基于FDS的中庭式教学楼火灾数值模拟

杨 倩 杨瑞霞讲师 徐小峰

(1.广西大学 资源环境与材料学院，广西 南宁 530000；2.中南大学 防灾科学与安全技术研究所，湖南 长沙 410075；3.广西大学 公共管理学院，广西 南宁 530000)

0 引言

中庭式结构是指建筑物内部存在贯穿连续好几层的垂直大空间，由于其设计的巧妙美观，被许多高校教学楼所采用[1]，但同时也带来一定的消防安全问题。教学楼内可燃物丰富，火灾载荷大，人员密集，流动性强，当中庭式建筑物内发生火灾，中庭空间火灾烟气比一般建筑蔓延迅速，不断涌入邻近走廊房间，扩大火势范围，压缩安全疏散时间，严重威胁建筑内人员生命安全[2]。因此研究火灾烟气在中庭式教学楼里的蔓延规律具有重要现实意义。

为有效防火灭火，事前对建筑物进行客观评价，提前了解火灾危险性是十分有必要的[3]。由于火灾全尺寸实验既耗费财力和人力，实验结果波动性又极大，因此国内外学者从20世纪60年代开始对火灾数值模拟进行一系列研究，相继出现有效安全疏散时间计算程序、多室火灾与烟气蔓延程序和场模拟程序(Fire Dynamics Simulator，FDS)等[4]。如Codescu等[5]研究人员利用Pyrosim软件对一次汽车电气故障事故的物理模型进行仿真，考虑电气故障引起的火灾，得到隧道内温度和烟气随时间的变化规律；刘丹[6]运用Pyrosim软件，研究出中庭式商业体建筑火灾烟气控制的优化方案；张耀伟等[7]以大型综合购物广场中庭为实例，研究中庭内温度、能见度和CO2体积分数等参数的变化规律；龙新峰[8]和肖国清[9]等人分别利用FDS对宿舍楼和加油站进行火灾数值模拟，得出宿舍楼火灾危险参数和加油站火灾最佳疏散路径。因此FDS火灾数值模拟成为预测火灾发展的常用工具。

本文以高校中庭式教学楼为研究对象，以火灾动力学、燃烧基础理论、烟气排放蔓延规律和中庭建筑结构的特点为基础，通过FDS火灾数值模拟实验，了解中庭式教学楼火灾烟气蔓延运动的规律，确定火灾发展过程中影响烟气的因素，掌握不同工况下火灾发展过程，为高校中庭式教学楼的火灾消防管理提供有效可行的建议。

1 设计场景和建立模型

1.1 设计场景

火灾场景是基于对火灾的认识，模拟火灾从发生到全面发展阶段的实际情况，再定量分析火灾过程中烟气的流动及蔓延[10]。火灾发展的过程、火灾危险性和烟气蔓延都取决于火灾场景的设置，一般依据最不利原则，综合考虑最有可能发生火灾和火灾危险性最大的情况，设置相对应的火灾场景，主要确定火源种类、火源位置、火灾荷载和火灾热释放速率曲线，火源参数设定得越准确，模拟实验结果就会越合理。

1.1.1 火源参数

中庭式教学楼可能存在的可燃物主要是木制桌椅、大功率电器和遮光窗帘等。对于火源的火灾模型，稳态火灾模型中热释放速率往往固定不变[11]，不能体现真实火灾发展的过程，因此选取随时间变化的t2火灾模型，重点研究火灾初期增长阶段和全面发展阶段[12]。中庭式教学楼一层是人员安全疏散和火灾逃生的必经之地[13]，依据最不利原则，不靠墙角的火源位置属于轴对称型烟羽流，比墙角的角型烟羽流的产烟量大很多，导致环境的温度更高，危险来临更快[14]，因此选择具有典型代表的一层监控保卫室靠门位置和中庭旁边电梯前的走廊居中位置作为火源位置。采用调查评估法，中庭式教学楼火灾载荷密度q取值为300MJ/m2[15]。由上海市地方标准《民用建筑防排烟技术规程》(DGJ 08-88-2015)的规定，无喷淋的中庭建筑最大热释放速率应设置为4MW[16]。

1.1.2 场景汇总

火灾具有随机不确定性，建筑内任何一个位置都有可能引发火灾，火灾场景不可能包含所有情况，本文选取的4种火灾场景代表了最有可能发生和火灾危险性最大的场景。考虑到火灾的发展和人员的安全疏散，再预留一定的安全缓冲时间，数值模拟实验时间设定为700s。具体的火灾场景，见表1。场景中设置教学楼内相对压力为0Pa，平均温度为20℃，教学楼中含有3个开放式中庭，风速默认为0m/s。

表1 火灾场景汇总表

1.2 建立模型

以某高校中庭式教学楼为研究实例。该教学楼于2016年2月建成并投入使用，是承担主要教学活动的中庭式建筑，总建筑面积37 612.99m2，长86m，宽41.5m，建筑总高度约23m，包括地上部分和地下部分。地上部分有6层，每层均为多室复杂结构，存在3个中庭，总共263个房间(260间普通教室、1间教学展览厅、1间监控控制室及1间试卷管理室)，其中260间普通教室中有172间用于教学、座位有15 000个的教室，48间卫生间，20间饮水间，20间休息室；地下部分包括下沉广场和地下停车库，下沉广场东西端分布2间300座大型会议室和9间教室，设置单独疏散出口通道，模拟实验不考虑地下部分。中庭式教学楼采取自然通风排烟，并在教室内安装自动报警系统，主要疏散路段还配备灭火器和消防栓。

1.2.1 划分网格

参考FDS指导手册和相关文献[17]，得到火源特征直径计算公式：

(1)

式中：

D*—火源特征直径，m；

Q—火源热释放速率，kW；

ρ0—环境空气密度，kg/m3；

c0—空气定压比热，kJ/(kg·K)；

T0—环境空气温度，K；

g—重力加速度，m/s2。

本文研究的火灾场景中设定的热释放速率为4MW，计算得到火源特征直径D*=1.67m。充分考虑计算机运行能力和模拟结果准确性后，国内外研究学者普遍认为模型网格大小的合理取值区间为0.062 5D*～0.25D*[18]。因此，在模型区域的3个坐标轴内确定网格，3个方向区域为96m×59m×31m，网格大小设定为0.5m×0.5m×0.5m，网格总数为192×118×62=1 404 672个，每模拟运行一次大概需要144 000s。

1.2.2 模型构建

根据教学楼一层的平面图(如图1)，利用FDS软件构建1∶1几何模型，如图2。教学楼墙体采用混凝土结构，属于不燃性材料，内部主要可燃物有木制桌椅、窗帘、塑料、装修材料和部分可燃电器。因此，模型墙体材料采用混凝土，建筑内部可燃物设置为聚氨酯纤维(Polyurethane)和黄松(Yellow Pine)。内墙和外墙体厚度设置为0.2m，颜色为棕褐色；建筑楼板厚度均设置为0.2m，颜色为灰色。中庭式教学楼建筑简化为矩形模型，每层楼的门窗都做了穿透体，厚度为0.3m。

图1 平面图及测点组布置情况图

图2 3D模型图

为具体分析中庭式教学楼火灾发展和烟气蔓延规律，数值模拟试验主要针对温度、能见度和CO2体积分数进行测试。如图1所示为教学楼一层各测点组的布置情况，测点组基本布置在出入口处和上下楼梯间处。图1中每一个数字代表一组测点所在位置，一组测点包括测量温度的热电偶测点、测量能见度的气相监测设备测点、测量CO2体积分数的气相监测设备测点和测量烟气层高度的层分区设备测点共4种类型。教学楼一层有32个测点组位置，其余层每层有8个测点组位置，整栋楼一共有72个测点组位置。

2 火灾危险状态评价指标

对大量的火灾事故案例和事故后的统计数据进行分析研究，火灾致人死亡的主要因素是烟气导致的中毒和窒息[19]。烟气具有遮光性、毒害性、高温危害性等，本文主要考虑其能见度、温度和CO2体积分数对人员安全疏散的影响，以这3个参数作为判定到达火灾危险状态的依据。

参考相关实验数据和研究文献[20]，并根据我国《建筑设计防火规范(2018年版)》(GB 50016-2014)的相关要求，选取距离地面或楼面2m作为各参数测量的临界高度，规定火灾危险状态评判标准为：距离楼面2m处能见度低于10m；距离楼面2m处温度大于60℃；距离楼面2m处CO2体积分数超过0.3%。

设能见度、温度和CO2体积分数达到危险状态所需时间为T1、T2和T3，其中T1、T2和T3的最小值就是火灾场景达到危险状态所需时间，也就是人员可用疏散时间，如式(2)。

T=min{T1，T2，T3}

(2)

3 模拟结果分析

3.1 烟气蔓延情况

图3为建筑在175s和700s时的烟气蔓延情况，展示各火灾场景下火灾烟气的填充过程。对比走廊火源位置Case1和保卫室火源位置Case2发现，当起火处位于走廊时，火灾烟气沿各走廊蔓延得更快，扩散范围也越广，700s时Case1产生烟气明显多于Case2，遍布建筑一层；当自然排烟口(建筑内门窗)全部关闭时，烟气优先在走廊蔓延，不进入教室，教室受烟气影响较小，因此扩散速度较快；不同火源功率的Case1和Case4，烟气蔓延途径基本一致，但火源功率越大，火势也越大，700s时一层各出口均有烟气排出，笼罩整栋教学楼。

图3 建筑烟气蔓延情况

3.2 温度

随着火灾的发展，火源位置附近的出口处和楼梯间温度逐渐上升并向四周传递热量，由于起火处对室内温度起决定作用，走廊火源位置中1、6出口处测点组和3、10楼梯间测点组，保卫室火源位置中23出口处测点组和20楼梯间测点组变化尤为明显。各火灾场景测点组温度对比图，如图4。相同火源位置中自然排烟口关闭的Case3温度最高，出口处测点组1最高温度达到73℃；不同火源功率火灾场景中，最大热释放速率越大，到达的时间越长，因此，Case4在初期阶段温度增长较缓慢，一旦达到最大热释放速率，就会超过火源功率低的火灾场景；相比于走廊火源位置，保卫室火源位置测点组温度的变化较小，且最高温度都没有超过危险临界温度。

图4 一层不同测点各火灾场景温度对比图

3.3 能见度

火灾产生的烟气随时间聚集，能见度随之减小，视线受阻，难以确定火灾发展状况、起火部位以及疏散通道路线，人员安全疏散将会受到严重影响。各火灾场景下出口处和楼梯间测点能见度变化情况，如图5。其中Case1楼梯间测点和Case4楼梯间测点800秒后仍有波动，模拟时间延长至1200s。当t=700s时，场景中能见度低于危险临界值10m的有Case1的8个出口和6个楼梯间、Case2的5个出口和4个楼梯间、Case3的8个出口和8个楼梯间、Case4的7个出口和6个楼梯间，由此发现走廊火源对一层能见度的影响大于保卫室火源；当自然排烟口全部关闭时，所有出口和楼梯间能见度基本低于10m，此时大火已经封堵楼梯间和出口，逃生成功率低于自然排烟口全部开启的状态；不同火源功率火灾场景对能见度的影响不大，700s时到达危险临界值的出口与楼梯间基本一致，Case4出口处能见度下降较为缓慢，仍有一个出口有逃生的可能。

图5 各火灾场景一层测点组能见度对比图

3.4 CO2体积分数

虽然CO2气体毒性较低，但当其体积分数过高时，人会头晕目眩，意识逐渐模糊，呼吸开始急促，严重可至休克死亡，火灾过程中不能忽视其危害。在上述4个火灾场景中，一层出口处和楼梯间CO2气体体积分数小幅度增长。各火灾场景中各参数达到危险状态的时间，见表3。模拟时间700s内只有Case2和Case3达到危险临界值，威胁人员的安全疏散。从Case2和Case3 CO2体积分数对比图(如图6)，可以发现火源在监控室时，只有23和20测点组变化显著，体积分数最高可达0.53%，远远超过临界值；当自然排烟口全部关闭时，各测点CO2体积分数变化幅度较大，尤其是出口处测点1、30和32均已超过临界值，但增长到达的时间长于Case2。

表3 各火灾场景中各参数达到危险状态的时间

图6 Case2和Case3一层测点组CO2体积分数对比图

4 结论

通过对中庭式教学楼4种火灾场景数值模拟结果的分析，得到以下结论：

(1)一层出口处或楼梯间温度到达危险状态的最短时间是172s；能见度低于10m的最短时间是44.2s；CO2体积分数大于0.3%的最短时间210s。因此，在中庭式教学楼小范围火灾中，最先达到危险状态的因素是能见度。在44.2s时，若人员还未安全撤离建筑，随着温度上升，CO2体积分数增加，人体将受到严重伤害。

(2)对比分析发现，走廊火源位置的火灾危险性大于保卫室火源位置，烟气蔓延更快，能见度下降迅速，走廊火源位置(Case1)到达危险状态的时间要早于保卫室火源位置(Case2)；自然排烟口全部关闭时，烟气优先在走廊出口处扩散，温度较高，700s时一层所有出口和楼梯间能见度均低于危险临界值，到达危险状态的时间低于自然排烟口开启状况下的时间；5MW火灾场景下初期阶段各参数变化较缓慢，一旦达到最大热释放速率，就会逐步超过火源功率低的火灾场景。

(3)通过对比各火灾场景中庭式教学楼层危险临界时间T的大小，发现一层走廊火源位置下的火灾场景(Case1、Case4)综合危险临界时间T最小，其次是自然排烟口全部关闭的火灾场景(Case3)和一层保卫室火源位置的火灾场景(Case2)。因此，在火源位置、火源功率和自然排烟口状态3个变量中，对该中庭式教学楼火灾影响最大的是火源位置。