高层办公建筑火灾荷载调查与统计分析研 (2).pdf

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1、 http:/-1-中国中国科技论文在线科技论文在线 高层办公建筑火灾荷载调查与统计分析研究高层办公建筑火灾荷载调查与统计分析研究#王能胜，翁庙成，余龙星，刘方*基金项目：公安部重点研究计划项目基金（2011ZDYJCQXF019）作者简介：王能胜（1987-），男，硕士研究生，建筑消防科学与技术 通信联系人：刘方（1965-），女，教授，博导，建筑防火技术，CFD 研究.E-mail:（重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆 400045）5 摘要摘要：火灾场景设计是性能化防火设计的重要组成部分，火灾荷载的统计数据是火灾场景设计的基础。本文以现场调查并结合数据统计分析方法，对重庆市 12 栋高

2、层办公建筑共 373间办公房间的火灾荷载进行了调查研究，同时分析了轰燃的增长趋势。通过火灾荷载的统计分析，结果表明高层办公建筑的火灾荷载密度服从正态分布，其平均值为 494.6MJ/m2，标10 准偏差 201.7 MJ/m2。办公建筑火灾荷载密度与房间用途有关，其中综合类办公室的火灾荷载密度最大，达到 566.9MJ/m2。火灾荷载密度与房间面积有关，与建筑物年限无关。论文还研究了办公类建筑火灾增长因子 的范围，办公类建筑火灾增长类型为快速型。典型办公类建筑的最大火灾热释放速率为 7.2MW。论文的研究为我国高层办公类建筑防火性能化设计提供了火灾荷载基础数据。15 关键词关键词：火灾场景；火

3、灾荷载密度；办公建筑；正态分布 中图分类号中图分类号：X928.7 Study on the Distribution of Fire Load in High-rise Office Building 20 WANG Nengsheng,WENG Miaocheng,YU Longxing,LIU Fang(Faculty of Urban Construction and Environment Engineering,Chongqing University,Chongqing 400045)Abstract:IFire scenario design is an important p

4、art of the performance-based fire performance design.Statistical data of Fire load is the key parameter of fire scenario design.In this paper,the investigation 25 and data statistics analysis methods are used to study the high-rise office building fire load.By using the methods,total of 373 office r

5、ooms of 12 high-rise office buildings are investigated in Chongqing.The results show that the distributions of fire load density in high-rise building follow a normal distribution.The average value of the fire load density is 494.6MJ/m2,and the standard deviation is 201.7 MJ/m2.Office building fire

6、load density is related to its function of use.Fire load density of 30 integrated offices is the biggest,reaching to 566.9MJ/m2.Fire load density is related to the room size,the fire load did not depend on the ages of the building.The growth coefficient of the t2 fires most widely used in the pre-fl

7、ashover for the high rise office building is discussed.Further,room fire duration and its probability density distribution is obtained.Key words:fire scenario；fire load density；office Building；normal distribution 35 0 引言引言 随着建筑技术的快速发展，越来越多的大型高层建筑的出现，目前我国高层建筑正朝着现代化、大型化、多功能化的方向发展。性能化防火设计得以发展，设计火灾荷载是性能

8、化防火设计方法的重要组成部分，是研究火灾全面发展阶段性状的基本要素1，2。在设计火灾40 场景时,通常关注的有起火的位置,起火范围内可燃物的类型、数量和摆放方式,而这些数据需要通过火灾荷载调查得到的。目前，有一些研究学者对办公类建筑火灾荷载有一定的研究。比如，Culver 对美国 23 http:/-2-中国中国科技论文在线科技论文在线 栋办公建筑进行火灾荷载调查分析，并就影响参数进行了研究3。Sunil Kumar 也对印度的八栋办公室的火灾荷载进行了研究，还统计分析了移动式火灾荷载密度4。然而国内在火灾45 荷载方面也有一定的研究，但主要集中在对商场、宾馆、宿舍、住宅的火灾荷载密度及分布规

9、律的研究上5-7，对办公建筑火灾荷载相关研究较少。我国在开展性能化防火设计时，通常是借鉴国外调查得到的数据。由于各国经济发展情况、生活习惯等方面的不同，导致火灾荷载有较大的差异。因此，直接借鉴国外调查得到的数据会使得性能化防火设计失去准确性。课题组在 2012 年 2 月到 2012 年 10 月期间，对重庆市的 12 座高层办公建筑进行了火灾50 荷载的调查，共 373 间不同类型的办公室，总面积 16399.9m2。调查收集的数据包括火灾荷载、可燃物类型、房间尺寸和窗户尺寸。1 高层办公建筑火灾荷载的调查高层办公建筑火灾荷载的调查 1.1 火灾荷载及火灾荷载密度火灾荷载及火灾荷载密度 火灾

10、荷载是指涉火空间内所有可燃物燃烧所产生的热量值。它包括固定火灾荷载和移动55 火灾荷载。总火灾荷载可以通过下式计算:ciiihmkQ。式中：Q为房间内总火灾荷载值（MJ）；ik为可燃物 i 所占比例；im为房间内可燃物 i 的质量（kg）；cih为可燃物的热值（MJ/kg）。房间内火灾荷载通常使用火灾荷载密度来表征，也就是总火灾荷载与房间面积的比值用cq表示，单位是 MJ/m2，fcAQq/，其中fA为房间地板面积（m2）。办公房间内常见可燃物品及材料的燃烧热值见表 1 和表 2 8，9。在燃烧热值表中，一些物品和材60 料的热值是变化的，表中的数值取的是平均值。表 1 可燃物品的燃烧热值 T

11、able 1 Calorific values and energy released by some building contents 物品名称 热值（MJ/个）物品名称 热值（MJ/个）椅子（未塞满垫料）70 3 座沙发 738 椅子（塞满垫料）250 电脑 492 一头沉写字桌 1200 打印机 146 桌子（金属腿）250 壁画 30 方桌 420 空调 134 单座沙发 243 电话 17 双座沙发 466 窗帘（窗面积/m2）10 表 2 可燃材料燃烧热值 Table 2 Calorific Values of Common Materials 65 材料名称 热值（MJ/kg）

12、材料名称 热值（MJ/kg）衣服 18 塑料 22 木材 19 橡胶 32 皮革 18 木地板 18 纸 17 地毯 20 1.2 火灾荷载调查方法火灾荷载调查方法 常见的相同的物品进行预先的称重和咨询生产厂家。所调查的办公房间，涉及的天花板 http:/-3-中国中国科技论文在线科技论文在线 基本上均为 B1 级准不燃材料和难燃材料，地板为地毯、木地板或地板砖，均在调研时进行统计。墙壁上装修的材料也都进行了统计，并统计了可燃等级。可燃物设备包括办公桌、椅70 子、沙发、电脑、空调、饮水机等。为了使调查程序更为系统和一致，将调查程序分为 4 个步骤：熟悉需要调查办公建筑的图纸，并进行标记；确定

13、办公房间的几何尺寸和通风口的尺寸；统计固定火灾荷载，包括结构的构建和内衬材料等；统计移动火灾荷载，包括办公房间内容物、可燃物的类型和质量。2 调查数据的统计分析调查数据的统计分析 75 2.1 对高层建筑火灾荷载进行初步分析对高层建筑火灾荷载进行初步分析 通过对高层办公建筑的调研，把办公室主要分为 4 种不同类型，分别为行政办公室、综合办公室、会议室和接待室。统计出每个办公房间的总火灾荷载，火灾荷载可燃物的组成等。图 1 给出了不同种类办公房间面积占所调查办公建筑总面积的比例图。在所调查的 373 间办公房间中，综合类办公室所占的比例最大，行政办公室和综合类办公室占到了总面积的80 78.2%

14、。还有接待室的比例也较高，占到总面积的 7.1%。图 1 高层办公建筑各类型建筑面积占总面积的比例 Fig.1 Proportion of various type construction area in different room types 为对不同类型的办公房间的火灾荷载进行深入的分析，有些具有足够的样本数量来进行85 精确的分析，有些则样本不够。行政办公室占了样本总数的 40.5%。而库存室、娱乐室等占的样本数少。表 3 给出了不同类型办公房间面积和火灾荷载密度的数据分析结果。高层办公建筑房间的火灾荷载密度的平均值为 494.6 MJ/m2，标准偏差为 201.7 MJ/m2。图

15、2 给出了 373 间房间面积的频数分布图，对每个面积区间进行了样本数统计。面积的平均值为 44 m2，标准偏差为 32.3 m2。房间面积在 25m231.2m2之间的频数最多，达到了90 70 个。房间面积超过 80 m2的共 31 个，图 3 给出了不同类型办公房间火灾荷载密度平均值，可以看出房间类型与火灾荷载密度相关。综合类办公室的火灾荷载密度最大，为 566.9MJ/m2。接待室的火灾荷载密度最小，为 313.7 MJ/m2。图 4 给出了以 10 m2为一区间的房间火灾荷载密度平均值，面积在 10 m2以下时，火灾荷载密度最大，为 767 MJ/m2。房间面积大于 80 m2时，火

16、灾荷载密度为 457 MJ/m2。从图中可以看出房间面积的变化与火灾荷载密度95 的关系不显著。表 3 不同类型房间面积和火灾荷载密度 Table 3 Room area and Fire load density in different room types 房间类别 房间个数 房间面积（m2）火灾荷载密度（MJ/m2）最小值 最大值 平均值 最大值 最小值 平均值 标准偏差 http:/-4-中国中国科技论文在线科技论文在线 行政办公室 175 7.3 118.5 32.2 942.6 65.9 512.4 195.3 综合办公室 89 27.4 156.6 81 757.4 252.3

17、 566.9 109.8 会议室 39 9.7 65.6 26.7 742.6 212.5 385.4 87.1 接待室 33 11 108 35.1 767.3 104.5 313.7 130 其他 37 9.2 120.3 36.4 1224.6 90.6 511.9 363.1 总共 373 7.3 156.6 44 1224.6 65.9 494.6 201.7 100 图 2 房间面积分布图 Fig.2 Floor area distribution 图 3 不同类型办公房间火灾荷载平均值 Fig.3 Fire mean load density in different room

18、types 105 图 4 建筑物房间面积与火灾荷载密度关系 Fig.4 Fire load density of different room areas http:/-5-中国中国科技论文在线科技论文在线 2.2 火灾荷载的统计学分析火灾荷载的统计学分析 2.2.1 高层办公建筑火灾荷载分高层办公建筑火灾荷载分布规律研究布规律研究 110 图 5 为高层办公建筑不同火灾荷载密度频数分布图。从图中可以看出大致为正态分布，为了验证是否符合正态分布规律，做了非参数检验。正态分布典型的检验是利用科尔莫戈罗夫-斯米尔诺夫检验(Kolmogorov-Smimovtest)，即 k-s 检验。计算分析软

19、件采用 SPSS，经过计算 P 值，得到 p=0.1920.05，服从正态分布。其火灾荷载密度的分布函数为 7.201*2)6.494(exp2*7.2011)(22ccqqf （1）115 同时也验证松山先生提出的不同功能建筑物的火灾荷载密度具有正态分布规律这一结论9。图 5 高层办公建筑火灾荷载分布直方图 Fig.5 Distribution histogram of fire load in high-rise office building 图6为办公类建筑火灾荷载密度的累积分布函数，累积概率分别为70、80、90对120 应的火灾荷载密度数值分别为614.6MJm2，680.0 MJ

20、m2，743.6 MJm2。第95百分位数表示调查火灾荷载的不利情况，其火灾荷载密度为774.4 MJm2。图 6 办公类建筑火灾荷载密度累积分布函数图 Fig.6 Cumulative frequency distribution of room fire load data 125 2.2.2 火灾荷载密度与火灾荷载密度与建筑物使用年限建筑物使用年限的关系的关系 表 4 为办公建筑使用时间对火灾荷载密度的影响，表中可以看出，火灾荷载密度跟建筑物的使用时间无相关性，使用时间 510 年和 1015 年的火灾荷载密度差距不大。由于调查的栋数较少，建筑物的使用年限不长，该结论有待进一步研究。13

21、0 http:/-6-中国中国科技论文在线科技论文在线 表 4 办公建筑的使用年限与火灾荷载密度关系 Table 4 building age and fire load 建筑物使用时间（year）建筑物栋数 火灾荷载密度（MJ/m2）0T5 4 478 5T10 5 514 10T15 3 521 3 基于火灾荷载数据的火灾场景设置及参数估算基于火灾荷载数据的火灾场景设置及参数估算 135 3.1 基于火灾荷载数据的火灾场景设置基于火灾荷载数据的火灾场景设置 3.1.1 火灾增长模型研究火灾增长模型研究 火灾场景设计是对某特定火灾从引燃开始到火灾增长到最高峰的过程以及火灾造成的破坏的描述。火

22、灾初期阶段，采用t2火模型为代表，火灾过程中热释放速率可通过下式表示8,10 140 2tQf （2）式中，fQ为热释放速率，(kW)；为火灾增长因子，（KW/s2）；t为火灾有效燃烧发生后的时间，(s)。其中火灾增长因子应综合考虑可燃物荷载密度以及墙和吊顶的影响，可由式（3）与式（4）表示 145 mf（3）；3/56106.2qf（4）式中为火灾增长系数，（KW/s2）；q 为火灾荷载密度，（MJ/m2）。根据m与装修材料可燃等级的关系，可确定火灾场景的m值。以置信区间为 95%的火灾荷载密度，计算f值。计算值范围见表 5。有的范围值 0.07820.142 可知，办公类建筑火灾增长类型为

23、快速型。150 表5 办公建筑火灾增长因子 Table 5 Fire growth coefficient 火灾增长系数 最小值（kW/s2）最大值（kW/s2）可燃物荷载密度影响（f）0.0747 0.086 墙和吊顶的影响（m）0.0035 0.056 火灾增长因子（）0.0782 0.142 3.1.2 轰然热释放速率研究轰然热释放速率研究 旺盛期火灾的持续时间是建筑物耐火设计的一个重要依据，特别是对高层建筑、超常规大空间建筑的耐火设计。Kawagoe等用木垛为燃料，对室内火灾的发展进行了较系统的研究，155 发现轰燃后的火灾，燃烧速率与通风口面积和形状的关系可用下式描述11：HAm09

24、2.0 （5）对于发生轰然的火灾，最大热释放速率的公式为HmQ （6）式中A是窗户的面积，（m2）；H为窗户的高度，（m）；m 为质量燃烧速率，（kg/s）；H为可燃物的热值，（MJ/kg）；为燃烧效率因子，反映不完全燃烧的程度。160 http:/-7-中国中国科技论文在线科技论文在线 根据调研的房间面积频数最多的房间为典型房间来进行最大热释放速率和火灾持续时间的研究，所取的典型房间尺寸为6.5m 4m 3.2m，窗户的尺寸为2.2m 2m。由公式（5）(6)计算出的燃烧速率为 0.52，取7.0，得出最大热释放速率为 7.2MW，计算出火灾场景初期热释放速率达到设定功率的时间为 225s3

25、04s 之间。国内外开展性能化防火设计时，最大热释放速率取 7.5MW，本文论证了取值是合理的。165 3.2 火灾旺盛期持续时间的估计火灾旺盛期持续时间的估计 由式（5）可得到火灾的持续时间与火灾荷载密度的关系：qkmqAtfdur （7）其中，HAAkf092.0，它是表征建筑物房间结构特征的一个参数，它与建筑物的地面面积、窗口面积及开口高度有关。对于火灾荷载密度服从正态分布的建筑，根据概率与统计的基本规律，房间内火灾旺盛170 期的持续时间也将成正态分布。如果k做常数处理，则火灾盛期持续时间的平均值和标准差有如下的关系：qfqtHAAkdur092.0 （8-a）qfqtHAAkdur0

26、92.0 （8-b）以上述典型房间为例，得到k值是k=45.4。将k值代入（8-a）和（8-b）中，从而得到durt=1247,durt=509。图7为办公建筑典型房间火灾旺盛期持续时间的概率密度分布图。建175 筑燃烧持续时间超过15min概率为0.75。从图中可以看出燃烧的持续时间几乎没超过45min。高层民用建筑设计防火规范中规定墙体的耐火极限为60min，吊顶的耐火极限是15min。在15min内，一般人员都撤离了火灾房间，总体来讲，现行的建筑耐火极限是合理的。图7 办公类建筑火灾旺盛期持续时间与概率密度分布关系 180 Fig.7 Frequency distribution of

27、room fire duration time 4 结论结论 通过对重庆市12栋高层办公建筑火灾荷载的调查，火灾场景的探讨，可得到如下结论：1）办公建筑的火灾荷载密度服从正态分布，火灾荷载密度的平均值为494.6MJ/m2，标准偏差为201.7MJ/m2，第95百分位数值为774.2 MJ/m2。2）办公建筑火灾荷载与办公室的用途有185 关，综合类办公室火灾荷载密度最大，为566.9 MJ/m2。会议室和接待室的火灾荷载密度最小。3）研究表明办公建筑火灾荷载与建筑物的年限没有相关性。4）得出高层办公建筑的火 http:/-8-中国中国科技论文在线科技论文在线 灾增长因子变化范围，高层办公建筑

28、的火灾为快速发展火灾。5）得出典型办公房间最大热释放速率为7.2MW。燃烧持续时间超过15min概率为0.75。参考文献参考文献(References)190 1 G.V.Hadjisophocleous,Benichou N,A.S Tamin.Literature review of performance based codes and design environmentJ.Journal of Fire Protection Engineering 1998,9(1):12-40 2 廖曙江，刘方，付祥钊对活动火灾荷载的讨论J消防科学与技术，2003，22(5)：357-359 3

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30、荷载调查与统计分析J.自然灾害学报，2010,19（4）：124-128 7 高伟，孙金华，宾馆与高校学生宿舍类建筑火灾荷载分布规律分析J.安全与环境学报，2009,9（4）：200 153-156 8 刘方，廖曙江.建筑防火性能化设计M.重庆：重庆大学出版社，2007 9 范维澄，孙金华，陆守香等.火灾风险评估方法学M.北京：科学出版社，2004 10 ERIC W M.A complete guide to fire and buildingsR.Edinburg University,2000,205-212.11 高伟.不同功能建筑火灾荷载分布规律分析D.合肥：中国科学技术大学，2009 205