高层建筑楼梯间不同自然排烟方式对烟气流动特征影响的数值模拟

丁厚成，余 点

(安徽工业大学建筑工程学院，安徽 马鞍山 243032)

高层建筑发生火灾时，当楼层较低或者疏散人数较多时，使用电梯疏散不利于总体疏散效率[1]，尤其是15层楼以下的高层建筑发生火灾时，楼梯是最主要的疏散方式[2]。 在火灾燃烧的猛烈阶段，由于高温状态下的热对流，烟气沿楼梯间或其他竖向管井扩散的速度为3～4 m/s[3]，如果防火分隔或防火处理不好，再加上初期灭火失败,那么在烟囱效应、浮力、风力的共同作用下，火势将迅速扩大，烟气加速蔓延，使高层建筑形成立体火灾，严重威胁楼内人员生命和财产安全[4-5]。鉴于许多高层建筑的火灾案例，人员在楼梯间排队疏散时，会导致人体长时间接触楼梯间的环境并受其影响[6]，因此在烟气最大允许浓度内，将人员高效地疏散完毕是很有必要的。但要完成此项要求，须从以下两个方面着手:一是控制楼梯间内烟气和有害气体的浓度，尽可能地减缓烟气和有害气体扩散的速度，降低烟气和有害气体的浓度。我国《建筑设计防火规范》[7](GB 50016—2014)中规定：除建筑高度超过50 m的一类公共建筑和建筑高度超过100 m的居住建筑外，靠外墙的防烟楼梯间及其前室、消防电梯间前室和合用前室，宜采用自然排烟方式；靠外墙的防烟楼梯间每5层内可开启外窗总面积之和不应小于2.00 m2；排烟窗宜设置在上方，并应有方便开启的装置。自然排烟系统因其设备简单、运行维护费用低、运行时无需电源等优点已被广泛采用[8-11]。二是提高人员疏散效率，规划高效的人员疏散路径。应依据楼梯间内烟气、有害气体以及温度的分布情况及其对人体造成的影响进行疏散路径的规划，同时增加消防设施等辅助设备来共同帮助人员进行快速疏散[12]。

基于以上两点，本文以马鞍山市某13层办公楼为原型，对高层建筑楼梯间在自然排烟方式和火源高度不相同的情况下，以烟气和CO为代表的有毒有害气体的浓度和温度的分布情况进行了数值模拟研究，得出了最佳的自然排烟的开窗方式，以为人员疏散及现场救援等决策提供参考。

1 模型的建立与火灾场景的设计

1. 1 火灾烟气基本控制方程

高层建筑楼梯间内发生火灾时烟气的流动属于湍流流动。FDS(Fire Dynamic Simulation)[12]火灾仿真软件是由美国国家标准研究所(NIST)和建筑与火灾研究实验室(BFRL)共同开发的产品，可以模拟火灾湍流流动的过程，并利用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的N-S(Navier-Stokes)方程，其计算重点是火灾情况下的烟气和热传递的过程。因此，本文采用FDS软件对高层建筑楼梯间内发生火灾时烟气的流动特征进行了数值模拟。烟气流动的持续变化过程可通过以下控制方程[14-15]进行描述：

连续性方程：

∂ρ∂t+(ρu)=0

(1)

动量守恒方程：

ρ(∂ρ∂t+(u·)u)+p=ρg+f+·τ

(2)

能量守恒方程：

∂(ρh)∂t+·(ρhu)=∂p∂t+u·p-·qr+·kt+∑·hiρDiYi

(3)

式中：ρ为密度(kg/m3)；t为时间(s)；u为速度矢量(m/s);p为压强(N/m2)；g为重力加速度(m/s2)；f为外部施加的力矢量(N)；τ为黏性力张量；h为焓(kJ)；qr为热辐射通量(kW/m2)；k为导热系数[W/(m·K)]；下标i为第i种组分；hi为第i种组分的焓(kJ)；Di为第i种组分的扩散系数(m2/s)；Yi为第i种组分的质量分数。

1. 2 楼梯间模型的建立

本文以马鞍山市某办公楼为例，该办公楼共13层，层高3.5 m，净高3 m，楼梯间踏步高0.2 m，楼梯间各部分具体尺寸见表1，室内初始温度为20℃，运行时间为300 s。图1为设计的该办公楼楼梯间的简化模型，展示了不同大小和位置的排烟窗、不同位置的火源以及楼梯间各部分的组成。

表1 楼梯间各部分尺寸

图1 某13层办公楼楼梯间简化模型Fig.1 Model of the stairway of a 13-floor office building

1. 3 火灾模拟场景的设置

本文设置的着火点热释放速率(HRR)为5 000 kW/m2，如图1所示，在每层靠门方向，分别在距离楼梯前平台高度1.5 m处各设置1个CO 气体浓度监测装置；在每层靠窗方向，分别在距离楼梯后平台高度1.5 m处各设置1个温度监测装置，即热电偶温度探测器；在楼梯间中间位置每层各设置1个烟雾探测器；在火源上方设置热释放速率(HRR)监测装置。

根据我国《建筑设计防火规范》[7](GB 50016—2014)中规定，靠外墙的防烟楼梯间宜采用自然排烟方式，且每5层楼开窗不得少于2 m2。熊筠等[16]采用理论加试验的方式证明，5层楼中楼梯间开启两扇大小为1 m2的外窗应设置在第4、5层楼，排烟效果最佳，却并未考虑只开启一扇大小为2 m2的外窗的情况。因此，本文将讨论以下8种工况发生时某13层办公楼楼梯间的自然排烟状况：

(1) 工况1：火源位置在第1层，在第4层、第5层、第9层、第10层分别设置1 m2外窗。

(2) 工况2：火源位置在第1层，在第4层、第5层、第9层、第10层、第11层分别设置1 m2外窗。

(3) 工况3：火源位置在第1层，在第5层、第10层分别设置2 m2外窗。

(4) 工况4：火源位置在第1层，在第5层、第10层、第11层分别设置2 m2外窗。

(5) 工况5：火源位置在第7层，在第4层、第5层、第9层、第10层分别设置1 m2外窗。

(6) 工况6：火源位置在第7层，在第5层、第10层分别设置2 m2外窗。

(7) 工况7：火源位置在第13层，在第4层、第5层、第9层、第10层分别设置1 m2外窗。

(8) 工况8：火源位置在第13层，在第5层、第10层分别设置2 m2外窗。

2 火灾模拟结果与分析

2. 1 烟气蔓延情况分析

图2、图3、图4分别为该办公楼火源在底层(第1层)、中层(第7层)和顶层(第13层)时，各层的烟气浓度蔓延趋势,图5为在模拟的300 s时间内该办公楼楼梯间在不同火源位置时烟气蔓延模拟效果图。

图2 某13层办公楼底层着火时各层烟气浓度扩散情况Fig.2 Diffusion of the smoke on each floor when the fire breaks out on the ground floor of a 13-floor office building 注：烟气浓度表示每米状态下烟气蔓延充满该楼层 空间的百分数。下同

图3 某13层办公楼中层着火时各层烟气浓度扩散情况Fig.3 Diffusion of the smoke on each floor when the fire breaks out on the middle floor of a 13-floor office building

图4 某13层办公楼顶层着火时各层烟气浓度扩散情况Fig.4 Diffusion of the smoke on each floor when the fire breaks out on the top floor of a 13-floor office building

图5 某13层办公楼楼梯间烟气蔓延模拟效果Fig.5 Simulation picture of smoke spread at the stairway of a 13-floor office building

由图2至图5可见，当该办公楼底层着火时，烟气大约在130 s内快速蔓延到各层；当中层着火时，烟气会在50 s左右快速蔓延到7层以上的楼层(包括7层)，而仅有很少的烟气在300 s内蔓延到第7层以下的楼层，烟气浓度基本上不会对人体造成威胁；当顶层着火时，烟气在30 s左右快速蔓延到第12层和第13层，而在第11层仅有一小部分烟气，在200s左右时才会迅速增长，很快达到最高浓度100%/m(即每米状态下烟气已经完全充满该楼层，下同)，第11层以下的楼层烟气浓度很低，基本上不会对人体造成威胁。

由此可见，火灾发生的楼层越低，危害波及的范围越广，造成的危害也越大。

2.1.1 火源在底层

图6至图11分别为该办公楼在工况1、2、3、4下不同楼层间烟气浓度的对比图。因为该办公楼底层着火时，在各工况下第1层烟气浓度均迅速上升，所以在此不做赘述。

图6 某13层办公楼在工况1～4下第3层楼烟气浓度的对比Fig.6 Comparison of the smoke concentration on the 3rd floor of a 13-floor office building under the condition 1 to 4

图7 某13层办公楼在工况1～4下第5层楼烟气浓度的对比Fig.7 Comparison of the smoke concentration on the 5th floor of a 13-floor office building under the condition 1 to 4

由图6和图7可见，该办公楼第3层楼烟气浓度扩散情况是：烟气浓度均在50 s左右时开始急剧上升，大约在100 s后烟气达到最大浓度100%/m；该办公楼第5层楼烟气浓度扩散情况是：烟气浓度均在50 s左右时开始急剧上升，大约120 s后烟气达到最大浓度100%/m。此外，由图6可见，工况3时烟气的上升趋势略比其他工况缓慢，工况1时烟气的上升趋势略比其他工况快；由图7可见，工况2时烟气的上升趋势略比其他工况缓慢，工况3时烟气的上升趋势略比其他工况快。

图8 某13层办公楼在工况1～4下第7层楼烟气浓度的对比Fig.8 Comparison of the smoke concentration on the 7th floor of a 13-floor office building under the condition 1 to 4

图9 某13层办公楼在工况1～4下第9层楼烟气浓度的对比Fig.9 Comparison of the smoke concentration on the 9th floor of a 13-floor office building under the condition 1 to 4

由图8和图9可见，该办公楼第7层楼烟气浓度扩散情况是：烟气浓度均在100 s左右时开始急剧上升，大约225 s后烟气达到最大浓度100%/m；该办公楼第9层楼烟气浓度扩散情况是：烟气浓度均在125 s左右时开始急剧上升，大约300 s后烟气达到最大浓度100%/m。此外，由图8可见，工况3时烟气的上升趋势略比其他工况缓慢，工况2时烟气的上升趋势略比其他工况快；由图9可见，工况3时烟气的上升趋势略比其他工况缓慢，工况2时烟气的上升趋势略比其他工况快。

图10 某13层办公楼在工况1～4下第11层楼烟气浓度的对比Fig.10 Comparison of the smoke concentration on the 11th floor of a 13-floor office building under the condition 1 to 4

图11 某13层办公楼在工况1～4下第13层楼烟气浓度的对比Fig.11 Comparison of the smoke concentration on the 13th floor of a 13-floor office building under the condition 1 to 4

由图10和图11可见，该办公楼第11层楼烟气情况是：烟气浓度均在150 s左右时开始急剧上升，大约300 s后烟气达到最大浓度60%/m；该办公楼第13层楼烟气浓度扩散情况是：烟气浓度均在100 s左右时开始急剧上升，大约300 s后烟气达到最大浓度35%/m。此外，由图10可见，工况3时烟气的上升趋势略比其他工况缓慢，工况4时烟气的上升趋势略比其他工况快；由图11可见，工况4时烟气的上升趋势略比其他工况缓慢，工况1时烟气的上升趋势略比其他工况快。

由于烟气的烟囱效应，致使顶层烟气到达的速度略快，所以排烟窗要设置在上方，而窗户面积大将有利于烟气排出，但不宜过大，且窗户数量也不宜过多，这是因为下方的窗户排出的烟气如果过多，由于烟气的热浮力，反而可能会从上方的窗户再次进入楼梯间内，造成更为严重的后果。

该办公楼在工况1、2、3、4下各层烟气蔓延速度排序见表2。

表2 某13层办公楼在工况1、2、3、4下各层烟气蔓延速度的排序

注：表中Ⅳ表示烟气蔓延速度最快；Ⅲ表示烟气蔓延速度较快；以此类推，Ⅰ表示烟气蔓延速度最慢。

由表2可见，该办公楼底层(第1层)着火时，工况3即在第5层、第10层两层楼各开一扇面积为2 m2的外窗时，烟气浓度蔓延速度最慢，排烟效果最佳；并且综合经济因素考虑，开设排烟窗最佳面积为2 m2，排烟窗最佳数量为1扇，否则由于烟气向上流动以及横向扩散的流动特性[17]，可能会产生反效果。

2.1.2 火源在中层

由图3可见，该办公楼火源在中层时，烟气浓度只在第7层及以上楼层中蔓延，其中第7层烟气浓度蔓延速度最快，第12层烟气浓度蔓延速度最慢，而由于烟气的烟囱效应，顶层烟气浓度蔓延速度与第11层相似。

图12为该办公楼在工况5、6下第9、10、11、13层楼烟气浓度的对比。

图12 某13层办公楼在工况5、6下第9、10、11、13层楼烟气浓度的对比Fig.12 Comparison of the smoke concentration on the 9th,10th,11th and 13th floor of a 13-floor office building under the condition 5 to 6

由图12可见，该办公楼在工况6下第9层楼的烟气浓度走势，即工况6(9)曲线(表示工况6下第9层楼的烟气浓度变化曲线，下同)比工况5的略缓，均在25 s左右烟气开始蔓延，55 s左右烟气浓度达到最大；第10层楼和第11层楼在两种工况下烟气浓度走势相似，均在26 s左右烟气开始蔓延，第10层楼在75 s时烟气浓度达到最大，而第11层楼的烟气浓度在110 s左右时达到最大；该办公楼在工况6下的第13层楼的烟气走势比工况5的缓慢，均在26 s左右烟气开始蔓延，130 s时烟气浓度达到最大，但不同的是上升过程中工况6的烟气浓度出现短暂下降之后始终低于工况5。综合来看，由于烟气向上运动的特性，工况6即火源在中层时，第5层、第10层两层楼各开一扇面积为2 m2的外窗时，烟气浓度蔓延速度最慢，排烟效果最佳。

2.1.3 火源在顶层

由图4可见，当该办公楼顶层着火时，烟气会快速蔓延到第12层楼和第13层楼，而在第11层楼仅有一小部分烟气，在200 s左右时才会迅速增长。

图13为该办公楼在工况7、8下第11、12层楼烟气浓度的对比。

图13 某13层办公楼在工况7、8下第11、12层楼烟气浓度的对比Fig.13 Comparison of the smoke concentration on the 11th and 12th floor of a 13-floor office building under the condition 7 to 8

由图13可见，大约在20 s时，烟气开始迅速蔓延到第12层楼，并在55 s左右达到最大浓度100%/m，此时，工况7、8的烟气浓度蔓延曲线走势几乎重合；约在195 s时，烟气迅速蔓延到第11层楼，并在230 s左右达到最大浓度100%/m，此时，工况8烟气浓度蔓延曲线走势比工况7要缓，并且在200 s以内时，第12层楼的烟气浓度要远远小于第11层的烟气浓度，这是由于烟气的烟囱效应造成的烟气流动特性，可以对其加以利用。综合来看，由于烟气向上运动的特性，工况8即该办公楼火源在顶层时，第5层、第10层两层楼各开一扇面积为2 m2的外窗时，烟气浓度蔓延速度最慢，排烟效果最佳。

根据上述已得出的结论：该办公楼火源发生在底层时，火灾危害最大。所以在此主要考虑发生火灾时危害最大的情况，即火源在底层时的情况，选取两种代表工况，即工况1、3来对该办公楼楼梯间CO浓度和温度的分布进行模拟分析。

2. 2 CO浓度分布情况分析

结合《建设工程性能化消防设计与评估导则》，本次选定模拟场景的安全判据为：1.5 m高度上CO浓度(以体积分数表示)不超过0.003[18]。

图14为该办公楼在工况1、3下第1、2层楼CO浓度(体积分数)的对比。

图14 某13层办公楼在工况1、3下第1、2层楼CO浓度的对比Fig.14 Comparison of the smoke concentration on the 1st and 2nd floor of a 13-floor office building under the condition 1 and 3

由图14可见，该办公楼在工况1、3下第1、2层楼在模拟时间界限内没有超出安全临界值0.003，这可能是由于燃烧比较充分，并未产生大量未完全燃烧产物，如CO；第1层楼的CO体积分数在两种工况下相差无几，但总体来说，工况1的CO平均体积分数和最大体积分数普遍高于工况3；130 s前，第2层楼的CO体积分数在工况3下明显低于工况1，在130 s之后，升高趋势相近。综合来看，工况3优于工况1，即该办公楼火源在底层时第5层、第10层两层楼各开一扇面积为2 m2的外窗时，排烟效果好。

2. 3 温度分布情况分析

结合《建设工程性能化消防设计与评估导则》，本次选定模拟场景的安全判据为：1.5 m高度上温度不超过60℃[18]。

图15为该办公楼在工况1、3下第1、2层楼温度的对比。

图15 某13层办公楼在工况1、3下第1、2层楼温度的对比Fig.15 Comparison of the temperature on 1st and 2nd floor of a 13-floor office building under the condition 1 and 3

由图15可见，该办公楼工况1(1)曲线在第1层楼的温度大约在30 s时超过安全临界值，第2层楼的温度大约在76 s时超过安全临界值；第1层、第2层两层楼在两种工况下温度相差无几，升高趋势相同；第2层楼的温度远远低于第1层楼的温度，所以就温度而言，着火楼层对人员的危害最大。但总体来说，工况1下的平均温度和最高温度普遍高于工况3，即该办公楼火源在底层时，第5层、第10层两层楼各开一扇面积为2 m2的外窗时，排烟效果好。

因为着火楼层温度会在30 s左右就达到安全临界温度，并且持续升高，所以在第5层、第10层两层楼各开一扇面积为2 m2的排烟窗，且还要按照相关规范设置其他防火救火设施，以保证人员财产安全。

3 结 论

本文通过数值模拟的方法研究了某高层建筑发生火灾时，楼梯间采用自然排烟方式时的开窗方式以及烟气流动特征，得到如下结论：

(1) 若着火位置位于楼梯间中层之下，烟气则会迅速地向建筑物上部蔓延；若着火位置位于楼梯间中层之上，烟气则会向上层快速蔓延，在中性面之下的部位会比较安全。即当高层建筑发生火灾时，着火楼层越低，对人员疏散与救援造成的危害越大。

(2) 当高层建筑楼梯间采用自然排烟的方式时，每5层楼在楼层上方设置一扇面积为2 m2的排烟窗的排烟效果要优于在上方连续两层楼各设置一扇面积为1 m2的排烟窗。

(3) 由于烟气向上流动的特性以及烟气引发的浮力等因素，并且综合考虑经济因素，每5层楼在楼层上方开设排烟窗最佳面积为2 m2，排烟窗最佳数量为1扇。

(4) 在模拟的300 s时间内，各工况下的CO浓度(体积分数)均未超过安全临界值，而着火楼层的温度大约在30 s超过安全临界值。所以，在人员疏散与救援中应避免通过着火楼层或者增加辅助设施来安全通过着火楼层。

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