住宅建筑火災(zāi)是社會(huì)比較關(guān)注的問題，它涉及到住戶的人身、財(cái)產(chǎn)等切身利益。相對(duì)于高大空間的公共建筑，中國(guó)住宅建筑空間較小，且多采用易燃性的家具、裝修材料和電器，導(dǎo)致室內(nèi)火災(zāi)荷載密度較高，火災(zāi)蔓延和煙氣填充速度較快，火勢(shì)不易控制;另外，燃燒產(chǎn)生的有毒氣體隨高溫?zé)煔庋杆傧蚴覂?nèi)擴(kuò)散，使火災(zāi)中人員安全受到較大的威脅[1]。

　　摘 要：以住宅建筑火災(zāi)安全為研究背景，根據(jù)多室實(shí)體住宅建筑模型室內(nèi)火災(zāi)升溫及高溫?zé)煔饬鲃?dòng)影響的試驗(yàn)結(jié)果，重點(diǎn)討論了起火房間尺寸、門洞尺寸及樞紐空間等 3個(gè)主要空間構(gòu)造因素對(duì)室內(nèi)高溫?zé)煔饬鲃?dòng)影響。以質(zhì)量守恒等相關(guān)熱力學(xué)和流體力學(xué)基本概念建立了住宅空間單室尺寸與高溫?zé)煔夥植嫉膸缀侮P(guān)系模型;利用動(dòng)量守恒控制體法建立了開敞空間的開口尺寸與煙氣擴(kuò)散的關(guān)系模型。分析表明，住宅建筑火災(zāi)安全應(yīng)充分考慮空間構(gòu)造形式的影響;通過對(duì)煙氣流動(dòng)模式的獨(dú)立房間尺寸設(shè)計(jì)和房間連通形式設(shè)計(jì)，可以有效地控制室內(nèi)溫度分布和煙氣流動(dòng)路徑。

　　關(guān)鍵詞：建筑工程招投標(biāo)論文,住宅建筑,建筑火災(zāi),煙氣流動(dòng),空間構(gòu)造形式

　　統(tǒng)計(jì)顯示[2]，火災(zāi)中85%以上的人員死亡直接因素是吸入了煙塵或有毒氣體而中毒窒息傷亡，高溫?zé)煔獾牧鲃?dòng)又會(huì)造成火災(zāi)蔓延。從火災(zāi)后現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，空間格局是導(dǎo)致火場(chǎng)擴(kuò)大、煙氣擴(kuò)散的一個(gè)重要原因。因此，研究空間格局對(duì)室內(nèi)火災(zāi)煙氣流動(dòng)的影響是一個(gè)重要課題。基于火災(zāi)安全觀點(diǎn)的住宅空間設(shè)計(jì)，是目前降低住宅火災(zāi)損失的一個(gè)有效的技術(shù)手段。

　　郭 震，等：住宅建筑內(nèi)火災(zāi)高溫?zé)煔饬鲃?dòng)數(shù)學(xué)模型

　　基于火焰物理特性及空間邊界特性，許多學(xué)者開展了相關(guān)的空間火災(zāi)發(fā)展、煙氣蔓延及有毒氣體擴(kuò)散等研究[34]。Brian等[5]利用試驗(yàn)方法驗(yàn)證了有毒氣體隨高溫漂浮擴(kuò)散過程，并提出空間形式是影響煙氣流動(dòng)的主要因素。Harrison[6]在進(jìn)行大空間中庭建筑火災(zāi)煙氣流動(dòng)研究中發(fā)現(xiàn)，走廊寬度和層凈高將決定高溫?zé)煔庀蛑型�擴(kuò)散的時(shí)間。此外，Poreh等[7]研究發(fā)現(xiàn)擋煙垂壁對(duì)減緩煙氣水平擴(kuò)散具有較大的作用。火災(zāi)的發(fā)生具有隨機(jī)性，但是火災(zāi)產(chǎn)生的高溫?zé)煔饬鲃?dòng)受到建筑空間形式的影響。當(dāng)建筑形式確定后，煙氣的流動(dòng)模式具有確定性，或是說如果掌握高溫?zé)煔饬鲃?dòng)與建筑空間形式的關(guān)系，則可以通過有效的建筑空間設(shè)計(jì)控制煙氣的流動(dòng)。

　　本文在建筑住宅單元模型的室內(nèi)火災(zāi)升溫及高溫?zé)煔饬鲃?dòng)試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，在建筑住宅單元空間構(gòu)造形式對(duì)室內(nèi)火災(zāi)高溫?zé)煔饬鲃?dòng)的影響規(guī)律方面進(jìn)行深入討論。空間構(gòu)造形式包括：房間高度、門洞尺寸、房間面積及各房間連通形式等。基于物理學(xué)觀點(diǎn)對(duì)影響規(guī)律進(jìn)行機(jī)理分析，進(jìn)而建立空間因素與室內(nèi)煙氣流動(dòng)的關(guān)系模型，旨在為限制或減緩高溫?zé)煔鈹U(kuò)散的消防設(shè)計(jì)和住宅建筑火災(zāi)安全評(píng)價(jià)提供一些新思路。

　　1 住宅建筑的空間設(shè)計(jì)與主要構(gòu)造

　　作為民用住宅空間結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的功能性，而房間的分割或者稱為戶型是實(shí)現(xiàn)住宅功能最直接的表現(xiàn)。隨著住宅建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，越來越多的戶型可供選擇。雖然戶型種類良多，但是仍然可總結(jié)出一些規(guī)律。

　　1.1 住宅空間高度與單室面積

　　單元式住宅每個(gè)房間的獨(dú)立性較強(qiáng)，相互之間均通過轉(zhuǎn)換空間(樞紐空間)聯(lián)系。通常設(shè)計(jì)中，客廳及主臥室屬于大房間;廚房、衛(wèi)生間、書房或貯藏室為小房間。當(dāng)室內(nèi)層凈高確定后，每個(gè)獨(dú)立房間的空間容積是確定的。以封閉單室火災(zāi)的觀點(diǎn)，高溫?zé)煔庠诓煌�起火房間內(nèi)填充的時(shí)間不同，房間越大煙氣填充時(shí)間越長(zhǎng)。然而，室門的存在勢(shì)必造成高溫?zé)煔庠谕耆�填充房間前向外流動(dòng)擴(kuò)散。

　　1.2 門洞尺寸

　　門洞形式主要有2種，一種是有可開閉的室門，如臥室、廚房或書房;另一種是全開敞形式，如客廳、餐廳。前者門洞上方有一定高度的過墻，后者門洞高度基本等于室內(nèi)凈高。

　　高溫?zé)煔馔ㄟ^這2種門洞的形式是不同的。

　　1.3 樞紐聯(lián)系空間構(gòu)造

　　樞紐聯(lián)系空間起到了連通獨(dú)立房間的作用。通常單元型住宅建筑的樞紐空間面積相對(duì)較小，且密集的留設(shè)各獨(dú)立房間的門洞開口。任何一個(gè)獨(dú)立房間起火，高溫?zé)煔獗厝幌攘飨驑屑~聯(lián)系空間，然后根據(jù)其他非起火房間與樞紐聯(lián)系空間的連通方式向某個(gè)非起火房間流動(dòng)。因此，可以認(rèn)為樞紐聯(lián)系空間的構(gòu)造形式?jīng)Q定了高溫?zé)煔獾牧鲃?dòng)趨勢(shì)，具有分配高溫?zé)煔饬鲃?dòng)的特點(diǎn)，是影響高溫?zé)煔饬鲃?dòng)的主要空間因素。

　　2 住宅建筑火災(zāi)高溫?zé)煔饬鲃?dòng)試驗(yàn)結(jié)果分析

　　利用熱電偶束量測(cè)了住宅建筑模型火災(zāi)過程的空間溫度變化[8]，按照理想氣體狀態(tài)，燃燒釋放的輕物質(zhì)及加熱的空氣形成漂浮的煙氣流。因此，從空間溫度場(chǎng)的分布可以間接獲得高溫?zé)煔饬鞯穆窂健�煙氣進(jìn)入各房間的順序及煙氣流的熱量變化。

　　2.1 溫度場(chǎng)分布特征

　　以T1試驗(yàn)為例，分別討論玻璃破碎前一刻(模型為封閉系統(tǒng)，不考慮室外氣流的影響)的空間平面溫度和豎向溫度分布。

　　1)平面溫度分布 由于熱煙氣受到浮力影響而漂浮在房間上部，因此將距天花板底150 mm處的測(cè)點(diǎn)位置溫度繪于圖1。圖中圓圈表示測(cè)點(diǎn)，圓圈內(nèi)部數(shù)字表示測(cè)點(diǎn)編號(hào)。

　　從圖1可以看出以下幾點(diǎn)特征：

　　(1)火源點(diǎn)附近具有全域最高溫度，除了燃燒產(chǎn)生的熱煙氣外，還有較強(qiáng)的熱輻射。

　　(2)遠(yuǎn)離火源點(diǎn)時(shí)，空間溫度值逐漸減小，說明煙氣向遠(yuǎn)端運(yùn)動(dòng)過程中熱量出現(xiàn)損失，熱損失是由于高溫?zé)煔馔牧鬟\(yùn)動(dòng)卷吸冷空氣和熱對(duì)流造成的。

　　(3)在相同水平位置，樞紐空間的的溫差不大，而餐廳(6號(hào)測(cè)點(diǎn))、書房(9號(hào)測(cè)點(diǎn))兩處誤差達(dá)到108℃;由于3和5兩點(diǎn)位于起火房間與樞紐空間連通處，且為全敞式連通形式，高溫?zé)煔饪梢詿o障礙流動(dòng);而9號(hào)位于有可開閉室門的房間，雖然試驗(yàn)中室門上方過墻為100容不迫mm高，但是流入室內(nèi)的煙氣溫度仍舊有較大的降低。 　　(4)在有室門的臥室1和臥室2房間中，雖然8和10號(hào)位置靠近起火房間，但溫度遠(yuǎn)低于其他室內(nèi)測(cè)點(diǎn)，說明高溫?zé)煔膺\(yùn)動(dòng)方向受到空間格局的影響。當(dāng)流動(dòng)方向上無障礙時(shí)，高溫?zé)煔鈱?duì)后方房間影響很小;當(dāng)流動(dòng)方向上有阻礙時(shí)，高溫?zé)煔饣亓髟斐蓪?duì)后方房間的填充，如，8號(hào)位置溫度要高于10號(hào)位置。

　　2)豎向溫度分布 空間豎向溫度變化反應(yīng)了煙氣層的豎向分布。提取起火房間、樞紐空間及餐廳的豎向溫度繪于圖2。

　　在靠近天花板底處的煙氣層溫度較高，在運(yùn)動(dòng)過程中卷吸冷空氣，煙氣層下降，溫度降低。由于樞紐空間與起火房間的全開敞連通，該空間的豎向溫度變化基本一致。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出煙氣層對(duì)空間豎向溫度分布的2個(gè)特點(diǎn)：

　　(1)隨著遠(yuǎn)離火源點(diǎn)，在煙氣流動(dòng)方向上，空間豎向溫差也逐漸減小。

　　(2)在煙氣流動(dòng)方向的斷面上，空間豎向溫度變化基本一致。

　　2.2 起火位置與煙氣流動(dòng)關(guān)系

　　仍以T1試驗(yàn)為例，根據(jù)試驗(yàn)量測(cè)的溫度值及煙氣與溫度的關(guān)系，將煙氣流動(dòng)路徑及煙流量繪于圖3。

　　由圖3所示可知：

　　1)當(dāng)非起火房間的門面對(duì)起火房間，該房間將進(jìn)入較多的高溫?zé)煔猓�根�?jù)室內(nèi)豎向溫度變化的規(guī)律，可以認(rèn)為該房間的升溫是由于高溫?zé)煔鈱酉鲁恋介T上方過墻而溢入的。

　　2)當(dāng)非起火房間的門背對(duì)起火房間，該房間進(jìn)入的煙氣量較少且溫度較低，該房間的升溫也是因高溫?zé)煔鈱酉鲁恋介T上方過墻而溢入的，下沉速度要小于1)的情況，這與煙氣流動(dòng)方向有關(guān)。

　　3)當(dāng)非起火房間門與煙氣流動(dòng)方向平行時(shí)，起火房間位置對(duì)該房間溫度幾乎沒有影響。

　　2.3 房間開口尺寸與煙氣擴(kuò)散關(guān)系

　　按照高溫使燃燒產(chǎn)物漂浮而形成煙氣層觀點(diǎn)，結(jié)合前面的試驗(yàn)結(jié)果及圖3所示，房間開口尺寸與煙氣擴(kuò)散具有如下關(guān)系：

　　1)全開敞形式，如，客廳、餐廳與樞紐空間的連通方式，高溫?zé)煔饪梢詿o障礙直接通過，煙層的熱量損失主要是由于卷吸冷空氣造成，若燃燒率穩(wěn)定，煙氣流出量不變，則改變?nèi)�開敞開口寬度不會(huì)造成房間頂部的溫度變化，而會(huì)增加煙層厚度，造成溫度豎向分布值增加。

　　2)有可開閉的室門，如臥室、書房，類似擋煙垂壁的室門上方過墻起到了阻礙煙氣流動(dòng)的作用，若煙氣層厚度不變，當(dāng)改變過墻高度，煙氣向室內(nèi)的擴(kuò)散形式將發(fā)生變化。

　　根據(jù)以上試驗(yàn)現(xiàn)象，可以看出起火房間容積決定了高溫?zé)煔庀蛲庖绯鰰r(shí)間和溫度，樞紐空間的構(gòu)造形式?jīng)Q定了高溫?zé)煔饬鲃?dòng)路徑。因此利用相關(guān)熱力學(xué)和流體力學(xué)概念分別建立起火房間空間尺寸及樞紐空間構(gòu)造形式2個(gè)主要因素與室內(nèi)高溫?zé)煔饬鲃?dòng)的理論模型。

　　3 起火房間空間尺寸的影響

　　根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在起火房間的火源點(diǎn)附近溫度分布符合圓錐體模型。假定火源點(diǎn)在房間中部，浮力羽流不受墻壁的影響，而形成完整倒圓錐體[3]，在燃燒焰火下方可以等效一個(gè)虛熱源點(diǎn)，即倒圓錐尖，見圖4所示，圖中hs、hc、h0分別為虛火源點(diǎn)到天花板距離、室內(nèi)層凈高、燃燒物品高度;rs、r0分別為煙氣錐在天花板底的擴(kuò)散半徑、燃燒火焰范圍的半徑。

　　4 樞紐空間構(gòu)造形式的影響

　　雖然對(duì)于多室火災(zāi)煙氣流動(dòng)的研究已建立了場(chǎng)區(qū)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合模型[12] ，將每個(gè)獨(dú)立的房間(起火房間用場(chǎng)模型，非起火房間用區(qū)域模型)作為網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)，連接這些獨(dú)立房間的空間(樞紐空間)作為網(wǎng)絡(luò)的干線。然而，對(duì)于單元型住宅而言，樞紐空間面積相對(duì)較小，又密集的留設(shè)各獨(dú)立房間的門洞開口。另外，根據(jù)前文分析，空間因素又直接影響高溫?zé)煔獾牧鲃?dòng)路徑，所以對(duì)于單元型住宅建筑空間，樞紐空間的構(gòu)成形式?jīng)Q定了高溫?zé)煔獾牧鲃?dòng)路徑和擴(kuò)散方式，不能簡(jiǎn)單的將樞紐空間假定為網(wǎng)絡(luò)干線。

　　關(guān)于樞紐空間可以總結(jié)為：1)門洞口上方垂壁可以有效的延緩高溫?zé)煔獾倪M(jìn)入，只有當(dāng)煙氣厚度達(dá)到垂壁高度后才開始向房間擴(kuò)散。2)高溫?zé)煔膺M(jìn)入樞紐空間后，平面任意方向速度可以認(rèn)為相同。 3)由于平面速度高于煙氣下沉速度，高溫?zé)煔鈱⑾认驘o垂壁的開敞空間擴(kuò)散，但是如果開敞空間與樞紐空間聯(lián)通的開口面積較小時(shí)，樞紐空間的煙氣排出量小于進(jìn)入量，煙氣層將下沉，達(dá)到垂壁高度后將向其他房間擴(kuò)散。

　　因此，利用牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律建立開敞空間最小開口寬度與樞紐空間的關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)延緩高溫?zé)煔庀鲁粒�最大限度的控制煙氣向所有房間擴(kuò)散的時(shí)間。牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律是分析流體流動(dòng)的常用方法，也可以稱為動(dòng)量方程的控制體法，它的積分表達(dá)式為：

　　將樞紐空間形式、煙氣流入和流出繪于圖5，其中樞紐空間為控制體(虛線內(nèi))，煙氣由某一起火房間流入，經(jīng)由控制體向無垂壁空間流出(斜線區(qū)域)，同時(shí)存在煙氣下沉趨勢(shì)。圖中流入煙氣生 現(xiàn)假定：

　　由于kh為大于1，k2h(kh-1)(k-1)-2是一個(gè)單調(diào)遞增函數(shù)，根據(jù)式(16)可以得到以下幾點(diǎn)：

　　1)開敞空間開口寬度b與火源煙氣生成率ms成正比，在其他條件一定時(shí)，當(dāng)火源功率較大時(shí)，開敞空間開口寬度應(yīng)加寬，以減緩煙氣向其他房間擴(kuò)散。

　　2)開敞空間開口寬度b與樞紐空間面積As、凈高度hc成反比，當(dāng)樞紐空間面積較大或凈高度較大時(shí)，開口寬度可以相應(yīng)小一些，因?yàn)檩^大的樞紐空間面積或高度可以儲(chǔ)納較多煙氣，延緩了煙氣層下降。

　　3)開敞空間開口寬度b與垂壁高度hcb成反比，當(dāng)垂壁高度較大時(shí)，開敞空間開口寬度可以小一些，較大的垂壁高度可以延緩煙氣層的下沉，所以需要排出樞紐空間的煙氣通量減小。

　　利用式(16)可以進(jìn)行以下幾點(diǎn)工作：

　　1)根據(jù)防火技術(shù)規(guī)范[14] 中火災(zāi)荷載密度的建議計(jì)算出火災(zāi)強(qiáng)度，然后利用該式設(shè)計(jì)樞紐空間與開敞空間之間聯(lián)通的最小火災(zāi)安全寬度。

　　2)擴(kuò)大開敞空間的開口寬度，使較多的煙氣疏導(dǎo)到開敞空間，開敞空間按照火災(zāi)薄弱區(qū)進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)，則可以提高住宅建筑的火災(zāi)安全系數(shù)，避免高溫?zé)煔庋訜�引起的結(jié)構(gòu)連續(xù)性破壞。 　　3)對(duì)已建建筑可以利用該式評(píng)價(jià)其火災(zāi)安全等級(jí)。

　　5 結(jié) 論

　　以單元式住宅建筑為研究背景，利用室內(nèi)火災(zāi)過程的高溫?zé)煔饬鲃?dòng)特性模型，對(duì)影響室內(nèi)火災(zāi)高溫?zé)煔饬鲃?dòng)的空間構(gòu)造形式進(jìn)行了分析，分別建立了考慮起火房間尺寸、樞紐空間構(gòu)造形式2個(gè)主要空間影響因素的煙氣擴(kuò)散計(jì)算模型。根據(jù)模型構(gòu)成，在穩(wěn)定火源情況下，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

　　1)起火房間的尺寸構(gòu)成了高溫?zé)煔饬鞯倪吔鐥l件，它將決定高溫?zé)煔馓畛浜蛿U(kuò)散的時(shí)間;利用式(9)或式(10)可以判斷室內(nèi)溫度的分布或是進(jìn)行空間尺寸設(shè)計(jì)以控制室內(nèi)溫度，對(duì)于式(9)或式(10)的驗(yàn)證工作將在后續(xù)研究中進(jìn)行。

　　2)室門上方的過墻起到了阻礙煙氣流動(dòng)的作用，而全開敞空間將成為高溫?zé)煔鉄o阻礙進(jìn)入的空間，因此為減緩高溫?zé)煔馊�房間的擴(kuò)散，應(yīng)保證全開敞空間的開口尺寸滿足式(16)要求。

　　3)樞紐空間是影響室內(nèi)煙氣流動(dòng)路徑的主要影響因素。基于煙氣流動(dòng)方式設(shè)計(jì)的樞紐間，可以有效控制煙氣全房間擴(kuò)散時(shí)間，或是將某一房間設(shè)計(jì)為存煙空間，再加強(qiáng)其耐火性能的設(shè)計(jì)以提高住宅建筑的火災(zāi)安全。

　　4)影響煙氣流動(dòng)方式變化的因素還有房間的相對(duì)位置，室門上方的過墻高度，這將在后續(xù)的研究中利用數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行深入探討。

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