摘要：智能化立体式停车楼，机械地下停车楼等大型复杂的现代建筑越来越多地涌现，这些停车楼建筑与传统建筑在使用功能、建筑材料、结构形式、空间大小、配套设施等方面有很大的不同，给防火安全带来很多新的问题，如停车楼这样的大空间建筑物火灾发生之后会非常迅猛并且很难得到控制。本文利用FDS对以双T板为屋面板的停车楼进行数值模拟分析，通过对比不同板宽及不同火源位置的四种工况，探讨停车楼的火灾发展趋势及火灾防控要点。
关键词：火灾；性能化防火；FDS；停车楼；温度时间曲线
引言
近些年来，随着我国经济的进步与发展，人均汽车保有量不断提高。2018年我国千人汽车保有辆为172辆。按照国际城市建设经验，停车位数量应达到机动车保有量的 1.15 倍，然而我国现有停车位不能满足要求，体现出我国停车位严重不足。针对我国人口密集，土地资源短缺的情况，发展公共停车楼是今后解决城市停车难问题的主要解决途径。智能化立体式停车楼，机械地下停车楼等大型复杂的现代建筑越来越多地涌现。由于停车楼一般空间较大、结构复杂、可燃物数量极多，一旦发生火灾短时间内很难得到控制，给人民群众的生命财产安全带来了极大的危害[1]。
1 停车楼建筑火灾特点
停车楼建筑火灾往往比普通建筑火灾严重，其主要有以下几个不同：
（1）停车楼空间体积较大，防火和防烟的分区较为困难，当氧气充足时火势蔓极为剧烈；
（2）大量汽车被烧毁，火灾荷载较其他普通建筑火灾大很多，产生巨大的浓烟并可能导致爆炸，也使停车楼的预应力承重构件失去抗火能力。
（3）停车楼内灭火时也是十分困难，其结构和功能复杂，火灾发生时很难确定火源的大致位置，加之建筑面积和烟气浓度较大，消防用水很难全面积覆盖，使大空间建筑火灾的扑灭难度加大。
（4）停车楼内火灾一旦发生，逃生通道有限，人员疏散困难，生命安全受到威胁。同时产生不可估量的财产损失，严重影响社会的和谐发展和经济的稳步增长，也引起了广大人民群众的不满。
综上所述，大空间内的火灾蔓延情况及其承重构件抗火能力在停车楼的火灾中有着至关重要的作用。因此研究火灾的发展规律以及火灾对停车楼整体结构的影响效果意义重大
2 停车楼火灾场景设置
2.1 FDS模拟软件
FDS（Fire Dynamics Simu lator）是美国国家标准与技术研究院（NIST）开发的一种计算流体力学程序。软件对于低速、热驱动流的定量计算使用那维尔－斯托克斯方程（粘性流体方程），其侧重于火灾产生的烟气和引起的热传输。其主要应用于两个方面，一是烟气控制系统和喷淋喷头或者火灾中的探测器的研究，主要为火灾发生后的灭火与人员的逃生提供数据支持，另一方面便是对住宅等建筑的火灾模拟研究，主要为防火设计提供数据支持。FDS在这些年的发展与完善进程中，其都致力于解决工程实践中的防火问题，以此同时也为火灾动力学和燃烧学的研究提供一个可行的工具。
FDS的使用通常需要三步，第一步用件建模，第二步应用FDS主程序进行计算，第三步应用FDS附带的一个可视化软件Smokeview作数据处理，实现模拟结果的可视化输出。此外，FDS中的很多数据也可以通过其他方式处理，比如热电偶探测的数据就会以Excel表格的形式输出，方便研宄人员进行汇总比较，切片文件也可以通过fds2ascii程序进行分解，可得到相应时间段的温度场、速度场分布。FDS的使用流程图1所示。
图1 FDS模拟流程图
2.2火灾模型的建立
本文对某装配式停车楼结构进行数值模拟研究，其楼层高度为3.0m，楼板厚度为0.2m，墙厚0.3m，每层设置30个车位，共四层。
图2 停车楼模型图
近几年来，国内外对停车楼火灾的模拟及试验极少，因此本文将对汽车火灾目前的研究现状及成果进行类比分析。德国卡尔斯鲁厄大学火灾防护研究所程远平等人于2002年进行过一次小汽车模拟试验[2]，通过试验得到了火场温度、热释放速率等参数随时间的变化，试验中实测火场最高温度为 1190℃，最大热释放速率为 4.08MW。西华大学董雪于2013年对地下车库火灾进行了模拟[3]，其根据程远平试验从而设定小汽车的热释放速率为 5MW，越野车的热释放速率为 7.5MW。由于本文中燃烧车辆为单一车型，故根据前人的研究成果设定火源热释放速率为6MW。停车楼火灾按照t2 快速火考虑，火灾的增长系数α=0.04689KW/s2。模拟中起燃车辆（黄色小汽车）和火源位置如图 3.2及3.3所示，火源面积为1.5m2，起燃车位于双T板的跨中及跨端2.6m处，火灾发生时，火势将向四周蔓延。根据汽车表面覆盖的固体燃料设定火源。燃烧燃料的主要成分为庚烷[4]，密度为 688kg/m3，燃烧热和蒸发热分别为46112J/kg和316kJ/kg。
图3 火源位置位于双T板跨中位置
图4 火源位置位于双T板跨端位置
2.3数值模拟工况设置
在建筑火灾模型构建完成后，为得到双T板的温度场分布情况，在双T板的肋梁和板中每隔3米设置一组热电偶，共设置两组，用来用来收集双T板的温度数据如图5。
图5 双T板热电偶设置图
本文选取24m长度的两种型号YTPb2430及YTPb2424探究不同肋梁高度的双T板，目的为探究不同肋梁高度双T板对停车楼整个火场发展规律的影响。同时由于本模型中双T板的板长较长，不会发生整体均匀受热的现象，当火源位置发生变化时，对双T板的火灾中的力学性能也会产生不同的影响。故设立以下四种工况。
表1 FDS工况设置图
2.4计算结果分析
2.4.1火场蔓延过程分析
利用FDS中的Smoke-view查看可视化动画，将温度切片设置在停车楼10.8m处，并分别提取t=355s时的温度场分布图以观察四种工况的火灾发展情况并进行对比。
对比工况1及工况2温度场分布图如下：
图6 355S时间段工况1、2温度场对比
通过图7我们可以发现，两个火场的火势走向大致相同，但工况1的最高温度达到了330℃，而工况2的最高温度仅达到了220℃。工况1 的肋梁宽度为1.2m，工况2 的肋梁宽度为1.5m，当改变板面宽度时，肋梁的宽度也随之改变。由于双T板结构本身的特殊性，有着将近1m的肋梁，导致火源附近形成了一个半密闭空间。在此半密闭空间内，拥有相较窄小肋梁的工况1中的热辐射和热对流得到了加强。
对比工况3及工况4温度场分布图如下：
图7 355S时间段工况3、4温度场对比
通过工况3和工况4温度场分布图可知，工况3的最高温度为470℃，工况4的最高温度为370℃，其同样是因为双T板肋宽的不同所导致的。而从整个火场的发展规律来看，无论时工况3还是工况4，整个火场都形成了纵向分布的情况，形成了“烟囱”现象。此现象的主要原因是由于火源位置在肋梁的端部，距离墙体2.6m，与双T板的肋梁形成了三面密闭的狭窄空间，如图9。与工况1和工况2相比火势的发展更加剧烈。同时，在工况4中玻璃窗也发生了破碎，即使工况4的肋梁宽度较工况1的肋梁宽度大，但由于三面密闭及玻璃窗破碎发生气体交换等原因，工况4的最高温度同样相较更高。因此，在火灾发展过程中，通风状况在立体停车楼火灾的发展过程中起到了重要的作用。
2.4.2火灾升温曲线
温度时间曲线可以直观的观察火灾发展对双T板周围温度场的影响，因此本文在双T板的梁底和肋底分别设置了7个观察点。在本小节中将摘取各个工况板底（中）观测点THCP2-1至THCP2-7及梁底（右）观测点THCP2-1至THCP2-7，各个观测点的间距为3m，温度时间曲线如下。
图8 工况1肋梁底温度时间曲线
图9 工况2板底温度时间曲线
图10 工况3肋梁底温度时间曲线
图11 工况4板底底温度时间曲线
对比四种工况后可知，结合四种工况的火灾升温曲线可对停车楼的火灾发展过程进行阐述：首先，温度时间曲线上升的较为缓慢，此时的火势主要集中在货源附近，并没有引燃火源附近的其他车辆，火源所释放的热量是导致整个停车楼空间内升温的主要原因；其次，在100s左右，温度时间曲线迅速升高，此时附近车辆的可燃物被引燃，停车楼处于密闭状态，室内无法进行温度热量交换，致使温度迅速升高；其三，在图17中我们可以观察到在130s至200s附近有一段明显的降温的趋势，这主要是由于仓库内大量的可燃物被燃烧，然而此时停车楼空间内无法提供相对充足的氧气，故此阶段温度有所下降；其四，在200s阶段，温度时间曲线再次出现了上升现象，这主要是由于窗口玻璃发生破碎，空间内出现了气体交换，为可燃物提供了充足的氧气，故此阶段曲线再次回升；最后，温度时间曲线逐渐下降，这是由于可燃物逐渐燃烧完毕，没有充足的可燃物供给，故出现此现象。
3结论
本章基于火灾模拟分析PyroSim模拟了四种不同火灾情形下以双T板为屋面板的装配式停车楼的火场模拟。首先对模型的建模过程进行了详细的说明，然后对不同肋梁宽度及不同火源位置的四种工况进行模拟，最后对四种工况的温度场分布图和温度时间曲线进行对分析，主要得出以下几个结论：
（1）通过对比温度场分布图可以很明显的现火源位置相同时，不同板宽型号的双T板（YTPb2424与YTPb2430）由于其肋梁宽度也发生改变，肋梁较窄的双T板（工况1及工况3）由于其形成的半密闭空间较小，导致火源的热辐射和热对流加快，使得整个火场的温度较高。当火源位于双T板板端处时，其形成了类似三面密闭的空间，整个火场形成了“烟囱效应”，火灾的发展形成了沿着双T板纵向发展，同时温度场的最高温度也相较火源位于板中处高出了140℃左右。
（2）通过对比温度时间曲线可发现，当火源位置不同时，距火源越远，其温度上升的越缓慢，达到的最高温度也就越低。同时通风条件对大空间室内火灾有很大的影响，当未发生气体交换时，火场内的温度场呈现逐渐增长的状态，温度时间曲线增长速率逐渐加快；当窗体破碎时，室外给火源提供了充足的氧气，室内温度出现较大波动，并急剧增长。
（3）火源位于双T板板端处时会产生烟囱效应，而当肋梁间距越小时，此现象就越为明显。对于以双T板为屋面板的大空间建筑中，对其进行防火墙或者防火卷帘设立时，应当着重对双T板边跨区域以性能化防火的思想对防火区其进行划分；或提高自动喷淋装置的喷水强度，阻隔当双T板边跨区域发生火灾时产生的烟囱效应，从而减少火灾所产生的经济安全损失。
参考文献：
[1]王坤，刘茂，停车楼内车辆火灾风险定量分析和计算，中国公共安全，8（1）：32—36，2008
[2]程远平，张孟君，陈亮.地下汽车库火灾与烟气发展过程研究[J].中国矿业大学学报.2003，32（1）：12-17.
[3]董雪. 地下立体汽车库火灾模拟研究[D].华南理工大学，2013.
[4]X.G.Zhang et al. Numerical Simulations on fire spread and smoke movement in an underground car park [J].Building and Environment 42（2007）3466-3475.
作者简介：
隋杨（1994.11-），男，汉族，辽宁锦州人，2017级沈阳建筑大学土木学院研究生，研究方向：高层火灾蔓延机理。
论文作者:隋杨
论文发表刊物:《基层建设》2019年第26期
论文发表时间:2019/12/17
标签：工况论文; 火灾论文; 火源论文; 温度论文; 火场论文; 曲线论文; 时间论文; 《基层建设》2019年第26期论文;