某训练馆防火玻璃隔热性能数值模拟研究

莫海浩，袁誉荧，冯方镭，吴倩，罗盛，李宇基

（1.南宁市建设工程消防服务中心，广西 南宁 530029；2.南宁市勘测设计院集团有限公司，广西 南宁 530022）

1 前言

随着我国城市建设的高速发展，各类高层、超高层建筑大量涌现。现代建筑为满足美观和采光的要求，通常在建筑外墙或者内部采用玻璃幕墙或窗户进行分隔。然而，玻璃幕墙和窗户是高层建筑内外交互立体火灾蔓延的重要途经。由于玻璃的高温力学性能相对较弱，在火灾中容易破裂乃至脱落，形成新的通风口，进而影响火灾的燃烧类型和火灾蔓延趋势，严重威胁人们的安全。同时从全国报道的建筑火灾事故来看，高层建筑火灾火势扩大，大多是由于建筑外墙未应用防火玻璃而导致的。因此，研究防火玻璃的耐火性能有助于阻止高层建筑火灾蔓延，也为建筑防火设计提供参考依据。

国内外学者对玻璃窗抗火性进行了一些研究。对于玻璃破裂时间的研究，陈昊东等通过模拟研究了什么，预测了火灾中玻璃首次破裂以及三种典型热荷载作用下破裂的时间。李羚子研究了双层中空玻璃的破裂行为，得出迎火面、背火面的玻璃温度与时间的函数，并且玻璃的首次破裂时间随着玻璃面积的增大而减小。玻璃破裂规律方面，Ni 等针对双层玻璃幕墙断裂情况进行了具体分析；苏燕飞通过实验研究了中空玻璃在火灾场景下的破裂行为规律；高伟等通过FDS 模拟研究超高层建筑玻璃幕墙破裂对室内排烟的影响，结果表明，玻璃幕墙的破裂会降低机械排烟的效果。玻璃窗的安装方式对玻璃耐火性也有影响，Wang 等对玻璃的边框遮蔽效应以及三维动态热应力进行研究，指出了玻璃的起裂位置和裂纹的开展方式，得出了建筑窗户中使用的危险玻璃安装方法。白音等研究了点支撑安装方式钢化玻璃在火灾中的破裂行为。张嬿妮等研究了火源位置对浮法玻璃热破裂行为规律的影响，得出了点支撑安装方式防火性能优于框支撑安装方式，以及在火灾发展过程中，不同的安装方式对浮法玻璃热破裂行为的影响，得出热载荷作用下，无遮蔽安装方式的防火性能最好。

上述文献的研究主要集中在防火玻璃破裂以及安装方式，较少研究防火玻璃的耐火性能。因此，本文以某训练馆为例，通过FDS 模拟防火玻璃在预定火灾场景下的实际情况，得到不同时间、位置的温度和热通量，为防火玻璃的选择提供依据。

2 数值模拟

火灾动态仿真模拟软件（Fire Dynamic Simulation，FDS）由美国国家标准与技术研究所（National Institute of Standards and Technology，NIST）研发，是一种以火灾中流体运动为主要模拟对象的计算流体动力学模型，主要求解低速热力流动的N—S 方程并着重于计算模拟火灾时的烟气运动和热量传递。FDS 软件的准确性得到了大量的试验验证，具有较高的可信度。目前，FDS 软件已广泛应用于烟气控制设计、探测器启动时间、火灾重建等方面。

网格敏感性分析如下。

FDS模拟结果的精确度与网格尺寸具有较大的关系，网格尺寸越小，模拟结果越精确，但计算时间更长且模拟效率偏低。因此，为了得到准确的模拟结果并且提高模拟效率，需要选择合适的网格尺寸。可通过火源特征直径对网格尺寸进行选择。火源特征直径定义如下：

式中，D*为火源特征直径（m）；Q 为热释放速率（kW）；ρa为环境密度（kg/m3）；Ta为环境温度(K)；cp为空气定压比热（kJ/kg·K）；g 为重力加速度（m/s2）。

网格敏感性分析模拟模型如图1（a），模拟区域为8m×6m×6m，其中设置两个房间，中间采用玻璃进行分隔，玻璃为6mm+9A+6mm 中空玻璃，距地0.3m，高度为4.8m，厚度0.021m，贯穿整个房间。火源位于右侧房间，该房间净空尺寸为3.6m×5.4m×6m；左侧房间净空尺寸为3.4m×5.4m×6m。模拟区域设置为开放边界，以便于与外界环境进行气流交换和传热。火源功率设置为8MW，火源距离玻璃0.4m，模拟时间为3600s。在玻璃窗对火面和背火面的中心点和各1/4 区域的中心点设置温度测点和热辐射强度测点，同时在背火侧房间内同高度位置设计测点，测点与玻璃窗水平距离为1m，如图1（b）。

图1 网格敏感性验证模拟模型

研究采用递减的方式设置5 种不同尺寸的网格（0.6m，0.5m，0.4m，0.3m，0.2m），进行网格敏感性分析。玻璃窗背火面的中心位置的温度随时间变化过程如图2，玻璃窗背火面上方1/4 处中心位置的热通量如图3，随着网格尺寸增大，温度值和热通量值逐渐下降。当网格尺寸为0.3m 和0.2m 时，准稳态阶段的温度瞬时值接近，热通量随时间变化值接近，说明网格尺寸达到0.3m 时，网格精度继续变小对热辐射结果的影响不明显，此时0.3m 的网格已经能够满足运算需要。因此，在火灾场景中，网格尺寸设为0.3m。

图3 玻璃背火面热通量

3 模拟场景与结果分析

训练馆地上共三层，第一层层高12m，第二层层高15m，第三层层高18m，训练馆楼层间均采用楼板进行分隔，中间设置一处天井，天井将场馆分为左右两侧。天井左侧设置玻璃窗和防火卷帘，防火卷帘紧临玻璃窗；天井右侧设置防火玻璃窗，采用C 类防火玻璃，其满足建筑美观和采光需求的同时，也达到建筑防火要求。训练馆第一层6m 高处右侧有夹层走道，走道与天井采用C类防火玻璃窗分隔，0 ～6m 高度处天井两侧均设置防火卷帘。本研究模拟训练馆内发生火灾，研究天井玻璃窗分隔两侧的温度分布，分别测量玻璃窗迎火面和背火面的温度与热辐射通量，分析玻璃窗两侧热辐射值与温度值的分布情况，同时测量天井对侧玻璃窗两侧的温度与热辐射，查看天井空间与对侧场馆内的温度与热辐射变化。

3.1 场景设置

本次模拟对象为训练馆一层，设置一层夹层走道区域着火，火源距天井侧防火玻璃窗1.1m。着火区域层高为6m，对应训练馆层高为12m。着火区热量容易积累并向天井和训练馆传播，模拟查看天井和训练馆中空区域的温度分布。同时考虑喷淋失效情况，设置稳态时火源热释放速率为6MW，火灾增长类型为快增长t2火源。

通过FDS 建立模型，第一层模拟模型如图4（a）所示。采用分区网格方式，在火源近区域和天井区域设置网格尺寸为0.3m，较远区域网格尺寸设置为0.6m，网格四周和顶部边界设置为开放边界。根据《镶玻璃构建耐火试验方法》（GB/T12513-2006）规定，玻璃背火面平均温度超过初始温度140℃，或最高温度超过初始温度180℃，则认为失去耐火隔热性。考虑人员疏散高度2.0m 以下的临界温度60℃，将温度等值面监测值分别设为60℃、140℃和180℃，由于本研究的玻璃背面和对侧玻璃面都位于天井，该高度位置没有人员经过，因此不考虑人员疏散临界温度。温度测点位置如图4（b）。

图4 三维仿真模型

3.2 结果分析

模拟训练馆第一层6m 标高处起火，喷淋作用失效情况下的温度分布，查看天井内和对侧场馆内的温度与热通量变化，分析防火玻璃窗对热量的隔离作用效果。

3.2.1 温度

天井与火源相邻一侧玻璃窗背火面的温度随时间变化值，如图5。当燃烧时间超过1500s 后，玻璃窗背火面温度上升速度减缓。此时，防火玻璃窗竖直方向1/2以下部分的温度比1/2 以上部分的温度低，因为火羽流向上传播，横向位置距离火源越近，温度越高。火灾发生超过1200s 时，玻璃窗背火面1/2 以上部分的温度开始超过60℃，火灾发生超过1500s 时，玻璃窗背火面1/2 以下部分的温度开始超过60℃，防火玻璃窗背火面的温度均小于90℃。

图5 L1-2 场景天井与火源相邻侧玻璃窗背火面温度

天井内靠近着火区域对侧场馆防火玻璃表面的温度结果，如图6。该侧玻璃窗上侧1/2 区域表面温度在火灾发生2000s 后开始超过60℃，玻璃窗下侧1/2 区域处的温度在火灾发生超过2800s 后，开始超过60℃，最高温度不超过70℃；所有温度值均小于临界温度140℃和180℃。由于该区域为天井上空，无人员通行，不会影响人员安全疏散和引燃对侧可燃物。玻璃窗面向场馆内侧的温度无明显上升。

图6 L1-2 场景火源对侧场馆玻璃窗面向天井侧温度

场景着火3600s 后防火玻璃窗两侧的温度分布，如图7。着火侧防火玻璃窗背火面的温度明显低于迎火面，且温度远低于140℃，其原因为防火玻璃隔离了大部分热量。着火后，热量通过天井横向蔓延到对侧场馆防火玻璃窗处，导致对侧场馆防火玻璃窗面向天井侧的温度升高并在部分区域超过60℃。升温区域均位于天井上空，离地面超过6m。但玻璃表面温度均小于140℃，对侧场馆防火玻璃窗向场馆一侧的温度值没有明显上升，这是由于防火玻璃的隔离作用。火灾场景发生3600s 时不同温度等值面的结果，如图8。温度60℃等值面分布在天井上空，说明天井上空温度达到60℃，但140℃和180℃温度值均没有在天井和对侧场馆分布。在火灾发生3600s时间内，天井和着火区对侧场馆温度均低于140℃；火灾发生3600s 时间内，着火区域对侧场馆内温度均低于60℃，表明天井两侧的玻璃窗对高温进行了较好的隔离。

图7 L1 场景着火3600s 时防火玻璃窗两侧的温度分布

图8 L1-2 场景火灾发生3600s 时温度等值面

3.2.2 热通量

热通量是火灾场景中的一项重要参数，本次模拟中共设置热通量等值面5kW/m2、10kW/m2、15kW/m2、20kW/m2、25kW/m2，分析其在天井和着火区对侧场馆内的分布。火灾发生1800s 时，热通量值5 ～20kW/m2在着火侧防火玻璃背火面的影响区域较小，并限制在着火临近的一扇玻璃窗内，并没有扩散到其他区域，并且距地面高度较高，热通量等值面5kW/m2最低侧与地面距离大于6m，对地面的影响较小。火灾发生1800s 内，着火区域对侧场馆的热通量未达到5kW/m2。

由图9 可得，防火玻璃窗背火面区域的热通量明显比着火区域低。只有火源位置玻璃窗背侧较小区域的热通量达到5kW/m2、10kW/m2、15kW/m2、20kW/m2，其他区域热通量较低，天井内热通量未达到25kW/m2；由于防火玻璃窗对火焰的阻隔作用，火灾发生3600s 时间内，热通量对着火区对侧场馆内的影响较小，对侧场馆的热通量均小于5kW/m2。

图9 L1-1 场景火灾发生3600s 时热通量等值面

4 结语

通过对训练馆一层6m 标高处火灾场景进行模拟，分析防火玻璃窗背火面温度，天井内和对侧训练馆的温度及热辐射强度分布。（1）天井内靠近着火侧防火玻璃窗近火源区域温度达到60℃，但仅在火源临近玻璃窗背火面，该区域温度值小于临界值140℃，天井内有人通行的其他区域温度值均低于60℃。着火区对侧场馆温度均小于60℃，热通量值均小于5kW/m2。（2）防火玻璃窗对火焰和热辐射起到较好的隔离作用，天井内和着火区对侧场馆的温度均在临界值以下，确保了对侧场馆的安全。