建筑設(shè)計中消防系統(tǒng)的建模與仿真

　　當提到防火措施時，您首先想到的可能是讓所有人都安全撤離建筑物的后勤工作(即避免接觸有害煙霧、化學(xué)物質(zhì)和高溫)。支持這些后勤工作的是一些主動措施，例如警報和自動噴水滅火系統(tǒng)，以及內(nèi)置在其結(jié)構(gòu)中的一些被動措施，以盡量減少損失。為了確保在設(shè)計建筑物時考慮到防火措施，工程師可以模擬暴露在火中的建筑物結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。

　　為火災(zāi)做準備

　　想象一下，當您正在工作，準備一個重要的演講時，一個刺耳的警報響起。當您把頭伸出會議室門外時，看到閃爍的燈光。

　　您對一位路過的同事說：“我不知道今天有消防演習(xí)?！?/p>

　　他一邊回答說：“沒有”，一邊沖出大廳。

　　然后，你就會聞到煙味。

　　幸運的是，如果真的發(fā)生火災(zāi)，您的工作場所已不止一次地練習(xí)疏散撤離建筑物，您知道最快的出口路線(以及備選路線)。如果您是房間里的最后一個人，則要關(guān)閉(但不要鎖上)身后的門，并且知道大家都去哪里集合并等待消防人員的到來。

　　在遵循上述步驟并安全撤離大樓后，您和您的同事在外面閑逛，并推測導(dǎo)致警報響起的原因。大樓里是真的著火了嗎?當您看到有不止一輛消防車來的時候，您會擔(dān)心情況可能會比想象的要糟糕一些。過了一會警報關(guān)閉后，消防人員攜帶各種工具進進出出，有些在大廳里掃地，有些在清掃周邊。

　　最后，消防員開始收拾裝備并準備離開，在大廳里您看到老板與大樓經(jīng)理在說話。隨后老板讓所有人聚在一起，然后說：“好吧，大家!我們需要來談一談微波爐的安全問題了?！?/p>

　　當他舉起一個酥脆的，略帶燒焦的爆米花時，輕松的笑聲在人群中蕩漾開來。盡管引起混亂的原因是一個午后的小點心，但您仍然感激每個人都遵循程序并安全地撤離了大樓。

　　典型的火警喇叭/頻閃燈。

　　就像您的工作場所為火災(zāi)事件提前做好了準備一樣，在每個建筑物投入使用之前，設(shè)計它的工程師和建筑師就考慮到了突發(fā)火災(zāi)的情況并做出了相應(yīng)的計劃。無論是對于醫(yī)院，住房或是高層公寓大樓，安全規(guī)范有助于建筑行業(yè)專業(yè)人員在測試材料的強度和耐火性以及采用防火和防煙方法時遵守公認的規(guī)范。

　　其中一套規(guī)范是歐洲制定的標準(EN)1991 ——《建筑物結(jié)構(gòu)上的作用》。在該標準中的 1991-1-2(“對建筑物暴露在火中的結(jié)構(gòu)設(shè)計”)章中詳細介紹了防火的結(jié)構(gòu)設(shè)計，溫度對結(jié)構(gòu)的影響，以及火災(zāi)密度等。用仿真軟件對建筑物火災(zāi)進行分析，必須遵循上述所說的規(guī)范。

　　牢記這一標準，接下來我們將向您展示用 COMSOL Multiphysics? 軟件進行建筑物防火模擬的示例。在此之前，讓我們來看一下在最開始設(shè)計建筑物時應(yīng)考慮的一些防火措施。

　　平衡主動和被動消防系統(tǒng)

　　在設(shè)計一棟建筑物時，最重要的是考慮建筑物的整體性。在建筑物理中，了解建筑的物理性有助于創(chuàng)建高性能的結(jié)構(gòu)并延長其生命周期。除了遵守規(guī)范外，建筑物理學(xué)關(guān)注的領(lǐng)域還包括建筑設(shè)施的管理、取證、修復(fù)、保護以及拆除和回收。

　　如今，那些對建筑物理學(xué)感興趣的人經(jīng)常使用模擬仿真來測試建筑系統(tǒng)設(shè)計的可靠性以及其他所需的功能，例如隔音等。對于解決消防背后的復(fù)雜物理問題并滿足設(shè)計承重結(jié)構(gòu)的標準，仿真也是很有用的方法。雖然真實火災(zāi)的特征可能是無法預(yù)測的，但模擬可以幫助工程師分析不同的場景并最大程度地減少火災(zāi)的危害。此外，不同類型的保護系統(tǒng)對火和煙霧的反應(yīng)也有所不同。因此，在每個設(shè)計中都必須考慮到加熱和冷卻的效果，無論是對于帶有鋼梁和鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)還是機械系統(tǒng)(例如通風(fēng)系統(tǒng))。

　　梁中的熱應(yīng)力(兆帕)。

　　工程師在設(shè)計建筑物時通常會考慮兩種類型的防火措施：主動措施和被動措施。在火災(zāi)期間，我們通常會考慮采取主動措施：探測和預(yù)警系統(tǒng)，滅火或控制火災(zāi)的自動滅火系統(tǒng)(如灑水裝置)，消防區(qū)域和逃生路線。但是對于整體消防而言，采取被動措施同樣很重要，這些措施可確保建筑物的結(jié)構(gòu)完整并減緩或阻止火災(zāi)蔓延。在消防方面，最好同時擁有主動和被動消防系統(tǒng)，以防一個或多個系統(tǒng)出現(xiàn)故障。

　　防火材料和建筑設(shè)計

　　材料在建筑物理中起著關(guān)鍵作用，對于防火也是如此。工程師必須遵守(例如)鋼制接縫系統(tǒng)、混凝土地板、礦棉隔熱材料以及石膏基灰泥和墻板等材料的耐火等級，并且必須是在保持建筑物結(jié)構(gòu)完整性的同時遵守耐火等級。

　　為建筑物的關(guān)鍵部件選擇最佳材料后，工程師還需要研究其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。我們采取分隔的方法，例如設(shè)置防火屏障(如墻和門)，這樣即使建筑物有部分倒塌，這些分隔的結(jié)構(gòu)仍然保持直立狀態(tài)。這些防火屏障還可以在一段很長的時間將火和煙限制在一定區(qū)域內(nèi)，以便可以讓建筑物內(nèi)的人們能夠安全撤離。主動措施與這些被動屏障系統(tǒng)協(xié)同工作，有助于快速檢測煙霧，保持封閉區(qū)域內(nèi)盡可能清新，并在發(fā)生火災(zāi)時抑制大火的蔓延。

　　由于障礙物內(nèi)的開口(例如窗戶)以及水管工或電工所做的一些改動，設(shè)計這些障礙物并保持其耐火性就變得極具挑戰(zhàn)性。此外，在設(shè)計這些屏障時，需要考慮在風(fēng)管中使用防火閥的位置。還有一個重要的步驟是測試防火玻璃和框架，經(jīng)常檢查障礙物是否存在不足，在電纜上涂上涂料，并根據(jù)需要使用其他防火措施。

　　被動消防系統(tǒng)包括耐火隔熱材料和管道系統(tǒng)(左)。窗戶玻璃和框架(右)應(yīng)進行防火測試，尤其是在防火屏障中。

　　為了滿足防火的需求，建筑物的材料也在不斷改善。人們對建筑物的要求越來越高，需要越來越高的可持續(xù)發(fā)展性。能夠適應(yīng)這種趨勢的材料包括工程木材，如交叉層壓木材，層壓單板木材和膠合層壓木材。然而，使用木質(zhì)材料，尤其是高層建筑所需的那種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，可能會增加燃料負荷，導(dǎo)致火災(zāi)加劇，同時會使主動和被動系統(tǒng)都不堪重負。

　　此外，較輕的材料(如石膏墻板和電線的耐火噴霧劑)也被更多地用于高層建筑物。正因為如此，建筑規(guī)范正在發(fā)生變化，越來越多地依賴于主動保護措施，而不是被動措施，這又意味著被動措施存在被忽視的風(fēng)險。

　　電線和電纜可以涂阻燃劑，以改善消防系統(tǒng)。

　　工程師在評估風(fēng)險和制定建筑防火方案時，他們必須考慮材料的耐火性，這意味著需要進行大量研究和實驗，以確保被動和主動措施均符合規(guī)范。

　　對建筑進行建模探究火災(zāi)對結(jié)構(gòu)的影響

　　建模用到了 COMSOL Multiphysics 和其附加的傳熱模塊。讓我們看一看這些仿真模型(您可以在案例庫中找到)，這些模型的建立滿足歐洲規(guī)范的“暴露于火災(zāi)中的結(jié)構(gòu)”。這些單個模型可能看起來很簡單，但是它們可以讓您使用模擬軟件準確地獲取重要的消防信息。

　　冷卻和加熱

　　前面兩個例子涉及冷卻和加熱過程。在第一個示例中，對瞬態(tài)冷卻過程進行了建模，結(jié)果顯示了 1800 秒時間內(nèi)的溫度分布。將模擬結(jié)果與歐洲規(guī)范的結(jié)果進行比較后發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果在規(guī)范指定的有效范圍之內(nèi)。對于第二個示例，其在 180 分鐘后的溫度分布，與參考溫度也非常接近。

　　冷卻過程超過 1800 秒，顯示參考溫度(藍色)和計算溫度(綠色)。

　　多層傳熱

　　通過模擬還可以幫助您研究具有不同特性的不同材料層中的熱傳遞。(在這種情況下，外層材料是鋼，其材料屬性通過歐洲規(guī)范給出。)該模型從初始溫度 1000°C 開始計算 180 分鐘內(nèi)的傳熱情況。結(jié)果與歐洲標準中給出的溫度非常匹配。

　　僅在材料的熱容存在強非線性的時候溫度計算其絕對誤差結(jié)果與規(guī)范有一定偏離。我們可以對我們的結(jié)果充滿信心，因為參考值是由不同軟件包計算結(jié)果取平均而來，并且這些值中存在異常值是導(dǎo)致該區(qū)域的溫度過低的原因。

　　左圖：模型幾何圖形和圖層設(shè)置。右圖：180 分鐘后的溫度分布。

　　熱伸長率

　　本示例驗證計算出的伸長率與預(yù)期值相匹配。將模型的幾何形狀設(shè)置為邊長為100 mm且溫度均勻的立方體。模型本身就是一個純粹的結(jié)構(gòu)力學(xué)問題。這里，模擬結(jié)果和參考值是完全匹配的，這是可以預(yù)料到的，因為熱應(yīng)變函數(shù)定義了形變，而形變是可以計算出來的。

　　顯示熱伸長率的立方體模型。

　　梁中的熱應(yīng)力

　　這個例子描述了暴露在溫度梯度下的梁的非線性力學(xué)行為。該模型將傳熱和固體力學(xué)耦合在一起，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是取決于溫度和應(yīng)變的非線性函數(shù)。

　　在模型中，梁的上下表面可能會暴露在不同的溫度下。在第一種情況下，兩側(cè)的溫度都升高到 120°C。然而，在第二種情況(如下所示)下，上側(cè)(Tu)的溫度為 20℃，而下表面(Td)的溫度為 220℃。然后將主應(yīng)力與參考值進行比較。在兩種情況下，誤差均在可允許范圍內(nèi)(即，低于最大允許誤差 5%)。

　　在 Tu = 20°C和 Td = 220°C 時的應(yīng)力分布。

　　由于 COMSOL Multiphysics 能夠驗證歐洲規(guī)范的測試用例結(jié)果，因此工程師可以使用仿真軟件來研究建筑設(shè)計中消防系統(tǒng)的主動和被動措施。