基于FDS高层建筑火灾烟囱效应模拟分析

邓军　许秦坤

摘要：本文首先对高层建筑火灾烟气蔓延的过程和烟囱效应进行分析;其次以某酒店为研究对象建立火灾模型，利用FDS仿真模拟软件分别对6MW和15MW两个不同火源功率对烟气蔓延速度的影响进行分析;然后再对火源功率为6MW时不同开口对烟气蔓延速度影响进行研究。结果表明：不同火源功率下，烟气到达顶层的时间不同，火源功率越大，烟气到达顶层短时间越短;火源功率越大，顶层到达临界温度的时间越短;不同开口下烟气到达顶层的时间也不同等。相关结论为高层建筑火灾的烟气控制、人员逃生提供一定的工程参考价值。

关键词：火灾;高层建筑;烟囱效应;FDS;火源功率;蔓延速度

随着社会的发展，越来越多的城市为了节约土地占用量也为了体现经济的繁荣，越来越多的高层建筑拔地而起，随之而来的是高层建筑的火灾也越来越多的出现在我们面前。例如，2017年12月1日，天津城市大厦火灾，死伤10人以上（死亡10人，伤5人），事故直接原因是堆放在电梯间内的杂物和废弃装修材料燃烧，起火点是城市大厦38层电梯间。高层建筑出于减轻建筑物自重的考虑，所用的高分子易燃装饰装修材料使建筑整体的耐火能力大大降低，加之高层建筑内人员密集，用火用电增加了火灾荷载，这些都为高层建筑防火埋下隐患[1]，当发生火灾后，火势蔓延很快，很难控制，因此在高层建筑发生火灾后，如何疏散人员以及减少相应的损失是急待我们解决的问题。高层建筑发生火灾，烟气是阻碍人们逃生、进行灭火行动和导致人员死亡的主要原因之一。统计资料表明，火灾中死亡的人数大约80%是吸入有毒烟气而致死的[2]。因此，研究高层建筑的烟气流动规律对于高层建筑火灾的控制有很大的意义，也给人员逃生争取更多的时间。人员逃生时间包括从火灾发生到发现时间、决策时间、正式开始逃生时间。破拆门窗目的是及时排走通道内的烟气，减缓临界态（临界温度）的到来[3]，为人员逃生争取更多时间。

当发生火灾时，随着室内空气温度的急剧升高，气体体积迅速增大，烟囱效应更加明显，此时，像楼梯间这种竖井是火灾垂直蔓延的主要途径，并且还会助长火势。烟囱效应的影响因素有：环境温度、高度、竖向通道断面面积、火源、开口等方面，本文重点放在火源和开口上面。

1高层建筑火灾的烟气流动特点

1.1烟气的产生

在高层建筑的火灾烟气流动规律中，烟囱效应是很大的一个影响因素。在有共享中庭、竖向通风（排烟）风道、楼梯间等具有类似烟囱特征--即从底部到顶部具有通畅的流通空间的建筑物、构筑物（如水塔）中，空气（包括烟气）靠密度差的作用，沿着通道很快进行扩散或排出建筑物的现象，即为烟囱效应[4]。此处的烟囱效应是指发生火灾时，主要是由建筑易燃材料和内部易燃设备引起的。高层建筑一旦发生火灾，就会点燃使这些易燃的建筑材料和内部设备，然后火灾就会沿着竖向管道延伸，然后快速向电梯井、楼梯间等区域大面积延伸[5]。

由于高层建筑物内杂物、起火点、可燃建筑材料都比较多，因此，建筑物一旦发生火灾，就有大量的烟气产生，烟气在建筑物内流动，导致火灾迅速蔓延。据调查研究表明[6]，发生火灾时，烟气以每秒2m-4m的速度进行蔓延。在火灾燃烧猛烈阶段，由于高温的作用，热对流而产生的烟气扩散速度为0.5-3m/s，烟气沿楼梯间等竖向管井的垂直扩散速度为3-4m/s[7]。火灾烟气是一种燃烧过程中产生的混合物，主要包括C02、CO等可燃物热解或燃烧产生的气相产物、由于卷吸而进入的空气以及多种微小的固体颗粒和液滴。可燃物的组成和化学性质以及燃烧条件对烟气的产生均具有重要的影响。建筑物中大量建筑材料、家具、衣服、纸张等可燃物，火灾时受热分解，然后与空气中的氧气发生氧化反应，燃烧并产生各种生成物。其中的有毒有害物质会降低空气中的氧浓度，妨碍人们的呼吸，造成人员逃生能力的下降，也可能直接造成人体缺氧致死[8]。因此，有必要研究烟气的流动规律，为高层建筑的人员疏散和火灾控制提供有效参考。

1.2烟气蔓延的过程

当室外温度小于竖井内温度时，室外空气从中性面[9]，以下开口进入竖井，从中性面以上的开口流出。如果着火层在中性面以下时，烟气就会通过竖井传播到中性面以上各层，而中性面以下则只有着火层是有烟气的;如果着火层在中性面以上时，若无楼层之间的渗透，则只有着火层是有烟的。由于火灾烟气温度相对较高，一般不存在建筑通风中存在的逆烟囱效应[10]。

高层建筑物在建筑结构上的显著特点是具有很多竖向管道和豎井，这些竖向管道和竖井上下都是贯通的，这些都像是隐藏的烟囱.火灾发生时所生成的烟气的流动过程完全受到热压的作用，然而在一般情况之下，正热压作用为多.所以，在高层建筑物中层以下的任何一个楼层发生火灾的时候，所产生的烟气将先从着火房间流到着火层走廊再侵入附近的楼梯间烟气随后将上升并进人上部各楼层.因此，火灾发生时，烟气的流动可分为水平流动和竖直流动。并且在火灾发生时，由于燃烧放出大量热量，室内温度快速升高，建筑物的烟囱效应更加显著，使火灾的蔓延更加迅速[11]。

2数值模拟

2.1火源设计

为了研究不同火源功率对高层建筑烟气蔓延速度的影响，选取火源功率为6MW和15MW的火源功率进行对比研究。

2.2模型建立

以某酒店为研究对象，选取防烟楼梯间高48米，楼梯间层3.4*7.2*3.6（长*宽*高），合用前室4.7*2.5（长*宽），台阶1.44*0.28*0.15（长*宽*高），防火门1.5*2.1（宽*高），火源2*1.5m2。酒店正面图与平面图如图1，图2所示。

2.3场景模拟

分别设计在6MW和15MW时的初始状态和在80s时打开门后烟气到达顶层的时间和状态，然后利用FDS进行场景的模拟。下图是模拟的场景图：

根据模型模拟数据，在火源功率为6MW时，第80s的时候打开门，在100s的时候烟气到达最顶层。在火源功率为15MW时，无开门的情况下，烟气在70s的时候到达最顶层。

3结果分析

3.1在不同火源功率下，烟气到达顶层的时间

分别研究火源功率为6MW和15MW的时候，烟气到达顶层时所用的时间，在6MW的时候是95.8s，在15MW的时是56.4s。可以得知6MW烟气到达顶层的时间比15MW所用的时间晚39.4s。

图5火源功率为6MW时，烟气到达顶层的时间

图6火源功率为15MW时，烟气到达顶层的时间

3.2在不同火源功率下，顶层温度随时间的变化

以50℃为临界温度，高于此临界温度人将无法正常居住。图7显示在6MW的时候楼道的温度达到临界温度的时间是107s，而图8显示，在15MW的时候，楼道达到临界温度的时间为74s。可以得知火源功率为15MW时顶层达到临界温度的时间比6MW所用的时间早33s。

3.3不同开口对顶层烟气层厚度的影响（6MW）

在确定火源功率为6MW的情况下，同时打开2楼和8楼的门和只打开4楼的门，研究烟气到达顶层的时间，当烟气厚度相同时，记录下此时对应的时间，再比较其二者的时间。具体如图9，图10所示。

从图中可以看出，打开2楼和8楼的门，烟气在95.8s时到达顶层。而只打开4楼的门时，烟气在87.2s到达顶层。同时打开2楼和8楼的门比只打开4楼的门烟气会迟8.6秒到达顶层。人可以充分利用8.6秒的时间进行逃生。

4结论

本文就火源功率和开口对烟囱效应的影响展开分析，得出以下结论：在开口不变的状况下，火源功率越大，留给高层建筑高楼层人员逃生时间越短，达到相同烟层厚度的时间差为39.4s和临界温度到达的时间差为33s;在火源功率不变的情况下，开口越大越多，留给高层建筑高楼层人员逃生时间越长，从烟层厚度和临界温度到达的时间差为8.6s。

参考文献：

[1]孙小明.关于高层建筑消防设计的思考[J].消防界（电子版），2018：73.

[2]吴金狮.高层建筑中发生火灾时烟气的危害及控制[J].机械开发管理，2007，4：99-101.

[3]卫文彬，刘松涛，刘文利.高层建筑典型房间及共享空间火灾温度场分布规律[J].河南科技大学学报：自然科学版，2015，36（5）：68-69.

[4]王珊，张鹏.谈建筑设计之防火分隔封堵与烟囱效应[J].城市建设，2010（9）：332-333.

[5]胡一念.浅谈高层防火設计存在问题及解决措施.建材与装饰，2016，（44）：94-95.

[6]袁晓东.高层建筑防火设计问题分析与管理对策[J].消防界（电子版），2017，11：113.

[7]齐鹏.高层建筑的火灾特性与防控对策研究[J].科技创新导报，2009，（34）：48.

[8]]汪侃.高层建筑火灾烟气蔓延规律及控制措施的研究.沈阳建筑大学，2011.12：11.

[9]许晓元.高层建筑竖向通道中性面位置研究[D].安徽：中国科学技术大学，2011：5.

[10]张建荣.高层建筑竖井内烟气流动特性及控制方法[J].土木建筑与环境工程，2012，34：128-130.

[11]王四清，吴洪.浅谈高层建筑防排烟[J].消防科学与技术，2004，23（6）：537.