基于FDS 高层建筑楼梯间自然排烟开窗研究

2023-01-16邓聪聪张伟男李钰大连交通大学交通运输工程学院

消防界(电子版) 2022年22期

■ 邓聪聪张伟男李钰大连交通大学交通运输工程学院

近年来，高层建筑和超高层建筑兴起，与此同时高层建筑火灾接踵而来，危害生命财产安全。高层建筑发生火灾时，在未设置消防电梯的情况下，楼梯是主要的逃生通道。当烟气不慎流入楼梯间或者火源位于楼梯间或前室时，烟气在楼梯间内顺着竖井迅速攀升，其扩散速度为3 ～4m/s[1]。据统计火灾烟气直接或间接影响85%以上的死亡，吸入有毒烟气将严重危害生命[2]。本文研究的48m 高层办公建筑属于二类公共建筑，这类建筑大多数采用自然排烟。2010 年，许兆宇[3]总结了楼梯井上下两开口布置下的开口高度对烟气扩散的影响；2015 年，陈艳波[4]用FDS 模拟了楼梯间窗户不同布置方式的排烟量，得出逐层开窗效果最佳；2018 年丁厚成、余点[5]研究楼梯间的自然排烟，得出连续两层各设置1m2的排烟窗比每5 层楼设置2m2的排烟窗效果差；2020 年，张军[6]对楼梯间做了全尺寸实验观察烟气蔓延情况，进行数值模拟，研究门窗、火源位置、功率对楼梯间排烟的影响。通过阅读相关文献发现，前人对楼梯间防排烟的研究大多针对规范的某一条文展开详细研究，本文不局限于条文规范，研究不同火源位置提出不同开窗方式组合最优方案。

一、模型的建立与设计

（一）软件选取及模型建立

本文采用火灾模拟专用软件FDS（Fire Dynamic Simulation）对楼梯间采用两个楼层开窗的布置方式的优选方案进行了数值模拟研究。以某办公楼为原型简化，该办公楼建筑高度为48m，共12 层，层高4m，净高3.8m，楼梯踏步高0.2m。该模型的建筑首层平面与三维模型示意图如图1 和图2 所示，该数值模拟模型各组成部分建筑具体尺寸见表1。

表1 某高层建筑模型各部分尺寸

图1 某建筑首层平面图

图2 某建筑三维模型示意图

（二）模拟参数和测点设置

火源位于办公室中央，火源尺寸为1m×1m，根据《建筑防烟排烟系统技术标准》[7]规定火源热释放速率定为1.5MW，火灾类别设定为t2超快速增长火，超快速火灾增长系数为0.178kw/s2，模拟时间600s。FDS 中选定网格尺寸为0.25m×0.25m×0.25m。楼梯间每层中心2m 处设1 个能见度探测器，在其左侧0.1m 处每层设1个CO 浓度探测器，在其右侧0.1m 处每层设1 个温度探测器，在x=2.45m 处设一个能见度切片。火灾危险状态判定条件：对小空间清晰度的危险临界值规定为5m[8]，人体可以在60℃的环境下短暂忍耐，超过一段时间人会出现危险[9]，用500ppm 作为判定CO 浓度危险的标准[10]，所以本文将能见度、温度、CO 浓度的标准设为2m 高度温度、CO 浓度不应大于60℃、500ppm，能见度不应小于5m。

（三）模拟工况

将火源分别放置在首层、非首层（6 层），楼梯间开窗方式分别是火源层和其他层组合，楼梯间门、前室门的开启楼层设置为着火层及其上下层，模拟工况共计11 组。（见表2）

表2 模拟工况设置

二、模拟结果与分析

（一）火源位于首层时模拟结果分析

火源位于首层时，通过能见度、温度、CO 浓度探测器测得数据，得到不同工况下的各参数变化情况。

1. 能见度变化情况分析

图3 至图5 分别是该高层建筑在工况1 到工况6 在不同楼层（1、3、6、9、12 层）间能见度的对比图。该建筑首层着火时，各工况在1、3 层能见度均迅速降低，在此不做赘述。

图3 工况1-6 第6 层能见度对比

图5 工况1-6 第12 层能见度对比

从图3 到图5 可以看出工况1 的能见度始终比其他工况高，只有在6 层的420s 后测得能见度达到临界值5m，其余楼层测得能见度均在30m 左右。

2. 温度分布情况分析

图6 是该高层建筑在工况1 到工况6 下第3 层楼梯间温度变化图。该建筑首层着火时，各工况在1 层内温度均迅速上升，各工况在6、9、12 层内温度均未超过60℃，在此不做赘述。由图6 可见，工况2 到工况6 温度均超过60℃，工况6 的温度上升速度略比其他工况快，工况1 上升较慢未超过安全临界值60℃。

图6 工况1-6 第3 层温度对比

3.CO 浓度分布情况分析

图7 至图10 分别是该高层建筑在工况1 到工况6下不同楼层间（1、3、6、9、12 层）CO 浓度的对比图。该建筑首层着火时，各工况在1 层内CO 浓度均迅速升高，在此不做赘述。

图7 工况1-6 第3 层CO 浓度对比

图8 工况1-6 第6 层CO 浓度对比

图9 工况1-6 第9 层CO 浓度对比

图10 工况1-6 第12 层CO 浓度对比

结合图7 到图10 可以看出，工况1 的CO 浓度始终比其他工况低，在3、6 层的180s、420s 后测得CO 浓度达到临界值500ppm，其余楼层测得CO 浓度均小于500ppm。

由于烟气具有烟囱效应，楼梯间开窗的楼层数越高，能见度下降越迅速，CO 浓度、温度上升越快，烟囱效应越强烈，所以火源位于首层时，楼梯间开窗设置在火源层及其上一层有利于烟气的排出。

（二）火源位于非首层时模拟结果分析

火灾发生在首层时，危害最大。火源发生在非首层时，由于烟囱效应和热浮力的共同作用，使得烟气温度、CO 浓度、能见度顺着火源层楼梯间向上流动，所以非首层发生火灾时殃及火源层及以上楼层，相对较少。本节研究非首层火源，以中层（6 层）为例，在x=2.45m处设置一个能见度切片，观察分析不同工况在600s 时的能见度变化情况。

图11 为工况7 到工况11 楼梯间在Y-Z 面上600s时的能见度分布等值线图，因为火源位于中层，烟气未向火源下层蔓延，所以图11 仅展示了6 层及以上楼层（即20m ～48m）的烟气蔓延情况。工况7、8、9 分别是楼梯间1、6，3、6，5、6 开窗，工况10、11 是楼梯间6、10，6、12 开窗，由图11 明显看出工况7、8、9 在40m 以上的能见度优于工况10、11，即中层着火时，火源层及其下层组合的楼梯间开窗方式优于火源层及其上层组合的开窗方式。从图中可以看出11 层楼梯上半部分（45m 左右）的能见度情况：工况9 略优于工况7 和工况8，总体来说工况9 优于工况7、8、10、11，即高层建筑非首层着火时楼梯间开窗方式为火源层及其下一层。

图11 不同工况下楼梯间能见度分布情况对比

三、开窗实现方式

将楼梯间的窗户与消防控制室联动控制，有火情发生时，火灾探测器动作并能在消防控制室的火灾报警控制器上显示火情所在楼层及防火分区，即可对应所在防火分区的楼梯间。在确定火情所在楼层及防火分区之后按上文总结的规律选取楼梯间的窗户，实现在消防控制室自动开启，开启方法见文献[11]，以达到火灾初期及时开窗排烟的目的。