随着我国经济社会的不断发展，大型建筑不断涌现，由电缆着火引起的火灾层出不穷[1]。大型建筑大都是由有横梁结构的大型房间组成，由于其建筑本身的特点，一旦发生电缆着火而引起火灾，火势会迅速发展，同时会产生大量有毒气体[2]，导致人员中毒甚至死亡，直接造成严重的经济损失[3]。因此，对大型建筑的火灾蔓延规律研究是必要的。

主要研究对象是第三类大型空间商业建筑，比如仓库，大型购物中心，大型车间等，高度一般在6米以下。由于其空间特征与其他建筑不同，大型空间内的电缆火灾与其他类型的空间火灾相比具有以下特点：

(1)有横梁支撑的大型房间(仓库)多用来储存服装，鞋帽，床上用品，日用品，家电等，这些商品大都是易燃物品，且堆放非常集中，表面积大，造成起火负荷过大，易燃烧[4,5]。

(2)大型建筑多由多个有横梁支撑的大型房间(仓库)组成，极有利于火势的传播。

(3)大型建筑除了商业功能外，还兼顾餐饮娱乐等功能，以及商业建筑设备。这使得电气设备大大增加，线路复杂，功率大，电源线长，容易引起火灾。

(4)火灾蔓延速度快，燃烧程度剧烈，容易破坏建筑结构。

据统计，1993～1997年间，全年最大火灾10次，仓库建筑约占比50%左右。1996年4月2日，沈阳商业城市火灾，起火地点位于办公楼一楼的仓库，中庭快速从一楼到六楼的烟火，导致整个仓库柜台和物品燃烧，造成经济损失5519.2万元[6]。

本项工作是对大型商业建筑电缆火灾防护的初步探索，以有横梁结构的大型建筑为实例，以地面电缆起火为仿真着火方式，结合火灾蔓延规律和火灾模化研究方法的基础上进行推测预估火灾发展的规模、建筑空间温度分布、烟气蔓延规律和火灾时长等。在中国高度重视预防和控制大型建筑火灾的时代背景下，本项工作具有现实意义，能够为火灾防控提供新的思路。本项工作通过对整个火灾过程进行深入分析，为大型建筑的火灾预测和抗火灾能力的评估提供坚实的依据，同时为保险行业在商业建筑保险中的应用提供一定的参考依据，为消防设计提供一定的参考依据。大型建筑的建筑设计、消防设计和内部管理将会更加高效。

FDS是由美国国家标准研究所建筑火灾研究实验室开发的模拟火灾中流体运动的计算流体动力学软件，该软件采用数值方法求解火灾浮力驱动的低马赫数流动的N-S方程，重点计算火灾中烟气和热传递过程。FDS是一个烟雾模型，考虑到所有的烟雾运动的子过程。湍流部分采用先进的数值模拟方法，直接模拟(DNS)和大涡模拟(LES)。使用FVM的辐射热传递与计算对流中常用的有限体积法相似，不仅计算了实体壁之间的辐射热传递，而且考虑了烟道中多原子气体燃烧的吸收气体根据Huggett提出的“状态关联”，根据不同的湍流模型，混合馏分燃烧模型(与LES结合)和有限反应，定量地给出反应物与产物之间的关系；FDS最小化建筑模型中的假设，固体的理论基础，能够形成广泛的火灾现象，代表了目前世界领先水平的火焰烟雾模拟现象[7]。

将通过确定高侧窗开口条件下自然排烟的不同影响因素设计火灾场景，对所设计的计算场景进行火灾烟气模拟，确定各个因素对高侧窗自然排烟的影响。

由于开口面积占地板的比例、相邻开口间距和单个开口面积之间的耦合关系，规定高侧窗开口关于梁对称，尽量均匀分布，仅研究总面积与单个开口面积对排烟效果的影响。

采用FDS对不同场景下烟气蔓延进行模拟计算。研究对象为长20 m，宽20 m，高度为3.8 m的方形仓库。在顶棚长度方向1/4处对称布置两段横梁，长20 m，宽0.3 m，离顶棚的距离为0.5 m，在垂直于长梁方向，有一宽1 m，高2 m的门，在模拟研究中，大门处于关闭状况。

本项研究的主要目的是探究仓库火灾中结构的危险性，因此主要记录板底及柱处的温度变化。为达成此目的，在板底均匀设置55个温度输出点，以便计算梁构件的温度场。在3 m,3.5 m,4 m等不同高度处设置了温度输出点，以便计算柱构件的温度场。为了能更清楚的看到整个空间的温度变化情况，在竖直方向都设置每隔0.5 m设置一个切片，在水平X方向，每隔5米设置一个切片，水平Y方向，每隔7米设置一个切片。

根据前述仓库火灾荷载调查，建立模型，用FDS进行分析计算可得各层的热释放速率曲线、室内平均温度变化过程、水平及竖直方向温度场变化过程。

在FDS中可以直接得到火灾工程中的热释放速率变化数据，以EXCEL的形式输出。三层服装层在通风条件发生变化时，火灾热释放速率发生突变。这是因为通风口打开前，室内氧气逐渐耗尽，释热率下降，通风口打开的瞬间，氧气突然增加，使放热速率突增。

由于计算空间较大，考虑计算量，将计算网格尺寸设定为0.5m×0.5 m×0.5 m[8]，设定火源为放置在计算区域中心位置的商铺着火，为方便计算，将可燃物简化成为立方块，环境温度设为20℃。在本次模拟中，未考虑自动喷淋灭火系统对火灾发展的影响。所建FDS模型如图1和2所示。

采用FDS模拟软件对上一节所设计的计算场景逐个建模，已知研究对象为长20 m，宽20 m，高度为3.8 m的方形仓库。在顶棚长度方向1/4处对称设置两段横梁，长20 m，宽0.3 m，离顶棚的距离为0.5 m，在垂直于长梁方向，有一宽1 m，高2 m的门，在模拟研究中，大门处于关闭状况。四面对称开口场景中以1-1-1(四面对称开口，高侧窗开口面积占地板面积的比例为2%，单个高侧窗开口面积为0.25 m2)和2-1-2(两面垂直于梁对称开口，高侧窗开口面积占地板面积的比例为2%，单个高侧窗开口面积为0.5)。另外，是否有排气孔也是影响排烟性能的重要性能。以下是无排烟孔的模拟分析：

图1 1-1-1模型   下载原图

Fig.1 Model 1-1-1

图2 1-2-1模型   下载原图

Fig.2 Model 1-2-1

对以上场景进行烟气模拟，对其温度、烟气浓度、以及CO浓度进行结果分析，均未达到危险状态，因此，本文采用能见度作为判断标准进行分析说明。

如图3,a-d表示模型1-2-1不同时间的能见度。

图3 模型1-2-1在不同时间的能见度   下载原图

Fig.3 Visibility of model 1-2-1 at different times

可见，危险高度处的能见度变化规律比较明显，火灾开始阶段，烟气急剧增加，能见度迅速降低，到一定时间，能见度基本稳定，产烟与排烟速率大体保持平衡。

为便于分析，所有场景的结果做成如下图标，a、b、c表示为总面积为2%，单个开口面积分别为0.25、0.5、1 m2时危险高度的能见度与时间的关系，d、e、f表示开口面积为4%，单个开口面积分别为0.25、0.5、1 m2时危险高度的能见与时间的关系以危险高度的能见度与时间的关系。如下图4。

图4 各情况下危险高度能见度与时间关系   下载原图

Fig.4 Relationship between visibility and time at dangerous heights in each situation

结果分析：

从总体结果看上来，高侧窗开口面积占地板面积的比例大小建筑内的排烟效果影响最大，口面积越大，排烟效果越明显；在开口面积为4%时，几种工况在试验条件下都能达到安全判断标准(本文采用的是能见度5 m)，开口面积为2%时，几种工况均达不到安全要求；单个开口面积的影响不大。

从D、E、F可以看出高侧窗式也对排烟效果产生一定的影响，在开口面积相同的前提下，高侧窗式也对排烟效果产生一定的影响，在开口面积相同的前提下，四面开口的排烟效果最好，两面对称开口的两种情况无明显差别；

比较E、F可以得出单个高侧窗开口面积也有一定的影响，四面开口情况下，开口面积为0.5 m2的比1 m2效果要好，但两面开口情况下，开口面积为0.5 m2的不如1 m2效果好。

在仓库设计建造过程中，很多时候需要考虑到通风问题。由于所储存物品的不同，造成对温度湿度需求的差异。要满足这些要求，需要设计通风换气系统。通风方式分为自然通风和机械通风，在大型以及超大型仓库中，自然通风很多情况下是无法满足需求的，所以大型仓库一般采用功率大风景大的排气扇，本文研究对象为中小型仓库，可以采用自然通风。如图5，将仓库顶上的排气孔简化为8个0.25 m×0.25 m的方形排气孔，其他几何特征不变。

图5 加排气孔示意图   下载原图

Fig.5 Schematic diagram of adding a vent

图6 模型1-1-1在不同时间的能见度   下载原图

Fig.6 Visibility of model 1-1-1 at different times

可见，危险高度处的能见度变化规律比较明显，火灾开始阶段，烟气急剧增加，能见度迅速降低，到一定时间，能见度基本稳定，产烟与排烟大体平衡。

为便于分析，所有场景的结果做成如下图表，a、b、c表示为总面积为2%，单个开口面积分别为0.25、0.5、1 m2时危险高度的能见度与时间的关系，d、e、f表示开口面积为4%，单个开口面积分别为0.25、0.5、1 m2时危险高度的能见度与时间的关系以危险高度的能见度与时间的关系。如图7:

图7 各情况下危险高度能见度与时间关系   下载原图

Fig.7 Relationship between visibility and time at dangerous heights in each situation

将加排气孔与未加排气孔数值模拟结果进行比较，可以看出，加了通风孔的排烟效果比不加通风孔要好一些，通风孔对排烟有一定的帮助。高侧窗开口面积占地板面积的比例大小建筑内的排烟效果影响最大，侧窗开口面积越大，排烟效果越好；在开口面积为4%时，几种工况在试验条件下都能达到安全判断标准(本文采用的是能见度5 m)，开口面积为2%时，几种工况均达不到安全要求；单个开口面积的影响不大。

从d、e、f可以看出高侧窗式也对排烟效果产生一定的影响，在开口面积相同的前提下，高侧窗式开口也对排烟效果产生一定的影响，在开口面积相同的前提下，四面开口的排烟效果最好，两面对称开口的两种情况无明显差别；

比较e、f可以得出单个高侧窗开口面积也有一定的影响，四面开口情况下，开口面积为0.5 m2的比1 m2效果要好，但两面开口情况下，开口面积为0.5 m2的不如1 m2效果好。

(1)大型建筑火灾中危险高度能见度会下降到一定程度(3～8 m)后达到稳定，能见度基本不发生变化，此时排烟和产烟速率大致达到平衡；

(2)影响排烟的因素中，高侧窗开口面积占地板面积的比例大小建筑内的排烟效果影响最大，窗口面积越大，排烟效果越明显；高侧窗式开口也对排烟效果产生一定的影响，在开口面积相同的前提下，四面开口的排烟效果最好，两面对称开口的两种情况无明显差别；比较可以得出单个高侧窗开口面积也有一定的影响，高侧窗开口面积为0.5 m2时排烟效果比开口面积为0.25 m2时要好。

(3)房梁对排烟的影响不大，每组梁围成的小区域只起汇集和滞留烟气的作用，可能是梁的高度不够。以后可做进一步的研究工作。

(4)排气孔对排烟性能也有一定影响，加排气孔比未加排气孔的排气效果要好.