室內(nèi)火災(zāi)控制與防火設(shè)計(jì)

室內(nèi)火災(zāi)控制與防火設(shè)計(jì)

1商業(yè)建筑的設(shè)計(jì)隨著社會和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建筑形式也變得越來越多樣化。落地窗式建筑具有采光好、視野開闊、美觀性等優(yōu)勢,因此該種建筑結(jié)構(gòu)在許多發(fā)達(dá)國家的各類商業(yè)和居住建筑中被廣泛采用。在我國,由于建筑防火規(guī)范的特殊要求,制約了這種建筑的發(fā)展。本文在結(jié)合國內(nèi)外工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上,選取厚度為20cm、寬度為60cm、耐火極限為1h的挑檐代替窗檻墻。運(yùn)用數(shù)值模擬方法,分析比較了設(shè)置挑檐和設(shè)置窗檻墻這兩種建筑形式阻止火災(zāi)外表豎向蔓延的性能,以便確定用挑檐代替實(shí)體裙墻或窗檻墻的可行性。下面就其防火性能運(yùn)用場模擬進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。2數(shù)值模擬2.1fds軟件的簡介場模擬是利用計(jì)算機(jī)求解火災(zāi)過程中狀態(tài)參數(shù)的空間分布及其隨時間變化的模擬方式。場是指狀態(tài)參數(shù)如速度、溫度、各組分濃度等的空間分布。場模擬的理論依據(jù)是自然界普遍成立的質(zhì)量守桓、動量守恒、能量守恒以及化學(xué)反應(yīng)的定律等?；馂?zāi)過程中狀態(tài)參數(shù)的變化也遵循這些規(guī)律。FDS(FireDynamicSimulation)是美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)開發(fā)的一種場模型軟件,它計(jì)算采用的數(shù)值方法是求解質(zhì)量守恒方程、熱驅(qū)動的流動方程(Navier-Stokes方程)、能量守恒方程等方程組成的方程組。本文采用FDS3.0軟件,新版本于2002年11月18日發(fā)布。2.2建筑物網(wǎng)格劃分為了使模擬結(jié)果更具有普遍性和代表性,本文選取計(jì)算對象時,參照了美國統(tǒng)一建筑規(guī)范UNIFORMBUILDINGCODESTANDARD(UBC)26-4中的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)房間,并且結(jié)合了我國實(shí)際高層居住建筑,計(jì)算選取了三層,起火房間位于三層中的最下層,起火房間尺寸分別為長8m、寬4.5m和高3m,房間內(nèi)門的高度和寬度分別為2m和1m。窗檻墻式建筑的窗戶面積為4.8m2,高度為2m,窗檻墻高度為1.0m,如圖1所示。帶挑檐的建筑單面采用全玻璃結(jié)構(gòu),挑檐采用耐火極限不小于2h的不燃燒混泥土結(jié)構(gòu),挑檐挑出的長度為0.6m,如圖2所示。在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時,首先要進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界條件輸入。本文選取的網(wǎng)格大小為20cm×20cm×20cm,計(jì)算的邊界區(qū)域均超出房間4m,兩種樣式的建筑模擬計(jì)算網(wǎng)格劃分如圖3和圖4所示。2.3熱釋放功率的計(jì)算國外的消防性能化設(shè)計(jì)規(guī)范,如澳大利亞的《消防工程指南》建議性能化設(shè)計(jì)中火源可設(shè)定為增長火或穩(wěn)定火。增長火可以較真實(shí)地反映火災(zāi)發(fā)展過程,在實(shí)際工程中大家公認(rèn)的一種增長火是t2火,其函數(shù)關(guān)系見式(1):Qf=α(t-t0)2(1)式中:Qf——火災(zāi)熱釋放功率,W;α——火災(zāi)增長因子;t——火災(zāi)有效燃燒發(fā)生后的時間,s;t0——開始有效燃燒所需的時間,s火災(zāi)增長因子α由火災(zāi)可燃物荷載密度的影響(αf)以及墻和吊頂?shù)挠绊?αm)來確定。穩(wěn)定火是忽略火災(zāi)初期的火源類型,火源的熱釋放功率始終保持恒定。穩(wěn)定火是一種保守的火源設(shè)計(jì)方式。穩(wěn)定火通常分為燃料控制型和通風(fēng)控制型,燃料控制型的大小是由燃燒物的數(shù)量來決定,通風(fēng)控制型的大小是由通風(fēng)條件(如氧氣量等)來決定。通風(fēng)控制型熱釋放功率計(jì)算公式見式(2):Q=750×103A0H0???√Q=750×103A0Η0(2)式中:Q——火最大熱釋放功率,W;A0——開口面積,m2;H0——開口高度,m。本文采用了通風(fēng)控制型穩(wěn)定火災(zāi),房間的開口面積為6.8m2,高度為2m,由上面的公式計(jì)算出火最大熱釋放功率為7.2MW。在模擬過程中,火的最大熱釋放功率取7.2MW。2.4玻璃破碎性能模擬在計(jì)算時,選取了二樓和三樓玻璃窗的中心點(diǎn)作為溫度參考點(diǎn)。圖5給出了窗檻墻式建筑火災(zāi)發(fā)生600s時刻的模擬結(jié)果。從圖中可以看出,火災(zāi)的煙氣從一樓開口沿著窗檻向樓上蔓延,發(fā)生了明顯的卷吸現(xiàn)象。二樓玻璃窗戶的中心參考點(diǎn)溫度約為450℃,三樓玻璃窗戶的中心點(diǎn)溫度約為330℃。一般情況下,判斷普通窗破碎性能標(biāo)準(zhǔn)之一就是玻璃的表面溫度為300℃。因此可以認(rèn)為火災(zāi)豎向蔓延到二樓和三樓,引起玻璃破碎,從而造成火災(zāi)的進(jìn)一步擴(kuò)大。圖6給出了挑檐式建筑火災(zāi)發(fā)生600s時模擬結(jié)果,從圖中發(fā)現(xiàn),火災(zāi)煙氣由于受到挑檐的阻擋,在向上蔓延過程中遠(yuǎn)離二樓和三樓的玻璃,使得二樓玻璃窗戶的中心點(diǎn)和三樓玻璃窗戶的中心溫度都低于200℃,從而有效地阻礙火豎向蔓延。通過對兩種建筑形式的溫度場進(jìn)行模擬計(jì)算,比較計(jì)算結(jié)果得出:在相同的火災(zāi)場景下,挑檐式建筑比窗檻式建筑更能阻止火災(zāi)豎向蔓延。3實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪\(yùn)用本文運(yùn)用場模擬(FDS)對設(shè)置挑檐和設(shè)置窗檻墻這兩種建筑形式火災(zāi)豎向蔓延進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。通過對計(jì)算結(jié)果分析比較得出如下結(jié)論:(1)在相同的火災(zāi)場景下,設(shè)置挑檐比設(shè)置窗檻墻更能有效的阻止火災(zāi)豎向蔓延。在落地窗式建筑中,可以用挑檐代替窗檻墻,并且0.6m長挑檐的防火性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于0.8m高度的窗檻墻。(2)本文數(shù)值計(jì)算采用了美國NIST開發(fā)的CFD模型,該模型自發(fā)布到現(xiàn)在已經(jīng)在國外得到了廣泛的運(yùn)用。在我國,很多科研機(jī)構(gòu)和設(shè)計(jì)單位也運(yùn)用該模型進(jìn)行了數(shù)值模擬研究和工程設(shè)計(jì),本文通過該模型對兩種建筑進(jìn)行了數(shù)值模擬。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,運(yùn)用到我國的建筑設(shè)計(jì)規(guī)范,這會有利于我國性能化規(guī)范的發(fā)展,并且促進(jìn)我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)。在建筑火災(zāi)中,室內(nèi)火災(zāi)豎向外部蔓延主要有兩種途徑。一種是火災(zāi)沿著外墻可燃物豎向蔓延,另一種是室內(nèi)火焰和熱煙氣通過窗戶等開口或樓板與外墻的連接處的縫隙烤燃上部樓層的可燃物而造成豎向蔓延。為了阻止火災(zāi)通過窗戶豎向蔓延,我國的《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50045-95等規(guī)