不同控制措施对超高层建筑火灾蔓延影响研究

焦天骜 JIAO Tian-ao；司蕊 SI Rui；李豪 LI Hao

（北方工业大学土木工程学院，北京 100144）

0 引言

目前火灾蔓延模拟主要集中在大型商业综合体、交通枢纽站等低多层公共建筑，对超高层建筑垂直方向火灾蔓延的研究还较少。袁慧[1]等通过研究烟气运动、着火点附近区域温度变化、二氧化碳浓度变化等，得出火灾参数变化规律。文波[2]等建立高层住宅建筑火灾荷载分布模型，以单室内的热释放速率、火源位置等为变量，建立单室火灾轰燃模型和演化模型，构建了高层住宅建筑单室火灾可持续发展判据。卫文彬[3]等通过分析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，得出温度对于火灾蔓延的影响规律。唐莉青[4]等通过研究楼梯间防火门的开闭情况，得出火灾蔓延及烟气蔓延规律。

上述仅有的几项超高层建筑火灾模拟，也未能深入考虑喷淋和机械排烟等防火措施对火灾蔓延的控制效果。因此本文将研究重点放在超高层上，研究不同的火灾控制措施对超高层建筑火灾蔓延的控制效果。希望此研究可给火灾控制以及超高层建筑中喷淋系统和排烟系统的完善提供依据。

1 火灾模拟

本文选取沈阳某超高层写字楼，该塔楼总建筑面积约22 万m2，地下5 层，层高3.5～4.5m；地上71 层，1、2 层层高5.5m，标准层层高4.1m；主要功能为酒店和办公。塔楼12，24，36，48，60 层为设备层和避难层，层高4.9m。1-2层，每层各有4 部楼梯，1 部电梯；3-24 层，每层各有4 部楼梯；25-70 层，每层各有3 部楼梯。建筑屋檐高度330m，结构高度300m。

2 模拟条件

本文选取的超高层建筑，楼层多、面积大，所以选取两个避难层之间的13 个楼层作为模拟对象。

本文将安全疏散的温度临界值设置为60℃，CO 浓度临界值设置为1000ppm，能见度临界值为10m。设定墙体为混凝土，地板和天花板为木材，房间中的机器为金属。设定火灾热释放速率为1000kW/m2，火灾增长类型为t2型，燃烧反应材料为聚氨酯，环境初始温度20℃，火源设置在模型中的第6 层，着火方式为立即着火，着火面积5m2，火灾模拟运行时间600s。探测器设置在模型中的第6、8、10、12 层，靠上楼梯间内，距左边门口2m，距地面1.8m，共四组，每组三个探测器，分别用来监测温度、CO 浓度、能见度的变化。同时设置三组切片，分别是X=38m、X=50m、Y=68m，同样用来监测楼梯间内温度、CO 浓度、能见度的变化。工况一为喷淋、机械排烟均无效的火灾模拟场景，工况二为喷淋有效、机械排烟无效的火灾模拟场景，工况三为喷淋无效、机械排烟有效的火灾模拟场景，工况四为喷淋有效、机械排烟有效的火灾模拟场景。

3 模拟结果

3.1 能见度结果分析

图1 给出了各工况各测点能见度模拟结果。由图可知，喷淋和机械排烟均有效，测点1 所在的楼梯间，在9.75s 时能见度开始从10m 下降；测点2 所在楼梯间，在24.11s 时能见度开始从10m 下降；测点3 所在的楼梯间，在33.66s 时能见度开始从10m 下降；测点4 所在的楼梯间，在64.22s 时能见度开始从10m 下降。由此可以得出，距离火源越远，能见度到达危险临界值所需时间越长，说明火灾蔓延需要一定的时间。其它三种情况也符合此结论。

测点4 在喷淋和机械排烟均无效时，能见度在48s 开始从10m 下降；在喷淋有效、机械排烟无效时，能见度在48.67s 开始从10m 下降；在喷淋无效、机械排烟有效时，能见度在51.68s 开始从10m 下降；在喷淋和机械排烟均有效时，能见度在64.22s 开始从10m 下降。由此可以分析出，两种控制措施分别单独作用时，对于火灾蔓延都有抑制作用；但两种控制措施同时作用的情况比只有一种控制措施作用的情况，对于火灾蔓延的抑制作用更明显。说明两种控制措施同时作用才能发挥最大的效用，对于人员的疏散帮助最大。其它测点也符合此结论。

3.2 温度结果分析

图2给出了各工况各测点温度模拟结果。由图可知，喷淋和机械排烟均有效，测点1 所在的楼梯间，在12.14s时温度第一次到达危险临界值，而后温度略微下降，在51.71s 时第二次到达危险临界值，之后保持此状态；测点2、测点3、测点4 所在楼梯间，温度均未到达危险临界值。由此可以得出，距离火源越远，温度对人的影响减小，人员逃生的几率增大。其它三种情况也符合此结论。

图2 各工况各测点温度模拟结果

测点1 在喷淋和机械排烟均无效时，温度在10.92s 到达危险临界值；在喷淋有效、机械排烟无效时，温度在11.48s 到达危险临界值；在喷淋无效、机械排烟有效时，温度在11.45s 到达危险临界值；在喷淋和机械排烟均有效时，温度在12.14s 到达危险临界值。由此可以分析出，两种控制措施分别单独作用时，对于火灾蔓延都有抑制作用；喷淋对于温度的影响较大，机械排烟对于温度的影响较小；但两种控制措施同时作用的情况比只有一种控制措施作用的情况，对于火灾蔓延的抑制作用更明显。说明两种控制措施同时作用才能发挥最大的效用，对于人员的疏散帮助最大。其它测点的温度虽未达到危险临界值，但也能看出上述结论。

3.3 CO 浓度结果分析

图3 给出了各工况各测点CO 浓度模拟结果。由图可知，喷淋和机械排烟均有效，测点1 所得数据呈波动状态，楼梯间内CO 浓度多次到达危险临界值；测点2、测点3、测点4 所在楼梯间CO 浓度均未到达危险临界值。由此可以得出，距离火源越远，CO 浓度对人的影响减小，人员逃生几率增大。其它三种情况也符合此结论。

图3 各工况各测点CO 浓度模拟结果

测点1 在喷淋和机械排烟均无效时，CO 浓度在22.8s到达危险临界值；在喷淋有效、机械排烟无效时，温度在31.21s 到达危险临界值；在喷淋无效、机械排烟有效时，温度在72.07s 到达危险临界值；在喷淋和机械排烟均有效时，温度在142.2s 到达危险临界值。由此可以分析出，两种控制措施分别单独作用时，对于火灾蔓延都有抑制作用；喷淋对于CO 浓度的影响较小，机械排烟对于CO 浓度的影响较大；但两种控制措施同时作用的情况比只有一种控制措施作用的情况，对于火灾蔓延的抑制作用更明显。说明两种控制措施同时作用才能发挥最大的效用，对于人员的疏散帮助最大。其它测点的CO 浓度虽未达到危险临界值，但也能看出上述结论。

4 研究结论

本文研究不同控制措施对超高层建筑火灾蔓延的控制效果，将喷淋和机械排烟这两种控制措施的有效与无效作为模拟条件，分别得到能见度、温度、CO 浓度的模拟数据，通过数据分析得到如下结论。①两种控制措施分别单独作用时，对于火灾蔓延都有抑制作用；但两种控制措施同时作用的情况比只有一种控制措施作用的情况，对于火灾蔓延的抑制作用更明显。②喷淋对于CO 浓度的影响较小，机械排烟对于CO 浓度的影响较大；喷淋对于温度的影响较大，机械排烟对于温度的影响较小。③两种控制措施同时作用比没有控制措施作用时，烟气慢了6s 蔓延到下一个测点所在楼层，两种控制措施同时作用对火灾蔓延抑制作用效果明显。④两种控制措施均有效时比两种控制措施均无效时，对于火灾的抑制作用增加了13%；喷淋作用时对于火灾的抑制作用增加了10%；机械排烟作用时对于火灾的抑制作用增加了4%。