建筑設(shè)計中消防系統(tǒng)的建模與仿真

　　當(dāng)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(zhǔn)備

　　想象一下，當(dāng)您正在工作，準(zhǔn)備一個重要的演講時，一個刺耳的警報響起。當(dāng)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)。”

　　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(yùn)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(dāng)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(jìn)進(jìn)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(zhǔn)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(dāng)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(diǎn)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(zhǔn)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(qiáng)度和耐火性以及采用防火和防煙方法時遵守公認(rèn)的規(guī)范。

　　其中一套規(guī)范是歐洲制定的標(biāo)準(zhǔn)(EN)1991 ——《建筑物結(jié)構(gòu)上的作用》。在該標(biāo)準(zhǔn)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(xì)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(jìn)行分析，必須遵循上述所說的規(guī)范。

　　牢記這一標(biāo)準(zhǔn)，接下來我們將向您展示用 COMSOL Multiphysics? 軟件進(jìn)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(hù)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(biāo)準(zhǔn)，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(hù)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(jī)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(jìn)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(fù)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(fù)。

　　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(hù)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(jìn)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(jìn)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(zhǔn)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(jìn)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(jìn)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(lán)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(biāo)準(zhǔn)中給出的溫度非常匹配。

　　僅在材料的熱容存在強(qiáng)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(jìn)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。