（安全技术及工程专业论文）地下商业建筑烟气流动与控制的模拟研究.pdf

s u b j e c t s p e c i a l t y n a m e ：s t u d i e so ns m o k em o v e m e n ta n ds m o k em a n a g e m e n ti n c o m m e r c e u n d e r g r o u n dc o n s t r u c t i o n s f i r e ：s a f e t ye n g i n e e r i n g ：g u oz i d o n g i n s t r u c t o r ：c h a n gx i n t a n z h a n gj i a n r a n g a b s t r a c t ( s i g n a t ur e ) ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) i nt h em o d e mt i m e ，m o r ea n dm o r eu n d e r g r o u n dc o n s t r u c t i o nh a sb e e np u ti nu s ea sa r e s u l to ff a s td e v e l o p m e n to fc i t i e sa n dv a s ti n c r e a s eo f p o p u l a t i o n u n d e r g r o u n dc o m m e r c i a i c o n s t r u c t i o ns h o w st h eh i g h e rf i r ef a t a l n e s sw i t h i na l lt y p e so fu n d e r g r o u n dc o n s t r u c t i o n s t u d i e so ns m o k em o v e m e n ta n dc o n t r o li n u n d e r g r o u n dc o m m e r c i a lc o n s t r u c t i o nh a v e b e c o m eah o tt o p i ci nt h ef e l do ff i r er e s e a r c h t h i st h e s i sc o n d u c t sf lt h o r o u g hs u r v e yo nt h el i t e r a t u r ei nt h ef i e l do fs m o k e m o v e m e n t a n dm a n a g e m e n t a na n a l y s i so f d e s i g nm e t h o df o rt h es y s t e mo fs m o k em a n a g e m e n ti sa l s o p r o v i d e d r e s e a r c h o ns m o k em o v e m e n ti n u n d e r g r o u n dc o m m e r c i a lc o n s t r u c t i o na n d c o r r e s p o n d i n gi n f l u e n t i a lf a c t o r si ss e ta st h ec o r et o p i co ft h et h e s i s t h ed e t e r m i n a t i o no fm a t h e m a t i c a lm o d e l s a d o p t e da n dt h ec o r r e s p o n d i n gv e r i f i c a t i o no f r a t i o n a lm e s hs t r u c t u r ea r ev e r yi m p o r t a n tt ot h er e s u l t so fc f d n t t m e r i c a is i m u l a t i o n b y c o m p a r i n gt h eo b t a i n e ds i m u l a t i o nr e s u l t sw i t hr e s u l t sf r o mt h a to ft h ee x p e r i m e n t sc o n d u c t e d b ys i c h u a ns c i e n t i f i cr e s e a r c ha c a d e m yo ff i r es a f e t y , t h i st h e s i sa s c e r t a i n st h er a t i o n a l m o d e lo fk 一t w oe q u a t i o n sw i t ht h es i x f l u xm o d u l e c o n s i d e r i n gt h ed i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so fu n d e r g r o u n dc o m m e r c i a lc o n s t r u c t i o n ，i n - s i t u i n v e s t i g a t i o n sa r ec o n d u c t e d ，a n dap r o p e rg e o m e t r ym o d e li sc h o s e n s o f t w a r ec f di su s e d t os i m u l a t es m o k em o v e m e n ta n dm a n a g e m e n ti nu n d e r g r o u n dc o m m e r c i a lc o n s t r u c t i o nf o r t h ep u r p o s eo fr e s e a r c ho i lf i r ep r o t e c t i o n f r o mt h es i m u l a t i o n ，t h et h e s i sr e v e a l se f f e c t i v ef a c t o r so fn a t u r a ls m o k e e j e c t i n u n d e r g r o u n d c o m m e r c i a lc o n s t r u c t i o n t h er e s e a r c ha l s ow o r k so n p o s i t i o n i n go f s m o k e c o n t r o l l i n gd e v i c e s ，s m o k eq u a n t i t ya n dt h eq u a n t i t yo fs u p p l e m e n t a r ya i ru n d e r v a r i o u sm e c h a n i c a l e je c tc o n d i t i o n s ，a n dt h eo v e r a l le f f e c to ft h e s ef a c t o r si sd e d u c e d t h ep e r f o r m a n c e - b a s e dd e s i g nm e t h o df o rs m o k em a n a g e m e n ts y s t e mi nu n d e r g r o u n d c o n s t r u c t i o ni sf u r t h e rd i s c u s s e d ，a n di t sp r o c e d u r e sa r ed e m o n s t r a t e d ，w h i c h ，i nt u r n ，s h o w i n g ag o o dp r o s p e c to fi t sa p p l i c a t i o nt ot h ee n g i n e e r i n gd e s i g no ff i r es a f e t y k e y w o r d s ：f i r e c f ds m o k en u m e r i c a l s i m u l m i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y 主要符号袁 压差 火室温度，k 外界环境的温度，k 中性面以上距离，i l l 风压，p a 无量纲压力系数 环境空气密度，k g m 3 风速，m s 火源功率增长系数，k w s 2 点燃后的燃烧时间，s 有效点燃时间，s 模型常数 湍流脉动动能 湍流脉动动能的耗散率 模型常数 模型常数 体膨胀系数 重力加速度 焓的湍流普朗特数 介质的散射系数 黑体的发射功率 变量中的扩散系数 变量中的源项 主要符号表 西姿科技大学 学位论文独创性说明 y9 2 3 0 5 0 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 1 学位论文作者签名繇汹眇6 - 彳- 坫 q 学位论文知识产权声明书 签名却汹虢，r 务以箩伊 o o 一占年嘭月o j 日 1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究的背景 2 0 世纪是高层建筑的世纪，专家们预测2 l 世纪是地下空间的世纪。这是解决越来 越严重的土地紧缺、环境污染、交通拥塞、能源浪费、防灾安全等问题的战略方向【1 1 。 在地球表面以下的土层或岩层中天然形成或经人工开发而成的空间称为地下空间。 地下空间已被视为人类所拥有的、迄今尚未被充分开发的一种宝贵自然资源，开发利用 地下空间是开拓新的生存空间较为现实的途径。这一点在世界人口不断增长，而陆地上 适于生存的土地正在日益减少的宏观背景下，对于人类的生存和发展具有重大意义。 开发利用城市地下空间的战略意义在于【2 1 ： ( 1 ) 在不扩大或少扩大城市用地的前提下，实现城市空间的三维式拓展，从而提高土 地的利用效率，节约土地资源； ( 2 ) 缓解城市发展中的各种矛盾； ( 3 ) 保护和改善城市生态环境； ( 4 ) 建立完善的城市地下防灾空间体系，保障城市在发生自然和人为灾害时的安全： ( 5 ) 实现城市的集约化发展和可持续发展，最终大幅度提高整个城市的生活质量， 达到高度的现代化。 随着我国经济实力的增长，地下空间的开发正在悄悄地进入一个飞速发展的新阶 段。我国一些大城市及东部经济发达地区，已开始把地下空间开发利用的规划、立法、 标准、设计和施工等有机地结合起来。目前，地下建筑的发展趋势是公共建筑( 如图书 馆、体育馆、车库) ；地下商业街；高速交通网( 如地铁、隧道等) ；公用服务设施( 如 各种管道、电缆等) ；能源贮存( 如地下油库、地下液化石油气库等) 。 作者所处的西安市是一座历史文化名城，为了保持古都风貌，城市发展受到一定限 制，此种情况下，开发利用地下空间尤显重要。 地下建筑，其概念一般是指建造在岩石和土层中的比附近地面标高低2 m 以上的建 筑。地下商业建筑作为地下建筑的一种利用形式，在地下空间的开发利用中占有重要的 地位，而且规模一般都比较大。同时，地下商业建筑的火灾荷载大，特别是服装商业街， 一旦着火，火势不容易扑灭。地下商业建筑的防火救火工作具有相当大的困难。 大量的火灾案例证明，烟气中毒和窒息成为建筑火灾中人员致死的主要原因。此外， 由于高温烟气的迅速流动和蔓延，引起了火势的迅速蔓延和扩大。因此，在建筑防火特 别是在地下商业建筑防火中，必须设防排烟系统，以对烟气进行有效的控制。但防排烟 的成本、效果如何还需进一步研究。本文将结合西安地下商业建筑的情况，用数值模拟 西安科技大学硕士学位论文 的方法研究地下商业街的最优防排烟方式。为地下商业建筑的防排烟设计提供一种思 路。 1 1 1 国内外地下建筑的火灾情况 根据我国的火灾统计，从1 9 9 7 年到1 9 9 9 年，我国每年地下建筑火灾发生次数约为 高层建筑的3 4 倍，火灾中死亡人数约为高层建筑的5 6 倍，造成的直接经济损失约 为高层建筑的1 3 倍。进入2 1 世纪，地下建筑火灾略有减少，但火灾死亡人数仍数以 百计( 具体情况见表1 1 、表1 2 ) 【3 4 ，一l 。 表1 11 9 9 7 年至1 9 9 9 年高层建筑与地下建筑火灾数据统计【3 ，4 ，5 】 表1 22 0 0 0 年至2 0 0 2 年高层建筑与地下建筑火灾数据统计 6 3 , 8 1 自1 9 9 0 年起，由7 2 0 名目本专家组成的课题组进行了为期3 年的系统调研，收集 了发生于1 9 7 0 1 9 9 0 年期间地下空间内的各种灾害，分别列出日本国内案例6 2 6 个和国 外案例8 0 9 个，并进行归类。按照事故发生次数多寡排列出的各种灾害顺序表明，无论 是日本国内还是其国外，火灾案例约占事故总数的1 3 ，所以地下建筑火灾是最不容忽视 的地下空间灾害一j 。 由表1 3 可见，在地下公共场所中地下商业建筑是发生火灾次数最多，造成人员伤 亡、经济损失最严重的场所，其消防安全工作甚为重要。例如，1 9 8 0 年3 月1 6 日，日 本静岗市火车站前地下商场发生火灾，燃烧了6 小时，死亡1 2 人，伤2 0 0 余人，经济 损失巨大。又如我国江西南昌福山地下贸易中心共有3 层，总建筑面积7 8 2 7 5m 2 ，第1 层既是人行过道又是商场，第2 层开设旅舍、饭店等，第3 层为青年宫娱乐场。1 9 8 8 年9 月1 5 日0 时4 0 分，该贸易中心因柜台内的可燃物引起特大火灾，大火延烧了1 7 个多小时才被扑灭，造成地下商业街中心线长约2 6 0m ，宽6m ，共1 5 6 0m 2 面积的环 形主干道及6 8 户店面被烧毁，直接经济损失达1 4 8 7 万余元【3 】。 2 l 绪论 商店商场 2 7 8 集贸市场4 7 歌舞厅 6 3 宾馆饭店 2 0 4 影剧院 9 学校 4 6 车站1 2 办公用房 1 4 2 5 24 6 3 2 3 7 25 1 3 3 2 32 9 35 1 32 3 02 3 5 24 6 34 62 3 l6 8 2 4 1 1 2 我国地下建筑的发展及概况 从本世纪6 0 年代开始，我国就大规模兴建地下工程，建成了大量的人民防空工程。 7 0 年代开始，我国又将这些人民防空工程逐步转化为平时可以利用的地下建筑。改革开 放以来，随着我国经济的发展，我国地下建筑的发展更加迅速，建筑层数越来越多，逐 渐从单层发展为2 层，3 层乃至十几层；规模越来越大，从最初的几百m 2 ，发展到现在 的几万n 1 2 ，甚至十几万m 2 ；用途也越来越多，功能越来越复杂，如地下街、地下商场、 医院、旅馆、餐厅、展览厅、电影院、游艺场、礼堂、舞厅、停车库、和仓库等。 ( 1 ) 我国地下商业建筑的形式 就其建筑形式来说，地下商业建筑有以下三种形式： 独立地下商业建筑，即独立建设的地下商业建筑，如北京西单文化广场、珠海 拱北口岸广场以及广州的康王商业城都是典型的独立地下商业建筑。 利用“地铁”设施建设地下商业建筑，这是目前北京、上海、广州以及深圳等拥 有地铁设施的大城市独有的地下商业建筑形式。以北京为例，北京地铁每天客流达几百 万人次，在建设中考虑并利用各大站点建设了地下商业建筑，并取得了一定的经济效益。 未来十年内，我国一些大城市将建设和增建地下铁道，地铁站商业广场也将得到进一步 发展。但是如果地铁站商业广场失火蔓延至地铁站，后果将不堪设想。 综合建筑附属地下商业建筑，即利用建筑的地下部分即人防工程建设的商用地 下建筑。 ( 2 ) 地下商业建筑的平面布置 地下商业建筑的内部平面布置以通道式与厅式的居多，如西安丹皮尔商城地下一层 ( 图1 1 ) ；但附建式地下商业建筑大多是棋盘式或环式的。 3 3 9 3 3 5 2 b 如 弧 扎 孤 溉 蚴 m 议 狮 蚕 们 m 粥 啪 钙 盼 觞 挖 吣 如 钉 嘲 m 泐 仍 挖 姗 挪 5 l 3 l 4 l 2 j 搅 钾 鼹 m 6 弱 为 拼 如 酪 抛 7 剪 5 西安科技大学硕士学位论文 图1 1 西安丹皮尔商城地下一层平面布置简图( 部分) ( 3 ) 地下商业建筑趋向大型化、综合化 1 1 3 大型地下商业建筑的火灾危险性 随着我国地下商业建筑的广泛利用和不断兴建，各地消防部门通过了解地下商业建 筑的分类、分布、建筑特点、通风形式、消防设施等基本情况，对城市地下商业建筑进 行了广泛的调查研究，发现普遍存在严重的火灾隐患，同时调研结果也反映出大型地下 商业建筑火灾疏散与扑救难度极大。 ( 1 ) 建筑空间超大，格局复杂 为吸引客流、便利商品流通，大型地下商业建筑多位于繁华街道、广场、十字街等 处。其建筑空间超大，内部格局复杂，特别是环型地下商城，经常使购物、娱乐人员摸 不清方向。 ( 2 ) 商品火灾荷载密度高 大型地下商业建筑以经营服装、鞋帽、化妆品为主，大部分商品是化纤、皮革、橡 胶等可燃、有毒物品，其燃烧速度快、发烟量大、燃烧产生烟气毒性大。 据统计，大型地下商业建筑火灾荷载密度一般达到2 5 k g m 2 l o o k g m 2 。如此高的 火灾荷载密度，在得不到充足的空气情况下，燃烧时间将会持续6 1 8 h ，是地面同样荷 载燃烧时间的3 倍，增加了疏散和扑救的难度。 ( 3 ) 用电负荷大 由于大型地下商业建筑不能自然采光，因此除事故照明外，所需正常照明设备较多。 此外，为了方便顾客，商业建筑内附设的服装加工、电器修理部门等要使用电熨斗、电 烙铁等加热器具。这些电气设旌在地下商业建筑内形成了一个从上到下的立体网络。因 此大型地下商业建筑电气设备品种数量之多和线路复杂的程度，都是其它公共建筑难以 比拟的。 地下建筑内部潮湿，易加速各种电器设备绝缘老化。安装在商业建筑顶、柱、墙上 4 1 绪论 的照明、装饰灯，大多是采用带状方式或分组安装的荧光灯具，其镇流器易发热起火。 通风不良又会造成柜台内各种射灯等局部烘烤的热量难以散发，极易烤燃商品。此外， 多数大型地下商业建筑为保证通风、采光系统的正常工作，都自备有一定数量的油料， 在具有大量可燃物的场所大量用电，是公认的致灾因素。 ( 4 ) 人员疏散困难 大型地上商场已成为公共场所中人员密度最高、流量最大的场所。一些城市的大型 商场每天接待的顾客人数高达2 0 余万人。 大型地下商业建筑同样具有人员集中，流动性大的特点。此外，商业建筑顾客具有 盲目性、方向性差，体质素质参差不齐，缺少消防安全意识和自我保护能力的特点，危 急情况下往往急于逃生，互相拥挤，堵塞疏散通道，给救援和灭火工作造成极大障碍。 ( 5 ) 安全出口数量及宽度不足，导向标识不易发现 人民防空工程设计防火规范、建筑设计防火规范以及高层民用建筑设计防 火规范等都有类似规定，即“每个防火分区安全出口的数量不应少于两个，并且有一 个直通地上的安全出口”，“安全出口门、楼梯和疏散走道的宽度应按其通过人数每1 0 0 人不小于l m 净宽计算；每樘门的疏散人数不应超过2 5 0 人”。但从目前实际情况看，大 多数地下商业建筑的安全出口设置达不到这一标准。例如哈尔滨市某地下商贸城，设有 9 4 个防火分区，应有安全出入口最低标准为1 8 8 个，而现今仅有6 9 个，按标准缺少6 3 。 在人员流动高峰时，每个安全出入口需承担5 8 0 人的疏散任务，超出标准2 3 倍。 ( 6 ) 装修考究，隐蔽工程多 大型地下商业建筑空调、防排烟、火灾自动报警及自动灭火设施管线繁多，错综复 杂，商业建筑往往采用大面积装修予以处理。为营造浓厚商业气氛，商家力求装修的多 样化和高标准。但由于市场上可供选择的非燃烧材料较少，商业建筑内部分装修材料未 达到全部非燃化，甚至大量使用了一些高分子可燃材料，导致发生火灾后发烟量大，燃 烧速度快。 商业建筑吊顶内情况复杂，隐蔽工程现象十分突出，而且电气线路或管道隔热材料 等起火后不易被发现，容易出现火灾沿装修表面蔓延、迅速扩大从而无法控制的现象。 ( 7 ) 消防设施不够完备，安全管理不到位 “平战结合”的人防工事，在构建时几乎没有考虑内部消防设施，尽管投入使用后经 过改造，但其消防水源、消防应急照亮装置等仍然满足不了防火安全要求。即使是新建 的地下商业建筑要完全按照“建规”设置安全出口，配置消防设施也存在很大困难，而且 两者在消防安全管理方面存在很大的不足之处。 西安科技大学硕士学位论文 1 2 本课题研究领域国内外的研究动态及发展趋势 1 2 1 国外的研究现状 近年来许多国家在火灾烟气的研究方面做了大量的工作，取得了一些成果。c o x 和k u m a r 在机械通风环境中对火灾进行了场模拟的研究i l0 1 ，c o o p e r 及f o m e y 开展了 房间火灾区域模拟研究【l ，h i n k l e y 分析了热烟气在屋顶有通风口情况下的产生率【l2 1 ， m o r g a n 研究了烟气在大空间的水平流动，并且得出了封闭商场中的烟气控制的设计方 法【1 3 , 1 4 】。到目前，国外已经有了不同类型的模拟软件和程序。对于区域模拟，已经发展 到了单室和多室的区域模拟，如美国的c f a s t 程序，加拿大的i r c ，日本的b r i 等，并 不断改进其程序或更新版本。这些程序能够处理复杂的可燃物分布和通风口流动，能考 虑室内火灾中的各种传热方式，能够计算火灾时烟及毒性气体的浓度及对人员的危害 等。对于场模拟，有英国的j a s m i n e ，澳大利亚的c e s a r e 一慰s k ，德国的k o b r a 一3 d ， 能够对建筑火灾过程进行三维动态仿真模拟。 1 2 2 国内研究现状 我国的火灾烟气的研究虽然起步较晚，但近年来发展很快。特别是在“八五”、“九 五”期间对地下商业建筑的控烟技术及烟气流动特性进行了大量的研究，取得了一些重 大成果，建立了一些有较高水平的大型实验设施。上海消防科研所建立了火灾烟气流动 水力模化实验装置，它应用流体相似理论，用染色的盐水在清水中的湍流浮力流动代替 湍流热烟气在冷空气中的流动；四川消防科研所和天津消防科研所建立了地下商业街和 商场火灾试验室；在中国科技大学有大空间火灾试验馆。上海消防科研所提出了s m o u c 计算模化程序，可用来模拟地下建筑火灾烟气流动各种参数的变化规律，列出了烟气质 量的计算公式，对烟气分层与否给出了判断公式；四川消防科研所分别对地下商业街火 灾烟气成分和烟气流速进行了试验研究，分析了烟气成分c 0 2 、c o 和0 2 的变化规律和 毒性危害【l 川，研究了不同的防排烟情况下烟气的流动情况，并对设计参数进行了探讨； 天津消防科研所利用计算机模型评估建筑防火，分析人员的疏散情况：重庆建筑大学严 治军、刘方运用图论来求解建筑火灾烟气流动性状，并对中庭的烟气进行了分析 6 ，1 7 ，博l 州；中国科技大学在兼顾计算机模拟的经济性和准确性的前提下，进行了场区模 拟和场区网模拟的研究，且确定出了疏散模型；中国建筑科学研究院防火所以一些半经 验公式和区域模型为基础，对地下商业街的防排烟系统进行了研究，确定出了防排烟系 统的设计方法。华中理工大学黄恒栋首先提出了“火风压”的概念【20 1 ，进而推证出在地下 建筑中高温火烟所产生的火风压的表达式。香港理工大学的周允基教授等人对火灾烟气 从不同方面进行了研究。他们分析了火焰的机理，烟气的填充时间和烟气层的厚度，研 6 1 绪论 究了烟气的热释放率，而且在火灾疏散模型方面做了许多工作。西安科技大学张俭让副 教授将矿井通风网络解算方法运用到地下建筑中【2 l 】，确定了地下建筑火灾网络模型，建 立了地下建筑通风网络一维非稳定流动的计算方法。 1 2 3 国内外的研究方法总结及不足 纵观对建筑火灾的研究方法，主要有三种：一是实体实验研究，二是缩尺实验研究， 三是计算机模拟研究。对于火灾研究来讲，实体实验研究是最理想，最有说服力的。但 是，它有许多难以克服的缺点：a ) 实验费用昂贵。首先，要想进行实体实验就必须建立 实体实验建筑，这是一笔相当大的投资，对于地下商业建筑这种大型建筑来说不太可能。 其次，若采用实际火源，每次实验的费用也是相当可观的。b ) 模拟工况有限。c ) 实验的 可重复性差。由于影响火灾发展过程的因素很多，有些因素难以精确再现。近十几年来， 计算机模拟成了建筑火灾科学研究中的重要方式。计算机模拟可以分为三个层次。首先 是经验模拟，人们通过搜集、测量和分析建筑物火场和模拟实验的数据，用计算机对这 些数据进行处理，总结出经验公式，借助计算机的数据库功能、图形和图像功能，便可 以方便而形象地认识建筑火灾过程。第二个层次是半物理模拟，它利用了一些经验数据 和经验公式之后，通过对控制火灾过程的一组常微分方程进行数值求解来获得一些火灾 过程参数。目前，半物理模拟以区域模拟为代表。物理模拟即场模拟，是计算机模拟的 第三个层次，它以化学、流体力学为基础，利用控制火灾过程的一组偏微分方程，其中 包括连续方程、动量方程、能量方程和组分方程，以数值求解来得到火灾过程中典型参 数的空间分布及其随时间的变化。 计算机模拟是人们对于火灾认识过程的一个质的飞跃，它以数学物理模型为基础， 具有信息代价少、模拟工况灵活、可重复性强等优点，并且随着计算机技术的不断发展 会成为未来研究火灾问题的主要手段【2 2 , 2 3 , 2 4 , 2 5 , 2 6 , 2 7 】。 我国对地下商业建筑进行了相关的研究，但是从研究结果和目前的国家标准来看都 存在一定不足。关于地下商业街建筑工程防火设计的国家标准有： ( 1 ) 人防工程地下街：人民防空工程设计防火规范( g b 5 0 0 9 8 - - 9 8 ) t 2 8 】： ( 2 ) 附建式地下商业街：建筑设计防火规范【2 9 1 ( g b 儿6 8 7 ) 的若干条文、高层 民用建筑设计防火规范 3 0 1 ( g b 5 0 0 4 5 - - 9 5 ) 的若干条文； ( 3 ) 单建式非人防地下商业街：尚无相关国家规范。 由此可见，地下商业街防火设计的依据还不完善。特别是针对单建式非人防地下商 业街的设计，虽然建筑设计防火规范、高层民用建筑设计防火规范和人民防空 工程设计防火规范并未将之包括在内，但由于无专门的地下商业街防火设计规范为依 据，设计人员只能依据以上规范的相关条文进行类比设计，使得地下商业街的消防问题 不能在设计阶段得到可靠解决，造成很多工程在消防上先天不足。 西安科技大学硕士学位论文 此外，尽管规范规定了地下商业建筑防排烟设施的设定条件，但是防排烟效果如何， 却由于试验成本太高，而尚无定论。同时，随着建筑技术的发展，该规范中存在着一些 与防火安全不相适应的地方。例如： 1 排烟量与排烟口设置。根据规范规定，排烟量的大小由防烟分区的数量及面积 确定。实际上，排烟量与燃烧物种类等多个因素有关。因此，排烟量大小的确定值得进 一步研究。目前排烟口多与排风口共用，排风口设在店铺。如果能在店铺内有效排烟而 不使烟气或只有少烟气侵入走道，就能够使走道维持安全的清洁空气层高度，因此将排 烟口设在店铺内是符合安全疏散要求的。若在走道起火产生烟气，则无法在走道排烟， 必须经过店铺才可将烟气排走。此外，店铺与走道之间普遍缺少有效的隔烟设施，尚不 能满足烟气就地排掉的要求。总之，对于只在店铺设排烟口的可靠性，烟气在房间和走 道的流动特性，对排烟口数目、位置、面积和性能的要求等都尚需研究。 2 消防补风。规范规定，机械排烟系统的补风量应不小于排烟量的5 0 。显然， 补风量受到空气流通状况、补风位置等多个因素的制约。这说明规范的这条规定非常笼 统。 现行的规范存在一定的缺陷，依据规范设计的地下商业建筑防排烟系统将会存在一 些问题，而且目前没有只适用于地下商业建筑防排烟系统的规范。这就需要我们认真研 究地下商业建筑火灾烟气的运动规律，以便对防排烟系统进行优化，从而最大可能地减 少火灾时人员的伤亡和财产的损失。 1 3 消防安全工程性能化设计 1 3 1 性能化设计与性能化规范的发展 从8 0 年代开始，随着火灾科学研究和计算机火灾模拟技术的发展，国际消防科学 界就开始提出了“以性能为基础的消防安全设计”( 性能化设计) 的新概念【3 1 , 3 2 。性能化设 计是建立在消防安全工程学基础上的一种新型防火系统设计方法，它不是根据确定的、 一成不变的方法进行设计，而是首先制定了整个防火系统应该达到的性能目标，应用所 有可能的方法去实现它，然后通过评估系统进行评价，验证所采用的方法能够实现既定 性能目标。性能化设计方法是运用消防安全工程学的原理与方法。根据建筑物的结构、 用途和内部可燃物等方面的具体情况，对建筑的火灾危险性和危害性进行定量的预测和 评估，从而得出最优化的防火设计方案，为建筑物提供最合理的防火保护。性能化设计 的基本思想就是以危险性和经济性评估为手段，利用现代科技成果来指导建筑防火设 计。性能设计的基本特点是：目标的确定性和评估验证的必要性。实现性能设计的所必 需的三个要素是：性能规范；技术指南；评估模型。 “以性能为基础的设计规范”( 脾1 2 1 2 厶匕丹匕规范) 是为指导，b 工 - l - 台日匕e - , 设计而建立的新形式的建筑工 1 绪论 程消防设计规范，是对建筑物要达到的消防安全目标、性能要求和设计时所遵循的原则、 方法等进行规定。相对于性能( p e r f o 肌a n c e b a s e d ) 规范而言，传统的设计规范被称为“指 令。| 生( p r e s c r i p t i v e b a s e d ) ”规范，又称处方式规范，指令性规范对每项设计内容都对应规 定了具体的参数和指标，其不可变通的规定阻碍了新技术的应用，限制了系统方案的选 择，限制了设计的灵活性。处方式规范给出的设计参数和指标是在总结过去的实践经验 和火灾教训基础上确定的，虽然具有一定的科学性，但由于每座建筑的结构、用途及内 部可燃物的种类、数量和分布情况均不一样，以及居住使用者的条件各异，按照规范统 一规定的设计参数所做出的设计方案，并不一定是最科学合理的方案，难免出现达不到 预期的消防安全水平，或因提供不必要的过渡保护措施而增加建筑成本等情况。由此， 处方式规范和处方式设计方法在客观性和科学性上存在着很大的局限性，而性能设计规 范为设计人员提供了很大的灵活性，也使消防设计更加科学合理。从而指令性规范到性 能化防火设计规范的转换，是今后相当长一段时间内世界各国建筑防火设计规范发展的 方向。 性能规范和性能化设计方法的发展必将大大促进消防安全设计的科学化、合理化和 成本效益最优化，也会产生重大的社会效益和经济效益、对促进整个消防科学技术的发 展具有极为重要的意义。这种性能化设计方法和性能规范是随着消防工程学的建立和发 展而出现的。性能化设计方法、性能化规范及消防安全工程学目前己成为国际消防科技 领域最前沿和最活跃的研究领域。美国、加拿大、日本、澳大利亚、新西兰、英国以及 芬兰等国已相继开展这方面的研究工作，并对一些传统的规范进行修订，使之适应建筑 业的发展，同时着手制订新的性能规范，建立建筑火灾安全工程设计新体系。国外研究 结果表明，性能设计方法和性能规范的发展，将使消防设计更加科学合理，更好地兼顾 工程的安全性和经济性，同时为设计者提供了高度灵活性，更利于新技术、新产品和新 材料的采用，以适用现代建筑的高科技化和新艺术化的要求。在英1 虱( 1 9 8 5 ) 、新西兰 ( 1 9 9 1 ) 、瑞典( 1 9 9 4 ) 、澳大禾0q 7 ( 1 9 9 6 ) 均已颁布性能法规。可以肯定的是，在今后十年至 二十年内性能防火规范将在大部分国家取代现行的消防准则。 性能设计的步骤大致包括：确定消防安全目标( f i r es a f e t yg o a l s o b j e c t s ) 和可量化的 性能要求( p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t ) ；分析建筑物及内部可燃物、人员等情况，确定性能 指标和设计指标( p e r f o r m a n c ec r i t e r i aa n dd e s i g nc r i t e r i a ) ；建立火灾场景( f i r es c e n a r i o ) 和设计火灾( f i r ed e s i g n ) ；选择分析计算的方法；对设计方案进行评估、确定设计方案并 编写设计报告。烟气控制系统性能化设计是消防安全设计性能化设计的组成部分。性能 设计的关键是对消防安全目标进行的定量化工程计算和分析，其中包括对火灾的物理过 程( 燃料燃烧和烟气蔓延) ，人员疏散，灭火系统功能等进行模拟计算。其中计算机火灾 模拟技术是发展性能设计的一项关键技术，是消防安全评估方法的重要基础。火灾模型 及其相应的计算机模拟程序在性能化防火设计方法的发展中起着重要作用。 9 西安科技大学硕士学位论文 1 3 2 烟气控制系统性能化设计 日本性能化设计系统包括四个方面：烟气控制和疏散安全：火灾发生和发展的预防： 建筑结构的阻燃；火灾向其它建筑传播的预防。 有关性能化设计的计算是以日本国家消防规范的“等价”条款为依据，也就是说，性 能设计的目标与处方式规范设计目标是一致。在判断性能设计目标是否与消防规范的消 防安全目标“等价”，出现困难时，由建设部组织包括消防官员、大学和研究机构的消防 专家在内的评审小组，对性能计算进行审查，从而最终确定方案是否被通过。 在发展性能设计方面，澳大利亚和加拿大的研究人员进行了紧密的合作。设计方法 的核心是危险评估模型f i r e c a m ，由加拿大国家研究院开发，该模型由6 个子模型组 成，如图1 2 。 火灾发展模型 烟气传播模型 火传播模型l q危险评估模型i ：一用户相应模型 消防队相应模型用户逃生模型 图1 2 危险评估模型 f i r e c a m 模型是用事件树结构，由子模型计算一个事件到另一个时间的事件。使 用两个参数：生命预期危险( e r l ) 和火灾费用预期值( f c e ) 来评价消防设计的安全性和经 济性。生命预期危险是指可能对生命造成的损失即可能死亡的人数，火灾费用预期值是 指火灾造成的损失包括消防投资和火灾损失。与处方式规范相比，e r i 值至少必须达到 同样水平；f c e 值则应小些。 到目前为止，国外己开发了一批具有实用价值的消防安全评估模型和软件。除上述 日本、加拿大的模型外，还有美国国家标准与技术研究所开发的h a z a r d 模型、英国 的j a s m i n e 等。这些软件具有一定的通用性，但模型中或多或少采用了某些假设和估 计，有些还没有得到实际火灾实验的验证。因此模型和软件在不断的完善和发展中。 烟气控制系统性能化设计是消防安全设计性能化设计的组成部分。采用性能化方法 设计烟气控制系统时，包括如下步骤：确定烟气控制系统设计方案必须到达的目标，并 确定判断探讨一方案是否达到这一目标的量化判定准则；烟气控制系统性能设计的定量 分析手段和评估工具，就是烟气运动的计算机模拟。 从消防安全工程性能化设计的整体构成来看，性能化烟气控制系统的设计与安全疏 散设计是密切相关的，还包括喷淋系统与自动报警系统对火的反应及相互作用。只单纯 计算消防系统的某一独立部分是不够的，应该把整个建筑作为一个整体来考虑。这也体 现了性能化设计的优越性。 l o l 绪论 发展性能化设计方法是一项复杂的系统工程，它的建立和发展是在多学科的研究基 础上。目前我国在此方面需要做的工作还很多。烟气控制系统性能化设计的核心是烟气 运动模型，深入研究烟气运动模型以及烟气控制系统对烟气运动的影响等，必将带动我 国性能化设计的发展。 1 4 本课题的研究思路及主要研究内容 1 4 1 研究思路 1 对地下商业街建筑的结构形式和防排烟设施进行分析，确定它的几何模型和物 理模型。为了获得第一手材料，对沈阳、锦州、北京、西安等地部分地下商业建筑及其 防排烟设施进行了实地调查。从结构形式来看，有的呈条形，即两侧是商店，中间是走 道，如小寨好又多超市地下一层商场的尽头为此种形式。有的结构形式呈方形，即开放 式的百货商场形式，像世纪金花商场等。更多的是这两种形式的组合，既有条形结构， 又有方形结构，但不同的结构属于不同的防火分区。绝大多数地下商业建筑均设有机械 排烟系统，多数地下商业建筑都采用独立的排烟系统，排烟口和排风机平时关闭，火灾 时开启；有的地下商业建筑采用排烟系统与排风系统共用的形式，平时低速排风，火灾 时高速排烟，排烟风机采用双速风机。从调查结果来看，我国地下商业建筑的结构形式 和防排烟设施基本上是相同的。 2 1 9 9 6 年至1 9 9 9 年，有关单位开展了地下商业建筑火灾的试验研究。在本课题研 究中应用此试验数据作为c f d 仿真模拟能否有效应用于地下商业建筑的验证以及选取 适合的数学物理模型的标准。 3 对抽象出的地下商业建筑的一般形式，对于不同的防排烟形式利用c f d 软件 进行烟气流动仿真模拟，准确给出地下商业建筑烟气流动细节，如温度场、压力场、速 度场等，掌握烟气流动规律，从而确定最佳的防排烟方式，为性能化设计提供依据。 1 4 2 研究对象 从对地下商业建筑的调查得知，地下商业建筑可以分为地下商场和地下商业街。如 下图所示，如果截取一个防火( 防烟) 分区单元看，地下商场为开放式的结构形式，而 地下商业街的结构形式是中间为走道，两边为店铺。在地下商业街中又分为开式吊顶和 闭式吊顶两种情况。由于地下商场和开式吊项的地下商业街上空都是相通的，可看成是 一个开放式的大空间，因此对这两种情况的烟气的研究可看成同一个类型。 西安科技大学硕士学位论文 詹稍 是递 1 店铺 图1 3 地下商业街的结构形式 图1 - 4 地f 两场的结构形式 高规和人防规都规定，地下建筑每个防火分区的最大允许建筑面积不应大 于5 0 0 m 2 , 当设置有自动灭火系统时，允许最大建筑面积可增加一倍；当设有火灾自动 报警系统和自动灭火系统，且采用不燃或难燃材料装修时，地下部分防火分区的允许最 大建筑面积为2 0 0 0 m 2 。每个防烟分区的建筑面积不宜超过5 0 0 m 2 , 且防烟分区不应跨越 防火分区。 根据地下商业建筑的结构形式和规范的规定，本文将重点研究一个防烟分区内的闭 式吊顶的地下商业街内火灾烟气的流动状况和控制。 1 2 2 火灾烟气分析与烟气控制 2 火灾烟气分析与烟气控制 所有火灾都会产生烟气运动，由于火灾过程中其燃烧通常是不完全燃烧，一般都会 伴有大量可见的浓烟。在美国消防工程师协会( s f p e ) 手册中【3 3 】，引用美国材料试验协会 ( a m e r i c a ns o c i e t yf o rt e s t i n ga n dm a t e r i a l s ) p 4 j 和美国全国防火协会( n a t i o n a lf i r e p r o t e c t i o n a s s o c i a t i o n ) u5 j 烟气定义，烟气是由材料燃烧热解所释放出的悬浮固体、液体 微粒和气体构成。在d r y s d a l e ( 1 9 9 9 ) 火灾动力学导论1 3 6 书，引用g r o s s ( 1 9 6 7 ) 1 3 7 】 的烟气定义：有机材料燃烧的气体产物，包括所释放的小固体和液体微粒；并且引用牛 津英语词典( s h o r t e ro x f o r de n g l i s hd i c t i o n a r y ) 烟气定义：物质燃烧所产生的可见的挥 发性的产物；同时强调烟气中还应包含了大量的卷吸空气。综上所述，火灾烟气通常包 括两部分：( 1 ) 燃烧所生产的气体、悬浮固体和液体微粒：( 2 ) 燃烧所卷吸的空气。 火灾烟气通常含有有毒和有害成分，火灾的高温环境，对人民生命财产甚至生态环 境都会造成很大危害。特别在建筑火灾中，烟气窒息和中毒是火灾致死的主要因素。另 外，火灾中高温烟气的迅速流动，也很容易造成火势的蔓延和扩大。 2 1 烟气的产生 所有火灾都会产生烟气。烟气的产生是衡量火灾环境的基本因素之一。火灾烟气主 要包括燃烧所产生的气体、悬浮固体和液体微粒以及所卷吸的空气。 2 2 烟气的危害 一 火灾烟气的危害主要体现在三个方面：( 1 ) 高温。火灾中烟气温度随着离开火源的距 离而逐渐降低，但随着燃烧的持续和火势的增大，各处的烟气温度会进一步升高。由于 热烟气的迅速流动，高温烟气不仅对人体构成灼伤的危害，甚至能引发新的着火点，造 成火灾蔓延到其它的区域。( 2 ) 毒性。火灾通常处于不完全燃烧产物状态，极易产生大量 的有毒有害气体，如一氧化碳是火灾中致死的主要燃烧产物之一，其毒性在于对血液中 血红蛋白的比氧气高出2 5 0 倍的高亲和性，阻碍人体血液中氧气的输送。另外，现代合 成材料使用也使得火灾烟气中出现新的有毒成分，增加了问题的严重性。另外，烟气氧 含量低，能够形成缺氧环境使人窒息。( 3 ) 能见度。火灾中物质的不完全燃烧会造成烟气 中含有大量的悬浮微粒，使烟气具有一定的遮光性，并体现在火灾环境的能见度上，直 接影响人员的安全疏散和消防救援，特别在建筑火灾中。另外，烟气中的微粒也会对人 体造成伤害。如固体微粒的吸入会使肺部受损，烟气微粒进入眼睛会导致流泪和视力下 降。此外，烟气中的微粒存在还会使火灾环境的能见度下降，影响人们的安全疏散和消 防救援。 西安科技大学硕士学位论文 2 3 烟气流动和蔓延 火灾过程中，可燃物燃烧放出大量的热量和烟气，形成高温环境。由于热烟气与周 围