建筑设计中消防系统的建模与仿真

　　当提到防火措施时，您首先想到的可能是让所有人都安全撤离建筑物的后勤工作(即避免接触有害烟雾、化学物质和高温)。支持这些后勤工作的是一些主动措施，例如警报和自动喷水灭火系统，以及内置在其结构中的一些被动措施，以尽量减少损失。为了确保在设计建筑物时考虑到防火措施，工程师可以模拟暴露在火中的建筑物结构的状态。

　　为火灾做准备

　　想象一下，当您正在工作，准备一个重要的演讲时，一个刺耳的警报响起。当您把头伸出会议室门外时，看到闪烁的灯光。

　　您对一位路过的同事说：“我不知道今天有消防演习。”

　　他一边回答说：“没有”，一边冲出大厅。

　　然后，你就会闻到烟味。

　　幸运的是，如果真的发生火灾，您的工作场所已不止一次地练习疏散撤离建筑物，您知道最快的出口路线(以及备选路线)。如果您是房间里的最后一个人，则要关闭(但不要锁上)身后的门，并且知道大家都去哪里集合并等待消防人员的到来。

　　在遵循上述步骤并安全撤离大楼后，您和您的同事在外面闲逛，并推测导致警报响起的原因。大楼里是真的着火了吗?当您看到有不止一辆消防车来的时候，您会担心情况可能会比想象的要糟糕一些。过了一会警报关闭后，消防人员携带各种工具进进出出，有些在大厅里扫地，有些在清扫周边。

　　最后，消防员开始收拾装备并准备离开，在大厅里您看到老板与大楼经理在说话。随后老板让所有人聚在一起，然后说：“好吧，大家!我们需要来谈一谈微波炉的安全问题了。”

　　当他举起一个酥脆的，略带烧焦的爆米花时，轻松的笑声在人群中荡漾开来。尽管引起混乱的原因是一个午后的小点心，但您仍然感激每个人都遵循程序并安全地撤离了大楼。

　　典型的火警喇叭/频闪灯。

　　就像您的工作场所为火灾事件提前做好了准备一样，在每个建筑物投入使用之前，设计它的工程师和建筑师就考虑到了突发火灾的情况并做出了相应的计划。无论是对于医院，住房或是高层公寓大楼，安全规范有助于建筑行业专业人员在测试材料的强度和耐火性以及采用防火和防烟方法时遵守公认的规范。

　　其中一套规范是欧洲制定的标准(EN)1991 ——《建筑物结构上的作用》。在该标准中的 1991-1-2(“对建筑物暴露在火中的结构设计”)章中详细介绍了防火的结构设计，温度对结构的影响，以及火灾密度等。用仿真软件对建筑物火灾进行分析，必须遵循上述所说的规范。

　　牢记这一标准，接下来我们将向您展示用 COMSOL Multiphysics® 软件进行建筑物防火模拟的示例。在此之前，让我们来看一下在最开始设计建筑物时应考虑的一些防火措施。

　　平衡主动和被动消防系统

　　在设计一栋建筑物时，最重要的是考虑建筑物的整体性。在建筑物理中，了解建筑的物理性有助于创建高性能的结构并延长其生命周期。除了遵守规范外，建筑物理学关注的领域还包括建筑设施的管理、取证、修复、保护以及拆除和回收。

　　如今，那些对建筑物理学感兴趣的人经常使用模拟仿真来测试建筑系统设计的可靠性以及其他所需的功能，例如隔音等。对于解决消防背后的复杂物理问题并满足设计承重结构的标准，仿真也是很有用的方法。虽然真实火灾的特征可能是无法预测的，但模拟可以帮助工程师分析不同的场景并最大程度地减少火灾的危害。此外，不同类型的保护系统对火和烟雾的反应也有所不同。因此，在每个设计中都必须考虑到加热和冷却的效果，无论是对于带有钢梁和钢筋混凝土的结构系统还是机械系统(例如通风系统)。

　　梁中的热应力(兆帕)。

　　工程师在设计建筑物时通常会考虑两种类型的防火措施：主动措施和被动措施。在火灾期间，我们通常会考虑采取主动措施：探测和预警系统，灭火或控制火灾的自动灭火系统(如洒水装置)，消防区域和逃生路线。但是对于整体消防而言，采取被动措施同样很重要，这些措施可确保建筑物的结构完整并减缓或阻止火灾蔓延。在消防方面，最好同时拥有主动和被动消防系统，以防一个或多个系统出现故障。

　　防火材料和建筑设计

　　材料在建筑物理中起着关键作用，对于防火也是如此。工程师必须遵守(例如)钢制接缝系统、混凝土地板、矿棉隔热材料以及石膏基灰泥和墙板等材料的耐火等级，并且必须是在保持建筑物结构完整性的同时遵守耐火等级。

　　为建筑物的关键部件选择最佳材料后，工程师还需要研究其内部结构。我们采取分隔的方法，例如设置防火屏障(如墙和门)，这样即使建筑物有部分倒塌，这些分隔的结构仍然保持直立状态。这些防火屏障还可以在一段很长的时间将火和烟限制在一定区域内，以便可以让建筑物内的人们能够安全撤离。主动措施与这些被动屏障系统协同工作，有助于快速检测烟雾，保持封闭区域内尽可能清新，并在发生火灾时抑制大火的蔓延。

　　由于障碍物内的开口(例如窗户)以及水管工或电工所做的一些改动，设计这些障碍物并保持其耐火性就变得极具挑战性。此外，在设计这些屏障时，需要考虑在风管中使用防火阀的位置。还有一个重要的步骤是测试防火玻璃和框架，经常检查障碍物是否存在不足，在电缆上涂上涂料，并根据需要使用其他防火措施。

　　被动消防系统包括耐火隔热材料和管道系统(左)。窗户玻璃和框架(右)应进行防火测试，尤其是在防火屏障中。

　　为了满足防火的需求，建筑物的材料也在不断改善。人们对建筑物的要求越来越高，需要越来越高的可持续发展性。能够适应这种趋势的材料包括工程木材，如交叉层压木材，层压单板木材和胶合层压木材。然而，使用木质材料，尤其是高层建筑所需的那种结构系统，可能会增加燃料负荷，导致火灾加剧，同时会使主动和被动系统都不堪重负。

　　此外，较轻的材料(如石膏墙板和电线的耐火喷雾剂)也被更多地用于高层建筑物。正因为如此，建筑规范正在发生变化，越来越多地依赖于主动保护措施，而不是被动措施，这又意味着被动措施存在被忽视的风险。

　　电线和电缆可以涂阻燃剂，以改善消防系统。

　　工程师在评估风险和制定建筑防火方案时，他们必须考虑材料的耐火性，这意味着需要进行大量研究和实验，以确保被动和主动措施均符合规范。

　　对建筑进行建模探究火灾对结构的影响

　　建模用到了 COMSOL Multiphysics 和其附加的传热模块。让我们看一看这些仿真模型(您可以在案例库中找到)，这些模型的建立满足欧洲规范的“暴露于火灾中的结构”。这些单个模型可能看起来很简单，但是它们可以让您使用模拟软件准确地获取重要的消防信息。

　　冷却和加热

　　前面两个例子涉及冷却和加热过程。在第一个示例中，对瞬态冷却过程进行了建模，结果显示了 1800 秒时间内的温度分布。将模拟结果与欧洲规范的结果进行比较后发现，模拟结果在规范指定的有效范围之内。对于第二个示例，其在 180 分钟后的温度分布，与参考温度也非常接近。

　　冷却过程超过 1800 秒，显示参考温度(蓝色)和计算温度(绿色)。

　　多层传热

　　通过模拟还可以帮助您研究具有不同特性的不同材料层中的热传递。(在这种情况下，外层材料是钢，其材料属性通过欧洲规范给出。)该模型从初始温度 1000°C 开始计算 180 分钟内的传热情况。结果与欧洲标准中给出的温度非常匹配。

　　仅在材料的热容存在强非线性的时候温度计算其绝对误差结果与规范有一定偏离。我们可以对我们的结果充满信心，因为参考值是由不同软件包计算结果取平均而来，并且这些值中存在异常值是导致该区域的温度过低的原因。

　　左图：模型几何图形和图层设置。右图：180 分钟后的温度分布。

　　热伸长率

　　本示例验证计算出的伸长率与预期值相匹配。将模型的几何形状设置为边长为100 mm且温度均匀的立方体。模型本身就是一个纯粹的结构力学问题。这里，模拟结果和参考值是完全匹配的，这是可以预料到的，因为热应变函数定义了形变，而形变是可以计算出来的。

　　显示热伸长率的立方体模型。

　　梁中的热应力

　　这个例子描述了暴露在温度梯度下的梁的非线性力学行为。该模型将传热和固体力学耦合在一起，应力-应变关系是取决于温度和应变的非线性函数。

　　在模型中，梁的上下表面可能会暴露在不同的温度下。在第一种情况下，两侧的温度都升高到 120°C。然而，在第二种情况(如下所示)下，上侧(Tu)的温度为 20℃，而下表面(Td)的温度为 220℃。然后将主应力与参考值进行比较。在两种情况下，误差均在可允许范围内(即，低于最大允许误差 5%)。

　　在 Tu = 20°C和 Td = 220°C 时的应力分布。

　　由于 COMSOL Multiphysics 能够验证欧洲规范的测试用例结果，因此工程师可以使用仿真软件来研究建筑设计中消防系统的主动和被动措施。