网络中心教学楼火灾烟气扩散模拟研究

网络中心教学楼火灾烟气扩散模拟研究

江渝飞

红河州消防救援支队  云南蒙自661100

摘 要：近年重特大火灾频发，烟气致死人数日渐上升，火灾烟气已经成为被困人员的最大死因。本文利用FDS（Fire Dynamics Simulator）软件对人员密集的教学楼进行了全尺寸模拟。通过设定不同的排烟方式、送风方式，模拟了不同排烟情况的六种工况，采集教室、走廊、楼梯间的温度、能见度及烟气层高度等模拟过程中的数据，研究了烟气在教室及走廊的扩散规律。探讨了正压送风机、负压排烟风机单独使用和组合使用时烟气控制方式的特点，并与传统排烟装备设置方式进行了对比，讨论了不同战术的适用场景。文章从逃生及救援两个角度对教学楼火灾现场人员的逃生作出了建议，对教学楼火灾的人员逃生有指导意义。

关键词教学楼； 数值模拟； 烟气扩散； 人员逃生

1 绪论

1.1 火灾数据分析

火的使用是人类文明起步的标志，不仅改善了人类的生活条件，促进人类文明进步，还为人类创造出分丰富的社会资源和财富。火为人类带来的益处不用赘述，但同时也带来了巨大的伤害与隐患。2001年至2010年火灾数目发展趋势如图1.1，全国火灾总量虽有明显下降，但不难发现每年火灾数目依然处在一个极高的水平上。就图中显示火灾数最低的2010年来讲，全国共发生火灾13.2万起，死亡1108人，受伤573 人，直接财产损失17.7 亿元，这样的数字已经十分惊人。特别是近年来，重特大火灾频发，1993年“214”河北唐山林西百货大厦火灾，死亡81人；1991年 新疆克拉玛依友谊馆火灾，死亡233人；2000年“1225”河南洛阳东都商厦火灾，死亡309人。灾后调查发现，死者中绝大多数均为吸入烟气中毒窒息致死。经检验，洛阳东都商厦火灾的309名死者全部是因烟气致死[1]。1982年，我国民航客机“202”发生火灾，死亡25人。死者衣冠整齐，皮肤完好，可以断定这25名死者均是因吸入飞机起火后产生的毒性烟气而致死。

1.2 烟气控制研究的意义

火灾烟气可定义为燃料分解或燃烧时产生的固体颗粒、液滴和气相产物。几乎所有的火灾都会产生大量的烟气，这就使得烟气研究成为火灾研究以及疏散研究不可绕过的关键环节。根据定义可知火灾烟气是由多种物质混合而成的混合物，主要包括：燃烧生成的气相产物，这一组分相对较复杂，由于燃烧物质的不同会生成相应的产物，如水蒸汽、CO2、CO、多种低分子的碳氢化合物及少量的硫化物、氯化物、氰化物等；烟气流动过程中卷吸进入的空气；多种微小的固体颗粒和液滴。烟气组分的组成比例受燃烧条件的影响而存在较大差别。同种固体物质燃烧，阴燃和有焰燃烧所产生烟气的组分就存在很大差异。阴燃生成的烟气中含有较多蔚然的碳氢化合物，而有焰燃烧长生的烟气颗粒几乎全部是细小的固体颗粒[1]。

1.3 国内研究现状

目前，国内在火灾数值模拟方面在中国科学技术大学火灾科学重点实验室的带领下已有长足发展，多所高校的多位教授都采用FDS对建筑进行过详细研究。这些研究针对消防事业而言，可以分为两个大的方面，一方面是工程方面，对《建筑防火设计规范》《高层民用建筑设计防火规范》等国标规范的研究及修改建议；另一方面则是消防灭火救援的战术研究方面，使用数值模拟对火场排烟等进行指导或论证某种战术的可行性。

1.3.1 工程研究方面

火灾数值模拟在工程方面的运用较为广泛，主要是对当下建筑防火设计规范的进一步细化或补充，以及建筑安全疏散合理性的研究。

中科大火灾科学实验室毕昆采用这一软件，研究了内部竖井结构的多层建筑的火灾蔓延和烟气流动的规律，并证明了机械排烟能够有效缓解高楼层处烟气蔓延对逃离人员的影响。南京工业大学张威等人研究了高层建筑L型走廊的排烟效率，提出“走廊——前室缓冲区”烟气控制模式，并使用该软件验证了其高效性，对下一步的建筑防火设计规范提出了建设性修改意见。沈阳建筑大学市政与环境工程学院张培红等分析不同高度的前室正压送风口对高层建筑火灾下疏散楼梯间烟气的控制效果，通过模拟得出了不同功率情况下，其对应的最优送风口高度，这一研究有效的填补了《建筑防火设计规范》在送风口高度这一方面的空白，使的防排烟的规范更为精细且有不同的适用性。

1.3.2 火场排烟方面

目前国内对于火场排烟的研究主要来自于公安消防部队，这些成果来源于两个方面，一是公安消防部队指战员基于实践经验的研究和讨论，如辽阳公安消防支队赵宏斌利用数值模拟软件详细探究了开花水枪和喷雾水枪在地下建筑火灾中的排烟作用，指出这一战术是可以纳入到扑救策略当中的，同时也明确指出了这一战术的使用范围。二是开设消防专业的军事院校的师生们，这方面的研究则更倾向于理论研究和探索，对火场火场排烟进行科学指导。后者的数量相对较多，中国人民武装警察部队学院陈颖、李思成、李胜利几位教授《基于烟气下沉的地下车库火灾排烟量计算》一文中，详细研究了不同面积、不同高度的地下车库所需的理论安全排烟量的计算方法和相应规律。

2教学楼火灾烟气流动规律

教学楼作为建筑物中的一种特殊形式，具有鲜明的特点，火灾荷载大、防火防烟分区分明、横向纵向空间跨度大、使用功能复杂、人员密度大等。但是教学楼发生火灾时，随之产生的烟气的流动规律与一般建筑流动规律是大致相同的。

2.1 教学楼内烟气流动途径

烟气的流动常伴随着火势的蔓延，某种程度上来说，二者是相生相伴的关系，火势的蔓延造成产烟区域扩大，烟气蓄积后向外辐射热量造成新的起火区域。所以，烟气流动途径与火势蔓延途径大致相似，主要表现为垂直蔓延和水平蔓延两种方式。

2.1.1 垂直传播

（1）竖井。教学楼由于使用功能复杂的需要，建筑物中设有许多竖向管井和开口部位，常见有楼梯井、电梯井、管道井、电缆井、垃圾井、通风排烟井等。这些竖井大多贯穿整栋大楼，其开口部分联通了整个大楼的竖向与横向空间。这些竖井易造成烟囱效应，加速烟气在整栋大楼内的蔓延，也为立体燃烧提供了条件。

（2）吊顶、楼板和可燃空心隔墙、板条抹灰墙等。一些老旧教学楼或者教学楼改变原有功能时，使用可燃空心隔墙、板条抹灰墙等进行简易分层或吊顶装饰，这些材料大多属于易燃材料，火灾发生后火势会很快烧穿这些分隔物造成层间的纵向传播，并且烟气会先于火势先上层蔓延。

（3）楼板间的空洞、缝隙及经书管道。由于建筑设计或临时设置等，楼层间存在空洞、缝隙等，这些开口部分即使很小，烟气也能轻易穿过，向上传播。

2.1.2 横向传播

（1）闷顶。教学楼单个教室面积相对一般建筑来说较大，相应的闷顶也大的多，并且常出现多个教室联用闷顶的情况，烟气进入闷顶后火灾闷顶中向四周横向传播，且不易传播。

（2）房间隔墙。房间隔墙如果采用了耐火性能差或不耐火易燃的材料，起火后，墙体很快会被烧穿，使烟气横向流动，在教室间传播扩散。

3教学楼火灾数值模拟

3.1 教学楼概况

某高校一教学楼建成于90年代，建筑面积约675平方米。教学楼共三层，楼层层高较高，达5.5米。每层均设有三个较大教室，面积约为13×12m2，教室现作为计算机房使用。每个机房内约有20台计算机及配套的桌椅，并且，所有教室地板都使用20cm层板加高，房顶处无吊顶。教室外走廊宽度为2m，两侧楼梯间之间的走廊长度为35m。走廊两侧设有挡烟垂壁，长度为0.5m。该教学楼在上课期间使用人员也较少，大约100人/次。此外，由于教学楼的使用方向及使用年代已久造成建筑物电气线路老化，上课期间线路负荷较大，且长时间保持高负荷运转，使得此楼极易起火。

图3.1教学楼模型示意图

3.2火灾场景设定

教学楼实物见图3.1所示。该建筑实际尺寸为46m×16m×15m，但在软件建模过程中，考虑到FDS5 软件计算单元的设定，为方便程序模拟计算，笔者将建筑模型轻微调整至45m×15m×15m以适应计算机计算需要。

3.3  起火点设定

教学楼的机房设置都大致相同，每台计算机配一张高约0.8m的电脑桌、一把配套靠椅，如此算作一套计算机。计算机沿机房四周墙设置，每排五套计算机，在机房的中部还设有相靠的两排计算机，每排五套。机房所用线路均敷设在0.2m高的层板下，层板下线路较为杂乱，不易清理。考虑到此类火灾一般是由于线路过载导致电线起火，而后引燃铺设的层板、电脑桌及计算机，笔者将起火点简化后假设为在离地面1m处向外释放热量的火源。起火房间则根据研究需要，在各工况中作相应调整。本文研究的主要方向为烟气在整个教学楼中的流动特性，所以起火点均设在二楼的房间中，以便观察烟气的整体流动效果。

结论

结合教学楼结构特点，应用火灾模拟软件FDS模拟了某教学楼二楼发生火灾后烟气在建筑内流动的过程，着重研究了作为第一逃生通道的走廊和楼梯间内的烟气蔓延，以及正压送风机、负压排烟风机在救援过程中对烟气控制的战术作用及对被困人员逃生的贡献。

参考文献

[1].范维澄, 孙金华, 陆守香. 火灾风险评估方法学[M]. 北京:科学出版社 2004.

[2].邢国伟. 地下建筑火灾中的烟气危害与火场排烟技术[J]. 安防科技2006(6).

[3].中华人民共和国建设部.GB50016-2006建筑防火设计规范[S]. 北京:中国计划     出版社。2005．