环形教学楼火灾烟气流动规律与疏散时间研究★

沈 斌 宋晓阳 刘新蕾 张 芳 姜雷鸣

(1.黑龙江科技大学安全工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022；2.黑龙江科技大学瓦斯等烃气输运管网安全基础研究国家级专业中心实验室，黑龙江 哈尔滨 150022)

高校校园建筑以教学楼为主，人流密度大，一旦发生火灾极易引发群死群伤事故，严重威胁学生生命安全[1]。开展教学楼火灾研究，有助于提升火灾应对能力，科学制定人员疏散路径。FDS(Fire Dynamics Simulator)技术被广泛应用于建筑防火研究。余明高等[2]运用FDS软件分析了高校教学楼走廊火灾烟气风险，得出了该教学楼极限疏散时间；孙超等[3]对高校教学楼单一楼层内呈对称布置的房间内火势蔓延及人员疏散情况进行了模拟研究，获得了所有房间内人员疏散时间；刘新蕾等[4]运用FDS软件模拟分析哈一百中庭商厦的火灾烟气扩散规律，得出了室内中庭类建筑在天窗开闭两种工况下的烟气流动规律和安全疏散时间。上述研究为建筑火灾研究提供了参考，但尚未对全尺寸中庭类大型建筑开展相关火灾研究，据此，本文选取黑龙江科技大学环形中庭教学楼——科技大厦作为研究对象，建立全尺寸模型，以影响人员安全疏散的烟气温度、CO浓度、能见度等外界因素为指标点，采用FDS软件对大厦开放空间内火灾烟气流动影响开展模拟研究。

1 计算模型及场景设定

1.1 计算模型

黑龙江科技大学科技大厦教学楼为典型的环形中庭建筑，长130 m，宽100 m，高21.5 m，面积13 000 m2，中间部分为非建筑区(1楼右侧为旁楼区域)，每层楼设置3个主楼梯和6个副楼梯。为了提高计算效率、保证精度，以1∶1比例建立仿真模型，如图1所示，共划分286 000个网格。

1.2 火灾场景设定

火灾场景显著影响建筑内的火势发展，依据保守和最不利原则进行设定[5]。该建筑主要为上课办公的场所，人员多而集中，因此，将火源的位置设为1层南部楼梯附近，为配电箱电气火灾，火源位置截面如图2a)所示，其余楼层的截图如图2b)所示。模拟中的桌椅表面选用黄松，其他参数选用pyrosim数据库内的默认参数，火源热释放速率为4 000 kW/m2。火灾模拟过程选取类型为快速火，采用t2型火灾模型，其发展系数取值为0.046 9 kW/s2，通过公式计算获得火灾达到最大热释放速率的时间为185 s。由于本次火灾属于室内，假设不考虑风的影响。

在南北部的主楼梯和每层走廊的拐角位置设置了监测器，每层楼的监测器共6处，每处3个监测器，分别监测走廊温度，CO浓度，能见度的分布。如图2所示，分别为监测点a,b,c,d,e和f，即南部主楼梯附近、走廊西南拐角、走廊西北拐角、北部主楼梯附近、走廊东北拐角和走廊东南拐角。本次模拟中，取疏散人员的平均肉眼水平高度1.6 m，选取模拟的最长时间为1 000 s，将人员的安全疏散时间约束为3个条件[6]：1)烟气热对流温度不高于60 ℃；2)一氧化碳浓度不高于500 ppm；3)能见度不低于10 m。

2 结果与分析

2.1 模拟烟气流动情况

火灾烟气的流动一般会先沿着火焰的蔓延方向，在受到建筑物布局与尺寸等约束后，达到最终的状态。笔者通过对该环形建筑火灾发生烟气流动情况的观察，以顶部楼层烟气蔓延为时间点，截取各层烟气流动情况图，见图3。

如图3所示，顶层模拟的时间点分别选取烟气布满北部楼梯口、达到顶层北部走廊处和达到最大面积的三个时刻。从图3中可以看出，当火源充分燃烧后，短时间内会产生大量烟气，并由于空气密度差的原因向上扩散。1楼火源处的烟气可以很快到达5楼，呈现出该建筑的烟囱效应，烟气从底部开始竖直上升，到达顶层楼板后，沿走廊向四周扩散，可在500 s内完全覆盖顶层。该建筑为环形中庭结构，火灾发生后各层走廊与楼梯是烟气扩散通道。烟气的水平扩散会形成明显的回流和沉降，随着温度的不断升高，最终会在每层的顶部形成热烟气层[7]。

2.2 温度分布

通过在各层设置监测点，得出各层温度变化图，见图4。

从图4中可以看出，南部楼梯处的a点温度较其他各个监测点都要高出许多，并且各点达到极限值的时间，由下到上依次为149 s,101 s,93 s,121 s和149 s。1楼和2楼的最高温度可达到250 ℃以上，而3楼～5楼的最高温度依次降低，除b,f点的温度在5楼的烟气温度接近60 ℃以外，其余各点的温度始终处于30 ℃以内，较为安全。

2.3 CO浓度分布

根据各层设置的监测点，得出各层CO浓度变化图，如图5所示。

从图5中可以看出，南部楼梯处的a点CO浓度增长较快，达到极限值0.000 5 mol/mol的时间，由下到上，依次为189 s,103 s,126 s,146 s和170 s；b点依次为920 s,304 s,306 s,未达到、253 s；c点依次为未达到、966 s,706 s、未达到、421 s；d点依次为820 s,768 s,714 s,586 s和363 s；e点依次为998 s,965 s,764 s、未达到、531 s；f点依次为566 s,273 s,334 s、未达到、334 s。易知除去a点情况外，楼层越低，CO浓度达到极限值的时间越晚。

2.4 能见度分析

火灾烟气具有遮光性特点，会阻碍人员的视线，影响人员的安全疏散。各楼层监视点能见度变化如图6所示。

从图6中可以看出，依然是南部楼梯处的a点烟气能见度增长较快，达到极限值10 m以下的时间，由下到上，依次为43 s，56 s，58 s，76 s和82 s；b点依次为354 s，247 s，170 s，187 s，168 s；c点依次为577 s，519 s，278 s，285 s，252 s；d点依次为440 s，415 s，387 s，381 s和349 s；e点依次为489 s，444 s，424 s，351 s，273 s；f点依次为302 s，223 s，142 s，201 s，172 s。

2.5 安全疏散时间确定

通过对3种烟气危险因素的模拟结果进行分析，得出各个楼层的安全疏散时间，见表1。

表1 安全疏散时间统计表 s

从表1可以看出，烟气温度、CO浓度和烟气能见度的影响范围主要是南部楼梯附近，对于表中温度来说，除走廊西南拐角处外，烟气温度均未达到60 ℃。表1中的CO浓度和能见度达到极限值的时间，除a处以外，越高的楼层安全疏散时间越短。通过表1中横向数据对比，发现CO浓度达到极限值时间的几个监测点排列顺序为e，c，d，b，f，a，烟气能见度极限时间排序为e，d，c，b，f，a。

综合考虑3种危险因素，选择走廊东北拐角e处的楼梯逃生最合适，1层～5层的逃生极限时间依次为489 s，444 s，424 s，381 s，273 s。

3 结论

本文采用FDS技术，以火灾发生过程中的温度、CO浓度、能见度为指标，对环形中庭式教学楼建筑的火灾烟气流动情况进行了模拟研究，结果表明：

1)以1层南部楼梯为火源，烟气扩散由于烟囱效应，垂直上升到达楼顶顶板，在受到顶板的阻碍后开始水平扩散，其扩散的路径为各层楼梯与走廊对称性蔓延。此环形建筑由于走廊较窄，走廊、楼梯与起火区相连，将严重影响人员的安全疏散，且越高的楼层危险性越大。

2)通过模拟得出了最佳逃生路径为各层的东北拐角处楼梯，并得出1层～5层的逃离时间分别为489 s，444 s，424 s，381 s和273 s。本次模拟可为今后环形中庭教学楼建筑的逃生路径及疏散时间提供理论指导。