高层建筑凹型外立面火灾蔓延特性研究_王甘雨.pdf

DOI：10.13905/ki.dwjz.2022.12.013高层建筑凹型外立面火灾蔓延特性研究ON THE FIRE SPREAD CHARACTERISTICS OF CONCAVE FACADE OF HIGH-RISE BUILDINGS王甘雨1，2，黄琼3，卢莎1，2，吴珂1，2（1.浙江大学平衡建筑研究中心，杭州 310007；2.浙江大学浙江省海洋岩土工程与材料重点实验室，杭州 310058；3.杭州市钱江新城建设开发有限公司，杭州 310020）WANG Ganyu1,2,HUANG Qiong3,LU Sha1,2,WU Ke1,2（1.Center of Balance Architecture,Zhejiang University,Hangzhou 310007,China;2.Key Laboratory of Offshore Geotechnics andMaterial of Zhejiang Province,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China;3.Hangzhou Qianjiang New CBD Construction&Development Co.,Ltd.,Hangzhou 310020,China）【摘要】文中针对高层建筑设计中广泛应用的凹型外立面，采用FDS火灾动力学模型对火灾蔓延特性展开数值模拟研究，分析了不同结构因子下外立面温度场分布以及火灾危险性的影响，进一步揭示了火灾蔓延控制机制。结果表明火灾烟气沿凹型外立面的快速蔓延是由凹槽宽度和进深共同决定的，并对凹槽结构参数做出一定要求，从而为高层建筑外立面火灾烟气防控提供参考依据。【关键词】高层建筑；凹型外立面；烟囱效应；结构因子【中图分类号】TU972【文献标志码】A【文章编号】1001-6864（2022）12-0055-06Abstract：The FDS fire dynamics model is used to simulate the fire spread characteristics of the concave facade,which is widely used in high-rise building design.The temperature field distribution and fire risk of the facade under different structural factors are analyzed,and the control mechanism of fire spread was further revealed.The results show that the rapid spread of fire smoke along the concave facade is determined by the width and depth of thegroove,and certain requirements are made for the groove structure parameters.Key words：high-rise building;concave facade;chimney effect;structure factor0引言为提高建筑通风和采光效果，凹型外立面被广泛应用于高层建筑设计。但其三面封闭的特殊结构也带来了严峻的火灾安全问题。一旦发生火灾易成为火灾蔓延的快速通道，短时间内即可形成大规模立体式火灾，造成巨大的经济损失和人员伤亡1，2。近年来，人们逐渐关注到凹型建筑火灾危险性，并针对凹槽内火灾蔓延特点展开了较为系统的研究3，4。李建涛等5首次将凹槽进深和宽度的比值定义为结构因子，通过保持宽度不变增加进深，研究了结构因子在0.41.6范围内凹型外立面火灾蔓延特性，指出凹型结构产生的烟囱效应是促进火灾蔓延的主要原因，且随结构因子增大影响更为显著。潘晓菲等研究了宽度为1m的凹槽内部烟气温度场和CO浓度场的变化，发现结构因子达到0.6时出现烟囱效应，而后随结构因子增大烟囱效应加剧，并在达到1.2时趋于稳定。上述研究仅改变凹槽进深，未充分考虑凹槽宽度对火灾蔓延特性的影响。因此，唐虎潇等6，7指出凹槽进深变化对烟气蔓延几乎没有影响，而凹槽宽度的增加能有效降低火场温度，减缓烟气蔓延。袁满等8进一步考虑了给定面积和高度情况下凹槽形状变化对烟气蔓延特征的影响。然而已有研究工况设置相对有限，未充分考虑凹槽宽度大于2m，结构因子大于2.5条件下凹槽尺寸变化对火灾蔓延特性的影响。GB 50016-2014 建筑设计防火规范 等9国家标准中已经指出建筑凹口具有较大的火灾蔓延危险性，但对于如何控制凹槽结构参数尚未明确。文中针对高层建筑凹型外立面典型火灾场景，分析不同凹槽尺寸下火灾蔓延规律和火灾危险性，以期为高层建筑外立面设计及消防审验工作提供技术支持。1研究方法1.1数值方法火灾动力学模拟器（FDS）是一种专门为火灾模拟开发的计算流体动力学软件，是研究基础火灾动力学和燃烧学的基本工具。FDS数值模拟过程中的湍流模型默认采用大涡模拟方法，重点关注火灾场景下的烟气流动和热量传递过程10，11，以获得火灾发展过程中温度、组分浓度、速度等多物理量场的时空分布。采用兼顾火羽流蔓延特征及计算效率的混合分数模型和快速反应假设对燃烧过程进行模拟，并利用有限55低温建筑技术-建筑技术Dec.2022 No.294体积法求解非散射灰色体的辐射传热方程实现包含吸收、发射及散射在内的辐射换热过程12，同时通过调用FDS数据库可以对物体表面赋予材料燃烧特性和热边界条件，利用经验公式处理传热传质过程。1.2模型构建文中构建的FDS火灾动力学模型为1栋25层凹型住宅建筑，总高80m，如图1（a）所示。其楼层高度为3m，楼板厚度为0.2m，墙体厚度为0.2m。模型采用钢筋混凝土围护结构，外设聚氨酯泡沫保温材料。文中重点研究凹槽尺寸变化对火灾蔓延的影响，由图1（b）可知，凹槽结构主要由背墙以及两边侧墙组成。其中，侧墙长度即为凹槽的进深D，侧墙间距即为凹槽的宽度W，由此可定义结构因子=D/W，即深宽比，以此来量化凹槽结构变化的影响。基于最不利火灾场景原则，考虑建筑内部无喷淋和机械排烟设施，设置稳态火为 6MW，着火面积为1m2，火源燃烧反应为“POLYURETHANE”。并将火源设置在首层靠近凹槽背墙的房间内，房间尺寸为3.3m3.3m，窗口尺寸为1.2m1.5m。环境温度设置为20，大气压强为1.01325105Pa。为捕捉凹槽内火灾蔓延特征，采用非均匀网格划分整个计算模型，整体网格尺寸设置为0.5m0.5m0.5m，对凹槽区域进行局部加密，网格尺寸为0.25m0.25m0.25m。为追踪建筑凹槽内温度、CO浓度等参数变化以监测火灾烟气蔓延情况，并评估火灾竖向蔓延对高层住户的影响程度，模型沿凹槽背墙中心线竖向每隔0.5m布设温度测点和CO浓度测点。沿水平方向距离背墙每隔1m布设温度测点，并同步设置温度切片进行实时观测。模拟时间为600s，考虑到火焰与烟气运动具有明显的震荡现象，后续研究将取后60s的平均值进行数据分析。1.3研究工况为分析凹槽结构参数对高层建筑火灾蔓延和烟气运动的影响，在标准平面外立面（W=0m，D=0m）的基础上构建凹型建筑模型。考虑到凹槽结构可能产生的特殊火灾效应，一般按照两相邻建筑的防火间距6m来控制凹槽宽度，且根据江苏省DB 32/3920-2020住宅设计标准13的有关规定，凹槽开口宽度与凹槽深度的比例不应小于1：3。但当前建筑构造形式的多样化和复杂性导致凹槽开口满足防火间距要求较为困难。因此文中分别设置了1、2、4、6m共4种凹槽宽度，并调整对应进深以满足凹槽结构因子取值从0.54范围内变化，共21组工况，具体模拟工况如表1所示。2结果分析2.1火灾烟气蔓延特性高层建筑发生火灾后，火焰及烟气将从窗口溢出，沿着建筑外侧壁面向上蔓延。不同建筑外立面下火灾蔓延状态如图2所示。可以看到，在标准平面外立面条件下，溢流烟气将同时沿水平方向及竖直方向蔓延至开敞空间，可在整栋建筑的大部分区域形成烟气弥漫。但由于烟气在上升过程中不断与冷空气混掺，竖向蔓延速度明显弱化，烟气在达到较高楼层时变得稀薄，几乎不会对上层住户产生威胁。而对于具有侧墙阻隔的凹型外立面，高温烟气则难以向两侧扩散，导致烟气在凹槽内聚集。在水平方向上，特别是着火楼层附近几乎没有烟气溢出，从而呈现出明显的竖向传播特征，在数10s内即可窜升至顶部，平均竖向扩散速度达16m/s，几乎是平面外立面竖向蔓延速度的2倍，火灾危险性大大增加。为进一步分析凹槽结构参数对高层建筑凹型外立面火灾蔓延的影响，取进深从04m的凹槽内温度场云图见图3。从图中可以看出，当无侧墙约束时，溢流火焰可以充分卷吸周围冷空气，在一定程度上呈现出与外立面脱离，沿水平方向向外延伸的发展趋势。（a）模型示意图（b）凹型结构示意图切片80测点背墙侧墙火源点WD30图1凹型建筑模型设置（单位：m）表1模拟工况设置工况编号12671112161721凹槽宽度W/m01246凹槽进深D/m00.5、1、2、3、41、2、4、6、82、4、8、12、163、6、12、18、24结构因子/0.540.540.540.54图2不同建筑外立面火灾烟气蔓延情况对比（a）标准平面外立面（b）凹型外立面56而侧墙的存在则使得两侧的空气卷吸作用受到限制，随着凹槽进深的增加，侧面空气卷吸受限愈加显著，在火焰附近产生一定的负压区。与此同时，在正面气流的卷吸强化作用下，凹槽开口侧冷空气将阻碍凹槽内烟气向外扩散，从而导致背墙对火焰的壁面吸附作用逐渐增强。可以看到，当进深达到2m时，溢出火焰将逐渐开始发生附壁燃烧，此后随着进深进一步增大，凹槽内部高温区域将稳定地吸附在建筑外立面。当D=2m时，不同宽度条件下的凹槽内温度场云图。与凹槽深度主要影响水平扩散状态不同，凹槽宽度将直接影响溢流火焰和烟气的竖向蔓延范围。可以看到，当凹槽宽度较小时，火势更易向高处蔓延，烟气竖向蔓延促进效果更为显著。当凹槽宽度为1m时，溢流火甚至可以覆盖5个楼层区域，如图4（d）所示。这是因为随着凹槽宽度的减小，通过加剧对侧面空气卷吸的限制作用，强化了竖直向上的浮力气流；同时由于凹槽里的高温烟气难以与冷空气混合，烟气热量损失较小，凹槽底部区域与顶部逐渐增大的温差导致烟气竖向驱动力进一步提升。由图4可见，在凹型结构中火灾烟气将会产生烟囱效应，而这种烟囱效应将主要通过凹槽的宽度和进深结构，影响火焰特征及火灾烟气的卷吸模式。随着结构因子的增大，一方面，凹槽进深增加使得火灾烟气的水平扩散受到抑制；另一方面，凹槽宽度的减小将进一步促进烟气沿凹槽内竖向通道加速蔓延。两者的共同作用将导致火灾蔓延特征随结构因子的增大而发生变化。图5分别展示了有无侧墙作用下的火灾竖向蔓延模式。如图5（a）所示，当外立面无侧墙时，溢出火可充分卷吸两侧及正面新鲜空气，火灾烟气沿溢出口水平方向及两侧蔓延。而在侧墙约束的条件下，火焰将从底部和正面卷吸更多的空气以满足其燃烧需要，从而提高火焰底部诱导气流的流速，如图5（b）所示，烟气将在烟囱效应的作用下向上快速蔓延。2.2外立面温度场分布（a）无侧墙（b）有侧墙侧向卷吸正面卷吸正面卷吸着火房间上层房间正面卷吸图5高层建筑外立面火灾蔓延机理120010008006004002000温度/020406080W=0m，D=0mW=1m，D=0.5mW=1m，D=1mW=1m，D=2mW=1m，D=3mW=1m，D=4m高度/m（a）凹槽宽度1m（b）凹槽宽度2m120010008006004002000温度/020406080W=0m，D=0mW=2m，D=1mW=2m，D=2mW=2m，D=4mW=2m，D=6mW=2m，D=8m高度/m（c）凹槽宽度4mW=0m，D=0mW=4m，D=2mW=4m，D=4mW=4m，D=8mW=4m，D=12mW