基于火灾荷载的城市高层住宅建筑单室火灾模拟分析*

文波 王兴茂

（1.西安建筑科技大学资源工程学院，西安 710055；2.西安建筑科技大学 土木工程学院，西安 710055）

0 引言

火灾是严重威胁人类生存和发展的自然灾害与人为灾害中最严重的常发性灾害之一，火灾中烟气对人员的伤害最严重。火灾的发生和发展是一个涉及湍流流动、燃烧、传热的带有反应的三维多相流动过程［1］。火灾荷载的分布影响着火灾增长速率、火灾最大热释放速率及火灾持续时间等主要火行为参数。高层住宅建筑火灾多数起始于单室火灾，主要研究起火房间内的温度变化、火灾烟气蔓延、烟气层沉降和热释放速率等问题。现阶段对于火灾荷载及建筑单室火灾的研究主要有以下几个方面。

国内外对一些建筑物的火灾荷载进行了调查统计，国际建筑研究与创新委员会第十四分委员会［2］、美国消防协会［3］对住宅建筑火灾荷载密度的统计平均值分别为780 MJ/m2、750 MJ/m2。KUMAR S等［4］统计印度住宅建筑火灾荷载密度为278～852MJ/m2；DOLEV I等［5］调查显示塞尔维亚住宅建筑的平均火灾荷载密度为702 MJ/m2，火灾荷载密度为617～768 MJ/m2；李天等［6］计算得中原地区的住宅卧室活动火灾荷载为302.45～821.25 MJ/m2，平均值为520.26 MJ/m2，标准值为741.8 MJ/m2；王金平等［7］调查统计得北京地区住宅中的活动火灾荷载密度为327.71～1 110.17 MJ/m2，火灾荷载密度标准值为1 197.17 MJ/m2；程恩虎［8］对甘肃省不同档次的住宅类建筑火灾荷载调查统计得低、中、高档住宅火灾荷载分别为35.175、43.697、35.175 kg/m2。

对于单室火灾数理模型及实验研究，孟岚等［9］建立了单室火灾数学物理模型，研究了释热速率的分布及房间平面面积对单室火灾发展的影响。对于单室火灾的烟气运动，周云斐等［10］模拟研究了环境风作用下单室火灾自然排烟口的烟气流动规律；张鹏等［11］模拟研究了单室结构在有自然通风条件下的火灾烟气运动规律。对于单室火灾危险性预测，季经纬等［12］预测了单室内火灾危险性，并根据热辐射对人体的伤害确定安全疏散时间。对于特定的建筑，黄丽蒂等［13］探讨了老年公寓的火灾发展、烟气蔓延和人员安全疏散。胡绪鑫等［14］模拟研究了火灾荷载布局对单室火灾发展的影响。

综上，对基于火灾荷载的住宅建筑火灾荷载分布特征及火灾可持续发展判据的研究较少，因此，笔者以住宅建筑物为研究对象，通过实地调研、理论分析和数值模拟试验等方式开展住宅建筑火灾行为分析，此类分析符合建筑单室实际且对掌握单室内火灾发展及建筑单室防火具有重要意义。

1 火灾荷载分布

1.1 火灾荷载调查

对西安地区的高层住宅进行火灾荷载调查，主要调查房间使用情况、房间大小及火灾荷载大小，并对各住宅面积进行统计分析。火灾荷载调查与统计方法参考消防救援行业标准《建筑火灾荷载调查与统计分析方法》（XF／T 1427—2017）［15］，共调查西安市碑林区、雁塔区等12个地区，每个区选择1栋高层住宅建筑，每层2～4户，结合现场调研无法直接进入住宅内部等实际情况，共得到150组住宅建筑内火灾荷载调查统计数据，总面积约15 476 m2。通过查阅资料确定可燃物燃烧热值，复合材料通过分析材料的组成及比例，计算其热值，最终计算得火灾荷载。调研住宅面积分布统计见图1。

图1 住宅面积直方图及正态曲线

由图1可知，面积为80～130 m2的住户数占调查总数的80.01%，面积为61～148 m2，平均住宅面积为103.2 m2，标准差为19.07 m2，调查所得数据基本服从正态分布，符合西安地区的典型住宅实际情况，能够代表西安地区住宅的基本特征。

1.2 火灾荷载密度及分布

火灾荷载密度计算公式如下：

式中，q为火灾荷载密度，MJ/m2；mi为第i种可燃物的质量，kg；Hi为材料的净热值，MJ/kg；A为防火分区水平地面面积，m2。

可燃物热值公式为：

式中，M为可燃物的质量，kg；qr为可燃物的燃烧热值，MJ/kg；为可燃物材料密度，kg/m3；V为可燃物所用材料总体积，m3。

根据住宅内可燃物质量、燃烧热值及面积，最终计算得各样本火灾荷载、火灾荷载密度值。利用统计分析软件IBM SPSS Statistics 25得高层住宅建筑火灾荷载密度相关数据，见表1。

表1 火灾荷载密度统计数据 MJ/m2

《建筑火灾荷载规程》规定高层住宅建筑火灾荷 载密度的标准值公式为：

式中，q为平均值，MJ/m2；q为标准差，MJ/m2。

求得火灾荷载密度标准值为1 202.22 MJ/m2。根据《建筑火灾荷载规程》对于高层住宅建筑火灾荷载等级的划分，800 MJ/m2

火灾荷载密度的频数分布直方图及正态曲线见图2。通过表1及图2的数据，判断正态曲线和直方图的拟合程度，假设火灾荷载密度近似服从正态分布，采用Q-Q图对火灾荷载密度进行正态分布检验，如图3所示。

图2 火灾荷载密度直方图及正态曲线

图3 火灾荷载密度的正态Q-Q曲线

火灾荷载密度的正态Q-Q图显示实测值靠近直线，故服从正态分布。

2 单室火灾轰燃判据

Thomas提出的轰燃时最大热释放速率计算公式，其应用比较广泛，具体为［16］：

式中，Q为发生轰燃所需的热释放速率，kW；Av为通风口面积，m2；Hv为通风口高度，m；At为房间的内表面积，m2，包括四周墙壁、顶棚、地板的面积，但扣除通风口面积。

式中，Hv为通风口高度，m；Bv为通风口宽度，m。

若房间有若干个通风口时，Av为所有通风口的面积之和，Hv为各个通风口高度按其面积的加权平均值，计算公式为：

轰燃发生的判据分为温度判据和热流判据。BENGT H等［17］通过实验依据提出单室内上层热烟气温度达到600℃作为轰燃温度判据，实验房间高度为2.7 m。本文试验模拟单室高度3.0 m，与BENGT H等实验房间比较相似，结合实际情况选择温度及Smokeview动画作为单室轰燃判据。考虑到单室处于全封闭状态，按照最不利原则，火灾荷载密度较大，因此集聚在顶棚的热烟气、上升的火羽流及由此产生的热辐射几乎全部转换为室内热电偶测得的温度，燃烧速率加快，发生轰燃的时间大幅缩短，通过观察室内单位体积热释放速率、温度、室内火势随时间发展Smokeview动画轮廓以及各工况火源、火场温度分布，确定是否发生轰燃。

3 单室火灾模型

3.1 模型建立

3.1.1 背景及网格划分

本章分析对象为进行过火灾荷载调研分析的某高层商住楼某户（面积92 m2）主卧室。为研究高层住宅建筑火灾全面蔓延过程，考虑最不利原则，假设在无警报、防火门、防火卷帘及消防电梯，无自动喷淋系统和机械排烟系统的情况下进行火灾模拟，主卧室房间开间3.6 m，进深4.8 m，房顶净高3.0 m，火灾荷载密度按照标准值设定为1 202.22 MJ/m2。

根据住宅建筑单室的具体情况，并经模拟试验精度，将卧室主体部分x、y、z方向采用0.1×0.1×0.1单元大小的网格，网格单元数量为：77 760。

3.1.2 火源及模拟工况设定

选择火灾风险较大的火灾场景确定为火源。据统计，在我国建筑火灾事故中，因电气原因发生的火灾占60%［18］。假设火是由于外接电源旧插座超期服役、插座超负荷运行导致短路引起，从左侧床头柜或床上开始燃烧。

对于住宅建筑主卧室，参考式（6）、（7）、（8），通风口面积Av按照窗户洞口尺寸（宽×高）1 500 mm×1 500 mm、门洞口尺寸（宽×高）900 mm×2 100 mm计算，房间的内表面积At为74.52m2，通风口高度Hv的面积加权平均值为1.77 m，通风口面积Av为4.14 m2，计算得通风情况下发生轰燃所需的最大热释放速率Q为2 712.82 kW。考虑到住宅建筑住户离家时门窗紧闭，单室火灾一般在封闭空间发生，轰燃发生导致温度升高烟气突破门窗蔓延，此时的火灾最大热释放速率相较通风状况下的最大热释放速率明显变小，不考虑外界风对封闭空间单室火灾发展的影响，因此按照实际情况下的最不利原则确定住宅建筑单室热释放速率为3个等级0.5、1、3 MW，并设置0.1 MW的对照等级。按照火灾荷载密度标准值1202.22 MJ/m2计算得火灾增长系数=0.356 9 kW/s2，根据Q=at2，为0.356 9 kW/s2，上述火源均分布在墙角及单室中央面积为1 m2的可燃物表面上。针对火灾发生实际场景，通过改变火灾热释放速率及火源位置，从而产生了4种不同的模拟工况，如表2所示。

表2 工况设置

3.1.3 内饰布置

简化的房间内饰材料及性质如表3所示，所有内饰材料的辐射率都为0.9。

3.1.4 温度、烟气探测设备

共创建热电偶12个，THCP5表示火源处温度，THCP1、THCP8分别布置在火源上方1.5 m和2.85 m处；火源位于墙角时，THCP2、THCP3、THCP4、THCP6、THCP7分别表示桌子、床头柜、床铺、衣柜、壁画表面的温度，THCP8、THCP9、THCP10、THCP11分别表示屋顶四角2.85 m高度处温度；火源位于单室中央时，THCP2、THCP3、THCP4、THCP6、THCP7分别表示桌子、床头柜（左右）、衣柜、壁画表面的温度，THCP9、THCP10、THCP11、THCP12分别表示室内屋顶四角2.85 m高度处温度；感烟探测设备SD1、SD2分别布置在门口1.5 m和2.85 m高处；在门口附近设置层区探测设备，z轴方向范围为0.01～2.9 m；单室结构、物品分布简化模型如图4所示。

图4 探测设备及火源布置

3.2 单室火灾模拟结果分析

3.2.1 温度

图5为分别位于墙角、单室中央的火源及火源上方1.5 m、2.85 m处的温度—时间曲线。火源温升曲线符合安全科学的流变-突变规律，包括温升减速增加阶段、温升稳定发展阶段、温升加速段、灾害发展阶段及全面燃烧阶段。工况一由于热释放速率小故达到轰燃所需火灾持续时间长，且其火源温度总体趋势低于工况二、三、四条件下的火源温度。火源位于墙角、单室中央时，达到最大热释放速率时工况一火源处温度分别达到427℃、472℃；火源位于墙角、单室中央时，3 000 kW火源上方1.5 m、2.85 m处的温度分别为405、440℃和772、481℃，工况二、三、四在没达到设定最大热释放速率情况下分别在30、20 s左右火源温度上升到700℃左右。

图5 温度分布

图6为火源位于墙角、单室中央时，工况一、二、三、四条件下THCP2、THCP3、THCP4、THCP6、THCP7温度—时间曲线。THCP2、THCP3、THCP4三个测点温度上升趋势基本一致，THCP6、THCP7布置高度为2.3 m和2.0 m，热烟气最先到达顶层，由于屋顶的遮挡，随着火势的继续发展，烟气向四周蔓延扩散，即顶棚射流，故THCP6、THCP7温升曲线总体高于THCP2、THCP3、THCP4；3 000 kW火源功率时，THCP6、THCP7测得可燃物表面最高温度分别为185℃、155℃和227℃、188℃，足以引燃家具及装饰画。

图6 桌子、床头柜、床铺、衣柜、壁画表面温度

图7为火源位于墙角、单室中央时，工况一、二、三、四条件下单室内顶棚附近2.85 m高度处温度—时间曲线。除去火源正上方2.85 m处测得温度较高外，火源位置不同，分别测得单室屋顶四周温度—时间曲线基本一致；火源位于墙角、单室中央时，屋顶四周其他部位最高温度分别为150～200℃和100～250℃，火源正上方THCP8测得温度分别达到444℃和481℃。

图7 屋顶四角2.85 m高处温度

综上所述，火源位于单室中央比位于墙角处的火灾增长速率快。观察室内单位体积热释放速率动画、室内火势随时间发展轮廓以及不同火源位置不同工况条件下包括THCP8在内的单室顶层各测点处温度，由此可知，火源功率在1 000 kW及3 000 kW情况下形成轰燃，火源功率在3 000 kW时火灾增长速率最快，按照最不利原则，3 000 kW可作为单室火灾发展蔓延的最大火灾热释放速率，此结果既符合实际情况又满足高层住宅建筑火灾在轰燃后突破门窗在通风情况下火灾荷载密度对应的最大火源功率。

3.2.2 热释放速率

火源位于墙角、单室中央时，在封闭单室内火源热释放速率均未达到最大热释放速率就发生轰燃，热释放速率最高分别为1 532 kW、2 580 kW；单室内聚积同等热量工况四相较工况一、二、三用时更短；火灾热释放速率变大，单室内热量累积量也变大，火灾增长速率快，更易发生轰燃。最大热释放速率相同情况下，火源位于单室中央比墙角处的释热速率快，主要由于床头柜材料为木材，而单室中央床铺材料为棉麻丝织品更易发生热解。

火源位于墙角、单室中央时，工况四条件下的辐射热量最大，分别为414 kW和663 kW；最大热释放速率相同情况下，火源位于单室中央比墙角处的辐射热损失大；辐射损失热量与火源热释放速率总体呈正相关。

3.2.3 遮光率

火源位于单室中央时各工况测得SD1、SD2每米遮光率时间曲线基本一致；同等热释放速率条件下，火源位于单室中央时比位于墙角处单室内烟气遮光率更晚达到100%，热释放速率变大对单室内烟气遮光率的影响较小。

3.2.4 层分区

室内火灾烟气运动是一个三维、非定常、气相多组份的湍流流动和传热传质过程，其运动规律受质量守恒、牛顿第二定律、热力学第一定律控制。单室内热释热速率变大，相较一般单室火灾热烟气层高度下降速率加快；但若单室内不同工况下的火灾热释放速率都较大，热释放速率对热烟气上下两层分界面高度的影响较小。

3.2.5 气相物质

火源位于墙角、单室中央时，工况一条件下单室内一氧化碳、二氧化碳、烟灰产量分别为0.003 kg和0.002 kg，1.81 kg和1.29 kg，0.1 kg和0.07 kg，分别比较得工况二、三、四条件下单室内一氧化碳、二氧化碳、烟灰的质量时间曲线基本一致，峰值总体分别在0.001～0.002 kg、0.4～1.2 kg、0.025～0.065 kg之间，工况四条件下火源位于单室中央时最高分别达到0.001 5 kg、1.17 kg和0.065 kg。

综上，在超过一般单室火灾火源功率范围后，热释放速率继续增大引发轰燃，其对气相物质产生速率的影响较小，热释放速的大小与气相物质总质量成正相关。

4 结论

1）高层住宅建筑火灾荷载密度平均值为748.20 MJ/m2，火灾荷载密度范围为306.72～1 278 MJ/m2，火灾荷载密度标准值为1 202.22 MJ/m2。

2）本文高层住宅建筑火灾荷载等级为二级，采用Q-Q正态检验得住宅建筑火灾荷载密度服从正态分布。

3）单室火灾火源温升曲线符合安全科学的流变-突变规律；热释放速率变大，单室上层温度的变化曲线由慢到快再到慢，最后在某一温度区间振荡；火源位于单室中央比位于墙角处火灾增长速率快；按照最不利原则，3 000 kW可作为单室火灾发展蔓延的最大火灾热释放速率判据。

4）最大热释放速率相同情况下，火源位于单室中央比墙角处的释热速率快，辐射热损失也大；辐射损失热量与火源热释放速率总体呈正相关。

5）同等热释放速率条件下，火源位于单室中央时比位于墙角处单室内烟气遮光率更晚达到100%，热释放速率变大对单室内烟气遮光率的影响较小；单室内热释热速率变大，相较一般火源功率（100 kW）的单室火灾热烟气层高度下降速率加快，但若单室内不同工况下的火灾热释放速率均较大，热释放速率对热烟气上下分界面高度的影响较小；超过一般单室火灾功率范围，热释放速率变大引发轰燃，热释放速率对气相物质产生速率的影响较小，热释放速的大小与气相物质总质量成正相关。