体育馆大空间火灾烟气分析

摘 要：本文对体育馆大空间发生火灾后的烟气流动情况进行计算机模拟分析，分析了火灾发生点在不同区域的情况下烟气的扩散情况及安全影响，并对大空间是否需设置挡烟垂壁进行了计算验证，为类似的体育馆大空间消防设计提供参考。

关键词：体育馆大空间；数值模拟；火灾烟气分布

SMOKE ANALYSIS OF LARGE SPACE FIRE IN GYMNASIUM

Liu Jian

TONGJI ARCHITECTURAL DESIGN （GROUP） CO.， LTD.

Abstract： The author simulute The gas flow of fire in large space gymnasium，analysis of the point spread and influence the safety of flue gas in different regions under the condition of fire， and the large space whether the need to set the hanging wall is calculated and verified， the paper provide reference for fire protection design of similar large space gymnasium.

Key words： Large space in Gymnasium，Numerical simulation， Fire smoke distribution

1.背景

随着近年经济的发展和人民生活水平的不断提高，市场对文化体育的需求逐渐增大，很多大型体育馆建筑在各地兴建，由于体育馆建筑规模越来越大，且造型越来越多样化，经常出现规范要求与建筑效果相冲突的问题。

本文就对某室内体育馆防烟设施与建筑效果相冲突的问题进行分析，该体育馆屋面采用空间网架结构，观众席座位数有5600个，按照上海市防排烟规范要求，需要在网架内设置约5m高的固定挡烟垂壁加约5m高的活动挡烟垂壁，这样不仅破坏了网架的整体性，其对声、光均有不受控制的遮挡和反射作用，其卷帘盒对整个场馆的美观影响也非常大。而不做防烟设施，又可能对生命财产安全造成重大影响，因此本文将对该室内体育馆设施烟气的运动采用数值模拟的方法，以分析大型体育馆空间烟气对人员活动区的影响，为类似大空间消防设计提供参考。

2.物理模型及参数设置

2.1软件介绍

本项目采用数值模拟软件FDS，该软件由美国国家标准与技术研究院开发。FDS专门从数值技术方面解决一系列适合于热驱动、低速流动的Navier-Stokes方程，重点适用于火灾导致的热烟传播和蔓延的数值模拟。利用FDS软件能够将实际消防安全工程中的一系列物理参数和设施，如火场温度、速度、火源、火灾探测器、风机、挡烟设施、喷头等在模型中建立，并能够在模拟中让它们再现实际火灾中的动作时序，与真实火灾的相似性很大。

2.2物理模型

该室内体育馆建筑面积约5000 m2，场地净高27.6m，长边长80m，短边长64m，其中中间为比赛场地，周边为观众座位，建筑平面与剖面见图1-3。室内体育馆设置机械排烟，整个空间作为一个防烟分区，排烟量设置为451700m3/h，沿体育馆屋顶网架结构周围均匀布置8个排烟口，火灾时，烟气通过吊装在网架内的排烟风管排至室外，消防补风采用底部直接对外的大门作为消防补风口。

2.3火灾场景

FDS火灾模拟包含四个火灾场景，主要分析可能存在的不同火灾发生点情况，以分析不同情况下火灾烟气的分布情况：

（1） 比赛场地发生火灾，

（2） 观众席中间区域发生火灾，

（3） 觀众席最高处发生火灾，

（4） 比赛场地发生小规模火灾，

场景1-3主要分析不同区域发生火灾烟气分布的情况，场景4分析小规模火灾情况下，烟气是否无法形成稳定的上升气流，从而不规则的四散弥漫，对观众区人员造成不利影响。

2.4主要参数设置

2.4.1火灾规模和热释放速率

该室内体育馆为无喷淋的公共场所，场景1-3根据上海防排烟规范规定，选取火灾规模为8MW，场景4考虑为小规模火灾，选取火灾规模为2MW。

火灾热释放量按以下公式计算：

式中：Q - 火灾热释放量（kW）；

t- 排烟系统启动时间（s）；

a- 火灾增长系数，由于体育场馆引发火灾的材料很可能为比赛用的泡沫塑料和木箱等，因此火情考虑为快，选取0.047。

模拟时间为600s。热释放速率曲线如图4-2：

图4 火灾热释放速率曲线

2.4.2机械排风设置

根据体育馆防排烟设计，场馆上方设置8个排烟口，消防补风采用两个直通室外的大门提供，火灾发生后，烟感和温感探测器达到探测阈值时，发出火灾报警，并启动机械排烟，考虑实际系统延迟启动的因素，如火灾探测延迟、报警系统延迟、防火阀关闭延迟等因素，模型中设置为烟感和温感探测器达到阈值后60s开启机械排烟。

2.5判定标准

根据火灾烟气对人员的危害情况，主要有下列因素：

（1） 烟气层高度；

在疏散过程中，烟气层应始终保持在人群头部以上一定高度，人在疏散时不必要从烟气中穿过或受到热烟气流的辐射热威胁。根据规范所推荐的方法计算清晰高度为：

h=1.6+0.1H

式中，h，清晰高度，m；endprint

H，大空间建筑高度，m。

室内体育馆需要保证的清晰高度应为：h=15.52m。

（2） 热辐射；

人体对烟气层等火灾环境的辐射热的耐受极限为2.5kW/m2，即相当于上部烟气层的温度约为180℃～200℃。

（3） 对流热；

高温空气中的水分含量对人体的耐受能力有显著影响。人体在60℃环境中可以待至半小时以上。

（4） 烟气毒性；

火灾中的热分解产物及其浓度与分布因燃烧材料、建筑空间特性和火灾规模等不同而有所区别。在设计和评估时，可简化为：如果空间内烟气的光密度不大于0.1OD/m，则视为各种毒性燃烧产物的浓度在30min内达不到人体的耐受极限，通常以CO的浓度为主要定量判定指标。

（5）能见度。

可视度的定量标准应根据建筑内的空间高度和面积大小确定。一般对于小空间，其可视度要求为5m以上；对于大空间，其可视度要求在10m以上，考虑到本项目属于人员密集场所，可视度要求按15m以上考虑。

综上所述，本项目安全的判定标准如下：

1）15.52m高度以下，对于充满饱和水蒸汽的空气的耐受温度不超过60°C；

2）15.52m高度以下，空间内CO浓度不超过500ppm；

3）15.52m高度以下，空间能见度不低于15m。

3.模拟结果分析

3.1场景1 比赛场地发生火灾

t=60s时火源中心竖向剖面温度变化

当室内体育馆比赛场地发生火灾后，火源中心竖向剖面温度变化如图5，火灾发生后在火源点上方形成了稳定的上升气流，随着火灾的发展，烟气逐渐在体育馆屋顶区域集聚，且烟气界面逐渐下降，但是在火灾发生600s时，除火源点及上部区域以外，烟气温度均不超过60℃。

火灾发生600s后室内体育馆内火源中心竖向剖面能见度和CO浓度分布如图6，除火源点外，能见度均超过15m，CO浓度均低于500ppm。

由上可知，室内体育馆在比赛场地发生火灾后，由于整个空间较大，烟气充分与空气混合，温度下降很快，除火源点及上方区域外，烟气均不超过60℃，同时大部分区域的能见度和CO浓度也没有超过限值，对人员疏散影响较小。

3.2场景2 观众席中间区域发生火灾

当室内体育馆观众席中间区域发生火灾后，火源中心竖向剖面温度变化如图7，火灾发生后形成稳定的上升气流，随着火灾的发展，烟气靠近建筑墙体集聚，在火灾发生600s时，火源点及靠近墙体附近，烟气温度都超过了60℃，体育馆上方烟气层高度比场景1的高。

火灾发生600s后室内体育馆内火源中心竖向剖面能见度和CO浓度分布如图8，除火源点及靠近墙体区域外，能见度均超过15m，CO浓度均低于500ppm。

由上可知，室内体育馆在观众席中间区域发生火灾后，烟气发展初期气流稳定向上，但是当烟气继续增加后，烟气贴附墙体，向四周蔓延，烟气没有足够的空气稀释降温，逐渐在火源点与墙体间形成高温区域，可能造成火灾的蔓延，不利于人员的疏散。

3.3 场景3 观众席最上方发生火灾

当室内体育馆观众席最上方发生火灾后，火源中心竖向剖面温度变化如图9，火灾发生后，由于观众席上方构筑物的影响，烟气没有形成稳定的上升气流，而是在构筑物下方集聚，随着火灾的发展，烟气向储烟仓流动，在火灾发生600s时，火源点及靠近墙体附近，烟气温度都超过了60℃。

火灾发生600s后室内体育馆内火源中心竖向剖面能见度和CO浓度分布如图10，除火源点外，能见度均超过15m，CO浓度均低于500ppm。

由上可知，室内体育馆在观众席最高点发生火灾后，受上方构筑物的影响，烟气没有通畅的向上通道，烟气易向四周蔓延，并在局部空间形成高温区域，可能造成火灾的蔓延，不利于人员的疏散。

3.4场景4 比赛场地发生小规模火灾

t=60s时火源中心竖向剖面温度变化

t=120s时火源中心竖向剖面温度变化 t=300s时火源中心竖向剖面温度变化

t=600s时火源中心竖向剖面能见度

t=600s時火源中心竖向剖面CO浓度 图12 场景3火灾发生后温度变化图表

当室内体育馆发生小规模火灾后，火源中心竖向剖面温度变化如图11，火灾发生后在火源点上方形成了稳定的上升气流，随着火灾的发展，烟气逐渐在体育馆屋顶区域集聚，在火灾发生600s时，除火源点上部区域以外，烟气温度均不超过60℃。

火灾发生600s后室内体育馆内火源中心竖向剖面能见度和CO浓度分布如图12，除火源点外，能见度均超过15m，CO浓度均低于500ppm。

由上可知，室内体育馆发生小规模火灾后， 可以形成稳定的上升气流，并不会向观众区域蔓延。

4.总结

通过对室内体育馆内不同火源点、不同规模的火灾模拟，可得出以下结论：

1） 该火灾发生的10分钟内，观众区温度、能见度、CO浓度均未超过限值，远超过规范规定体育馆建筑3.5分钟的疏散时间要求，可以满足人员疏散要求。

2） 由于室内体育馆空间开阔，火灾发生后，人员能及时发现火情并逃离，因此对于同等规模的室内体育馆，不设挡烟垂壁可以增加储烟仓的空间，延缓烟气层向观众区蔓延，有利于人员疏散。

3） 在观众席上方应避免设置过大的构筑物，影响烟气向储烟仓流动，可能对人员疏散造成不利影响。

4） 在储烟仓区域避免设置人员活动区，防止火灾和烟气的蔓延。

本项目由于实际情况的限制，无法完全按照规范要求进行设计，因此申请召开了消防专家评审会，以上对消防性能方面的专项分析以及设计采取相应的消防措施，最终获得了专家的认可，保证了建筑效果与消防安全两方面的平衡。

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【文章编号】1627-6868（2017）09-0001-05

【作者简介】刘建，男，籍贯湖南，高级工程师，担任机电专业负责人职务，主要方向有计算流体模拟分析以及BIM（建筑信息模型）技术研究。endprint