成“中间低、两边高”的烟气分布规律。

图5 不同时间烟气的扩散与蔓延

图6 不同楼层T1测点处的烟气质量浓度变化Fig.6 Flue gas mass concentration changes at T1 measurement points at different floors

图7 不同楼层T2测点处的烟气质量浓度变化Fig.7 Flue gas mass concentration changes at T2 measurement points at different floors

3.3 烟气温度分析

高温烟气严重影响人类的呼吸和行动。人体对高温烟气的承受能力非常有限，当烟气温度超过120 ℃时，极易对人体造成高温热损伤。因此研究烟气温度分布对建筑火灾意义重大。不同楼层T1测点处的烟气温度变化如图8所示。由图8可知，楼梯处烟气温度上升快，在数十秒内达到120 ℃，且高度越高，烟气温度峰值越高。不同楼层T2测点处的烟气温度变化如图9所示。由图9可知，第9层起火层的烟气温度迅速升高，达到400 ℃，随后趋于稳定，这个温度的烟气对人体的危害极其严重，会造成不可恢复的高温热损伤甚至威胁生命安全。同时，随着火势的发展，高层的温度也逐渐升高达到危险值，第19层的最高温度甚至超过了起火层，呈现出与烟气质量浓度随时间和高度变化的相似的“中间低、两边高”规律。同时温度越高，烟气运动速度越快，正反馈作用下，使得高层的烟气温度比底层更快升高。因此，在高层建筑火灾中，并非距离火源越远越安全，高层往往更加危险，同时楼梯处由于烟气聚集也不适合人员逃生。

图8 不同楼层T1测点处的烟气温度变化Fig.8 Flue gas temperature changes at T1 measurement points at different floors

图9 不同楼层T2测点处的烟气温度变化Fig.9 Flue gas temperature changes at T2 measurement points at different floors

3.4 氧气、一氧化碳、二氧化碳体积分数分析

高层建筑火灾中，浓烟易造成缺氧且浓烟中含有大量的有毒成分，如一氧化碳、氰化氢、二氧化硫、二氧化氮等，火灾烟气的毒害性往往造成大量人员伤亡。当氧气的体积分数为12%～15%时，人的呼吸就会急促，头痛、眩晕、浑身疲劳无力，动作迟钝；当氧气体积分数为10%～12%时，人就会出现恶心呕吐、无法行动乃至瘫痪的症状。当烟气中含有的各种有毒气体的体积分数超过人正常生理所允许的最低体积分数时，就会造成中毒死亡。不同楼层T2测点处的氧气体积分数变化曲线如图10所示。由图10可知，由于可燃物燃烧消耗大量氧气，使得第9层氧气体积分数在100 s内迅速下降到8%。不同楼层T2测点处的二氧化碳体积分数变化曲线如图11所示。由图11可知，此时的二氧化碳体积分数也达到了峰值，高达10%。高体积分数的二氧化碳会让人窒息，并且在低氧的情况下，8%～10%体积分数的二氧化碳即可在短时间内引致人、畜死亡。因此在建筑火灾中处于起火层是十分危险的，逃生时间不到1 min。在200 s火势发展到北侧后，其他楼层的室内可燃物也发生燃烧反应，氧气体积分数也逐渐降低。其中高层第19层的燃烧更加剧烈，氧气和二氧化碳的体积分数也达到高危险值。

图10 不同楼层T2测点的氧气体积分数变化曲线Fig.10 The change curve of oxygen volume fraction at T2 measurement points at different floors

图11 不同楼层T2测点的二氧化碳体积分数变化曲线Fig.11 The change curve of carbon dioxide volume fraction at T2 measurement points at different floors

同时，建筑火灾中一氧化碳的体积分数对人体的影响也非常大。健康成年人在一氧化碳体积分数为0.08%时，45 min内会出现眼花、恶心、痉挛等症状，2 h内失去知觉，2～3 h内则会死亡。一氧化碳体积分数在0.16%时1 h内就会死致人亡。不同楼层T2测点的一氧化碳体积分数变化曲线如图12所示，起火层在100 s内一氧化碳体积分数迅速达到0.14%，这已经达到了高致死量，对人员生命安全威胁极大。同时，在200 s时，随着火势的蔓延，更高层的一氧化碳体积分数也开始迅速上升，其中第19层的一氧化碳体积分数均值达到0.12%，说明高层建筑发生火灾时，盲目往高处逃生是非常不科学的，高处更加危险。

图12 不同楼层T2测点的一氧化碳体积分数变化曲线Fig.12 The change curve of carbon monoxide volume fraction at T2 measurement points at different floors

4 结 语

面向某特大火灾事故，建立火灾数值模型，运用并行计算大幅减少了运算时间。通过对火灾事故的多参数研究，得出以下结论：

(1)高层建筑火灾数值模拟的网格数巨大，需要采用并行计算提升效率。分别采用了4分区、8分区和16分区计算与串行计算(1分区)对比，得出16分区下并行计算的加速比高达2.47，且分区数越大，加速比越大。

(2)建筑处于维修状态下，外侧的火势发展明显快于室内，并且燃烧产生大量烟气，在凹廊处形成烟囱效应迅速向上扩散，而建筑内部障碍物众多，不利于火势的发展，最终呈现“中间低、两边高”的发展趋势。

(3)维修状态下的建筑发生火灾时，楼梯处极易汇聚大量有毒烟气，而高楼层的烟气温度显著高于其他楼层，氧气浓度低和二氧化碳浓度高，极易造成人员窒息，故人员应避免盲目往高层或楼梯逃生。