沈 斌 宋曉陽 劉新蕾 張 芳 姜雷鳴

(1.黑龍江科技大學(xué)安全工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022；2.黑龍江科技大學(xué)瓦斯等烴氣輸運(yùn)管網(wǎng)安全基礎(chǔ)研究國家級專業(yè)中心實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150022)

高校校園建筑以教學(xué)樓為主，人流密度大，一旦發(fā)生火災(zāi)極易引發(fā)群死群傷事故，嚴(yán)重威脅學(xué)生生命安全[1]。開展教學(xué)樓火災(zāi)研究，有助于提升火災(zāi)應(yīng)對能力，科學(xué)制定人員疏散路徑。FDS(Fire Dynamics Simulator)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于建筑防火研究。余明高等[2]運(yùn)用FDS軟件分析了高校教學(xué)樓走廊火災(zāi)煙氣風(fēng)險，得出了該教學(xué)樓極限疏散時間；孫超等[3]對高校教學(xué)樓單一樓層內(nèi)呈對稱布置的房間內(nèi)火勢蔓延及人員疏散情況進(jìn)行了模擬研究，獲得了所有房間內(nèi)人員疏散時間；劉新蕾等[4]運(yùn)用FDS軟件模擬分析哈一百中庭商廈的火災(zāi)煙氣擴(kuò)散規(guī)律，得出了室內(nèi)中庭類建筑在天窗開閉兩種工況下的煙氣流動規(guī)律和安全疏散時間。上述研究為建筑火災(zāi)研究提供了參考，但尚未對全尺寸中庭類大型建筑開展相關(guān)火災(zāi)研究，據(jù)此，本文選取黑龍江科技大學(xué)環(huán)形中庭教學(xué)樓——科技大廈作為研究對象，建立全尺寸模型，以影響人員安全疏散的煙氣溫度、CO濃度、能見度等外界因素為指標(biāo)點(diǎn)，采用FDS軟件對大廈開放空間內(nèi)火災(zāi)煙氣流動影響開展模擬研究。

1 計算模型及場景設(shè)定

1.1 計算模型

黑龍江科技大學(xué)科技大廈教學(xué)樓為典型的環(huán)形中庭建筑，長130 m，寬100 m，高21.5 m，面積13 000 m2，中間部分為非建筑區(qū)(1樓右側(cè)為旁樓區(qū)域)，每層樓設(shè)置3個主樓梯和6個副樓梯。為了提高計算效率、保證精度，以1∶1比例建立仿真模型，如圖1所示，共劃分286 000個網(wǎng)格。

1.2 火災(zāi)場景設(shè)定

火災(zāi)場景顯著影響建筑內(nèi)的火勢發(fā)展，依據(jù)保守和最不利原則進(jìn)行設(shè)定[5]。該建筑主要為上課辦公的場所，人員多而集中，因此，將火源的位置設(shè)為1層南部樓梯附近，為配電箱電氣火災(zāi)，火源位置截面如圖2a)所示，其余樓層的截圖如圖2b)所示。模擬中的桌椅表面選用黃松，其他參數(shù)選用pyrosim數(shù)據(jù)庫內(nèi)的默認(rèn)參數(shù)，火源熱釋放速率為4 000 kW/m2。火災(zāi)模擬過程選取類型為快速火，采用t2型火災(zāi)模型，其發(fā)展系數(shù)取值為0.046 9 kW/s2，通過公式計算獲得火災(zāi)達(dá)到最大熱釋放速率的時間為185 s。由于本次火災(zāi)屬于室內(nèi)，假設(shè)不考慮風(fēng)的影響。

在南北部的主樓梯和每層走廊的拐角位置設(shè)置了監(jiān)測器，每層樓的監(jiān)測器共6處，每處3個監(jiān)測器，分別監(jiān)測走廊溫度，CO濃度，能見度的分布。如圖2所示，分別為監(jiān)測點(diǎn)a,b,c,d,e和f，即南部主樓梯附近、走廊西南拐角、走廊西北拐角、北部主樓梯附近、走廊東北拐角和走廊東南拐角。本次模擬中，取疏散人員的平均肉眼水平高度1.6 m，選取模擬的最長時間為1 000 s，將人員的安全疏散時間約束為3個條件[6]：1)煙氣熱對流溫度不高于60 ℃；2)一氧化碳濃度不高于500 ppm；3)能見度不低于10 m。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬煙氣流動情況

火災(zāi)煙氣的流動一般會先沿著火焰的蔓延方向，在受到建筑物布局與尺寸等約束后，達(dá)到最終的狀態(tài)。筆者通過對該環(huán)形建筑火災(zāi)發(fā)生煙氣流動情況的觀察，以頂部樓層煙氣蔓延為時間點(diǎn)，截取各層煙氣流動情況圖，見圖3。

如圖3所示，頂層模擬的時間點(diǎn)分別選取煙氣布滿北部樓梯口、達(dá)到頂層北部走廊處和達(dá)到最大面積的三個時刻。從圖3中可以看出，當(dāng)火源充分燃燒后，短時間內(nèi)會產(chǎn)生大量煙氣，并由于空氣密度差的原因向上擴(kuò)散。1樓火源處的煙氣可以很快到達(dá)5樓，呈現(xiàn)出該建筑的煙囪效應(yīng)，煙氣從底部開始豎直上升，到達(dá)頂層樓板后，沿走廊向四周擴(kuò)散，可在500 s內(nèi)完全覆蓋頂層。該建筑為環(huán)形中庭結(jié)構(gòu)，火災(zāi)發(fā)生后各層走廊與樓梯是煙氣擴(kuò)散通道。煙氣的水平擴(kuò)散會形成明顯的回流和沉降，隨著溫度的不斷升高，最終會在每層的頂部形成熱煙氣層[7]。

2.2 溫度分布

通過在各層設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，得出各層溫度變化圖，見圖4。

從圖4中可以看出，南部樓梯處的a點(diǎn)溫度較其他各個監(jiān)測點(diǎn)都要高出許多，并且各點(diǎn)達(dá)到極限值的時間，由下到上依次為149 s,101 s,93 s,121 s和149 s。1樓和2樓的最高溫度可達(dá)到250 ℃以上，而3樓～5樓的最高溫度依次降低，除b,f點(diǎn)的溫度在5樓的煙氣溫度接近60 ℃以外，其余各點(diǎn)的溫度始終處于30 ℃以內(nèi)，較為安全。

2.3 CO濃度分布

根據(jù)各層設(shè)置的監(jiān)測點(diǎn)，得出各層CO濃度變化圖，如圖5所示。

從圖5中可以看出，南部樓梯處的a點(diǎn)CO濃度增長較快，達(dá)到極限值0.000 5 mol/mol的時間，由下到上，依次為189 s,103 s,126 s,146 s和170 s；b點(diǎn)依次為920 s,304 s,306 s,未達(dá)到、253 s；c點(diǎn)依次為未達(dá)到、966 s,706 s、未達(dá)到、421 s；d點(diǎn)依次為820 s,768 s,714 s,586 s和363 s；e點(diǎn)依次為998 s,965 s,764 s、未達(dá)到、531 s；f點(diǎn)依次為566 s,273 s,334 s、未達(dá)到、334 s。易知除去a點(diǎn)情況外，樓層越低，CO濃度達(dá)到極限值的時間越晚。

2.4 能見度分析

火災(zāi)煙氣具有遮光性特點(diǎn)，會阻礙人員的視線，影響人員的安全疏散。各樓層監(jiān)視點(diǎn)能見度變化如圖6所示。

從圖6中可以看出，依然是南部樓梯處的a點(diǎn)煙氣能見度增長較快，達(dá)到極限值10 m以下的時間，由下到上，依次為43 s，56 s，58 s，76 s和82 s；b點(diǎn)依次為354 s，247 s，170 s，187 s，168 s；c點(diǎn)依次為577 s，519 s，278 s，285 s，252 s；d點(diǎn)依次為440 s，415 s，387 s，381 s和349 s；e點(diǎn)依次為489 s，444 s，424 s，351 s，273 s；f點(diǎn)依次為302 s，223 s，142 s，201 s，172 s。

2.5 安全疏散時間確定

通過對3種煙氣危險因素的模擬結(jié)果進(jìn)行分析，得出各個樓層的安全疏散時間，見表1。

表1 安全疏散時間統(tǒng)計表 s

從表1可以看出，煙氣溫度、CO濃度和煙氣能見度的影響范圍主要是南部樓梯附近，對于表中溫度來說，除走廊西南拐角處外，煙氣溫度均未達(dá)到60 ℃。表1中的CO濃度和能見度達(dá)到極限值的時間，除a處以外，越高的樓層安全疏散時間越短。通過表1中橫向數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)CO濃度達(dá)到極限值時間的幾個監(jiān)測點(diǎn)排列順序?yàn)閑，c，d，b，f，a，煙氣能見度極限時間排序?yàn)閑，d，c，b，f，a。

綜合考慮3種危險因素，選擇走廊東北拐角e處的樓梯逃生最合適，1層～5層的逃生極限時間依次為489 s，444 s，424 s，381 s，273 s。

3 結(jié)論

本文采用FDS技術(shù)，以火災(zāi)發(fā)生過程中的溫度、CO濃度、能見度為指標(biāo)，對環(huán)形中庭式教學(xué)樓建筑的火災(zāi)煙氣流動情況進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果表明：

1)以1層南部樓梯為火源，煙氣擴(kuò)散由于煙囪效應(yīng)，垂直上升到達(dá)樓頂頂板，在受到頂板的阻礙后開始水平擴(kuò)散，其擴(kuò)散的路徑為各層樓梯與走廊對稱性蔓延。此環(huán)形建筑由于走廊較窄，走廊、樓梯與起火區(qū)相連，將嚴(yán)重影響人員的安全疏散，且越高的樓層危險性越大。

2)通過模擬得出了最佳逃生路徑為各層的東北拐角處樓梯，并得出1層～5層的逃離時間分別為489 s，444 s，424 s，381 s和273 s。本次模擬可為今后環(huán)形中庭教學(xué)樓建筑的逃生路徑及疏散時間提供理論指導(dǎo)。