厂房类建筑火灾烟气蔓延规律研究

厂房类建筑火灾烟气蔓延规律研究

王庆舞1，翟文华2，李博3

辽宁阜新，辽宁开大建设集团有限公司，123000

摘要：近年来，随着经济建设的快速发展，随之而来的是大空间厂房类建筑的数量剧增，企业生产用房、仓储用房日趋大型化。厂房类建筑以其强度高、自重轻、跨度大、外观漂亮、施工方便、施工时间短、内部空间大等优势被越来越多的企业认可和采用。但是一旦发生火灾，扑救十分困难，容易造成人员伤亡和财产损失。本研究以辽宁开大建设集团有限公司在建厂房类建筑为研究对象，使用Pyrosim软件建立仿真模型，设立火灾场景，以FDS数值模拟探究厂房类建筑在突发火灾情况下烟气蔓延、温度变化、有害气体浓度变化、能见度变化对施工人员应急疏散的影响。

关键词：厂房类建筑；火灾；烟气；蔓延规律

1 厂房类建筑施工现场火灾特点

厂房类建筑施工现场由于功能、材料、人员、设备等相对较多的“四多”特征，一旦发生火灾，烟气将迅速蔓延，人员疏散以及消防救援工作非常困难，就会造成严重的人员伤亡及财产损失。且厂房类建筑施工现场管理难度大的问题使疏散以及救援工作更加困难。厂房类建筑施工现场火灾的主要特点有以下几点：

1.1易形成烟囱效应，火灾蔓延的速度较快

厂房类建筑施工现场内部管理复杂，可燃材料分布范围广泛，一旦发生火灾就会形成“立体燃烧”。发生火灾时由于内外温差作用，烟气会随着压力差的作用迅速蔓延，从而产生“烟囱效应”，加速火势蔓延。由于厂房类建筑施工现场处于主体结构施工阶段，所有门窗均未安装，都是孔洞形式，因此为着火源提供了充足的氧气与燃烧环境、稳定的通风条件。同时会受到外部风作用效应显著的影响，建筑物的高度越高，其造成的烟气蔓延速度会越快，火势会变得更大。

1.2施工现场可燃物以及点火源多，火灾隐患大

厂房类建筑施工现场存在大量的可燃物，这些装饰材料基本为易燃材料。厂房类建筑施工现场生产动火作业是最主要的致火原因。施工过程中使用大量的电焊、气割、气焊等动火作业，作业产生的火花、灼热熔珠四处飞溅散落，引燃建筑材料，引发火灾。施工现场电器设备较多，在进行动火作业时，一旦火星飞溅到可燃物上，在一定的条件下将会形成火灾。

1.3缺少防火分区、人员疏散困难

厂房类建筑施工现场一旦发生火灾，由于楼梯间、管道井、排气道等尚未施工完毕，需要设置防火门的地方缺乏防火设施、防火分区没有形成，使得烟气容易蔓延进入到未封闭的竖井结构中，从而引发烟囱效应，加大了控制火势的难度。厂房类建筑施工现场的火灾自动报警系统、自动喷淋系统、消防栓系统及其他灭火系统处于尚未启动状态，仅仅依靠工地的灭火器和简易灭火工具难以有效的灭火。施工人员全部及时疏散到地面或者空旷的区域比较困难。厂房类建筑施工现场人员密集程度较高，且没有统一的消防规范或者消防标识不明显，这些都对人员疏散造成极大的困难。

图1 厂房类建筑施工现场火灾烟气蔓延规律总体框架

1.4大跨度的结构，容易出现坍塌事故

厂房类建筑结构跨度较大，属于大跨结构，防火分区划分标准比较低。厂房的结构大多为钢筋混凝土框架结构或者单纯钢框架，如遇火灾事故，受火焰及高温影响，此类厂房的构件承重能力减弱，承重结构改变，支撑作用降低，因此会出现倒塌事故。钢结构在火焰和高温的作用下，承载能力快速下降，只要局部遭到破坏，也往往会造成建筑整体失衡坍塌，火场行动安全条件差，安全防护的难度大。

2厂房类建筑施工现场火灾烟气蔓延规律总体框架

本文从宏观策略角度以辽宁开大建设集团在建厂房项目为例开展建筑施工现场火灾情况下烟气蔓延规律研究。利用BIM技术构建参数化信息模型，应用火灾动力学软件PyroSim对厂房类建筑施工现场火灾进行FDS烟气数值模拟分析。首先，利用Revit软件建立建筑信息模型，导入PyroSim仿真软件进行火灾烟气分析，通过PyroSim软件对不同区域烟气层高度、烟气温度、能见度以及CO浓度进行分析，设定各因素危险临界值，得到不同操作区域人员可用安全疏散时间，针对数据仿真结果提出厂房类建筑施工现场火灾烟气蔓延规律总体框架，见图1所示。

3厂房类建筑施工现场火灾场景模拟分析

3.1 项目简介

图2 阜新市海州工业园区智能无人系统规划区（起步区）基础设施建设项目

图3 无人机10#厂房BIM模型

阜新市海州区工业园智能无人系统规划区（起步区）基础设施建设项目位于辽宁省阜新市海州区韩家店镇域内，工业园总用地面积为43681.2平方米，总建筑面积 20803平方米，项目效果图见图2所示。规划新建厂房10座，厂房总建筑面积15925平方米；配套办公用房1座，建筑面积4878平方米；并建设给排水、供暖、供电、道路、绿化、硬覆盖等配套工程。本文选取该项目10#厂房为例构建安全信息模型，见图3所示。依照1:1尺寸建模，力求模型贴近事实，缩小与现实的误差。钢结构厂房在火焰和高温的作用下，承载能力快速下降，只要局部遭到破坏，也往往会造成建筑整体失衡坍塌，火场行动安全条件差，安全防护的难度大。

3.2厂房类建筑施工现场火灾模拟分析

1、建立火灾模型

以阜新市海州工业园区无人机10#厂房项目为对象构建模型。本研究应用Revit软件按照1:1的比例建立厂房建筑火灾物理模型并导入至Pyrosim中。在进行火灾场景模拟分析时，需要对火灾模型进行网格划分，网格划分大小对模拟精度和模拟速度有很大的影响，本文网格尺寸划分为0.5m×0.5m×0.5m。模拟初始环境：室内流场为静态，温度为20℃。本文研究对象为的厂房建筑施工现场，自动灭火系统、排烟系统没有有效形成。为监测装配式公寓项目火灾蔓延及逃生路线的能见度和温度变化特性，在火层及上下相邻层距离地面2m高处设置多个温度传感器、CO浓度传感器和能见度传感器。

2、场景1模拟结果分析

（1）火灾烟气蔓延分析

图4为场景1模拟火灾发生后无人机厂房内烟气的蔓延过程。从图4（a）～（f）模拟结果中可以看出，火灾发生30s时，火灾烟气主要集中在火源周围。90ｓ时，烟气由于浮力作用迅速向上蔓延，火灾烟气已经到达顶棚位置；150s时，烟气通过侧面的窗户扩散到厂房外部；210s时，随着火势的不断发展，烟气浓度逐渐升高。360s时，火灾烟气浓度不断增大，厂房内几乎被烟气淹没。

（a）30S                               （b）90S

（c）150S                               （d）210S

（e）270S                                （f）360S

图4 场景1烟气蔓延图

（2）温度变化分析

图5 场景1温度变化曲线图                  图6 场景1温度变化切片图

根据温度传感器收集的变化数据绘制温度变化曲线图及切片图，如图5、6所示。根据前文介绍，人体的环境温度极限在60℃左右，根据温度传感器数据可知：约250s时4号传感器探测温度超过60℃，约450s后所有探测器探测温度均超过60℃。

（3）CO浓度变化分析

在羽流的作用下烟气的浮力增大，迅速上升到天花板。烟气在天花板处产生射流，并沿天花板迅速向走廊两侧扩散。在正烟囱效应下，烟气随着时间的推移逐渐蔓延至火源点上方的楼层。见图7、8所示，当烟雾层高度小于人眼特征高度时，模拟时间内所有检测点的CO浓度均未达到临界值，CO不会对人体造成伤害。

图7 场景1 CO浓度变化曲线图             图8 场景1 CO浓度变化切片图

（4）能见度变化分析

图9 场景1能见度变化图              图10 场景1能见度变化切片图

在燃烧过程中会产生大量的固体和液体颗粒，极大地影响着火场的能见度，对人员紧急疏散和火灾的扑救带来阻力。因此，本研究设置了能见度传感器，其位置与温度传感器相同。如图9、10所示为能见度变化切片图。从图示可以看出，约230s时3号探测器能见度低于10m，约415s时所有探测器能见度指标均低于10m。因此，415s后厂房内人员不能有效疏散。

4 结语

从厂房类建筑烟气模拟仿真结果可知：火灾发生时，烟气由于浮力作用向上蔓延迅速。能见度的影响是最高优先级，其次是有害气体浓度和温度。能见度变化特征可以指导人员疏散和救援。研究成果可为厂房类建筑火灾情况下的人员应急疏散管理提供理论与数据支持。

参考文献：

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[3]肖木峰,周西华,白刚,王珏,潘新新.基于Pathfinder的装配式建筑施工安全应急疏散研究[J].中国安全生产科学技术,2021,17(07):124-129.

作者简介：王庆舞（1976-），汉族，吉林省吉林市人，建筑施工副高级工程师，辽宁开大建设集团有限公司。

翟文华（1980-），汉族，山东省商河县人，中级工程师，辽宁开大建设集团有限公司。

李博（1987-，汉族，辽宁省阜新市人，中级工程师，辽宁开大建设集团有限公司。