摘要：高層商業(yè)大廈結(jié)構(gòu)建造較為復(fù)雜，從而在火災(zāi)發(fā)生時(shí)往往不容易進(jìn)行及時(shí)救援，造成不可挽回的巨額損失以及慘烈的人員傷亡。所以，為了防患于未然，必須將火災(zāi)發(fā)生時(shí)煙氣的蔓延規(guī)律研究重視起來，為險(xiǎn)情發(fā)生時(shí)的救援工作提供有利的安全保障。本文針對(duì)高層商業(yè)大廈火災(zāi)三種不同工況進(jìn)行數(shù)值模擬，并主要考查了煙氣的蔓延分布情況，CO濃度分布變化情況，溫度分布變化情況及能見度的變化情況。根據(jù)不同工況模擬的結(jié)果，進(jìn)行了模擬分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和曲線擬合，得出了商業(yè)大廈火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律。為商業(yè)大廈火災(zāi)煙氣的有效控制、火場(chǎng)人員安全疏散以及火災(zāi)撲救提供了一定的理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：商業(yè)大廈火災(zāi)煙氣;數(shù)值模擬;CO體積分?jǐn)?shù);溫度;能見度

1 引言

火災(zāi)通常是指在特定時(shí)空內(nèi)物質(zhì)燃燒造成的不可控制的人為或自然危害。而火災(zāi)可通過其發(fā)生地點(diǎn)劃分為建筑物火災(zāi)、森林火災(zāi)和一些交通事故引起的火災(zāi)等種類，而在所有火災(zāi)種類中，建筑物火災(zāi)由于其救援的復(fù)雜性成為危害最大的火災(zāi)[1]。

高層建筑火災(zāi)具有如下特點(diǎn)：

（1）高層建筑具有多功能性，設(shè)備繁多，易發(fā)生火災(zāi)險(xiǎn)情的特點(diǎn)

a.多功能性：高層建筑通常具有商業(yè)性，其內(nèi)諸如會(huì)議室、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)等場(chǎng)所設(shè)施十分繁多。這些場(chǎng)所通常都會(huì)進(jìn)行集體性活動(dòng)，往往造成人員群聚性，而建筑內(nèi)消防通道有限，不滿足人群的同時(shí)疏散，導(dǎo)致救援不易進(jìn)行[2]。

b.設(shè)備繁多：高層建筑內(nèi)具有十分龐大的電器設(shè)備群，而基本上所有的電器設(shè)備其供電網(wǎng)絡(luò)都互相交錯(cuò)，極其復(fù)雜，其復(fù)雜性往往導(dǎo)致設(shè)備所用電纜不能及時(shí)維護(hù)，最終導(dǎo)致用電故障，形成點(diǎn)火源，其突發(fā)性通常是高層建筑火災(zāi)發(fā)生的最直接因素[3]。

（2）高層建筑火災(zāi)蔓延速度快，火勢(shì)迅猛

a.從地理因素上分析，高度越高空氣流動(dòng)性越好，所以高層建筑在高空起火的情況下其火勢(shì)很容易迅速蔓延。

b.從建筑空間上分析，高層建筑具有非常繁復(fù)的使用空間，可燃物遍及樓層各角落，所以險(xiǎn)情發(fā)生以后就會(huì)造成樓層間蔓延的情況，導(dǎo)致其整體燃燒[4]。

c.從建筑結(jié)構(gòu)上分析，高層建筑內(nèi)電梯井、樓梯通道等管道式通道繁多，火災(zāi)發(fā)生以后通常會(huì)將所有管道像煙囪一樣利用起來，火勢(shì)蔓延速度會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速遍及整棟大樓。

（3）高層建筑內(nèi)部空間繁雜，人流量大，疏散困難

a.高層建筑通?？扇菁{數(shù)百人甚至數(shù)千人進(jìn)行集體活動(dòng)，險(xiǎn)情一旦開始蔓延會(huì)對(duì)人員救援工作造成極大困難。

b.建筑物結(jié)構(gòu)雖然采用的是鋼筋混凝土等不可燃物質(zhì)，但是其裝修通常會(huì)使用大量可燃物并且具有一定的連續(xù)性，導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生時(shí)火情急劇蔓延，很容易使內(nèi)部人員迷失方向并且導(dǎo)致氣體中毒。

（4）高層建筑火災(zāi)撲救困難

當(dāng)前社會(huì)民眾只具備簡(jiǎn)單的滅火常識(shí)，而建筑物內(nèi)通常也僅配備簡(jiǎn)單的滅火設(shè)備，一旦樓頂發(fā)生險(xiǎn)情，其撲救工作將極其困難。

火災(zāi)統(tǒng)計(jì)資料表明[5，6]，我國(guó)每年有80%的火災(zāi)險(xiǎn)情以及人員傷亡均有建筑火災(zāi)引起[7]。所以其往往導(dǎo)致嚴(yán)重的后果以及慘痛的歷史教訓(xùn)。

縱觀最近幾年，我國(guó)所發(fā)生的所有大型火災(zāi)中，高層建筑火災(zāi)是造成重大經(jīng)濟(jì)損失的主要災(zāi)害，所以對(duì)高層建筑火災(zāi)的研究工作進(jìn)行已經(jīng)迫在眉睫[8]。

2" 數(shù)值模擬軟件簡(jiǎn)介

2.1" PyroSim軟件簡(jiǎn)介

PyroSim由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局與技術(shù)研究中心（NIST）開發(fā)研究的專門用于模擬火災(zāi)動(dòng)態(tài)仿真（FDS）的軟件[9]。PyroSim是以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)為理論依據(jù)，仿真模擬預(yù)測(cè)火災(zāi)中的煙氣、CO等毒氣的流動(dòng)、火災(zāi)溫度及煙氣濃度的分布。PyroSim廣泛應(yīng)用在以下領(lǐng)域：（1）性能化建筑防火設(shè)計(jì);（2）消防安全評(píng)估之后的項(xiàng)目驗(yàn)收評(píng)估;（3）火災(zāi)事故調(diào)查;（4）滅火實(shí)戰(zhàn)與訓(xùn)練;（5）用于火災(zāi)科學(xué)研究;（6）火災(zāi)自動(dòng)探測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)的開發(fā)等。

2.2" Smokeview軟件簡(jiǎn)介

Smokeview是一款用來實(shí)現(xiàn)火災(zāi)模型可視化數(shù)值模擬的軟件工具，利用它可以查看模型數(shù)值計(jì)算的三維結(jié)果。Smokeview軟件的可視化可以使人們切實(shí)體驗(yàn)到火災(zāi)的各種屬性，通過使用系統(tǒng)方式顯示示蹤粒子流、溫度和表示流動(dòng)方程與流量大小的流矢量的氣體流量數(shù)據(jù)的2D和3D陰影輪廓[10-12]。

3.商業(yè)大廈火災(zāi)模擬結(jié)果分析

本文是根據(jù)無為縣九州文化廣場(chǎng)商業(yè)大廈實(shí)體作為建筑原型來建立模擬模型的，該建筑一共有18層，總高約60米，層高約3米，每層平面面積約1340平方米。

本文將選取高層建筑火災(zāi)中比較常見的，由沙發(fā)起火引起的火災(zāi)進(jìn)行一系列的模擬，得出結(jié)果并進(jìn)行分析。起火沙發(fā)設(shè)在第九層購(gòu)物區(qū)的一個(gè)房間，考慮到火源位置以及通風(fēng)條件均會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生影響，本文模擬設(shè)置了三種工況，充分考慮了變量對(duì)模擬結(jié)果的影響：

工況一：兩個(gè)樓梯間的門只打開一側(cè)，設(shè)置通風(fēng)風(fēng)速為1 m/s，火源設(shè)置在靠中間位置的一個(gè)房間;

工況二：兩個(gè)樓梯間的門全部打開，設(shè)置通風(fēng)風(fēng)速為1 m/s，火源設(shè)置在靠中間位置的一個(gè)房間;

工況三：兩個(gè)樓梯間的門全部打開，設(shè)置通風(fēng)風(fēng)速為1 m/s，火源設(shè)置在樓梯邊的一個(gè)房間。

3.1" 火災(zāi)煙氣蔓延情況分析

3.1.1 工況1火災(zāi)煙氣蔓延情況分析

工況1設(shè)置情況下的T=300s時(shí)的煙氣時(shí)刻圖。由各時(shí)刻的煙氣蔓延情況可知：當(dāng)火災(zāi)發(fā)生后，煙氣迅速蔓延。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生至120s時(shí)，煙氣就已經(jīng)蔓延至右側(cè)樓梯口，并隨著火災(zāi)的持續(xù)蔓延，煙氣逐漸蔓延至其余樓層。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生至600s時(shí)，煙氣已經(jīng)充滿至相鄰樓層的樓梯間通道。

3.1.2" 工況2火災(zāi)煙氣蔓延情況分析

工況2設(shè)置情況下T=300s時(shí)的煙氣時(shí)刻圖。工況1和工況2的不同在于左側(cè)樓梯的防火門是否打開。通過對(duì)比工況1和工況2可知：打開一個(gè)樓道和打開兩個(gè)樓道的火災(zāi)煙氣蔓延情況完全不同，打開兩個(gè)樓道的火災(zāi)煙氣蔓延情況更加劇烈。

3.1.3" 工況3火災(zāi)煙氣蔓延情況分析

工況3設(shè)置情況下的T=300s時(shí)的煙氣時(shí)刻圖。工況2和工況3的不同在于火源位置的不同。通過對(duì)比工況2和工況3可知：火災(zāi)發(fā)生的位置不同，煙氣首先擴(kuò)散的方式不同，但是隨著火災(zāi)的持續(xù)進(jìn)行，這兩種情況下煙氣對(duì)建筑的影響差別不大，都蔓延至樓上數(shù)層。

3.2" 火災(zāi)一氧化碳濃度分析

3.2.1" 工況1火災(zāi)一氧化碳濃度分析

T=400s時(shí)工況1火災(zāi)情況下的一氧化碳濃度分布情況。隨著時(shí)間的推移，一氧化碳濃度逐漸增大，并且隨著火災(zāi)的不斷進(jìn)行，一氧化碳高濃度區(qū)始終位于著火房間內(nèi)。

3.2.2" 工況2火災(zāi)一氧化碳濃度分析

為T=400s時(shí)工況2火災(zāi)情況下的一氧化碳濃度分布情況。通過對(duì)比工況1和工況2的一氧化碳分布圖可知：由于工況2兩側(cè)樓道都打開，一氧化碳可以有更廣闊的空間擴(kuò)散至其余樓層，因此著火樓層的一氧化碳濃度較工況1低。

3.2.3" 工況3火災(zāi)一氧化碳濃度分析

T=400s時(shí)工況3火災(zāi)情況下的一氧化碳濃度分布情況。由于著火位置位于左側(cè)走廊，并且靠近左側(cè)樓道，并且由于左側(cè)走廊頭端封閉，一氧化碳不能擴(kuò)散至其余各處，因此左側(cè)各房間內(nèi)的一氧化碳濃度較高。通過對(duì)比工況2和工況3的一氧化碳分布圖可知：由于火源位置不同，一氧化碳的高濃度區(qū)不同。

3.2.4" 各工況測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析

各工況在不同測(cè)點(diǎn)位置的一氧化碳濃度變化曲線。由測(cè)點(diǎn)1可知：工況1在測(cè)點(diǎn)1處的一氧化碳濃度變化最為劇烈，上升幅度最大，這是由于工況1左側(cè)樓道封閉，一氧化碳不能及時(shí)蔓延至其余樓層，因此其濃度最大;同時(shí)，對(duì)比工況2和工況3在測(cè)點(diǎn)1處的一氧化碳濃度變化曲線，可知工況3測(cè)點(diǎn)1處的一氧化碳濃度上升較快，這是由于火源位于左側(cè)走道，火災(zāi)發(fā)生時(shí)更加靠近測(cè)點(diǎn)1的原因。

3.3" 火災(zāi)溫度分布情況分析

火災(zāi)發(fā)生時(shí)，室內(nèi)空間的各點(diǎn)由于距離火源的距離不同以及受熱方式不同，溫度分布是不斷變化的，并且隨著時(shí)間的不斷變化，室內(nèi)火災(zāi)的燃燒越來越猛烈，功率越來越大，因此室內(nèi)空間的各點(diǎn)的溫度也隨著時(shí)間不斷發(fā)生變化[13-15]。

3.3.1" 工況1火災(zāi)溫度分布分析

隨著火災(zāi)的發(fā)生，著火樓層的溫度逐漸升高，火災(zāi)發(fā)生至100s時(shí)，高溫區(qū)主要位于著火房間內(nèi);當(dāng)火災(zāi)進(jìn)行至200s時(shí)，高溫?zé)煔鈩×衣?，著火樓層高溫區(qū)擴(kuò)大;當(dāng)火災(zāi)進(jìn)行400s到600s時(shí)，高溫區(qū)擴(kuò)大至整個(gè)走廊和各房間內(nèi)。T=400s時(shí)工況1火災(zāi)情況下的溫度分布情況。

3.3.2" 工況2火災(zāi)溫度分布分析

T=400s時(shí)工況2火災(zāi)情況下的溫度分布情況。通過對(duì)比工況2和工況1的溫度分布情況，可知：由于工況2兩側(cè)樓梯打開，高溫?zé)煔庥懈蟮目臻g能夠擴(kuò)散至其余樓層，因此其高溫區(qū)較之于工況1較小。

3.3.3" 工況3火災(zāi)溫度分布分析

T=400s時(shí)工況3火災(zāi)情況下的溫度分布情況。通過對(duì)比工況2和工況3的溫度分布情況，可知：由于著火位置的不同，其高溫區(qū)的分布也不同。

3.3.4" 各工況測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析

各工況在不同測(cè)點(diǎn)位置的溫度變化曲線。由測(cè)點(diǎn)1可知：工況3在測(cè)點(diǎn)1處的溫度變化最為劇烈，上升幅度最大，這是由于火源位于左側(cè)走道，火災(zāi)發(fā)生時(shí)更加靠近測(cè)點(diǎn)1的原因。對(duì)比工況1和工況2在測(cè)點(diǎn)1處的溫度變化曲線，工況1的溫升稍大于工況2，這是由于工況1左側(cè)樓道封閉，高溫?zé)煔獠荒芗皶r(shí)蔓延至其余樓層，因此高溫?zé)煔鉁粼谠撎?，而工況2處高溫?zé)煔饽軌驈淖髠?cè)樓道蔓延至其余樓層，因此工況1處溫度較工況2稍高。

3.4" 火災(zāi)能見度分布情況分析

在設(shè)計(jì)建筑物的性能防火方面，能見度也是一個(gè)必須要考慮進(jìn)去的參數(shù)。能見度又稱可見度，指的是人們?cè)谝欢ōh(huán)境下剛剛看到某個(gè)物體的最遠(yuǎn)距離，一般理論上認(rèn)為，在建筑物內(nèi)沒有煙氣存在的情況下，正常人的極限視程為30m[16-18]。

3.4.1" 工況1火災(zāi)能見度分布分析

隨著火災(zāi)的發(fā)生，著火樓層的能見度逐漸降低?；馂?zāi)發(fā)生至50s時(shí)，著火房間的能見度就已經(jīng)下降至人眼不能識(shí)別的范圍;當(dāng)火災(zāi)進(jìn)行至100s時(shí)，部分走廊的能見度降低至人眼不能識(shí)別的范圍;當(dāng)火災(zāi)進(jìn)行150s時(shí)，部分房間的能見度出現(xiàn)劇烈下降的情況;當(dāng)火災(zāi)進(jìn)行200s時(shí)，大部分房間的能見度劇烈下降;當(dāng)火災(zāi)進(jìn)行600s時(shí)，著火樓層的能見度下降至0m。由于工況1左側(cè)樓梯封閉，煙氣無法進(jìn)入，因此能見度良好。T=150s時(shí)工況1火災(zāi)情況下的能見度分布情況。

3.4.2" 工況2火災(zāi)能見度分布分析

T=150s時(shí)工況2火災(zāi)情況下的能見度分布情況。同樣，隨著火災(zāi)的發(fā)生，著火樓層的能見度逐漸降低。通過對(duì)比工況1和工況2可知：由于工況2左側(cè)樓道打開，因此其能見度也受到了影響。

3.4.3" 工況3火災(zāi)能見度分布分析

T=150s工況3火災(zāi)情況下的能見度分布情況。通過對(duì)比工況2和工況3可知：由于著火位置不同，火災(zāi)開始時(shí)各房間的能見度下降情況不同，最后都會(huì)出現(xiàn)能見度下降至人眼不能識(shí)別的范圍。

3.4.4" 各工況測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析

各工況在不同測(cè)點(diǎn)位置的能見度變化曲線。由測(cè)點(diǎn)1可知：工況3在測(cè)點(diǎn)1處的能見度最先下降，這是由于火源位于左側(cè)走道，火源更加靠近測(cè)點(diǎn)1的原因。對(duì)比工況1和工況2在測(cè)點(diǎn)1處的能見度變化曲線可知能見度變化大致相同。

5" 結(jié)語

本文應(yīng)用火災(zāi)模擬軟件PyroSim、Smokeview，以無為縣九州文化廣場(chǎng)商業(yè)大廈實(shí)體作為研究對(duì)象，設(shè)置數(shù)值模擬需要的各項(xiàng)參數(shù)，選取大廈進(jìn)行火災(zāi)數(shù)值模擬，從室外條件的設(shè)置，火源的安排，熱釋放速率的確定以及網(wǎng)格的劃分等方面，綜合考慮對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生影響的因素，設(shè)計(jì)了商業(yè)大廈火災(zāi)模擬方案。分別研究了只打開一側(cè)樓梯間門的火災(zāi)煙氣蔓延情況，樓梯間門全部打開的火災(zāi)煙氣蔓延情況以及改變火源位置后的火災(zāi)煙氣蔓延情況，得出以下結(jié)論：

（1）在模擬中，氧氣充足的情況下，通風(fēng)量越大，模擬區(qū)域內(nèi)燃燒就越劇烈，熱值越大。

（2）在模擬中，從火災(zāi)中CO的濃度的變化和分布來看，隨著時(shí)間的增加，CO的濃度越來越高，達(dá)到極值后保持穩(wěn)定。在相同高度上，走廊兩端CO濃度較高，不論何種情況，CO最高濃度始終位于著火房間內(nèi)，火源位置的改變會(huì)對(duì)最終CO濃度分布產(chǎn)生較大影響。

（3）在模擬中，從火災(zāi)煙氣溫度的變化和分布來看，在同一高度處，離開燃燒中心越遠(yuǎn)，煙氣溫度越低，溫度最高處依然位于著火房間內(nèi)，在火災(zāi)發(fā)生后高溫區(qū)域開始迅速擴(kuò)散，高溫區(qū)域內(nèi)人體已無法再進(jìn)行正?；顒?dòng)。

（4）在模擬中，從火場(chǎng)能見度的分布和變化來看，隨著時(shí)間的增加，能見度越來越低，越靠近火源的位置，能見度下降越快，火災(zāi)發(fā)生后200s整個(gè)樓層大部分房間能見度劇烈下降，這對(duì)人員疏散是很不利的。" " " " " " "（下轉(zhuǎn)41頁(yè)）

（上接39頁(yè)）

根據(jù)模擬軟件PyroSim、Smokeview等模擬建筑物室內(nèi)火災(zāi)，從煙氣蔓延情況，室內(nèi)溫度變化情況，煙氣中CO濃度以及能見度情況等方面進(jìn)行，得出了大廈中火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律，對(duì)商業(yè)大廈火災(zāi)煙氣的有效控制以及人員安全保障具有重大的意義。

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作者簡(jiǎn)介：潘登（1995.06-），男，漢族，籍貫安徽蕪湖，在讀研究生，研究方向：火災(zāi)防治理論及技術(shù)。