火災飄窗防火性能的研究

火災飄窗防火性能的研究

隨著我國現(xiàn)代化建設的快速發(fā)展，對建筑設計的要求也越來越多樣化。目前,越來越多的建筑采用了飄窗的建筑形式。飄窗不僅可以通風、采光,在一些建筑設計中,相鄰兩戶的飄窗甚至可以在火災中給用戶提供第二條疏散途徑。在此類建筑中,無論是出于增加采光面積的需要,或者是增加作為疏散通道使用時的便利性,往往需要增加飄窗的高度,在房間高度一定的情況下,從而不得不降低窗檻墻的高度。我國《建筑設計防火規(guī)范》(GB50016-2006)和《高層民用建筑設計防火規(guī)范》(GB50045-95,2005年版)規(guī)定,外墻上的門、窗等開口部位的上方應設置寬度不小于1.0m的不燃燒體防火挑檐或高度不小于1.2m的窗檻墻。這無疑限制了飄窗設計和用途的多樣化。由于飄窗凸出于建筑外墻,底部有不燃燒體的窗臺,其防火性能顯然不同于普通外窗和挑檐式外窗。筆者通過設定的火災場景,改變飄窗寬度,利用FDS火災模擬軟件研究飄窗的縱向防火性能。1最大熱釋放速率的確定火災模擬中,最重要的就是火災場景設計。場景設計得合理與否直接關系到模擬結(jié)果的可靠度。目前,大多數(shù)火災模擬采用t2火的火源增長模型。忽略火災初期準備時間,熱釋放速率隨時間的變化表示為式(1)。Q=αt2(1)式中:Q為火源的熱釋放速率,kW;α為火災發(fā)展系數(shù),kW/s2;t為時間,s。根據(jù)α的不同可將火災發(fā)展分為:慢速火、中速火、快速火和超快速火。通常模擬中住宅火災發(fā)展類型多采用中速火。筆者模擬研究火源達到最大熱釋放速率后的穩(wěn)定階段,采用了快速火發(fā)展模型,火災面積為2m2,火源位于房間的中央位置。最大熱釋放速率的選取參考上海市地方標準《民用建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》(DGJ08-88-2000)中對無噴淋的辦公室和客房的規(guī)定,選取6MW。模擬時間為600s。2數(shù)值模擬分析2.1火災動力學模擬FDS(FireDynamicsSimulator)是美國國家標準與技術(shù)研究院(NIST)下設的建筑火災研究實驗室開發(fā)的一種火災動力學模擬軟件,它是一種計算火災與煙氣在建筑物內(nèi)蔓延的場模擬軟件,通過數(shù)值方法分析燃燒過程中煙氣和熱傳導過程,具有較好的模擬精度,并且可以給出火災過程的細節(jié)。目前,模型約一半應用于煙氣控制系統(tǒng)的設計和噴淋噴頭或探測器啟動的研究,另一半用于住宅和工廠的火災模擬。筆者采用的版本為最新發(fā)布的FDS5.3.0。2.2模型建立及網(wǎng)格尺寸參考王經(jīng)偉等人對挑檐和窗檻墻縱向防火性能的研究,建立起火房間尺寸為8m×4.5m×3m,房間內(nèi)門為2m×1m。標準房間的外窗尺寸為2.4m×2m,飄窗尺寸(長×寬×高)分別取2.4m×0.2m×2.2m、2.4m×0.3m×2.3m、2.4m×0.4m×2.4m、2.4m×0.5m×2.5m、2.4m×0.6m×2.6m、2.4m×0.7m×2.7m、2.4m×0.8m×2.8m、2.4m×1.0m×3.0m,窗檻墻則根據(jù)飄窗高度的增加,由規(guī)范要求的1.2m降低相應高度,分別為1.0、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.2m,建立的模型圖見圖1所示。網(wǎng)格尺寸采用0.1m×0.1m×0.1m,最終網(wǎng)格數(shù)為54萬,見圖2所示。墻體和窗臺的材料均為混凝土,FDS中要求輸入的材料特性見表1所示。2.3影響底層玻璃處溫度的因素考慮到阻止火災縱向蔓延的要求,需要保證火災上層玻璃不會破碎。玻璃屬于非晶體,沒有固定的熔點,在火災中,熱應力是導致其破碎的主要因素,對玻璃所做的相關全尺寸火災試驗表明,玻璃破碎的原因主要是其暴露表面和遮蔽表面的溫差所致。在性能化設計中,通常選取300℃作為普通窗戶玻璃破碎的溫度極限值。在模擬過程中,記錄火災發(fā)展過程中上層玻璃位置處的最大溫度。表2是對火災達到最大熱釋放速率直至模擬結(jié)束時,上層玻璃處溫度的統(tǒng)計分析。結(jié)果顯示,在各設計場景中,上層玻璃位置處溫度最高的是飄窗寬0.4m、窗檻墻高0.8m的場景。其各項溫度值都是幾次模擬中最高的,但其瞬時最高溫度仍與300℃的玻璃破碎溫度有一定差距。因此可以認為,各設定場景下火災均不會導致上層玻璃破碎,使火災向上層蔓延。同時,多個設計場景下上層玻璃處溫度的最大值均在200℃左右,而生活中常用到的紙張、可燃織物等多種物品的燃點在150～300℃左右。因此,對飄窗內(nèi)的裝修材料提出防火要求能夠極大地提高該類型建筑防止火災縱向蔓延的性能。隨著飄窗寬度增加,同時相應窗檻墻高度的降低,火災上層玻璃位置處的最大溫度并沒有呈現(xiàn)遞增或遞減的規(guī)律。同樣,表2中的最大值也并非出現(xiàn)在模擬結(jié)束時,體現(xiàn)了火災過程具有很大的隨機性。部分場景中飄窗在火災中上層玻璃處溫度達到最大值時的溫度截圖見圖3所示。對比圖中的幾種場景可以發(fā)現(xiàn),300℃的高溫煙氣與上層玻璃均有一定的距離,未能直接對其構(gòu)成威脅。但是,隨著飄窗寬度增加,相應窗檻墻高度減小,高溫煙氣距離上層玻璃有靠近的趨勢,產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因主要是上、下層玻璃間的防火距離減小。因此,增加飄窗寬度作為縱向防火措施可以一定程度上取代窗檻墻,但仍需保證一定的防火距離。3燃燒可燃物的方式(1)通過對各次模擬火災上層玻璃處溫度的分析,8種設定的火災場景下,均不會導致上層玻璃破碎,也不會使火災縱向蔓延至上層。但是在某些情況下,比如上層窗戶處于開啟狀態(tài),而且上層飄窗內(nèi)有可燃物品,那么下層火災極可能通過直接引燃可燃物的方式向上蔓延。(2)增加飄窗寬度作為縱向防火措施可以一定程度上取代窗檻墻,但上下層玻璃窗間仍需要保證一定高度的防火距離,這可以通過窗檻墻、飄窗窗臺或飄窗下部采用固定扇的防火玻璃窗來實現(xiàn)。(3)對飄窗內(nèi)部的裝修采用不燃或難燃材料,可以保證即使在飄窗窗戶完全打開的情況下,飄窗窗臺也可以起到防火挑檐的功能,降低火災蔓延的危險性。因此,有必要以國家規(guī)范的形式對