老旧建筑敞开式凸阳台火灾蔓延风险与防灭火设计.pdf

消防科学与技术2023年 12 月第 42 卷第 12 期建筑防火设计老旧建筑敞开式凸阳台火灾蔓延风险与防灭火设计张一和（深圳高速公路集团股份有限公司，广东 深圳 518038）摘要：老旧建筑的敞开式凸阳台火灾风险高，且易引起火灾竖向蔓延。为提高其消防安全性，调研分析了阳台的火灾荷载，采用 PyroSim 软件对敞开式凸阳台发生火灾的场景进行模拟，获取并分析了阳台火溢流特征，以及室内、室外和上层阳台的温度分布情况。结果表明：阳台溢流火焰能够超出上层阳台围栏 1.2 m，使上层阳台楼板处温度达到 800 左右。提出利用住宅供水管道构建简易水喷淋灭火装置和合理设置防火挑檐的防灭火设计方案，并通过模拟仿真得到喷头能够在启动后 11 s扑灭火灾，出挑宽度为 1 m 的防火挑檐能够保证上层阳台内的温度不高于 60。关键词：敞开式凸阳台；温度分布；简易水喷淋灭火；防火挑檐；数值模拟中图分类号：X913.4；TP319 文献标志码：A 文章编号：1009-0029（2023）12-1683-05老旧建筑具有居住人口密度大、火灾荷载密度大、消防设施和消防管理缺乏、电气线路老化等特点1，一旦发生火灾，存在火势容易蔓延扩大、人员逃生不便、消防救援困难等问题。而阳台是老旧建筑住宅中常见的建筑结构，其同时与住宅空间和户外空间相连，是具备室内室外双重属性的特殊空间2。阳台的双重属性也带来了重大的火灾危险，当阳台区域或室内发生火灾时，火焰和高温烟气极易溢流至室外，对上层住宅以及建筑外立面造成重大的火灾威胁。国内外学者针对阳台和窗台的火灾危险性展开了研究。加拿大学者 OLESZKIEWICZ I等3-5通过试验得出水 平 平 台 能 够 使 窗 口 处 火 溢 流 对 壁 面 的 热 通 量 降 低90%。MAMMOSER J H III 等6通过数值模拟得出突出墙体 1 m 的水平结构能够阻止火焰竖向蔓延，使墙体温度显著下降。SUZUKI T 等7通过 1：7 的比例模型显示了阳台使窗口溢出的火焰远离建筑外墙。姜晓慧8用FDS 数值模拟软件，建立了同小尺寸试验模型相似的全尺寸模型并分析了多种火源功率、防火挑檐宽度、长度和位置对窗口火溢流行为的影响。陈柯衡9通过数值模拟与试验结合的方式得出，防火挑檐伸出宽度超过 0.5 m 时可有效降低建筑外立面温度。吕辰等10通过数值模拟得出防火挑檐可以大幅度减缓火焰竖向蔓延速率，有效阻止火势沿凹型外立面向高处相邻住户蔓延。赵楠11通过理论分析和数值模拟得出，阳台、窗槛墙和窗口阻隔结构对建筑外立面开口火溢流的外部温度分布具重要影响。现阶段对于阳台研究的重点在于其对下层外立面火灾的阻缓形式12，但对阳台发生火灾时的火焰和烟气蔓延以及火焰对外立面保温层的影响缺乏相应的研究。因此，本文通过 FDS 数值模拟的方法，以阳台为研究对象，分析不同环境下阳台火灾的火焰性状、火场温度、烟气分布，并提出相应的阳台防火设计方案，为阳台火灾灭火救援提供参考。1阳台类型及火灾荷载分析阳台作为过渡空间，其半室外的特性在建筑结构中起到通风、改善居住环境的作用；其半室内的特性使之成为晾晒衣物、放置杂物的场所。1.1阳台分类根据结构形式不同，可以将阳台分为：凸阳台、凹阳台、半凸半凹阳台。图 1为各种类型阳台的示意图。1）凸阳台：阳台完全伸出建筑外立面，阳台下方没有承重结构，依靠室内延伸出来的钢筋承重。2）凹阳台：阳台完全内嵌于建筑物，阳台三面为墙体，下方有承重结构。3）半凸半凹阳台：阳台部分内嵌在建筑物内，部分伸出建筑外立面，其承重性介于凹阳台与凸阳台之间。三种阳台类型中，凸阳台与外界接触的范围更大，火灾产生热和烟气更容易蔓延至室外，导致火灾进一步扩大。因此，对敞开式凸阳台发生火灾的场景进行模拟分析具有现实意义。（a）凸阳台（b）凹阳台（c）半凸半凹阳台图 1不同类型阳台示意图Fig.1Schematic diagram of different types of balconies1683Fire Science and Technology,December 2023,Vol.42,No.121.2阳台火灾荷载分析阳台作为晾晒衣物和放置杂物的场所，实际使用中存在的可燃物主要为衣物、电缆、置物柜、纸板等。根据调研结果，得到的火灾荷载分布如表 1所示。根据火灾荷载的定义，可以采用式（1）计算不同场所的火灾荷载密度。q=mihiA（1）式中：q 为场所的火灾荷载密度，MJ/m2；mi 为第 i 种可燃材料的质量，kg；hi为第 i 种可燃材料的热值；A 为指定场所的面积，m2。将表 1中的火灾荷载代入式（1），选取阳台面积为 4.2 m2，计算得到阳台的火灾荷载密度为 478.142 MJ/m2。2火灾场景设置2.1三维仿真模型选取某老旧住宅建筑，建筑主体尺寸为 21.6 m12.5 m21.0 m。共 7 层，阳台尺寸为 1 m3 m，阳台外侧护栏高为 1.3 m，着火楼层为 2层。三维模型见图 2。2.2仿真模型参数设置模型中阳台区域与客厅区域之间是相通的，无分隔门。当阳台或客厅单一区域着火时，另一区域很快也会起火。因此，在设置火源位置和火灾规模时，将客厅和阳台区域合并考虑。着火区域选定为 2 层的客厅与阳台区域，火灾规模参照日本国家火灾研究所进行的阳台烟气流动试验13，火源热释放速率选定为 6.22 MW。结合火灾荷载分析，选取反应类型为 Poluurethane。火源增长速率取 t2快速火模型，增长系数选取为 0.046 9 kW/s2，热释放速率在 364 s时达到 6.22 MW。参照 FDS 用户手册，网格尺寸一般取火源特征直径的 1/41/16。计算得到火源特征直径为 1.99 m，则所选网格尺寸为 0.120.50 m，综合考虑计算精度和计算耗时，选取网格尺寸为 0.25 m。3阳台火灾模拟结果分析3.1阳台火焰蔓延阳台火灾中火焰蔓延过程如图 3 所示。分析模拟过程可以发现，在阳台火灾初起阶段，火焰高度较低，主要附着于燃烧物表面，并未超出阳台护栏对外界热环境产生显著影响。燃烧持续到 205 s时，火焰高度超出阳台护栏范围。此时火灾处于快速发展阶段，火焰燃烧范围在较短时间内快速扩大。260 s左右，火焰高度触及上层阳台底部楼板。火焰高度触顶后开始向楼板两侧蔓延，366 s时，火焰逐渐蔓延至上层阳台外立面。在后续时刻中火灾保持该规模继续燃烧，生活中许多阳台外侧为镂空护栏，此时火焰将会直接加热放置在上层阳台地面的可燃物，引起上层住宅空间起火。此外还会出现火焰突然蹿升的情况，如 460 s 时，火焰对上层阳台外立面影响范围达到最大，此时火焰高度超出上层阳台护栏 1.2 m，存在火焰通过上层阳台蔓延至室内的可能性。一旦引燃上层室内可燃物，若火灾得不到及时抑制将会使整体建筑出现连锁引燃现象。表 1阳台火灾荷载分布Table 1Distribution of fire loads on balconies可燃物衣物窗帘置物柜纸箱桌椅电器鞋子日用品合计类型纺织物纺织物木材纸板木材电缆皮革塑料质量/kg884043121010热值/MJ/kg21211821181031822火灾荷载/MJ168168732842092461802222 008（a）正视图（b）侧视图图 2三维模型图Fig.2Three-dimensional model diagram着火阳台（a）205 s（b）260 s（c）366 s（d）460 s图 3火焰蔓延过程Fig.3Flame propagation process1684消防科学与技术2023年 12 月第 42 卷第 12 期3.2火场温度分析发生阳台火灾时，火焰会蹿出阳台，直接烧灼上方阳台围栏及外墙，此部分区域处于高温范围。图 4为阳台火灾中建筑外立面温度分布，266 s时火焰触及上层阳台楼板，此时上层阳台楼板区域开始升温，366 s时火焰最上端超出上层阳台横向宽度，附着于围栏前侧面并向上蔓延，上层阳台楼板以及房间内侧开始升温，房间内侧温度达到 100 左右，楼板温度超过 200。466 s 时，上层楼板升温达到峰值，最高温度约为 800。400 以上的区域均显示为红色。466 s前，上层阳台围栏受高温影响的范围主要为围栏前侧面，466 s后，上层阳台受高温影响的范围趋于稳定，围栏温度稳定上升，同时围栏左侧面开始出现高温区域，温度达到 95 左右。580 s时上层阳台围栏前侧面温度达到 600 左右，围栏上方温度达到 265。在阳台外表面，距离着火楼板 1.5 m 以上的空间每隔0.5 m 布置温度测点，见图 5。测点温度变化曲线如图 6所示。所有测点温度均在 200 以上。在 1.52.0 m 高度内，温度曲线基本一致，均在 400 左右波动。在 23 m 高度内，燃烧最为剧烈，火场温度快速升高。2 m 处温度在 400 左右波动，2.5 m 处火场温度在550 左右，3 m处火场温度在 650 左右。在 35 m 空间内，燃烧减弱，火场温度逐渐下降。3.5 m 处测点温度在 500 左右；4 m 处温度在 400 左右；4.5 m 处温度在 300 左右；5 m 处温度在 250 左右。在距离着火楼板表面 3 m 以上的高度范围内主要为上层阳台，此时火焰直接附着于建筑外立面燃烧。高度在 4.5 m 处的测点位于上层阳台围栏上方，温度在 300 左右，阳台发生火灾时，上层阳台仍然属于火灾危险区域。常见的建筑外墙保温材料 EPS的燃点为 346，XPS的燃点为 355 ，硬 PU 的燃点为 130。阳台火焰在3.04.5 m 空间内附着于建筑外墙燃烧，温度在 300700，若遇到裸露的保温材料将引起建筑外立面整体着火。4阳台防灭火设计从火灾模拟结果看，阳台火焰使上层阳台和室内均处在较大的火灾危险性之中。建筑外立面的消防措施主要集中于火灾发生后的扑救，下面结合阳台特性提出其防灭火设计方案，为阳台消防设计及火灾救援提供参考。4.1水喷淋简易喷淋系统只需要喷头、管道、满足压力需求的水源即可工作，平衡了经济性和安全性。CECS 219-2007简易自动喷水灭火系统应用技术规程 中明确指出简易喷淋系统对提高老旧小区和老旧建筑的防火控火功能具有积极作用。住宅建筑供水管道压力在 0.150.35 MPa之间，而根据 CECS 219-2007 中的规定：喷头工作压力应为 0.05 MPa，最不利点最低工作压力不应低于 0.03 MPa14。因此，绝大多数家用供水管道能够满足设置水喷淋喷头的压力要求。对于市政供水不足的区域，可在老旧建筑顶部设置消防水箱或增设消防泵。根据 GB 50084-2017 自动喷水灭火系统设计规范中火灾场所分类表，住宅建筑属于轻危险级场所。阳台区域依照轻危险级进行喷头布置：以正方形布置的边长为 4.4 m，喷头距离墙壁最大距离为 2.2 m，最小距离为0.1 m，一支喷头的最大保护面积为 20 m2 15。因此，大部分阳台区域仅需布置一个喷头即可。在下文的模拟中，温度/400362324286248210172134965820（a）260 s（b）366 s（c）466 s（d）580 s图 4阳台外立面温度云图Fig.4Balcony facade temperature nephogramF36F35F34F33F32F31F30F29F28F27F26F25图 5测点位置图Fig.5Location map of measurement points时间/s0 100 200 300 400 500 600800700600500400300200100温度/1.5 m2.0 m2.5 m3.0 m3.5 m4.0 m4.5 m5.0 m图 6测点温度曲线Fig.6Temperature curve of measurement points1685Fire Science and Technology,December 2023,Vol.42,No.12阳台简易喷淋系统选用动作温度为 68 的标准喷头，工作压力为 0.05 MPa，流量系数 K 为 80.0，喷头的响应时间指数为 100（m.s）1/2。图 7 为设置水喷淋装置且装置动作后阳台火灾的热释放速率及温度变化曲线。166 s时，喷头达到动作温度开始启动，177 s时火灾完全熄灭。火灾最大热释放速率为 800 kW，最高温度在阳台开口处，为 120。由模拟结果可以看出，在阳台设置简易水喷淋装置可以有效抑制甚至扑灭阳台火灾。4.2防火挑檐对于住宅建筑中上下相邻的套房开口处发生火灾的情况，窗槛墙和防火挑檐都是阻止火灾竖向蔓延的有效措施。GB 50016-2014 建筑设计防火规范 中规定，上下相邻的套房开口之间应设置高度不低于 1.2 m 的窗槛墙或设置耐火极限不低于 1 h的防火挑檐，其出挑宽度不小于 1 m，长度不应小于开口宽度16。当室内发生火灾时，阳台围栏作为窗槛墙能够阻止火灾蔓延；但当阳台区域发生火灾时，由于火焰有足够的长度可以直接伸出室外，阳台围栏的阻火作用将大大降低。为兼顾阳台区域的采光，可采用防火玻璃制成透明挑檐或设置自动伸缩/落下的防火挑檐，当达到一定温度后自动伸出/落下，形成防火挑檐。图 8 为有、无防火挑檐对上层阳台及室内温度的影响。可以看出，防火挑檐能够很好地遏制阳台火焰的竖向蔓延。安装防火挑檐后，阳台火灾产生的高温难以对上层阳台造成影响，上层阳台室内温度为 5070，始终处于较安全的温度区间内。在住宅建筑中，空调外机通常设置于建筑外墙，发生火灾时，空调外机存在燃烧的风险。一方面在受热环境中，空调外机内部线路绝缘层被破坏，引起短路，导致着火；另一方面，绝缘层在外部热辐射条件下也会被引燃发生火灾。COURTY L 等17通过试验研究了电缆在不同热辐射条件下的引燃时间，发现在 10 kW/m2的热辐射强度下，电缆在 238 s左右被引燃，在 30 kW/m2以上的热辐射强度下，电缆在 25 s 左右被引燃。舒中俊等18的试验表明，在 50 kW/m2的辐射强度下，电缆在 10 s 左右被引燃。由于模拟火灾的持续时间远远大于 238 s，因此 10 kW/m2的热流强度足以引燃电缆。根据图 9 的热通量分布图可以看出，增加防火挑檐后上层阳台处的热通量从40 kW/m2以上下降至 0 kW/m2。阳台右侧开口 1.5 m 范围内的辐射热流高于 10 kW/m2。在不考虑电缆绝缘层老化的情况下，安装空调外机时应距离阳台开口 1.5 m以上。5结 论本文针对阳台发生火灾的情况展开模拟，并提出阳台消防措施建议。1）阳台处发生火灾时，上层阳台极易受到影响，火焰蹿升的最大高度为 4.2 m。最高温度通常出现在上层阳台楼板外沿处，能达到 800 左右，上层阳台围栏处温度能达到 300 左右，火灾危险性较大。2）模拟场景中喷头在 166 s时开始动作，177 s时扑灭火灾。火灾场景的最高温度出现在阳台顶部楼板处，为时间/s0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2008006004002000热释放速率/kW（a）热释放速率时间/s0 40 80 120 160 200 240 280140120100806040200温度/（b）温度图 7热释放速率曲线以及最高温度曲线Fig.7Heat release rate curve and maximum temperature curve5705154604053502952401851307520（a）无防火挑檐（b）有防火挑檐温度/图 8温度切片对比Fig.8Temperature slice comparison（a）无防火挑檐（b）有防火挑檐4036322824201612840热通量/kW/m2图 9有无防火挑檐热通量分布Fig.9Distribution of heat flux with or without fire canopy1686消防科学与技术2023年 12 月第 42 卷第 12 期120，喷头动作 24 s后，所有测点温度均降低至 20 左右。在阳台安装简易闭式水喷淋装置能够有效起到灭小、灭早的作用，可用于老旧建筑的消防改造。3）阳台增设出挑宽度为 1 m 的防火挑檐，能够有效限制火焰高度，从而降低上层温度。在增设防火挑檐后，上层室内温度降低至 60 左右，上层阳台处温度降低至6070，使上层火灾危险性大大降低。参考文献：1 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analyzed the characteristics of the balcony fire overflow and the temperature distribution of the fire scene in the indoor,outdoor and upper balcony.The results show that the balcony overflow flame is able to exceed the upper balcony fence by 1.2 m,causing the temperature at the upper balcony floor to reach about 800.It is proposed to use the residential water supply pipe to build a simple sprinkler fire extinguishing device and set up a reasonable fire canopy of the fireproof design scheme.Through simulation,the results showed that the sprinkler can be activated in about 11 s to extinguish the fire,fire canopy with a protruding width of 1 m can ensure the upper balcony temperature below 60.Key words:open convex balcony;temperature distribution;simple sprinkler fire suppression;fire canopy;numerical simulation作者简介：张一和（1983），男，深圳高速公路集团股份有限公司安全监督部总经理，主要从事锂电池梯次利用过程中的安全风险辨识和对策研究，广东省深圳市南山区汉京大厦 44楼，518038。收稿日期：2023-06-21（责任编辑：李艳娜）1687