CN111460559A - 一种木质吊脚楼房顶破拆控制火灾效果的仿真评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种木质吊脚楼房顶破拆控制火灾效果的仿真评价方法，属于虚拟现实技术与数字化仿真技术领域。该方法包括的步骤有：(1)建立建筑模型并进行参数设置；(2)设置工况；(3)切片设置，记录热辐射情况，评价蔓延情况；(4)模拟试验，采集数值；(5)控制火灾效果的评价：绘制12种工况的热释放速率随时间变化的曲线图；分析评价房顶开或闭的情况对吊脚楼控制火灾效果的影响；分析评价房顶破拆时间对于吊脚楼控制火灾效果的影响。本发明通过FDS软件建立虚拟仿真吊脚楼模型，设置房顶破拆的各种工况，对木质吊脚楼房顶破拆控制火灾的效果进行评价，从而能对火灾的应对给出更科学的指导。
Description
【技术领域】
本发明涉及虚拟现实技术与数字化仿真技术领域，具体涉及一种木质吊脚楼房顶破拆控制火灾效果的仿真评价方法。
【背景技术】
在少数民族的建筑中，有一种特色的民族建筑就是侗族的吊脚楼；侗族吊脚楼主要为木质结构且沿坡聚集，鳞次栉比，但防火现状不乐观，危险性大。广西三江县林略侗族村曾在2009年发生大火，导致损毁民房196座近296户，共有1121人受灾，5名村民在大火中丧生。在针对木质吊脚楼发生火灾的处理方式，有拆屋顶减灾的做法，但拆屋顶减灾是否在火灾持续的任何时间段进行都能起到控制火势的作用，目前还没有相关的论证，但其对采取有效的火灾控制措施有重要的指导意义。因此，本发明通过仿真模拟的方法，对木质吊脚楼房顶破拆控制火灾的效果进行评价，从而能对火灾的应对给出更科学的指导。
【发明内容】
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种木质吊脚楼房顶破拆控制火灾效果的仿真评价方法，通过FDS软件建立虚拟仿真吊脚楼模型，设置房顶破拆的各种工况，对木质吊脚楼房顶破拆控制火灾的效果进行评价，从而能对火灾的应对给出更科学的指导。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种木质吊脚楼房顶破拆控制火灾效果的仿真评价方法，包括以下步骤：
(1)建立建筑模型：选取木构建筑的基本形制，并采用FDS软件建立虚拟仿真吊脚楼模型；在软件中输入吊脚楼的几何尺寸和连接各房间的门、窗开合情况，建筑材料的热物性参数，火源尺寸，火源的热释放速率，环境温度，火源关闭时间，模拟总时间；
(2)设置工况：设置12组工况，其中工况1的房顶始终不作破拆处理，工况2的房顶在着火前即已破拆，此两个工况用于研究房顶开闭情况对吊脚楼燃烧情况的影响；工况3-12是分别在起火后的50s、100s、150s、200s、250s、300s、350s、400s、450s、500s完成房顶的破拆，用于研究房顶破拆时间对于吊脚楼燃烧情况的影响；
(3)切片设置：在仿真吊脚楼模型四周0.5m到6m距离间每隔0.5m设置一个热通量切片，记录在整个燃烧过程中吊脚楼对外界的热辐射情况，以此来对吊脚楼燃烧时的蔓延情况进行对比；
(4)进行模拟试验：在软件中进行燃烧模拟试验，并采集各工况下热释放速率和热通量随时间变化时的数值；
(5)控制火灾效果的评价：绘制12种工况的热释放速率随时间变化的曲线图；比较工况1和工况2的热释放速率曲线图，分析评价房顶开或闭的情况对吊脚楼控制火灾效果的影响；比较工况3-12的热释放速率曲线图，分析评价房顶破拆时间对于吊脚楼控制火灾效果的影响。
本发明中，进一步地的改进在于，所述步骤(5)中，还包括吊脚楼火灾蔓延情况的评价，即通过分析各工况在吊脚楼北侧4m处切片的最大热通量，来评价不同破拆时间下，一栋吊脚楼向相邻吊脚楼火灾蔓延的情况，从而评价火灾控制的效果。
本发明中，进一步地的改进在于，所述步骤(5)中，比较工况的热释放速率曲线图，主要是分析比较热释放速率曲线图开始呈现出差异的时间点和工况，从而分析出对火灾控制效果更好的破拆时间点。
本发明中，进一步地的改进在于，所述步骤(5)中，还包括对火势增长速度的分析，具体为：找出热释放速率曲线图开始呈现出差异的时间点，对该时间点对应的工况以及破拆时间早于该时间点的其他工况的最大热释放速率进行拟合，得到最大热释放速率随时间变化的曲线图；对破拆时间点和晚于该时间点的其他工况的最大热释放速率进行拟合，得到最大热释放速率随时间变化的曲线图；通过最大热释放速率评价火势增长的速度，从而分析评价房顶进行破拆的时间对于热释放速率的影响。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明利用FDS软件建立虚拟仿真吊脚楼模型，设置不同房顶破拆时间的各种工况，通过模拟仿真，得到各种工况的燃烧图、热释放速率、热通量等燃烧相关参量，然后分析破拆时间对热释放速率的影响，从而对木质吊脚楼房顶破拆控制火灾的效果进行评价，从而能对火灾的应对给出更科学的指导。
2、本发明通过在虚拟仿真吊脚楼模型中进行合理的参数设置，以破拆时间点的不同进行工况设置，从而能使得仿真测试结果更贴近现实，富有指导意义。
【附图说明】
图1是某吊脚楼的测绘图；
图2是FDS建立的吊脚楼模型；
图3是工况1在400s时的燃烧图；
图4是工况2在400s时的燃烧图；
图5是工况1、2热释放速率对比图；
图6是工况3-12热释放速率对比图；
图7是破拆时间在250s前的最大热释放速率变化图；
图8是破拆时间在250s到500s的最大热释放速率变化图；
图9最大热通量变化图。
【具体实施方式】
本发明提供的一种木质吊脚楼房顶破拆控制火灾效果的仿真评价方法，包括以下步骤：
(1)建立建筑模型：选取木构建筑的基本形制，并采用FDS软件建立虚拟仿真吊脚楼模型；在软件中输入吊脚楼的几何尺寸和连接各房间的门、窗开合情况，建筑材料的热物性参数，火源尺寸，火源的热释放速率，环境温度，火源关闭时间，模拟总时间；
(2)设置工况：设置12组工况，其中工况1的房顶始终不作破拆处理，工况2的房顶在着火前即已破拆，此两个工况用于研究房顶开闭情况对吊脚楼燃烧情况的影响；工况3-12是分别在起火后的50s、100s、150s、200s、250s、300s、350s、400s、450s、500s完成房顶的破拆，用于研究房顶破拆时间对于吊脚楼燃烧情况的影响；
(3)切片设置：在仿真吊脚楼模型四周0.5m到6m距离间每隔0.5m设置一个热通量切片，记录在整个燃烧过程中吊脚楼对外界的热辐射情况，以此来对吊脚楼燃烧时的蔓延情况进行对比；
(4)进行模拟试验：在软件中进行燃烧模拟试验，并采集各工况下热释放速率和热通量随时间变化时的数值；
(5)控制火灾效果的评价：绘制12种工况的热释放速率随时间变化的曲线图；比较工况1和工况2的热释放速率曲线图，分析评价房顶开或闭的情况对吊脚楼控制火灾效果的影响；比较工况3-12的热释放速率曲线图，分析评价房顶破拆时间对于吊脚楼控制火灾效果的影响。
在本发明的具体实施方式中，步骤(5)还包括吊脚楼火灾蔓延情况的评价，即通过分析各工况在吊脚楼北侧4m处切片的最大热通量，来评价不同破拆时间下，一栋吊脚楼向相邻吊脚楼火灾蔓延的情况，从而评价火灾控制的效果。
在本发明的具体实施方式中，步骤(5)中比较工况的热释放速率曲线图主要是分析比较热释放速率曲线图开始呈现出差异的时间点和工况，从而分析出对火灾控制效果更好的破拆时间点。
在本发明的具体实施方式中，步骤(5)中还包括对火势增长速度的分析，具体为：找出热释放速率曲线图开始呈现出差异的时间点，对该时间点对应的工况以及破拆时间早于该时间点的其他工况的最大热释放速率进行拟合，得到最大热释放速率随时间变化的曲线图；对破拆时间点和晚于该时间点的其他工况的最大热释放速率进行拟合，得到最大热释放速率随时间变化的曲线图；通过最大热释放速率评价火势增长的速度，从而分析评价房顶进行破拆的时间对于热释放速率的影响。
为了更清楚地表达本发明，以下通过具体实施例对本发明作进一步说明。
现以一座三层的木吊脚楼为研究对象，开间10.5m、进深9.4m。如图1、2所示；
1、建立建筑模型
选取木构建筑的基本形制，并采用FDS软件建立一座三层的虚拟仿真吊脚楼模型；如图1、2所示，开间10.5m、进深9.4m；火塘及明火使用频率最高的厨房设置在一层，同时一层还用作杂物间及过厅使用；二层布置卧室及堂屋，是主要的起居生活空间；三层是阁楼层，布置两间小卧室。整个建筑物使用全木结构，建筑材料使用杉木。火源设置以引燃建筑但不影响建筑物燃烧为原则，起火点设在一层过厅的沙发上，火源面积约为沙发的大小，尺寸为2.6m*0.8m，火源高度为0.65m。为避免火源的功率对火灾蔓延的影响，定义火源的热释放速率随时间变化，第0秒时火源的热释放速率为0，第1～51秒时火源热释放速率为2000kw/h，第52秒火源的热释放速率为0，与外界环境相通的窗户都保持开启状态，各房间门均为打开状态，模拟时间设置为1200s，环境温度设置为15℃，火源关闭时间为第50s；
2、设置工况
设置12组工况，具体情况如表1所示，其中工况1的房顶始终不作破拆处理，工况2的房顶在着火前即已破拆，此两个工况用于研究房顶开闭情况对吊脚楼燃烧情况的影响；工况3-12是分别在起火后的50s、100s、150s、200s、250s、300s、350s、400s、450s、500s完成房顶的破拆，用于研究房顶破拆时间对于吊脚楼燃烧情况的影响；
表1 12组工况的具体情况表
3切片设置
根据达到引燃条件的距离来判定各个工况的危险情况，杉木在临界热流11～13kw/m2时会被引燃。取NFPA的常规木材引燃判据12.6kw/m2。在建筑物四周0.5m到6m距离间每隔0.5m设置一个热通量切片，记录在整个燃烧过程中建筑物对外界的热辐射情况，以此来对建筑物燃烧时的蔓延情况进行对比；
4、进行模拟试验
在软件中进行燃烧模拟试验，并采集各工况下热释放速率和热通量随时间变化时的数值；图3、4是工况1和工况2在400s时的燃烧图，由此我们可以看出吊脚楼在房顶完好的情况下火焰集中在房檐两侧，上部火焰火势巨大，在去除房顶后火焰在各个区域均匀分布，火势较为平稳。
5、控制火灾效果的评价：绘制12种工况的热释放速率随时间变化的曲线图；
5.1比较工况1和工况2的热释放速率曲线图，分析评价房顶开或闭的情况对吊脚楼控制火灾效果的影响。
图5为工况1、2的热释放速率图，由图5可以看出，在50s火源关闭后热释放速率下降，在300s火焰燃烧到顶层后，两组工况热释放速率开始呈现出差异，在400s时热释放速率差距最大。
由于吊脚楼的特殊结构设计，在平时因为其狭窄的楼梯及房檐两侧开口，可以看做一个与外界联通上下开口的竖井，在烟囱效应下整栋建筑通风效果会很好。但在火灾下这种情况会加快燃烧，在破拆房顶后会缩短“竖井”长度。这会大大减少燃烧过程中的烟囱效应。
与不破拆情况相比，破拆工况燃烧过程更加稳定，最高热释放速率也从93.0mw/m2降到57.5mw/m2。说明去除房顶后对火灾的控制显现了效果，因此，可以在火灾蔓延到楼栋之间进行房屋破拆，火灾发展阶段更短，降低了对周围建筑的热辐射。
5.2比较工况3～12的热释放速率曲线图，分析评价房顶破拆时间对于吊脚楼控制火灾效果的影响。
图6为工况3～12的热释放速率图，从图中可以看出屋顶的破拆时间在250s之后的的热释放速率图与250s之前的工况差异明显增大。在250s火焰燃烧到三层楼之后，对房顶进行破拆，与250s之前破拆对于建筑物燃烧情况有着显著的差别。即热释放速率曲线图开始呈现出差异的时间点为250s，对应工况7，从而分析出对火灾控制效果更好的破拆时间点是在250s火焰燃烧到三层楼之前，对房顶进行破拆。
5.3分析火势增长速度，分析评价房顶破拆时间对于吊脚楼控制火灾效果的影响。
为了更准确地进行分析，下文将工况3～7与工况7～12分别进行火灾蔓延情况的分析。
对工况3～7的最大热释放速率进行拟合，得到最大热释放速率随时间变化的曲线图见图7；对工况7～12的最大热释放速率进行拟合，得到最大热释放速率随时间变化的曲线图见图8；从图上的结果可知，在火焰蔓延到三层之前进行破拆，建筑最高热释放速率随屋顶破拆时间的增长而增长，但是增长速度不快。在火焰蔓延到三层之后对房顶进行破拆，建筑最高热释放速率在250s到400s间随着破拆时间的增长快速增长，在400s到500s之间对房顶进行破拆对最高热释放速率影响不大。这是因为在火势在蔓延到三层后，在烟囱效应作用下，火势增长越来越快。在400s火势增长到最高峰之后，再对房顶进行破拆对于热释放速率的影响就减弱。
表2是对工况3～7、7～12最大热释放速率随着破拆时间变化曲线进行数据拟合所得到的方程。对比两个时段的拟合方程可知，在火焰蔓延到三层之前进行破拆，最高热释放速率y与屋顶破拆时间t之间满足二次增长函数y＝59218.40+0.14t+0.024t2，其中y值随屋顶破拆时间t的增大而增大，但是增长速度不快。在火焰蔓延到三层之后对房顶进行破拆，最高热释放速率y与屋顶破拆时间t之间满足二次增长函数y＝-78944.25+753.16t-0.82t2，最高热释放速率y在250s到400s间随着破拆时间t的增大快速增大，在400s到500s之间对房顶进行破拆对最高热释放速率影响不大。
表2拟合方程表
| 对房顶进行破拆时间 | 拟合方程 | 相关度R |
| t≦250 | y＝59218.40+0.14t+0.024t<sup>2</sup> | 99％ |
| 250<t≦500 | y＝-78944.25+753.16t-0.82t<sup>2</sup> | 94％ |
5.4分析破拆时间对火灾蔓延情况的影响，评价房顶破拆时间对于吊脚楼控制火灾效果的影响。
根据《建筑设计防火规范》，木结构建筑之间最小防火间距为10m，但广西侗族村寨多选址于山地，土地资源稀缺，因此本文以4m为界限，通过各工况在4m处切片的最大热通量，对不同破拆时间的吊脚楼火灾蔓延情况进行分析。
根据各切片4m处热通量数据分析，北侧热通量较其他方向先到达危险判据12.6kw/m2，考虑最不利情况，选取北侧4m处切片进行研究。
由图9可以看出当破拆时间在350s之前最大热通量达不到危险判据，即不会蔓延到4m外相邻楼，在350s到450s之间随着破拆时间的延后，各工况最大热通量随之增大，火灾危险性也随之增大。
6、本实施例火灾控制效果评价总结：
(1)在吊脚楼建筑中，若是发生火灾时，当火灾蔓延到该建筑之前，对屋顶已经进行破拆，该建筑的燃烧过程更加稳定，火灾发展阶段更短，降低了对周围建筑的热辐射。
(2)吊脚楼火灾中，根据破拆时间的早晚可以分成两个情况，最高热释放速率y与屋顶破拆时间分别满足两个二次增长函数，在火焰蔓延到三层之前进行破拆，建筑最高热释放速率随屋顶破拆时间的增长而增长，但是增长速度不快。在火焰蔓延到三层之后对房顶进行破拆，建筑的最高热释放速率，在火焰蔓延到三层前到火灾发展到猛烈阶段之间随着破拆时间的增长快速增长，在火灾发展到猛烈阶段之后对房顶进行破拆对最高热释放速率影响不大。对吊脚楼火灾进行控制，破拆应在火灾发展到猛烈阶段之前，最佳时间在火焰蔓延到三层前。
(3)当吊脚楼在同等条件下，破拆时间在350s之前最大热通量达不到危险判据，在350s到450s之间随着破拆时间的延后，各工况最大热通量快速增长，由于房顶阻碍热量散失，热量集中于房檐两侧释放。在450s之前对房顶进行破拆能减小吊脚楼对周围建筑的影响，最佳时间在350s之前。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。
Claims (4)
1.一种木质吊脚楼房顶破拆控制火灾效果的仿真评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建立建筑模型：选取木构建筑的基本形制，并采用FDS软件建立虚拟仿真吊脚楼模型；在软件中输入吊脚楼的几何尺寸和连接各房间的门、窗开合情况，建筑材料的热物性参数，火源尺寸，火源的热释放速率，环境温度，火源关闭时间，模拟总时间；
(2)设置工况：设置12组工况，其中工况1的房顶始终不作破拆处理，工况2的房顶在着火前即已破拆，此两个工况用于研究房顶开闭情况对吊脚楼燃烧情况的影响；工况3-12是分别在起火后的50s、100s、150s、200s、250s、300s、350s、400s、450s、500s完成房顶的破拆，用于研究房顶破拆时间对于吊脚楼燃烧情况的影响；
(3)切片设置：在仿真吊脚楼模型四周0.5m到6m距离间每隔0.5m设置一个热通量切片，记录在整个燃烧过程中吊脚楼对外界的热辐射情况，以此来对吊脚楼燃烧时的蔓延情况进行对比；
(4)进行模拟试验：在软件中进行燃烧模拟试验，并采集各工况下热释放速率和热通量随时间变化时的数值；
(5)控制火灾效果的评价：绘制12种工况的热释放速率随时间变化的曲线图；比较工况1和工况2的热释放速率曲线图，分析评价房顶开或闭的情况对吊脚楼控制火灾效果的影响；比较工况3-12的热释放速率曲线图，分析评价房顶破拆时间对于吊脚楼控制火灾效果的影响。
2.根据权利要求1所述的仿真评价方法，其特征在于：所述步骤(5)中，还包括吊脚楼火灾蔓延情况的评价，即通过分析各工况在吊脚楼北侧4m处切片的最大热通量，来评价不同破拆时间下，一栋吊脚楼向相邻吊脚楼火灾蔓延的情况，从而评价火灾控制的效果。
3.根据权利要求1所述的仿真评价方法，其特征在于：所述步骤(5)中，比较工况的热释放速率曲线图，主要是分析比较热释放速率曲线图开始呈现出差异的时间点和工况，从而分析出对火灾控制效果更好的破拆时间点。
4.根据权利要求2所述的仿真评价方法，其特征在于：所述步骤(5)中，还包括对火势增长速度的分析，具体为：找出热释放速率曲线图开始呈现出差异的时间点，对该时间点对应的工况以及破拆时间早于该时间点的其他工况的最大热释放速率进行拟合，得到最大热释放速率随时间变化的曲线图；对破拆时间点及晚于该时间点的工况的最大热释放速率进行拟合，得到最大热释放速率随时间变化的曲线图；通过最大热释放速率评价火势增长的速度，从而分析评价房顶进行破拆的时间对于热释放速率的影响。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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