基于火灾荷载的办公建筑火灾场景设计及危险性分析

刘启金，李善麒

(舟山市公安消防支队，浙江 舟山 316000)

0 引言

随着我国建筑科学新技术的发展，办公建筑也在向高档化、大型化发展，城市中出现了大量集餐饮、娱乐、办公于一体的高层办公建筑，提高了人们的办公品质，方便了人们的办公生活[1-2]。由于办公建筑功能复杂、装修材料使用量大，使得高层办公建筑火灾呈现出火灾隐患多、火蔓延速度快、火灾扑救难度大等特点，一旦发生火灾，极易造成无法控制的立体式火灾，产生群死群伤的后果[3-4]。

针对办公建筑火灾的研究方法主要有全尺寸火灾试验、缩尺寸火灾试验、计算机模拟等，实体火灾试验会消耗大量的人力、物力、财力，且重复性较差，所以计算机模拟成为研究办公建筑火灾的主要手段[5]。火灾场景设计是火灾模拟最为重要的环节，只有准确设置火灾增长速率、火灾热释放速率，选取合理的火灾持续时间，才能有效地描述整个火灾发生、发展的过程。因此，火灾场景设计及火灾危险性分析成为火灾领域一个重要的研究课题[6]。

目前，国内学者对办公建筑火灾进行了大量研究，均借鉴国外的调查数据进行火灾场景设计，且成果主要集中在办公建筑火灾危险性分析方面，并没有根据我国办公建筑特点，建立合适的火灾模型[7-8]。笔者以办公建筑为研究对象，提出基于火灾荷载的火灾场景设计方法，并对比分析试验与模拟结果以验证其有效性。

1 办公建筑火灾荷载分析

办公建筑火灾发生、发展的整个过程与建筑内可燃物有着密切的关系，可燃物种类、数量以及分布对火灾的蔓延过程均有重要影响作用，要想降低办公建筑火灾发生的概率、控制火灾的危害程度，就必须严格控制办公建筑内可燃物的分布。火灾荷载是衡量建筑物内可容纳可燃物数量的指标参数，决定了火灾增长速率、火灾热释放速率、火灾持续时间等基本参数，因此，火灾荷载调查统计在火灾场景设计中十分重要。办公建筑内火灾荷载主要分为以下三类：

1.1 固定火灾荷载

固定火灾荷载是指办公建筑内位置基本不变的可燃易燃物品，其主要包括装修用的可燃易燃材料和建筑结构上使用的可燃易燃材料[9]，如壁纸、地板、窗帘、木质门窗、可燃吊顶等。

1.2 活动火灾荷载

活动火灾荷载主要是指布置在房间内的，位置、数量可变化的可燃物。通常办公建筑内活动火灾荷载有办公桌椅、沙发、电脑、书架等[10]。针对四类典型办公建筑空间(综合办公室、行政办公室、会议室、接待室)内可燃物进行调查分析，其活动火灾荷载统计见表1。

表1 活动火灾荷载统计

1.3 临时火灾荷载

临时火灾荷载是指办公人员临时带进、短暂停留的可燃物，主要包括人员临时带入的衣服、书籍、文件档案、书包行李等可燃物[11]。由于在办公建筑中此类可燃物数量较少，占火灾荷载的总量比重较小，计算过程中一般不予以考虑。

通过统计分析三种火灾荷载的分布情况，可以计算出单位面积的火灾荷载，即火灾荷载密度q，计算公式为：

(1)

式中，q为火灾荷载密度，MJ·m-2；Mv为各种可燃物的质量，kg；Δhc为各种可燃物的热值，MJ·kg-1；AF为建筑地板面积，m2。

2 火灾场景设计

火灾场景设计是火灾模拟最重要的环节之一，只有合理确定火灾增长速率、火灾最大热释放速率以及火灾持续时间，才能最真实地描述火灾发生、发展的全过程[12]。目前，国内学者在研究办公建筑火灾时，没有考虑国内外办公建筑的较大差异，盲目借鉴国外调查的数据及模型，使得模拟结果并不具有较好的真实性、有效性。因此，本文提出基于火灾荷载的火灾场景设计方法，对办公建筑内火灾进行模拟研究，分析办公建筑火灾危险性。

2.1 火灾增长速率

目前，国内外较为认可的火灾模型是著名的t2火模型，如式(2)所示：

Q=αt2

(2)

式中，Q是热释放速率，kW；α为火灾增长系数，kW·s-2；t为着火时间，s。

火灾增长系数的确定一般有两种方法，分别为查表法和火灾荷载统计法[13]。目前，国内大部分研究均采用查表法，即将建筑物内可燃物的初期火灾增长速度分为超快、快速、中速、慢速四种类型，其对应的火灾增长系数α分别为0.187 8，0.046 89，0.011 27，0.002 93 kW·s-2，如图1所示。

图1 热释放速率的t2模型描述

查表法简单快捷，便于操作，但没有充分考虑建筑内可燃物的数量、种类以及分布状态，并不能有效反映火灾的真实情况，因此利用火灾荷载法确定火灾增长系数会更加准确，可以得到更贴近真实情况的火灾模拟数据。火灾荷载法综合考虑了火灾荷载的影响以及顶棚墙壁的影响，可利用公式(3)对火灾增长系数进行描述：

α=αf+αm

(3)

式中，αf是火灾荷载影响系数，由2.6×10-6q5/3计算可得；αm是顶棚墙壁影响系数，可以根据顶棚墙壁装修材料的可燃等级来确定，如表2所示。

表2 顶棚墙壁装修材料与αm的关系

通过计算火灾荷载影响系数和顶棚墙壁影响系数，进而可确定火灾增长系数，如知道火灾各个阶段的燃烧时间，就能准确描绘出火灾发展阶段的热释放速率。

2.2 火灾最大热释放速率

目前，办公建筑火灾类型可以分为完全发展型火灾、局部火灾、密闭房间闷燃火灾和受水灭火系统控制的火灾。针对不同类型的火灾，最大热释放速率的设置方法不同。

2.2.1 完全发展型火灾

完全发展型火灾一般经历初期增长阶段、充分发展阶段和衰减阶段等三个阶段，其热释放速率随时间的变化曲线如图2所示。

图2 完全发展型火灾的热释放速率曲线

由图2分析可知，初期增长阶段，火灾热释放速率按照t2火模型发展；充分发展阶段，火灾热释放速率达到最大值，且处于稳定阶段；衰减阶段，火灾热释放速率按照t2火或线型模型衰减。热释放速率的最大值一般发生在轰然阶段，由公式(4)计算：

(4)

式中，At是封闭空间的总表面积，m2；A0是房间开口面积，m2；H0是房间开口高度，m。

2.2.2 局部火灾

局部火灾是指可燃物较少情况下，只在一定的区域内燃烧，其最大热释放速率通常发生在所有可燃物全部起火的情况下。而该火灾的发展规律符合t2火模型，达到最大热释放速率的时间可以由公式(5)计算。

(5)

式中，L为可燃物的边界范围，m；v为火蔓延速度，m·s-1。

2.2.3 密闭房间闷燃火灾

在较小封闭空间内，室内与室外空气交换很小，发生火灾后，火灾一般处于闷燃状态。一般情况下，可燃物燃烧会快速消耗大量的氧气，当氧气浓度下降到15%时，会出现氧气供给不足的情况，热释放速率快速下降，此时的热释放速率达到最大值。

2.2.4 受水灭火系统控制的火灾

目前，大部分场所会设置自动喷水灭火系统，火灾发生后，喷水灭火系统能有效开启，控制火灾的增长。在水灭火系统有效的条件下，较为保守地认为：火灾初期，火源热释放速率呈t2火增长；当水灭火系统开启后，火灾得到有效控制，火灾规模不再增大。在自动喷水灭火系统有效，火灾得到控制或扑灭情况下的热释放速率如图3所示。

图3 水灭火系统作用下热释放速率曲线

2.3 火灾持续时间

火灾持续时间是指火源热释放速率达到最大值后到衰减开始所持续的时间，也就是火源热释放速率维持稳定值的时间。火灾的持续时间与火灾荷载的关系如式(6)所示。

(6)

式中，Fd为火灾持续时间特征参数，可由公式(7)计算。

(7)

3 办公建筑火灾危险性实例分析

3.1 工程概况

某行政办公室尺寸为3.6 m×4.8 m×3.3 m，钢筋混凝土结构，顶棚墙壁均采用不燃性材料。该房间主要开口有：南侧墙面设有一0.8 m×2.3 m的外门，门上方设有一0.8 m×0.5 m的外窗，南侧墙面和北侧墙面各设一玻璃窗，尺寸分别为1.0 m×2.0 m、1.6 m×2.0 m。办公室内可燃物的种类、数量及热值见表3。根据表3可得办公室火灾荷载密度为479.7 MJ·kg-1。

表3 某行政办公室火灾荷载统计

3.2 模型建立

根据办公建筑的实际情况，利用FDS建立等尺寸模型。模型尺寸为3.6 m×4.8 m×3.3 m，墙厚0.5 m，顶棚墙壁设置成不燃材料。具体模型及参数如图4所示。

图4 办公室实物图及模型图

3.3 火灾场景设计

3.3.1 火灾增长系数

火灾荷载影响系数αf=2.6×10-6q5/3=2.6×10-6×479.75/3=0.076 43 kW·s-2；由于顶棚和墙壁均采用不燃材料，经查表可知顶棚墙壁影响系数αm为0.003 5 kW·s-2，因此火灾增长系数α=αf+αm=0.076 43+0.003 5=0.079 93 kW·s-2，处于快速火和超快速火之间。

3.3.2 最大热释放速率

一般保守考虑，会选择最危险的场景来设计火灾模型。针对本办公建筑来说，最危险的场景为室内发生轰燃，因此最大热释放速率的确定由公式计算可得：

3.3.3 火灾持续时间

办公建筑发生轰燃后，会持续一定时间的稳定燃烧，火灾持续时间为：

因此，火灾发生后，该办公建筑内火灾热释放速率的变化曲线如图5所示。

图5 设计火灾热释放速率曲线

3.4 模拟与试验结果分析

为了验证本火灾场景设计方法的有效性，将办公建筑室内火灾温度的试验与模拟结果进行对比分析，如图6所示。

由试验温度曲线可知，办公建筑火灾共经历了阴燃阶段、火灾增长及轰燃阶段、火灾稳定阶段和衰减阶段。试验由点燃的布条作为起火源引燃棉被，经历了大约205 s的阴燃阶段，才出现明火燃烧；而后快速引燃木柜和沙发等可燃物，火灾规模迅速增长，直到470 s时温度升高到最大值，约为975 ℃，发生轰燃；轰燃发生后，室内温度基本维持在940 ℃，处于稳定燃烧阶段；在火灾燃烧到910 s左右时，建筑室内温度开始迅速降低，进入衰减阶段。

由于未考虑火灾前期的阴燃阶段和衰减阶段，办公建筑模拟火灾经历了火灾增长及轰燃阶段、火灾稳定阶段。火灾发生后，首先引燃木柜和沙发，火灾规模明显增大，室内温度快速上升，直到235 s时温度升高到最大值，约为1 010 ℃，与试验结果的相对误差为3.6%，轰然发生，且轰然发生时间与试验结果(470-205=265 s)的相对误差为12.8%；轰燃发生后，室内温度基本维持在980 ℃，且持续时间为478 s，与试验结果的相对误差分别为4.3%，8.6%。通过对比室内最高温度、室内稳定燃烧时温度、轰燃时间及火灾持续时间可知，该方法能有效预测办公建筑火灾的危险性。

(a)试验曲线

(b)模拟曲线

4 结论

以办公建筑为研究对象，重点分析了办公建筑内火灾荷载的分布情况，提出基于火灾荷载的火灾设计方法，并结合实际案例验证了其有效性，主要结论如下：(1)提出基于火灾荷载的火灾场景设计方法，利用统计获得的火灾荷载参数，确定火灾增长速率、火灾最大热释放速率及火灾持续时间等主要参数，进而设计火灾场景。(2)文中试验案例属于行政办公室，经统计分析可知，火灾荷载密度是479.7 MJ·kg-1，火灾增长系数为0.079 93 kW·s-2，火灾最大热释放速率为4.62 MW，火灾持续时间0.133 h。(3)利用火灾荷载设计火灾场景进行模拟，室内最高温度、室内稳定燃烧时温度、轰燃时间和火灾持续时间的预测值与试验结果的相对误差分别为3.6%，4.3%，12.8%，8.6%。基于火灾荷载的火灾场景设计方法能有效预测办公建筑火灾危险性。

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