高层建筑凹型结构外立面火灾竖向蔓延规律数值模拟

吕辰， 夏新兴， 潘锴， 罗分

(1.中国计量大学质量与安全工程学院， 杭州 310018； 2.安徽理工大学安全科学与工程学院， 淮南 232001)

随着城镇化的不断发展，各类高层建筑如雨后春笋般拔地而起，同时也给城市带来了较高的建筑火灾风险。据中国消防统计2018年、2019年高层建筑火灾分别为6 306起次和6 974起次，仅一年就增长了10.6%[1]，并且高层建筑一旦发生火灾，其火势蔓延速度之快，救援难度之大，也给日常城市建筑火灾风险防控带来了新的难题。尤其是近年来常采用的凹型外立面墙体结构设计，一旦在凹型结构体内发生火灾事故，很容易引发火灾烟气流烟囱效应，使高温火灾热烟气沿凹型外立面快速上升，并透过墙面上的窗户缝隙和各种孔洞向高层建筑物内渗入，室外冷空气则因密度大，由低层卷吸进入凹立面补充，从而促进火势加速向上蔓延。如2019年河南开封“3·14”以及2021年大连市“1·14”高层住宅楼火灾事故都呈现出这一特性，火灾在凹立面外墙结构影响下，在短短的2 min时间内快速向上蔓延十几层到达建筑顶层，使消防救援基本无法实现对火灾的有效控制。

近期国内外学者就高层建筑外立面火灾蔓延规律进行了大量研究，对影响火灾蔓延的各影响因素进行了分析。例如，张玉涛等[2]借助FDS(fire dynamics simulator)数值模拟对凹型结构建筑外立面挤塑聚苯乙烯(XPS)外墙保温材料的火灾蔓延特性进行了探究；黄新杰等[3]通过自主搭建的小尺寸火蔓延的实验平台，研究了凹型结构中保温材料聚苯乙烯泡沫(EPS)垂直向上和向下蔓延特性；笪良军等[4]、陈应周[5]和丁超等[6]研究了EPS、XPS和硬 聚氨酯(PU)等典型建筑外墙保温材料的燃烧性能及火灾蔓延行为；侯亚楠[7]研究了外墙保温材料在防火隔墙条件下溢流火的火灾蔓延特性；Bakhtiyari等[8]分析了材料厚度和密度对外墙保温材料火灾特性的影响；卿伟健等[9]为探究多窗口溢流火现象及机理，基于FDS建立两种建筑模型，研究表明双窗口溢流火对上层建筑立面墙的危险性远大于单窗口溢流火；汪华兵[10]建立20层全尺寸办公建筑三维全尺寸模型，探究了不同窗户面积、窗户位置对建筑外立面竖向火蔓延的影响；王宇等[11]研究了室内外温差对不同外立面超高层建筑窗口羽流火焰的影响以及火焰温度的变化规律。李晓恋[12]重点关注了正压送风位置及送风量对高层建筑竖井烟气控制效果影响；尹晨晨等[13]、潘晓菲等[14]、雷晶晶等[15]利用数值模拟的方法研究得到了不同风速下建筑外立面窗羽流温度及速度矢量分布；张孝春等[16]对倾斜外立面火溢流沿程温度分布特性进行了研究，从而研究建立了适用于倾斜外立面火溢流沿程温度分布的预测公式。综上所述，关于外立面各影响因素对火灾蔓延规律的影响目前已开展了大量研究工作，而结构本身对火灾蔓延规律的影响还研究尚少。

因此，现运用FDS数值模拟方法，对凹型外立面建筑结构特征对火灾蔓延规律的影响进行研究。通过对比分析不同凹型外立面结构因子对火场温度、火焰前锋蔓延速率的影响，为凹型结构外立面建筑结构消防安全优化设计提供科学依据。

1 凹型结构外立面火灾场景设置

1.1 物理模型建立

研究对象选取中国东部地区某综合办公楼，该建筑主体部分长48 m，宽18 m，高29 m，共计7层，如图1所示。在建筑物正面共有两处竖直高度为25 m的凹型外立面结构，凹型结构内部背墙宽度为1.4 m，进深为0.7 m。

图1 建筑物正面视图Fig.1 Front view of the building

1.2 火灾场景及模拟参数设置

模拟环境参数选取为常温20 ℃，大气压力1.01 325×105Pa，重力加速度为9.8 m/s2。火源点设置在凹型建筑外立面中心线0.3 m高度处距离背墙0.01 m位置，模拟停放的电动车自燃引发的火灾事故情景。

火灾发展过程中火源对外界的热释放功率计算公式为

Q=αt2

(1)

式(1)中：t为模拟时间，s；α为火灾增长系数，kW/s2。采用t2火灾增长超快速火模型，考虑停放在楼层底部的电动车自燃事故情景，设置火灾热释放功率为1 MW，火灾增长系数α=0.187 kW/s2。

依据复杂的火灾烟羽动力学特点，采用大涡模拟(large eddy simulation，LES)算法模拟火灾蔓延发展过程，模拟时间设定为120 s。

网格是数值模拟运算的最小单元，网格尺寸参数的合理选取将对计算的准确度产生一定的影响。在综合考虑火羽流的发展状态和计算机实际运算能力的基础上，判断准则合理确定网格尺寸大小[17-18],依据为

D*/δx∈[8,10]

(2)

(3)

式(2)中：D*为火源特征尺寸；δx为火源所在网格单元尺寸；Q为火源释放速率，kW；ρ∞为环境温度下气体密度，取值1.2 kg/m3；Cp为空气的定压比热容，取值1.02 kJ/(kg·K)；T∞为环境温度，K；g为重力加速度，m/s2。

将已知设定参数代入式(2)和式(3)计算可知，δx取值范围为0.095～0.119，因此，本物理模型设定网格单元尺寸取定为0.1 m×0.1 m×0.1 m。

2 凹型外立面火灾蔓延规律研究

XPS外墙保温材料物理特性参数如表1所示，其在火焰加热的情况下，一般需经历以下材料物理性状变化过程：升温、熔融、分解、升华、达到燃点后着火燃烧。虽然此变化过程会伴有热量的吸收，但考虑到吸收的热量相对较小且难以量化表征，故在模拟计算过程中暂不对其进行考虑。

表1 XPS外墙保温材料物理特性参数Table 1 Physical characteristics parameters of XPS exterior wall insulation materials

2.1 建筑凹型外立面火场温度变化特征

在不同外立面结构工况条件下，凹型外立面离地面不同高度，不同时间测点温度值计算结果如表2所示。由表2数据分析可知，外立面保温材料初始阶段升温速率较慢，当达到某一临界温度后开始迅速上升发生燃烧，最后燃烧温度趋于稳定，如离地面5 m处在20 s左右温度开始上升，在随后的10 s内，温度上升至622.02 ℃，平均升温速率达62.2 ℃/s，50 s后火灾燃烧温度渐趋于稳定达900 ℃。但是，不同离地高度最终达到的火焰燃烧温度不同，整体而言，高度越高最终稳定燃烧温度值也越高。因为，当离地高度越高时，越接近大楼顶部，导致火焰向上蔓延速率减缓，低层火焰燃烧产生的大量高温烟气通过热对流、传导、辐射等形式在高层产生聚积，从而造成高层稳定燃烧温度值较高。

表2 凹型外立面各测点处温度随楼层高度变化情况Table 2 Temperature change with floor height at each measuring point of concave façade

对于平面外立面结构墙体而言，相同测点火焰燃烧温度与凹型外立面结构相比存在较大的差异，如图2所示。在离地面5 m以下时，两者火焰燃烧温度上升趋势基本相同，但随着离地面高度升高，由于凹型外立面墙体受烟囱效应作用影响，其火焰竖向蔓延速率与平面外立面相比增加，并且高度越高烟囱效应作用效果越显著，温度差异越大。

图2 不同高度处不同外立面形式温度变化曲线Fig.2 Temperature change curves of different façade forms at different heights

2.2 建筑凹型外立面火焰前锋变化特征

当电动车自燃导致外立面墙体保温材料发生燃烧时，燃烧火焰沿墙体不断向上发生竖向蔓延，为描述外立面火焰竖向传播变化特性，采用火焰前锋随时间传播速率变化曲线进行分析。经数值模拟和数学拟合计算得到了不同外立面条件下火焰前锋随时间传播速率变化曲线，如图3所示。根据图分析可知：两种类型的外立面火焰前锋高度发展随时间变化规律大体均呈指数函数变化关系，外墙保温材料火焰前锋高度随时间推移先缓慢增加后快速上升，高度越高，火焰前锋蔓延速率越大。同时应注意到凹型外立面火焰前锋上升速率明显大于平面外立面，火灾蔓延至27 m高度时，平面外立面需耗时40 s，而凹型外立面仅需26 s，火灾蔓延速率从1.9 m/s增大到16.7 m/s，增长幅度达779%。因此可知，外立面结构的变化对火焰传播存在较大影响。

图3 火焰前锋随时间变化情况Fig.3 Flame strikers change over time

3 凹型外立面消防安全优化设计

上述研究表明，凹型外立面建筑结构形式在火灾发生时，易导致烟囱效应，加速火灾竖向蔓延速度，对高层建筑消防救援产生极其不利的影响。为此，现从缓解烟囱效应的角度出发，提出通过改变外立面结构因子和增设防火挑檐的技术措施，减缓凹型外立面火灾竖向蔓延速率，为消防救援争取宝贵时间。

3.1 结构因子对火灾蔓延影响

a为凹型外立面宽度，b为凹形外立面进深图4 外立面结构因子Fig.4 Façade structural factor

由表3数据分析可知，当∂≠0时，此时受烟囱效应作用，燃烧火焰沿竖向蔓延速度明显增快。随结构因子∂不断增大，火焰前锋到达各高度时间大体上呈现先减小后增大的趋势，当∂=0.5时，火焰前锋竖向蔓延速率达到最大；当∂>0.5时，随着凹型外立面进深加大，因侧向卷吸新鲜空气作用困难，助燃氧气不能得到及时补充，对火焰沿竖向蔓延将产生一定减缓作用影响。

表3 不同结构因子外立面火焰前锋到达各高度时间Table 3 Time for different structural factors for the flame strikers to reach each altitude

3.2 防火挑檐对火灾蔓延影响

依据《建筑设计防火规范》(GB 5016—2014)及上述研究结果，提出设置突出外墙0.6 m，距离楼层窗口下檐0.1 m的防火挑檐设计，如图5所示。对凹型外立面无防火挑檐和有防火挑檐两种工况条件下，外立面温度分布及火灾竖向蔓延规律进行计算分析，计算结果如表4所示。由计算结果可知，在未设置防火挑檐情况下，火灾竖向蔓延速率较快，在27 s多时燃烧火焰便已蔓延至楼层顶部28 m；在设置防火挑檐的情况下，火灾竖向蔓延速率大幅度降低，在接近30 s时燃烧火焰只达到7.54 m，有效阻止火势向高处相邻住户蔓延。因为防火挑檐的设置，一方面有效削弱烟囱效应的形成；另一方面起到了很好的阻火隔热作用。

图5 防火挑檐示意图Fig.5 Schematic diagram of fireproof eaves

表4 不同挑檐工况下外立面火焰前锋到达各高度时间Table 4 The time when the flame strikers on the facade reach each height under different eaves conditions

4 结论

(1)凹型外立面火灾竖向蔓延速率较平面外立面显著增加，建筑高度越高烟囱效应作用效果越显著，火焰竖向蔓延速率越快，且火焰前锋高度随时间变化规律大体符合指数函数变化关系。

(2)凹型外立面结构因子改变对火灾竖向蔓延规律会产生一定影响，当∂=0.5时，火灾前锋竖向蔓延速率达到最大；当∂>0.5，随着凹型外立面进深加大，因侧向卷吸作用困难，助燃氧气得不到及时补充，对火焰沿竖向蔓延产生一定减缓作用影响。

(3)在设置防火挑檐的情况下，火灾竖向蔓延速率大幅度降低，在接近30 s时燃烧火焰只达到7.54 m，防火挑檐的设置一方面可以有效削弱烟囱效应的形成，另一方面可以起到很好的阻火隔热作用，可有效阻止火势沿凹型外立面向高处相邻住户蔓延。

本文在工况条件设置时未考虑外界风速变化对火灾竖向蔓延规律的影响，下一步将对此做更进一步深入研究。