论文部分内容阅读
[摘 要]天井被广泛应用于大型商场和其他体积大、功能复杂的建筑物当中。本文采用FDS软件对大厦的天井进行火灾场景设计和模拟计算，分析无风条件下和考虑外界风速条件下，天井内中心线处温度分布，天井内玻璃幕墙壁面温度，以及开口喷出火焰对上层的热辐射，并分析了无风和有风条件下对烟气流动的影响。
[关键词]火灾模拟；外界风；温度分布；热辐射；补风
中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）32-0074-04
1 引言
中庭和天井在建筑物中的使用有着非常悠久的历史，随着建筑技术的飞速发展，高层建筑和大体量建筑不断增多，对建筑物采光和空气循环提出了更高的要求。温度梯度、热缓冲层、烟囱效应和温室效应是天井设计所具备的有利生态因素[1]，因此被广泛用于大型商场和其它体积较大、功能较复杂的建筑物当中。充分发挥天井的生态效应，有利于建筑节能应用和新型建筑设计。
中庭和天井在国家技术标准规范中并没有明确的概念界定。《建筑设计防火规范》（以下简称《建规》）对建筑物中庭的防火设计要求有明确规定，但对于火灾危险性与中庭相近的天井的防火设计要求，《建规》没有提及。笔者结合实际工作中遇到的问题，对大厦结构的中庭和天井进行火灾场景设计和模拟计算，分析无风条件和考虑外界风条件下，不同功率火源下壁面温度和辐射热分布，以及对烟气流动的影响。
2 模型场景设置
2.1 模型搭建
FDS（Fire Dynamics Simulator）是美国国家标准与技术研究院（NIST）开发的一种火灾动力学场模拟软件。火灾的场模拟研究是利用计算机求解火灾过程中各参数（如速度、温度、组分浓度等）的空间分布及其随时间的变化，是一种物理模拟。场模拟的理论基础是自然界普遍成立的质量守恒、动量守恒、能量守恒以及化学反应定律等，并且场模拟可以得到比较详细的物理量的时空分布，能精细地体现火灾现象，但是需要较高的计算机能力和较长的运算时间。
本文场景选取天井及四周的办公室作为分析对象进行火灾烟气模拟计算。天井底部位于六层，标高26m。天井截面尺寸为21m×21m，高200m，天井四周分布有办公室及设备用房，天井内壁均用玻璃幕墙与其他区域相隔。天井底部设有面积为10m2的进风口，用于天井内的补气。此外，天井顶部还设有挡板，如图1所示。
2.2 场景设置
对于火源的设置分别考虑了火灾发生在七层和二十层的办公室两种情况，着火点位于靠近天井的位置。建筑内设有自动喷水系统，可抑制起火后的火势。我国上海市工程建设规范DGJ 08-88-2006《民用建筑防排煙技术规程》中吸收和总结了国外关于喷淋作用下火灾热释放速率大小的研究成果，作为条文中给出部分建筑类型有喷淋时对应的火灾热释放速率大小供设计人员参考，见表1。
由该表可知，对于设有喷淋系统的办公室，最大火源功率为1.5MW；不设喷淋的办公室，最大火源功率为6MW。在这里考虑一定的保守系数，在喷淋发挥作用时，火源最大发热功率3MW；考虑自动喷水系统失效的情况时，火源最大发热功率为10MW。模拟火源采用t2-快速增长火。火源设置功率变化如图2。火灾发生后，着火房间的玻璃幕墙炸裂，烟气通过开口进入天井，设定开口尺寸为2.8m×2.9m。图3给出的为场景中火源设置的情况。针对不同火源位置及火灾规模共设置了四个火灾场景，此外还考虑到外界风对天井排烟效果的影响，故对于火源位于七层的情况，加入了外界风的边界条件进行模拟，外界环境风速由式（1）计算。场景设置情况如表1所示。
3 计算结果及分析
3.1 无外界风作用
图4为场景1情况下，天井中心线距天井底部50m和150m两点的温度随时间变化曲线。从曲线中可看出，火灾发生后的200s内，烟气没有在天井内大范围蔓延，随着火灾的发展，在600s左右时，天井内烟气达到了一个相对稳定的值，并维持下去。天井内烟气温度不超过35oC。
3.1.1 天井中心线温度分布
图5为无外界风场景下天井中心线温度分布曲线，从图中可看出，无外界风影响的情况下，对于3MW的火灾，天井中心线温度保持在较低的程度上，最高温度不超过40℃，并且整个天井内部烟气温度差别不大，说明火灾产生的大量烟气可以通过天井有效的排出。对于10MW的火灾，当火源位于7层时，从地面开始到约距地面20m的高度段温度急剧上升，在20m处温度达到最大，但未超过50℃，随着温度的继续升高，天井内的温度迅速下降，并最终稳定在室温25℃左右；当火源位于20层时，从地面到约100m的高度段天井内温度基本不变，100～125m温度急剧升高，随后温度又逐渐下降。
从图5中可以看出，无外界风情况下，火源3MW时，天井内烟气最高温度40℃；火源功率为10MW时，天井内烟气最高温度47℃，不会影响天井的安全。
3.1.2 天井内玻璃幕墙壁面温度
图6为无外界风下，不同位置不同功率火灾发生后1500s时的天井内壁面温度分布图。
当发生3MW的火灾时，大量烟气通过天井排出，没有聚集，整个计算过程中，1500s内壁面的最高温度均没有超过35℃（图中黑色部分），不会对玻璃幕墙造成影响；当火灾规模增大到10MW时，天井内烟气温度稍有升高，天井内壁面的温度也有一定程度的升高，但最高也只有50℃左右。因此，当火灾规模为10MW时，着火层相邻的上层也比较安全，玻璃幕墙不会裂开，火灾不会扩大到上层房间。
此部分计算结果显示，无外界风影响的情况下，天井内壁面温度小于100℃，不会造成玻璃幕墙的受热裂开。
3.1.3 开口喷出的火焰对上层的影响
图7和图8分别给出了无外界风情况下，火源功率为3MW和10MW时着火层上层受到的辐射热流和壁面温度情况。火源功率为3MW时，着火层上层受到的辐射热流不大，壁面能够达到的最高温度约为35℃，此种情况辐射不会引燃其它可燃物；火源功率为10MW时，着火层上层受到的辐射热流增大，但也基本在0.1kW/m2以下，接收辐射面的温度也较低，上层壁面局部温度在45℃左右，不会造成火灾向上层的蔓延。 3.1.4 进风口速度
图9给出的是无外界风影响下，天井底部进风口处的进风速度随时间变化的曲线。从图9中可看出，对于无外界风影响的情况，火源功率3MW时，天井底部进风口的速度在4～6m/s，火源位于七层时进风的速度更快。假设进风口面积为10m2，估算通过此口的体积流率约为96000～140000m3/h。当火源功率为10MW时，相比3MW的情况，进风口速度有了明显的升高，火源处于7层时，在火灾发展阶段，天井底部进风口速度增长速率较大，在800s左右基本稳定在11～12m/s。
当火源位于20层时，其补风口的补风速度随时间变化情况与7层无风条件下大致相同，但在火灾发展的稳定段，天井底部补风口的补风速度较7层工况下低，约为8m/s。
3.2 有外界风作用
3.2.1天井内的温度变化
图10为存在外界风条件时计算场景5和6的结果。对于存在外界风的情况，火源功率3MW时，与无外界风时烟气温度差别不大，烟气最高温度不超过40℃，说明此情况下，外界风没有对烟气的排出造成很大影响。而当火源增大到10MW时，与无外界风时天井内能达到的最高温度差别不大，但其内温度在从最高点下降的速率明显低于无风条件，說明此情况下，外界风对烟气的排出速率具有一定影响。
3.2.2 天井内玻璃幕墙壁面温度
图11为有外界风的作用下，天井内面的壁面温度分布情况。对于3MW的火灾，天井内壁面温度一直处于较低的程度，最高温度不会超过35℃。对于10MW的火灾，在外界风的影响下，温度分布图中没有太大的变化，这说明，外界风对温度的影响作用变化不大。
3.2.3 开口喷出的火焰对上层的影响
图12给出的有外界风情况下，火源功率为10MW时着火层上层受到的辐射热流和壁面温度情况。从图中可以看出，有外界风状况下，着火层上层受到的辐射热流和温度与无风时基本一致，热流基本在0.1kW/m2以下，接收辐射面的温度也较低，上层壁面局部温度在45℃左右，不会造成火灾向上层的蔓延。
3.2.4 进风口速度
图13给出的是外界风影响下天井底部进风口处的进风速度随时间变化的曲线。对于有外界风影响的情况，火源功率3MW时，与无外界风影响的情况相差不大，进风速度不大，约为4～6m，说明此种情况下外界风对天内的气流运动影响不大。当火源功率增大到10MW时，对于有外界风影响的情况，在火灾发展的初期，进风口的速度急剧增加，但随着火灾的继续发展，在800s左右进风口的速度基本稳定在12～13m/s，说明此时由于烟囱效应的作用，加强了天井与外部大气间的气流交换，使得天井底部进风口的补风速度略高于无外界风条件。
4 结论
通过上面对各场景下天井中心线温度分布、天井内壁面温度以及进风口速度的分析，得到如下初步的结论：
对于无外界风影响的情况：
（1）火源功率为3MW时，利用天井内形成的烟囱效应能够将火灾产生的烟气有效的排到大气中，天井内烟气温度较低，天井内壁面温度也不超过35℃，不会影响其它楼层的安全；
（2）火源功率为10MW时，天井内烟气的温度较低，最高温度不超过50℃，不会造成玻璃受热裂开。最危险的区域出现在着火层的相邻上层，另外，烟气基本不会对着火层下方的区域造成影响。
（3）在辐射的作用下，着火层相邻上层在火源位于7层的情况下的温度较低，且受到的影响区域面积较小；在火源位于20层时温度亦较低，但其影响的着火层相邻上层的区域面积较大。各种算例下都不会造成火灾向上层蔓延的危险。
（4）当火源位于7层，外界风对补风口速度有较为明显的影响。有外界风的情况下补风口速度较大，而当火源位于20层时，其补风速度较7层无风情况下更低。
对于有外界风影响的情况：
（5）火源功率为3MW时，计算结果与无外界风时相差不大，说明在小火源功率下，外界风不会对天井的排烟效果造成很大影响，烟气可以有效的被排到大气中；
（6）火源功率为10MW时，虽然自然风加强了烟气的流动，但也基本没有太大的影响，天井内的烟气也没有达到危险条件，火灾不会向上层蔓延。
参考文献
[1] 马全明，许丽萍.天井在住宅生态设计中的应用——以浙江安吉生态屋为例[J]. 建筑学报，2007，11（004）：13-15.
[2] 程远平等.火灾过程中火源热释放速率模型及其实验测试方法[J].火灾科学，第11卷第2期.
[3] 田玉敏.论性能化防火设计中的设计火灾场景.火灾科学 Vol.12 No.1 2003.
[关键词]火灾模拟；外界风；温度分布；热辐射；补风
中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）32-0074-04
1 引言
中庭和天井在建筑物中的使用有着非常悠久的历史，随着建筑技术的飞速发展，高层建筑和大体量建筑不断增多，对建筑物采光和空气循环提出了更高的要求。温度梯度、热缓冲层、烟囱效应和温室效应是天井设计所具备的有利生态因素[1]，因此被广泛用于大型商场和其它体积较大、功能较复杂的建筑物当中。充分发挥天井的生态效应，有利于建筑节能应用和新型建筑设计。
中庭和天井在国家技术标准规范中并没有明确的概念界定。《建筑设计防火规范》（以下简称《建规》）对建筑物中庭的防火设计要求有明确规定，但对于火灾危险性与中庭相近的天井的防火设计要求，《建规》没有提及。笔者结合实际工作中遇到的问题，对大厦结构的中庭和天井进行火灾场景设计和模拟计算，分析无风条件和考虑外界风条件下，不同功率火源下壁面温度和辐射热分布，以及对烟气流动的影响。
2 模型场景设置
2.1 模型搭建
FDS（Fire Dynamics Simulator）是美国国家标准与技术研究院（NIST）开发的一种火灾动力学场模拟软件。火灾的场模拟研究是利用计算机求解火灾过程中各参数（如速度、温度、组分浓度等）的空间分布及其随时间的变化，是一种物理模拟。场模拟的理论基础是自然界普遍成立的质量守恒、动量守恒、能量守恒以及化学反应定律等，并且场模拟可以得到比较详细的物理量的时空分布，能精细地体现火灾现象，但是需要较高的计算机能力和较长的运算时间。
本文场景选取天井及四周的办公室作为分析对象进行火灾烟气模拟计算。天井底部位于六层，标高26m。天井截面尺寸为21m×21m，高200m，天井四周分布有办公室及设备用房，天井内壁均用玻璃幕墙与其他区域相隔。天井底部设有面积为10m2的进风口，用于天井内的补气。此外，天井顶部还设有挡板，如图1所示。
2.2 场景设置
对于火源的设置分别考虑了火灾发生在七层和二十层的办公室两种情况，着火点位于靠近天井的位置。建筑内设有自动喷水系统，可抑制起火后的火势。我国上海市工程建设规范DGJ 08-88-2006《民用建筑防排煙技术规程》中吸收和总结了国外关于喷淋作用下火灾热释放速率大小的研究成果，作为条文中给出部分建筑类型有喷淋时对应的火灾热释放速率大小供设计人员参考，见表1。
由该表可知，对于设有喷淋系统的办公室，最大火源功率为1.5MW；不设喷淋的办公室，最大火源功率为6MW。在这里考虑一定的保守系数，在喷淋发挥作用时，火源最大发热功率3MW；考虑自动喷水系统失效的情况时，火源最大发热功率为10MW。模拟火源采用t2-快速增长火。火源设置功率变化如图2。火灾发生后，着火房间的玻璃幕墙炸裂，烟气通过开口进入天井，设定开口尺寸为2.8m×2.9m。图3给出的为场景中火源设置的情况。针对不同火源位置及火灾规模共设置了四个火灾场景，此外还考虑到外界风对天井排烟效果的影响，故对于火源位于七层的情况，加入了外界风的边界条件进行模拟，外界环境风速由式（1）计算。场景设置情况如表1所示。
3 计算结果及分析
3.1 无外界风作用
图4为场景1情况下，天井中心线距天井底部50m和150m两点的温度随时间变化曲线。从曲线中可看出，火灾发生后的200s内，烟气没有在天井内大范围蔓延，随着火灾的发展，在600s左右时，天井内烟气达到了一个相对稳定的值，并维持下去。天井内烟气温度不超过35oC。
3.1.1 天井中心线温度分布
图5为无外界风场景下天井中心线温度分布曲线，从图中可看出，无外界风影响的情况下，对于3MW的火灾，天井中心线温度保持在较低的程度上，最高温度不超过40℃，并且整个天井内部烟气温度差别不大，说明火灾产生的大量烟气可以通过天井有效的排出。对于10MW的火灾，当火源位于7层时，从地面开始到约距地面20m的高度段温度急剧上升，在20m处温度达到最大，但未超过50℃，随着温度的继续升高，天井内的温度迅速下降，并最终稳定在室温25℃左右；当火源位于20层时，从地面到约100m的高度段天井内温度基本不变，100～125m温度急剧升高，随后温度又逐渐下降。
从图5中可以看出，无外界风情况下，火源3MW时，天井内烟气最高温度40℃；火源功率为10MW时，天井内烟气最高温度47℃，不会影响天井的安全。
3.1.2 天井内玻璃幕墙壁面温度
图6为无外界风下，不同位置不同功率火灾发生后1500s时的天井内壁面温度分布图。
当发生3MW的火灾时，大量烟气通过天井排出，没有聚集，整个计算过程中，1500s内壁面的最高温度均没有超过35℃（图中黑色部分），不会对玻璃幕墙造成影响；当火灾规模增大到10MW时，天井内烟气温度稍有升高，天井内壁面的温度也有一定程度的升高，但最高也只有50℃左右。因此，当火灾规模为10MW时，着火层相邻的上层也比较安全，玻璃幕墙不会裂开，火灾不会扩大到上层房间。
此部分计算结果显示，无外界风影响的情况下，天井内壁面温度小于100℃，不会造成玻璃幕墙的受热裂开。
3.1.3 开口喷出的火焰对上层的影响
图7和图8分别给出了无外界风情况下，火源功率为3MW和10MW时着火层上层受到的辐射热流和壁面温度情况。火源功率为3MW时，着火层上层受到的辐射热流不大，壁面能够达到的最高温度约为35℃，此种情况辐射不会引燃其它可燃物；火源功率为10MW时，着火层上层受到的辐射热流增大，但也基本在0.1kW/m2以下，接收辐射面的温度也较低，上层壁面局部温度在45℃左右，不会造成火灾向上层的蔓延。 3.1.4 进风口速度
图9给出的是无外界风影响下，天井底部进风口处的进风速度随时间变化的曲线。从图9中可看出，对于无外界风影响的情况，火源功率3MW时，天井底部进风口的速度在4～6m/s，火源位于七层时进风的速度更快。假设进风口面积为10m2，估算通过此口的体积流率约为96000～140000m3/h。当火源功率为10MW时，相比3MW的情况，进风口速度有了明显的升高，火源处于7层时，在火灾发展阶段，天井底部进风口速度增长速率较大，在800s左右基本稳定在11～12m/s。
当火源位于20层时，其补风口的补风速度随时间变化情况与7层无风条件下大致相同，但在火灾发展的稳定段，天井底部补风口的补风速度较7层工况下低，约为8m/s。
3.2 有外界风作用
3.2.1天井内的温度变化
图10为存在外界风条件时计算场景5和6的结果。对于存在外界风的情况，火源功率3MW时，与无外界风时烟气温度差别不大，烟气最高温度不超过40℃，说明此情况下，外界风没有对烟气的排出造成很大影响。而当火源增大到10MW时，与无外界风时天井内能达到的最高温度差别不大，但其内温度在从最高点下降的速率明显低于无风条件，說明此情况下，外界风对烟气的排出速率具有一定影响。
3.2.2 天井内玻璃幕墙壁面温度
图11为有外界风的作用下，天井内面的壁面温度分布情况。对于3MW的火灾，天井内壁面温度一直处于较低的程度，最高温度不会超过35℃。对于10MW的火灾，在外界风的影响下，温度分布图中没有太大的变化，这说明，外界风对温度的影响作用变化不大。
3.2.3 开口喷出的火焰对上层的影响
图12给出的有外界风情况下，火源功率为10MW时着火层上层受到的辐射热流和壁面温度情况。从图中可以看出，有外界风状况下，着火层上层受到的辐射热流和温度与无风时基本一致，热流基本在0.1kW/m2以下，接收辐射面的温度也较低，上层壁面局部温度在45℃左右，不会造成火灾向上层的蔓延。
3.2.4 进风口速度
图13给出的是外界风影响下天井底部进风口处的进风速度随时间变化的曲线。对于有外界风影响的情况，火源功率3MW时，与无外界风影响的情况相差不大，进风速度不大，约为4～6m，说明此种情况下外界风对天内的气流运动影响不大。当火源功率增大到10MW时，对于有外界风影响的情况，在火灾发展的初期，进风口的速度急剧增加，但随着火灾的继续发展，在800s左右进风口的速度基本稳定在12～13m/s，说明此时由于烟囱效应的作用，加强了天井与外部大气间的气流交换，使得天井底部进风口的补风速度略高于无外界风条件。
4 结论
通过上面对各场景下天井中心线温度分布、天井内壁面温度以及进风口速度的分析，得到如下初步的结论：
对于无外界风影响的情况：
（1）火源功率为3MW时，利用天井内形成的烟囱效应能够将火灾产生的烟气有效的排到大气中，天井内烟气温度较低，天井内壁面温度也不超过35℃，不会影响其它楼层的安全；
（2）火源功率为10MW时，天井内烟气的温度较低，最高温度不超过50℃，不会造成玻璃受热裂开。最危险的区域出现在着火层的相邻上层，另外，烟气基本不会对着火层下方的区域造成影响。
（3）在辐射的作用下，着火层相邻上层在火源位于7层的情况下的温度较低，且受到的影响区域面积较小；在火源位于20层时温度亦较低，但其影响的着火层相邻上层的区域面积较大。各种算例下都不会造成火灾向上层蔓延的危险。
（4）当火源位于7层，外界风对补风口速度有较为明显的影响。有外界风的情况下补风口速度较大，而当火源位于20层时，其补风速度较7层无风情况下更低。
对于有外界风影响的情况：
（5）火源功率为3MW时，计算结果与无外界风时相差不大，说明在小火源功率下，外界风不会对天井的排烟效果造成很大影响，烟气可以有效的被排到大气中；
（6）火源功率为10MW时，虽然自然风加强了烟气的流动，但也基本没有太大的影响，天井内的烟气也没有达到危险条件，火灾不会向上层蔓延。
参考文献
[1] 马全明，许丽萍.天井在住宅生态设计中的应用——以浙江安吉生态屋为例[J]. 建筑学报，2007，11（004）：13-15.
[2] 程远平等.火灾过程中火源热释放速率模型及其实验测试方法[J].火灾科学，第11卷第2期.
[3] 田玉敏.论性能化防火设计中的设计火灾场景.火灾科学 Vol.12 No.1 2003.