) 重庆建筑大学学报第卷设计方法它以火灾模拟结果和建筑物的实际性能需要为基础更人性化科学化地选取防火技术手段使火灾安全目标火灾损失目标与设计目标良好结合

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磐遐阮
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1 第卷第期重庆建筑大学学报年月!"#!#$#'# ' 含吹拔空间的高层建筑火灾烟气流动数值模拟朱国庆程远平顾正洪季经纬中国矿业大学安全工程学院江苏徐州 ) 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州摘要研究设有吹拔空间的高层建筑烟气流动及火灾蔓延特征分析其对防火分区和安全疏散的影响采用性能化消防设计的方法对某设有 )-- 双吹拔空间的一类高层建筑建立火灾发展模型设计火灾场景用火灾模拟软件进行数值模拟结果表明该建筑利用吹拔空间自然排烟时各火灾场景均能满足各层人员疏散的性能指标在吹拔空间四周环廊上设置挡烟垂壁影响烟气的顺畅排出缩短了危险来临时间增大了火灾的危害性提出吹拔空间式建筑宜利用烟囱效应优先采用自然排烟方式烟气控制宜疏堵结合以疏导为主的设计理念关键词吹拔空间高层建筑自然排烟性能化防火设计数值模拟中图分类号文献标志码文章编号 )((() #'""4( -!("' < ("#! * 2(#! < '!(! #!('# 31 4##! 3' *!#''#!# #'# 4##! '1!$ )#3' ' '1' 4#'3'##'#4##!'1!$#!' 1'##1-'#''##1' #!(#'##!''#' #'#!''##'1'#'1--'''1##'''-'-''#' #'1'# '''#!'#-'#'-'' '-'#1' 11'#''-1'(''#!# #!(#'##!# '#1' ' '#!' )- -''1#'3#-#'##'1'#'-1'!' ''1#''#'1 ##'#-''81'#!'#1'! -'#1#'#1'''-'#!-'' 1-#!'##-'#1''#'!'#!1#-'''1##'''-' '8-'# #!(#'##!# #1' (!#1' #!(#' ##!-''8'-1'('#'' '#! -'#1#-# 以人为本贴近自然的设计理念使得内天井式建筑受到设计师和广大用户的喜爱这种内天井又被建筑师美其名曰吹拔空间贯通各层的吹拔空间改善了高层建筑内部的通风及采光条件起到了环保节能愉悦身心增进交流的作用但给防火安全带来许多新的问题成为建筑师取舍两难的心痛按照现行防火规范各层应为单独防火分区需要设置大量防火卷帘这不仅造价高昂而且破坏了良好的创意和优美的效果不设计防火卷帘又难以满足防火分区的有关要求不能通过消防审核随着火灾科学和计算机硬件技术的飞速发展用计算机模拟大空间建筑的火灾发展和烟气流动情况成为当前消防技术领域的前沿研究方向性能化防火设计 '-1'('#'''#! 就是基于火灾模拟而发展起来的一种不同于基于传统处方式规范的防火收稿日期 (( 基金项目国家自然科学基金项目 )) 作者简介朱国庆 )( 男江苏徐州人副教授高级工程师博士生主要从事火灾科学和建筑性能化防火设计的研究 *(-#$!"8$ )1- 欢迎访问重庆大学期刊网 httpqkscqueducn

灾蔓延特征分析其对防火分区和安全疏散的影响采用性能化消防设计的方法对某设有 )-- 双吹拔空间的一类高层建筑建立火灾发展模型设计火灾场景用火灾模拟软件进行数值模拟结果表明该建筑利用吹拔空间自然排烟时各火灾场

2 ) 重庆建筑大学学报第卷设计方法它以火灾模拟结果和建筑物的实际性能需要为基础更人性化科学化地选取防火技术手段使火灾安全目标火灾损失目标与设计目标良好结合实现火灾防治的科学性有效性与经济性的统一以获得可以接受的等效的消防安全水平在建筑不能满足现有处方式防火规范又要体现设计创意的情况下性能化设计的方法提供了一个可选的良好解决问题途径本文采用性能化防火分析的方法对某时代广场设有双吹拔空间的一类高层综合楼建立火灾模型和性能评价标准用 3 火灾模拟软件进行数值模拟分析自然排烟状态下火灾烟气对防火分区和安全疏散的影响某时代广场基本情况及消防设计问题某时代广场总建筑面积为 - 为钢筋混凝土框架剪力墙结构地上层地下层地上层为商业层为住宅或公寓式办公层高 - 在层住宅部分中心沿南北方向并列布置个高度分别为 )-- 的吹拔空间自层屋面分别通至层和 ) 层吹拔空间无顶盖围绕个通天的吹拔空间四周各层布置了间不等的一室一厅一厨一卫的住宅每户使用面积平均约 - 建筑高度 - 为一类高层民用建筑耐火等级为一级层平面和剖面如图图所示图 > 层平面图图剖面图欢迎访问重庆大学期刊网 httpqkscqueducn

立火灾模型和性能评价标准用 3 火灾模拟软件进行数值模拟分析自然排烟状态下火灾烟气对防火分区和安全疏散的影响某时代广场基本情况及消防设计问题某时代广场总建筑面积为 - 为钢筋混凝土框架剪力墙结构地上层地下层地

3 第期朱国庆等含吹拔空间的高层建筑火灾烟气流动数值模拟本工程层设计方案新颖而富有创意改变了传统综合楼的设计风格给该楼带来了四射的活力和良好的室内环境但贯通层和层的吹拔空间同时也给消防设计带来严峻的挑战个通天的吹拔空间将层 - 的住宅区域上下连通形成个竖向的整体空间给火灾时人员的安全疏散烟气的蔓延流动火灾的竖向发展等方面带来许多未知的因素采用什么样的消防设计方案才能既能获得可接受的消防安全水平又能节约投资和管理维护费用成为需要认真探讨和研究的技术问题层吹拔空间消防设计的问题经分析汇总于表表层住宅部分吹拔空间消防设计问题分析消防系统设计状况消防问题分析消防规范要求防火分区个吹拔空间将层住宅部分各层上下贯通在吹拔空间开口部位无防止烟火在层间扩散的措施上下各层建筑面积之和超过一个防火分区的最大允许建筑面积高规高层建筑内设有上下层相连通的开口部位时应按上下连通层作为一个防火分区其允许最大建筑面积之和不应超过 - 各层疏散走道与层一旦某层发生火灾各层疏通走道均受到烟火威胁设计中走廊无机械排烟设施高规一类高层建筑中虽有直接自然通风但长度超过 ) - 的内走道应设置机械排烟设施安全疏散住宅部分吹拔空间处于同一个建筑空间自动喷水灭火设施层公共部位及房间内无自动喷水灭火系统初期火灾不能得到及时有效控制高规 ) 一类高层建筑及其裙房均应设自动喷水灭火系统防烟排烟利用个通天的吹拔空间自然排烟走廊与吹拔空间之间无防烟分区烟气在吹拔空间中上升时有烟囱效应和层化现象自然排烟的效果不确定设计无机械排烟系统高规一类高层建筑中净空高度超过 - 的中庭应设置机械排烟设施火灾自动报警设施吹拔空间周边各层走廊内设有烟感探测器手动报警按钮和消防广播各住宅户内无火灾探测器不利于火灾的及早发现和通报火灾高规除住宅商住楼的住宅部分游泳池溜冰场外一类高层建筑应设置火灾自动报警系统针对上述问题将采取性能化消防设计的方法模拟层火灾发展蔓延和烟气流动情况根据模拟结果的分析而确定相应的消防措施设计火灾和火灾场景实验和研究发现火灾的热释放速率是随时间而变化的大量实验表明许多物品从起火到旺盛阶段热释放速率大体按时间的指数规律增长逐渐发展成为全室性的较大规模的火灾又称时间平方火即式中为火源热释放速率 7 为火灾增长指数 7 A 7 为火灾发展时间为火源热释放速率 A47 时所需要的时间不同的可燃物火灾增长指数不同根据 " 的不同可将火灾发展分为超快速增长快速增长中速增长和慢速增长四个类型 ) 依照? 购物商场大厅和较大区域烟气控制系统导则这四类火灾的增长指数分别为 )7 )7 7 和 7 由于层各房间的可燃物品种和数量大体一致典型可燃烧物质为住宅内的家具及装修材料按照木材类和塑料类各参考文献 ) 将层住宅部分的火灾初期的增长阶段定义为中速发展火其火灾增长曲线的函数可表述为确定火灾受控时最大热释放速率应综合考虑建筑的消防设施水平消防队控制火灾的能力建筑内火灾荷载的布置及种类建筑的空间大小以及比较成熟的统计资料试验结果等本建筑层没有设计自动喷水灭火系统火灾最大规模的确定主要考虑公安消防队的控火能力和有关火灾的统计资料受消防队控制的火灾规模由于吹拔空间及其周边不设置自动喷水灭火系统保守地认为火灾在初期没有得到有效控制直至消防队接警后赶到才有效控制火灾的继续增长最近的消防站与该工程相距不足 - 且道路宽阔平坦消防车行驶速度按 - 计途中时间需 -# 起火后 -# 消防队接到报警消防队接警后 -# 出动到现场后 -# 内展开灭火战斗行动并控制火势继续发展此时火灾有效燃烧时间为 -# 火欢迎访问重庆大学期刊网 httpqkscqueducn

和管理维护费用成为需要认真探讨和研究的技术问题层吹拔空间消防设计的问题经分析汇总于表表层住宅部分吹拔空间消防设计问题分析消防系统设计状况消防问题分析消防规范要求防火分区个吹拔空间将层住宅部分各层上下贯

4 重庆建筑大学学报第卷灾规模增长到 ) 7 根据统计资料确定火灾规模文献 ) 第节火灾模型的确定和排烟量中给出了各类场所的火灾模型其中无喷淋的中庭推荐值为 7 德国工业火灾防护标准中有关火灾发展时间发展快慢火灾的组别分类不同火灾组别对应的最大热释放速率对应的由消防队控制的中速发展火最大热释放速率建议值为 )7 综合考虑上述将该吹拔空间的火灾设计为最大热释放速率为 )7 的中速发展火并以此进行火灾模拟的计算保守地认为此时消防队仅仅控制住火灾不再增长但没有消灭它火灾维持这时的规模直到模拟结束时为止火源位置设计基于最不利和代表性原则选择了位于吹拔空间底部的层和中部的层的 # 号位置数据采集点设计在各个楼层环廊地面上方 - 并考虑了其代表性具体位置如图所示为了考察挡烟垂壁的作用还设计了一个在各层环廊面向吹拔空间侧增加 - 高挡烟垂壁的场景鉴于建筑南高北低的特殊剖面形式火灾场景设计时考虑火灾时正好遇上 - 北风的情况在本案例中共设计了个火灾场景数值模拟和结果分析 3#'-#13#- 是由 3# #'3'1! 美国商务部标准和技术研究院开发的计算机场模拟软件它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适用于因火灾引起的烟雾和热传输规律的研究 3 的基本原理是将模拟空间划分成许多微元控制体以微元控制体为基本单位假设每个微元控制体内各种物理量温度压力速度密度等的值是同一的它们只随时间而变化模拟计算的精度主要与微元控制体的数量有关而微元控制体的数量又主要受计算机能力的限制与其他场模拟软件一样 3 也是以 >3 偏微分方程为基础进行数值求解给出较详细的各种物理量温度压力速度密度热释放速率烟雾组分等的分布其控制方程为质量守恒 E A> 组分守恒 E A> E E ' 动量守恒 ED$EA > E E#= ) 速度场方程 A > > EE 1 > > 状态方程 A 式中各项含义参见文献性能目标和性能指标性能目标也就是防火保护的目的对于吹拔空间及其周边的各房间来说其消防设计所要达到的目标应该是保护建筑内的使用人员及火灾期间进行灭火战斗的消防队员的生命安全可以把这一目标量化为以下性能指标 ( 距各层疏散走道地面高度 - 以下的烟气层空气层温度不应超过 ) 距各层疏散走道地面高度 - 以下的烟气层空气层能见度不小于 - 距各层疏散走道地面高度 - 以下的烟气层空气层中体积分数不大于 - 走廊上部热烟气层的最高温度不超过以上技术指标是经大量实验验证的在一般情况下人能够较长时间正常活动的临界值疏散需要时间的计算疏散计算方法主要有水力模型和人员行为模型两种方法对于建筑结构简单布局规则疏散路径容易辨别建筑功能较为单一且人员密度较大的场所宜采用水力模型来进行人员疏散的计算本文在疏散计算时采用水力模型方法计算结果如表所示疏散过程分项表疏散需要时间 3* 着火层个出口失效时需要的疏散时间 3* 个出口有效时着火层及非着火层需要的疏散时间 3* 探测报警 ) ) 人员响应最远工作点人员离开房间距安全出口最近房间人员到达安全出口楼层全部人员通过安全出口疏散行动时间 )) 合计欢迎访问重庆大学期刊网 httpqkscqueducn

队仅仅控制住火灾不再增长但没有消灭它火灾维持这时的规模直到模拟结束时为止火源位置设计基于最不利和代表性原则选择了位于吹拔空间底部的层和中部的层的 # 号位置数据采集点设计在各个楼层环廊地面上方 - 并考虑了其

5 第 # 期!!!!!!!!! 朱国庆!等含吹拔空间的高层建筑火灾烟气流动数值模拟 DD!'!! 计算条件模拟计算采用以下初始条件! ##气象条件!室外夏季温度为!K [ 冬季温度为 bk [ 建筑室内温度设为 )" [ 空气流速为 "E)$ )#无外部风"增加北风火灾场景除外#通风气流与烟气均视为理想气体$!#起火房间面向走廊的房门开启洞口尺寸 # E h)e外窗关闭并在火灾温度达到)k" [ 时玻璃破碎打开开口面积 #)' )KE) "!' K Eh!' K E#其它各房间门*窗均保持关闭状态$ M#火灾初期发展规律用 ) 中速增长火表示火灾在消防队到达并投入灭火战斗行动后火源热释放速率便不再增长但也不减弱熄灭即最大热释放速率保持 A RU $ K#燃烧物质为住宅建筑内典型材料的混合物假定燃烧物质为 K"] 的纤维材料 "木材*纸张*棉织品图 M!K 层火源场景下!*M时 1_ 体积分数分析!!!#图 K 为 K 层号火源场景时 A 层温度切片图可以看出在吹拔空间中向上流动的烟气温度较低各火灾场景均不超过 A" [ 等#和 K"] 的合成材料"塑料*橡胶*聚氨酯泡沫等#$ A#火灾模拟时间为 #)""$!' M! 模拟结果分析 ##图! 为 K 层火源场景下烟气在吹拔空间内蔓延情况可以看出吹拔空间烟囱效应显著烟气窜出起火房间后向最近的吹拔空间流动流入吹拔空间的烟气向上迅速窜升的同时在水平方向填充吹拔空间周围各楼层环廊但远离起火房间的吹拔空间几乎不受烟气影响图 K!K 层号火源场景 A 层温度切片图 M#图 A*图? 分别为增加挡烟垂壁后 K 层号火源烟气蔓延情况和 1_ 体积分数的分布情况"!*M# 由图可见各层环廊围绕吹拔空间增加 "'?E 高挡烟图!!K 层火源场景下烟气在吹拔空间内蔓延情况 )#图 M 为 K 层火源场景下!*M 时各楼层 1_ 体积分数分析由图可见即使在一个出口失效的情况下在人员疏散完毕时"!*M#各楼层环廊 ) E 高度的 1_ 体积分数未达到临界值温度*和能见度的情况与 1_ 情况相似图 A! 增加挡烟垂壁后 K 层号火源烟气蔓延情况欢迎访问重庆大学期刊网 httpqkscqueducn

' K E#其它各房间门*窗均保持关闭状态$ M#火灾初期发展规律用 ) 中速增长火表示火灾在消防队到达并投入灭火战斗行动后火源热释放速率便不再增长但也不减弱熄灭即最大热释放速率保持 A RU $ K#燃烧物质为住宅建筑内典型材料的混合物假定燃烧物质为 K"] 的纤维材料 "木材*纸张*棉织

6 重庆建筑大学学报!!!!!!!!!!!!!!! 第!" 卷 #"" 垂壁后烟气蔓延范围明显扩大起火楼层环廊 1_ 体积分数和能见度全面超过危险临界值!!!#在吹拔空间周围环廊上增加挡烟垂壁阻碍了烟气的快速*顺畅排出造成起火楼层在短时间内即全面达到人员可以耐受临界指标且扩大了烟气影响范围 M#含吹拔空间的高层住宅"公寓#宜在各住宅分户内增设火灾探测器和自动喷水灭火设施分户门设为甲级防火门"具有自动关闭功能#以缩短预报火灾时间*控制火灾规模立足于火不出户 K#含吹拔空间的高层建筑防排烟设计应疏*堵结合以疏导烟气为主这样既可以降低烟气中毒性物质的含量有利于人员的疏散与扑救$又可以快速排出燃烧区的热量降低烟气温度有利于防止火灾的蔓延扩大参考文献! 图?! 增加挡烟垂壁后 K 层号火源!*M时 1_ 体积分数分析 K#图 * 所示为恰巧有 )' DE)的北风作用时吹拔空间内烟气蔓延情况可以看出烟气的排出受到北风的影响但没有出现烟气倒灌入吹拔空间的现象只是增大了烟气的涉及范围对数据文件分析显示各层各项指标仍能满足安全疏散的要求 #ZcK""MK DK高层民用建筑设计防火规范 Q' )17QJBY Y N S RBL1dLR c 'O H -E > H RL 7QL! G <R 'c Q = S B3 #DD?' <!王蔚张和平徐亮等 '大中庭建筑的性能化防火设计初探 '建筑学报 )""A"?#! M* MD' UL(Z U `dl(z d G 3C7 N 3 'O VG 2G -E > H G H 3 -> H 3 F 2 E 'L2 3 )""A"?#! M* MD' M范维澄孙金华陆守香 '火灾风险评估方法学 R'北京! 科学出版社 )""M' )) XO(B((_S'Q=SB KcBPNBY1N'= X< E R' d H> W = S B3 3' J2 H BH ' j ( = S L <RL7QL!J2 )"")! ) #*")!#' AXZ "* ** )"""民用建筑防排烟技术规程 Q' 程远平李增华消防工程学徐州! 中国矿业大学出版? ' R ' 社 )"")' *公安部 '公安消防队执勤条令 Q' #DDA' DR1ZYLJJL( ^'= X<E Q E - "$ M# J 2 Y Z H R 'ULQdO(ZJ_( 7QL! 图 *! 增加北风时烟气蔓延情况 M! 主要结论 ##通天的吹拔空间在火灾时烟囱效应显著利用自然排烟方式可以排出大多数烟气是可以优先考虑的排烟设计方案 )#当吹拔空间周围是防火分隔较好独立房间时经吹拔空间向上排出的烟气温度较低不足以引燃上部楼层的普通可燃物火灾一般不会在垂直方向上蔓延吹拔空间周围环廊上可以不设置防火卷帘 7' Q'Z8 E S 3_!)""M' #" S7YQBY X L'' JV E E> < )) XO(B((_ S 'Q=SB dh>w H R ' G = S B3 3' J2 H BH ' j <! RL 7QL J2 ( = S L )"")!) *!") #?#' ##cq?d?m!)""# LGG 3 < 3 ' 2 H > H 1 H G Q G G 3 3 NH!c 2Q H HO )""#' 欢迎访问重庆大学期刊网 httpqkscqueducn 编辑! 陈! 蓉'

K#含吹拔空间的高层建筑防排烟设计应疏*堵结合以疏导烟气为主这样既可以降低烟气中毒性物质的含量有利于人员的疏散与扑救$又可以快速排出燃烧区的热量降低烟气温度有利于防止火灾的蔓延扩大参考文献! 图?! 增加挡烟垂壁后 K 层号火源!

说明为了反映教运行的基本状态, 为校和院制定相关政策和进行教建设与改革提供据依据, 校从程资源 ( 开类别开量规模 ) 教师结构程考核等维度, 对 2015 年春季期教运行基

说明为了反映教运行的基本状态, 为校和院制定相关政策和进行教建设与改革提供据依据, 校从程资源 ( 开类别开量规模 ) 教师结构程考核等维度, 对 2015 年春季期教运行基内部资料东北师范大教运行基本状态据报告 2015 年春季期教务处 2015 年 10 月 27 日说明为了反映教运行的基本状态, 为校和院制定相关政策和进行教建设与改革提供据依据, 校从程资源 ( 开类别开量规模 ) 教师结构程考核等维度,

) 重 庆 建 筑 大 学 学 报 第 卷 设 计 方 法 它 以 火 灾 模 拟 结 果 和 建 筑 物 的 实 际 性 能 需 要 为 基 础 更 人 性 化 科 学 化 地 选 取 防 火 技 术 手 段 使 火 灾 安 全 目 标 火 灾 损 失 目 标 与 设 计 目 标 良 好 结 合

) 重庆建筑大学学报第卷设计方法它以火灾模拟结果和建筑物的实际性能需要为基础更人性化科学化地选取防火技术手段使火灾安全目标火灾损失目标与设计目标良好结合