高层建筑外墙火灾数值仿真研究

智会强 牛 坤

公安部天津消防研究所

高层建筑外墙发生火灾后，火灾竖向蔓延速度快，救援困难，且外墙玻璃破碎后，火灾很容易进入室内，给人员疏散造成困难，很容易造成人员伤亡。

随着信息技术及计算科学的发展，数值模拟技术在消防工程中得到了广泛应用，对消防工程的发展起到了良好的推动作用。火灾过程的数值模拟是在描述火灾过程的各种数学模型的基础之上进行的，它试图从工程科学的角度出发，分析和研究火的发生、发展，烟气的蔓延以及火灾对周围环境的影响[1,2]。数值模拟技术使科研人员不必投入大量的人力、物力、财力去进行全尺寸火灾实验,只需掌握火灾相关参数并建立有效的火灾模型即可进行模拟研究,是一种代价低、周期短且可多次复现的研究方法[3]。目前，数值模拟已在消防科研、性能化设计、火灾调查、消防决策指挥系统等领域得到了广泛应用。本文采用数值模拟的方法，对某高层建筑外墙火灾进行了分析，研究了火灾蔓延规律。

1 火灾蔓延数值分析的实现

固体材料的燃烧过程，一般是先热解为气态物质，然后再燃烧，因此火灾蔓延模拟中一般需要热解模型的支持，本文数值分析采用美国NIST开发的FDS软件，因此，以FDS的固体热解模型为例，说明火灾蔓延数值分析的实现[4,5]。

FDS中的固体物质可以由多层材料组成，每一层材料都可包含多种物质成分。每种固体物质可以进行多个反应，这几个反应可能发生在不同的温度下，消耗不同量的热量。热解反应需要确定每个反应的产物，FDS中热解产物可以是固体残留物、水蒸汽、燃料气体等。反应物可通过参数：NU_RESIDUE（固体残留物），NU_WATER（水蒸气），和NU_FUEL（燃料）来设定。

热解模型必须指定反应温度和反应。在温度Ts下，第i类材料的第j个热解反应的反应速度由式（1）给定：

Ai,j是一指数因子，单位是s-1；Ei,j是活化能，单位是kJ/kmol。对于大多数材料，很难确定Ai,j和Ei,j。此时，可以通过指定参数reference rate(s-1)和reference temperature(℃)来进行计算。FDS会利用这两个参数来完成计算。reference rate的默认值是0.1s-1。数值分析时，一般取reference rate为默认值，只指定reference temperature。

2 火灾蔓延数值分析及蔓延规律研究

2.1 模拟场景设置

经分析，共设置3个火源位置，火源位置A位于建筑东侧中部位置，火源位置B位于建筑南侧中部位置，火源位置C位于建筑东南侧，如图1。根据需要共设位置4个计算场景，场景设置，见表1。

图1 火源位置示意图

表1 火灾场景分析汇总表

2.2 模拟参数设置

2.2.1 建模

建模过程中对实际模型进行了局部简化，将外墙材料统一简化为挤塑聚苯板，另外由于实际建筑体量巨大(长45m，宽30m，高90m)，进行火焰蔓延需要网格尺寸极小，进行整体模拟，计算系统难以承受，因此在考虑计算经济性的情况下，对实际建筑进行了1/3比例的缩尺建模，网格尺寸最小0.04m，最大0.08m。

2.2.2 输入参数设置

环境初始温度24℃，初始风速0m/s；湍流模型采用大涡模拟模型，燃烧模型采用混合分数模型，热解模型采用固体材料热分解模型；初始火源为1MW恒定火源，引燃外墙材料后，自行熄灭，外墙材料统一为模塑聚苯板，热解温度320℃，内墙为混凝土。

2.2.3 测点布置

在模型各墙面上分上、中、下位置各布置3个热电偶测点，位置分别距离地面5m、15m和25m，其中THCPB位于墙角，其余热电偶位于各面墙的中部位置。各热电偶具体位置和编号，如图2。

图2 测点布置图

2.2.4 模拟结果

图3为火灾场景B的火焰蔓延过程图，由于未考虑室外风的影响，火灾在建筑外立面基本成对称形式向上部和两侧蔓延，向上蔓延速度远高于向两侧蔓延速度，从着火侧立面向相邻立面的蔓延首先发生在建筑上部，除着火侧外，其他立面呈现火焰自上而下蔓延的现象，该场景火焰蔓延顺序为南侧、东侧、西侧、北侧。图4为测点THCPC和测点THCPD的温度曲线，可以看到最高温度可以达到1000℃以上。其他场景模拟结果，见表2。

图3 火灾蔓延过程

图4 各测点温度曲线

表2 模拟结果分析

3 结论和建议

通过模拟分析，可得如下结论：

（1）利用FDS软件的热解模型和燃烧模型可以较好地实现火灾的蔓延仿真，但对超大体量建筑采用并行算法进行分析时，在网格尺寸较小的情况下，数值计算的稳定性较差，极易出现数值发散的情况；

（2）在单点点火的情况下，火灾首先从着火点沿着火面外墙向上及向两侧蔓延，火焰垂直蔓延速度远远高于水平蔓延速度，火灾从单侧向相邻侧蔓延一般首先会出现在建筑顶部区域，然后相邻侧火灾会呈现自上而下的蔓延过程，最终会发展为整个建筑外表面全部参与燃烧的情形；

（3）有风情况下，火灾的蔓延速度会明显加快，尤其是火焰在下风向的水平蔓延速度会明显加快，但风力会阻止火焰向上风向蔓延。

通过研究分析，对高层建筑的外立面防火提出如下建议：

（1）建议相关规范尽快完善对铝塑板幕墙的防火要求。如可以对不同高度的高层建筑，规定可采用的铝塑板材料的防火性能；

（2）建议相关规范尽快完善对外墙外保温材料的防火要求。如规定防火隔离带的做法，防火隔离带不应只考虑水平隔离，还应考虑垂直隔离带。从数值分析看，对于两个立面交界处采用一定的防火措施，有利于阻止火灾向相邻侧的蔓延；

（3）对于高层建筑，为防止外部火灾向建筑内部蔓延，应加强其外窗的防火要求,如规定超高层建筑外窗宜采用防火窗等。

[1] 范维澄，孙金华，陆守香，等. 火灾风险评估方法学[M].北京：科学出版社，2004

[2] 霍然，袁宏永. 性能化建筑防火分析与设计[M]. 合肥：安徽科学技术出版社，2003

[3] 丁谢镔. 通风受限单室火灾回燃过程的大涡模拟[J].消防科学与技术，2009，28(6)：227-231

[4] 周庆，徐志胜. 多层建筑火灾烟气运动的数值模拟[J].消防科学与技术，2004，23(1)：20-24

[5] Kevin McGrattan,Simo Hostikka,Jason Floyd.Fire Dynamics Simulator (Version 5)Technical Reference Guide Volume 1: Mathematical Model[R]. 2009

[6] Randall McDermott，Kevin McGrattan，Simo Hostikka.Fire Dynamics Simulator Technical Reference Guide Volume 2: Verification[R]. 2009