余斌1 刘恒源2 龚应明1
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摘要：高大建筑不同于普通建筑，火灾时火势大、蔓延快，救火及灾后分析难度大。通过对其火灾特点的分析，引入火灾场模型分析了灾变规律。引用两个案例，研究了场模型在高大建筑火灾事故分析中的应用，为其它类似高大建筑的灾后分析提供借鉴。
关键词：高大建筑；火灾；场模型
参考文献
1．前言
高大建筑主要是指能满足独立使用功能的空间较大的建筑，如礼堂、场馆、仓库等。高大建筑因使用功能特殊要求，一般不能设置防火防烟分区。并且发生火灾时能卷吸入足够的环境空气，具有火势大、蔓延快等特点，事故往往造成较大的损失[1]。2011年12月8日，安徽省芜湖市经济技术开发区“远方物流有限公司”2万多平方米的仓库突发大火，仓库内货物化为灰烬。2015年10月26日13时07分许，南昌市上海路华联超市二楼发生火灾，致使超市整体坍塌，坍塌面积约7—8千平方米。
高大建筑与普通建筑具有较大区别，相关火灾防控措施已有较多研究。本文结合高大建筑特点，引入场模型，研究其特有的火灾演变规律，并提出事故分析思路，为其它类似高大建筑的灾后分析提供借鉴。
2.高大建筑火灾特点
（1）不易分区隔离
在分区隔离是控制火灾蔓延的主要方法，但高大建筑内无法有效采取防火措施，火灾容易在较短时间内蔓延到整个空间，火势大，难以迅速有效扑救。
（2）常用喷水灭火装置不能有效发挥作用
楼顶安装洒水喷头是建筑防火的主要措施，当楼板附近空气达到喷头启动温度后，开始洒水灭火。但高大建筑高度较大，当温度升高到喷头启动温度时，火灾已经蔓延了，洒水达不到灭火效果。
（3）建筑破坏后果严重
高大建筑支撑体系往往为钢桁架或者网架结构，空间跨度较大，发生火灾后容易造成整体垮塌。
3.基于场模型的火灾分析
火灾模型主要有区域模型和场模型[2，3]。区域模型近似认为火灾中室内空气分为上部分热烟气层和下部分冷空气层，每一层烟气在性质上均匀一致。高大建筑中，当火灾发生的前期阶段，基于区域模型的计算结果与模型实验实测规律基本一致，但当火灾持续一段时间后，差异较大，特别是随着时间的变化，上层烟气和下层空气的分界面比变化较大，实测如图1所示。所以区域模型不适宜用来研究高大建筑火灾。
图1 上层烟气底部高度随时间的变化
场模型理论主要是根据实测温度在三维空间分布的规律提出的，与实际吻合度较好。图2为高大建筑在火灾发生后某一时刻，高度z的实测温度分布。可见同一高度，温度与火源位置呈现极对称规律，故将空间任一位置温度T为与火源水平距离、高度及时间有关，设为T（x，z，t），如图3所示。
图2 某高度z实测温度分布图3 任一位置温度函数
结合实测温度分布及能量守恒定律分析，高大建筑火灾时任一位置的温度影响因素为火源热值、与火源的距离、建筑高度、建筑面积。火源热值越大，高大建筑空气升温越快，升温极值越大；建筑面积越大，建筑高度越大，空气升温越慢，升温极值越小；同一高度平面，距离火源越近，温度越高。
4.场模型理论应用案例
（1）火灾后未垮塌事故分析
某大型仓库，尺寸约为120m（长）*200m（宽）*15m（高），发生火灾，3小时后扑灭，结构未垮塌，但货物几乎全部烧毁，如图4。
图4 某大型仓库火灾现场
通过观测结构顶部烧毁痕迹，采用场模型的分布规律，初步拟定火源位置。调查仓库入库记录后，把相应位置的货物送检，确定其在特定环境下可能发生自燃。结合一系列的调查询问，确定了货源位置及事故原因。
（2）火灾后垮塌事故分析
某仓库采用的钢框架结构，横向8跨，纵向7跨度，高度约8米，发生火灾2小时后扑灭。因钢结构升温快，导致了局部垮塌。
图5 数值模拟反演分析结构变形
通过观察垮塌部分及周围的变形，采用场模型分布规律，初步拟定火源位置。然后采用数值模拟，温度变化拟定为国际升温曲线[4，5]，模拟燃烧2小时，分析结构的变形，如图5所示。变形规律与火灾现场基本一致。然后抽取钢结构样品送检，分析其强度与温度的关系，确定了数值模拟的温度足以导致局部软化失稳。结合调查询问及入库货物记录，确定了火灾位置及事故原因。
5.结论
通过对高大建筑的火灾特点分析，引入场模型理论分析了灾变规律，得出了火灾气温分布呈现以火源为中心的极对称规律。然后引用两个案例，研究场理论在火灾事故分析中的应用。对于火灾后未垮塌的建筑，结合观测及系列调查分析，即可确定火源位置和事故原因。对于火灾后发生局部垮塌或者整体垮塌的建筑，先用场模型初步拟定火源位置，然后配合数值模拟，反演火灾过程及灾后结构变形，与实际变形对比，逐步修正火源位置，并结合系列调查，才能做出事故分析。
参考文献
[1]黄恒栋等.高层建筑火灾安全学概论，成都：四川科学技术出版社，1992
[2]袁理明，范维澄.大空间建筑火灾中热烟气层发展规律的理论分析.自然灾害学报，1998，7（1）：21-26
[3]霍然，李元洲等.大空间内火灾烟气填充研究.燃烧科学与技术，2001，7（3）：219-222
[4]李国强，杜咏.实用大空间建筑火灾空气升温曲线.消防科学与技术，2005，24（3）
[5]蒋首超，李国强.火灾下钢结构构件的升温.钢结构，Vol.11.No.2，1996（6）
论文作者:余斌1,刘恒源2,龚应明1
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/19
标签：火灾论文; 建筑论文; 火源论文; 高大论文; 模型论文; 温度论文; 位置论文; 《建筑学研究前沿》2018年第23期论文;