非承重木骨架組合外墻火災蔓延特性與防控策略研究一、引言1.1研究背景與意義隨著建筑行業的發展以及人們對建筑品質和環保要求的提升，非承重木骨架組合外墻憑借其輕質、環保、施工便捷等優勢，在住宅、辦公建筑以及丁、戊類廠房（庫房）等建筑類型中得到了日益廣泛的應用。例如在一些新建的住宅小區中，為了實現更好的保溫節能效果和獨特的建筑外觀，采用了非承重木骨架組合外墻；在一些小型的創意辦公園區，此類外墻也因其靈活的布置和快速的施工進度而受到青睞。在歐美等發達國家，非承重木骨架組合外墻的應用歷史更為悠久，技術也相對成熟，廣泛應用于各類建筑中。然而，木材本身屬于可燃材料，這就使得非承重木骨架組合外墻在火災發生時存在較大的安全隱患。一旦發生火災，火勢極易在木結構中迅速蔓延，不僅會對建筑結構造成嚴重破壞，導致建筑物的坍塌，還會產生大量的濃煙和有毒氣體，如一氧化碳、氮氧化物等，這些有毒氣體對人體危害極大，嚴重威脅人員的生命安全。據相關統計數據顯示，在過去的若干年里，由于木結構建筑火災導致的人員傷亡和財產損失數額巨大。例如，[具體年份]發生在[具體地點]的木結構建筑火災，造成了[X]人死亡，[X]人受傷，直接經濟損失達到了[具體金額]。因此，深入開展非承重木骨架組合外墻火災蔓延研究具有極其重要的意義。從保障生命安全角度來看，通過研究火災蔓延的機制和影響因素，可以為人員疏散提供科學的指導，制定更加合理有效的疏散方案，減少火災中的人員傷亡。從減少財產損失方面來說，了解火災蔓延規律有助于優化建筑的防火設計，采取針對性的防火措施，如設置有效的防火分隔、選用合適的防火材料等，從而降低火災對建筑和內部財物的破壞程度，最大程度地減少經濟損失。同時，本研究成果也能為相關建筑防火規范和標準的制定與完善提供有力的理論支持和實踐依據，促進建筑行業的安全、可持續發展。1.2國內外研究現狀國外在非承重木骨架組合外墻火災蔓延研究方面開展得相對較早，取得了一系列具有重要價值的成果。美國消防協會（NFPA）制定了眾多與木結構建筑相關的標準和規范，如NFPA5000《建筑施工和安全規范》以及NFPA220《建筑類型標準》，其中對木骨架組合外墻的防火性能要求、火災蔓延的控制措施等進行了詳細規定，為實際工程應用提供了重要的指導依據。同時，美國的一些科研機構和高校也進行了大量的實驗研究。例如，[具體高校名稱]的研究團隊通過搭建實際尺寸的木骨架組合外墻模型，在標準火災試驗條件下，利用熱流計、熱電偶等設備精確測量了墻體在火災過程中的溫度分布、熱流變化以及火焰傳播速度等參數，深入分析了不同墻體構造（如木龍骨間距、保溫材料種類等）對火災蔓延的影響規律。加拿大在木結構建筑防火研究領域也處于國際領先水平。加拿大國家研究院（NRC）開展了全面系統的研究工作，建立了先進的火災模擬實驗室，對木骨架組合外墻的火災性能進行了多方面的研究。他們的研究成果表明，外墻覆面板的材料特性（如防火性能、熱穩定性）對阻止火災蔓延起著關鍵作用。此外，通過數值模擬與實驗相結合的方法，加拿大的研究人員建立了較為準確的火災蔓延預測模型，能夠預測火災在不同建筑環境下的發展趨勢，為建筑防火設計和消防救援提供了科學的決策支持。在歐洲，許多國家也高度重視木結構建筑的防火安全問題。芬蘭、瑞典等北歐國家由于森林資源豐富，木結構建筑應用廣泛，在相關研究方面積累了豐富的經驗。這些國家的研究重點主要集中在開發新型的防火材料和技術，以提高木骨架組合外墻的防火性能。例如，芬蘭研發出一種新型的防火浸漬木材，通過特殊的處理工藝，使木材具有良好的阻燃性能，能夠有效延緩火災的蔓延。瑞典則在建筑設計和施工方面制定了嚴格的防火標準，強調合理的建筑布局和防火分隔對于控制火災蔓延的重要性。國內對非承重木骨架組合外墻火災蔓延的研究起步相對較晚，但近年來隨著木結構建筑的逐漸增多，相關研究也日益受到關注并取得了一定的進展。一些科研單位和高校，如中國建筑科學研究院、同濟大學等，開展了針對木骨架組合外墻火災特性的實驗研究和理論分析。中國建筑科學研究院通過對不同構造形式的木骨架組合外墻進行耐火極限測試，獲得了墻體在火災作用下的破壞模式和耐火時間等數據，為我國相關建筑防火規范的制定提供了實驗依據。同濟大學則運用數值模擬軟件，如FDS（FireDynamicsSimulator）等，對火災在木骨架組合外墻中的蔓延過程進行了模擬分析，研究了火災熱釋放速率、溫度場分布、煙氣流動等因素對火災蔓延的影響，為深入理解火災蔓延機理提供了理論支持。然而，目前國內的研究仍存在一些不足之處。一方面，研究的系統性和全面性有待提高，對于一些復雜的火災場景和影響因素，如多火源情況下的火災蔓延、外墻與室內空間的火災相互作用等，研究還不夠深入。另一方面，實驗研究與實際工程應用之間的結合還不夠緊密，研究成果在實際建筑防火設計和消防工程中的應用推廣還存在一定的障礙。此外，與國外先進的研究水平相比，在火災模擬軟件的開發和應用、新型防火材料和技術的研發等方面，還存在一定的差距。1.3研究方法與創新點為深入研究非承重木骨架組合外墻火災蔓延特性，本研究綜合運用實驗研究、數值模擬和理論分析三種方法，多維度、系統性地剖析火災蔓延過程及影響因素。實驗研究方面，搭建符合標準的非承重木骨架組合外墻實體模型，依據相關標準火災試驗方法，如ISO834標準火災試驗程序，開展火災實驗。在實驗過程中，使用高精度的熱流計、熱電偶等測量設備，實時監測墻體表面及內部關鍵位置的溫度變化，精確記錄熱流數據，以此獲取火災發生時外墻的溫度場分布和熱傳遞規律。同時，利用高速攝像機捕捉火焰在墻面上的傳播過程，通過圖像分析技術，測量火焰傳播速度、火焰高度等參數，為后續研究提供真實可靠的實驗數據。數值模擬采用專業的火災模擬軟件FDS（FireDynamicsSimulator），該軟件基于計算流體力學（CFD）原理，能夠精確模擬火災過程中的流體流動、傳熱傳質以及化學反應等復雜現象。根據實際非承重木骨架組合外墻的結構尺寸、材料特性，在軟件中建立準確的數值模型，設置合理的邊界條件和初始條件，模擬不同火災場景下外墻的火災蔓延過程。通過數值模擬，可以直觀地觀察到火災熱釋放速率、溫度場、煙氣濃度場等物理量隨時間和空間的變化情況，深入分析火災蔓延的機理和影響因素。理論分析則基于傳熱學、燃燒學等基礎理論，對實驗和模擬結果進行深入分析和解釋。建立火災蔓延的理論模型，推導相關的數學表達式，分析火災在非承重木骨架組合外墻中的熱傳遞方式（如熱傳導、熱對流和熱輻射）以及木材的熱解、燃燒過程。運用數學方法求解模型，得到火災蔓延過程中的關鍵參數，如熱解速率、燃燒速率、溫度分布等，并與實驗和模擬結果進行對比驗證，進一步完善理論模型，為火災防控提供堅實的理論基礎。本研究的創新點主要體現在以下幾個方面：一是研究視角的創新，綜合考慮非承重木骨架組合外墻的結構特點、材料特性以及火災場景的多樣性，全面深入地研究火災蔓延特性，彌補了以往研究在多因素綜合考慮方面的不足。二是實驗與數值模擬相結合的創新方法，通過實驗獲取真實數據，驗證數值模擬模型的準確性，再利用數值模擬拓展實驗研究的邊界條件，實現兩者的優勢互補，提高研究結果的可靠性和普適性。三是在理論分析方面，建立了更加完善的火災蔓延理論模型，充分考慮了木材的熱解、燃燒以及熱傳遞過程中的非線性因素，為非承重木骨架組合外墻的防火設計和火災防控提供了更具科學性和實用性的理論支持。二、非承重木骨架組合外墻概述2.1結構組成與材料特性非承重木骨架組合外墻主要由木骨架、填充材料和面板三大部分組成，各組成部分相互協作，共同決定了外墻的性能，尤其是在火災發生時的表現。木骨架作為外墻的支撐結構，通常采用規格材制作的木龍骨。常見的木材種類有云杉-松木-冷杉（SPF）等，這些木材具有較高的強度重量比，能夠在保證結構穩定性的同時減輕墻體自重。以SPF木龍骨為例，其密度一般在350-500kg/m3之間，含水率要求不超過19%（當采用規格材制作木骨架時）。在力學性能方面，其順紋抗壓強度可達30-50MPa，順紋抗拉強度在40-60MPa左右，這使得木骨架能夠有效地承受自身的豎向荷載以及各種水平荷載，如風力、地震力等。然而，木材屬于可燃材料，其燃燒性能等級一般為B2級（可燃性材料）。在火災作用下，木材表面會迅速升溫，當溫度達到250-300℃時，木材開始熱解，產生可燃氣體，遇明火即可燃燒。隨著火災的持續，木材會逐漸炭化，炭化層的厚度不斷增加，從而降低木材內部的燃燒速度，但同時也會削弱木骨架的力學性能，當炭化深度達到一定程度時，木骨架將無法承受荷載，導致墻體結構失穩。填充材料填充于木骨架之間的空隙，主要起到保溫隔熱、隔聲以及部分防火的作用。常用的填充材料有玻璃纖維棉、巖棉等。玻璃纖維棉是一種無機纖維材料，其密度通常在10-40kg/m3之間，導熱系數極低，約為0.03-0.04W/(m?K)，這使得它具有優異的保溫隔熱性能，能夠有效地阻止熱量的傳遞，減少建筑物的能耗。同時，玻璃纖維棉的吸聲系數較高，在中高頻段可達0.8-1.0，能夠有效降低外界噪聲對室內的影響。在燃燒性能方面，玻璃纖維棉屬于不燃材料（A1級），在火災中不會燃燒，也不會產生有毒氣體，能夠在一定程度上延緩火災的蔓延，為人員疏散和滅火救援爭取時間。巖棉的性能與玻璃纖維棉類似，其密度一般在80-200kg/m3，導熱系數為0.04-0.05W/(m?K)，同樣具有良好的保溫隔熱和隔聲性能，且燃燒性能也為A1級，是一種理想的防火保溫填充材料。面板覆蓋在木骨架的外側，不僅起到裝飾作用，還對墻體的防火、防水、防風等性能有著重要影響。常見的面板材料有紙面石膏板、水泥加壓板、定向刨花板（OSB）等。紙面石膏板是以建筑石膏為主要原料，摻入適量添加劑與纖維做板芯，表面覆以特制的護面紙制成的板材。其密度一般在900-1200kg/m3，具有質輕、強度較高、防火、隔聲等優點。在防火性能方面，紙面石膏板含有結晶水，在火災發生時，結晶水受熱蒸發吸收大量熱量，從而延緩板材的升溫，其耐火極限可達0.5-1.5h（根據板材厚度和構造不同而有所差異）。水泥加壓板是以水泥、纖維等為原料，經加壓、養護等工藝制成的板材，密度在1200-1500kg/m3左右，具有強度高、防水、防潮、防火性能好等特點，其耐火極限一般能達到1.0-2.0h。定向刨花板是將木材加工剩余物、小徑木等切削成一定規格的刨花，經干燥、施膠、定向鋪裝和熱壓成型而制成的一種人造板材，密度在650-850kg/m3，具有良好的結構性能和尺寸穩定性，但在防火性能上相對較弱，一般需進行防火處理后才能滿足建筑防火要求。在實際應用中，不同的面板材料會根據建筑的功能需求、設計要求以及經濟因素等進行選擇，其與木骨架、填充材料的協同作用，共同決定了非承重木骨架組合外墻在火災中的性能表現。2.2應用場景與發展趨勢非承重木骨架組合外墻憑借其獨特的性能優勢，在多個建筑領域得到了廣泛應用。在住宅建筑領域，無論是獨棟別墅還是多層公寓，非承重木骨架組合外墻都展現出了良好的適用性。對于獨棟別墅而言，其可以根據建筑的獨特設計需求，靈活地進行布置，打造出個性化的外觀造型。同時，木骨架組合外墻的保溫隔熱性能能夠有效降低室內能源消耗，為居住者提供舒適的室內環境。例如在一些寒冷地區的別墅建設中，采用木骨架組合外墻并填充高性能的保溫材料，如玻璃纖維棉或巖棉，能夠極大地減少冬季供暖的能耗，降低能源成本。在多層公寓建筑中，木骨架組合外墻自重輕的特點可以減輕主體結構的荷載，有利于抗震設計，同時其工廠預制、現場安裝的施工方式能夠縮短施工周期，提高建設效率。像[具體城市]的某多層公寓項目，采用了非承重木骨架組合外墻，施工進度相比傳統外墻施工方式加快了[X]%，并且在后續的使用過程中，住戶反饋室內的保溫、隔聲效果良好。在商業建筑方面，非承重木骨架組合外墻也有諸多應用。在一些小型商業建筑，如咖啡館、書店等，木骨架組合外墻能夠營造出溫馨、自然的氛圍，吸引顧客。以某特色咖啡館為例，其外墻采用了木骨架組合結構，并搭配了木質裝飾面板，與周圍的環境相融合，形成了獨特的商業氛圍，吸引了眾多消費者前來打卡。對于一些大型商業綜合體，雖然非承重木骨架組合外墻可能僅用于部分區域的裝飾或非承重結構，但也能發揮其美觀、環保的優勢。例如在商業綜合體的中庭部分，采用木骨架組合外墻作為裝飾隔斷，既增加了空間的層次感，又體現了綠色環保的理念。在丁、戊類廠房（庫房）建筑中，由于此類建筑火災危險性相對較低，非承重木骨架組合外墻的應用可以滿足其對墻體結構和功能的需求。其輕質的特點可以降低廠房（庫房）的建設成本，尤其是在一些對基礎承載能力要求較低的場地，優勢更為明顯。同時，木骨架組合外墻的施工便捷性能夠使廠房（庫房）快速建成投入使用，提高生產效率。如某小型機械加工廠的廠房，采用了非承重木骨架組合外墻，從開始施工到建成投入使用僅用了[X]個月的時間，相比傳統的混凝土外墻施工，大大縮短了建設周期。展望未來，非承重木骨架組合外墻具有以下發展趨勢。一是向綠色環保方向發展，隨著全球對環境保護的關注度不斷提高，人們對建筑材料的環保性能要求也越來越高。未來，非承重木骨架組合外墻將更多地采用可再生、可循環利用的木材資源，同時研發更加環保的膠粘劑和處理劑，減少對環境的影響。例如，開發新型的無甲醛膠粘劑用于木骨架的連接，避免室內空氣污染。二是朝著高性能方向發展，通過改進材料性能和結構設計，提高非承重木骨架組合外墻的防火、防水、保溫、隔聲等性能。如研發新型的防火木材，使其在火災發生時能夠更有效地延緩火勢蔓延；采用新型的保溫材料，進一步提高外墻的保溫隔熱性能，降低建筑物的能耗。三是智能化發展趨勢，隨著物聯網、傳感器等技術的不斷進步，非承重木骨架組合外墻可能會集成智能化功能。例如，在墻體內嵌入溫度、濕度、火災等傳感器，實時監測墻體的狀態和室內環境參數，并通過智能控制系統進行調節，實現建筑的智能化管理。三、火災蔓延相關理論基礎3.1火災發展階段與特征火災的發展是一個復雜且動態變化的過程，一般可劃分為初起、發展、猛烈、衰減四個階段，每個階段都具有獨特的特點，而非承重木骨架組合外墻在各階段也會發生相應的變化。初起階段是火災發生的初始時期，通常持續時間較短，一般在幾分鐘到十幾分鐘不等。在這個階段，火災的燃燒范圍較小，火勢相對較弱，主要局限于起火點附近的可燃物。例如，當非承重木骨架組合外墻附近的電氣設備發生短路故障產生電火花，引燃周邊的木質裝飾材料時，火災便開始進入初起階段。此時，燃燒主要依靠外部供給的氧氣，熱釋放速率較低，火災產生的熱量主要通過熱傳導的方式在周邊的可燃物中傳遞。對于非承重木骨架組合外墻而言，由于其表面溫度相對較低，木材的熱解速度較慢，僅在起火點附近的局部區域，木材開始發生熱解，產生少量的可燃氣體，但尚未形成明顯的火焰。若在這個階段及時發現并采取有效的滅火措施，如使用滅火器進行撲救，很有可能將火災撲滅，避免火災進一步擴大。隨著時間的推移，火災進入發展階段。在這個階段，火勢迅速增強，燃燒面積不斷擴大，熱釋放速率顯著提高。由于燃燒產生的熱量不斷積聚，使得周圍環境溫度急劇上升，熱對流和熱輻射作用逐漸增強。以非承重木骨架組合外墻為例，當火災發展到一定程度，外墻表面的溫度升高，木材熱解速度加快，大量可燃氣體從木材中釋放出來，與周圍的空氣混合形成可燃混合氣。這些可燃混合氣一旦遇到火源，便會引發劇烈的燃燒，火焰迅速在墻面上蔓延。同時，熱輻射使得周邊區域的溫度升高，可能引燃相鄰的可燃物，進一步促進火勢的發展。此時，火災的發展已逐漸脫離初期的可控狀態，滅火難度明顯增加。當火災持續發展，便會進入猛烈階段。在這一階段，火勢達到最強，熱釋放速率達到峰值，整個火災場景呈現出高溫、高熱的狀態。室內溫度通常可達到1000℃以上，非承重木骨架組合外墻的木材在高溫作用下，幾乎全部處于熱解和燃燒狀態，炭化層迅速增厚。墻體的結構強度因木材的燃燒和炭化而急劇下降，面臨著結構坍塌的危險。而且，火災產生的大量濃煙和有毒氣體充斥在建筑空間內，嚴重威脅人員的生命安全。例如，在一些火災事故中，由于非承重木骨架組合外墻在猛烈階段迅速燃燒，導致建筑物局部結構失穩，進而引發建筑物的部分坍塌，造成了嚴重的人員傷亡和財產損失。此時，滅火工作面臨著極大的挑戰，需要投入大量的人力和物力，采取有效的滅火戰術才能控制火勢。經過猛烈燃燒之后，火災進入衰減階段。在這個階段，由于可燃物逐漸減少，氧氣供應不足，火勢逐漸減弱，熱釋放速率不斷降低，火災現場的溫度也開始逐漸下降。對于非承重木骨架組合外墻來說，木材的燃燒逐漸停止，炭化層不再繼續增厚，墻體的溫度逐漸降低。但需要注意的是，在衰減階段，雖然火勢減弱，但火災現場仍然存在一定的危險性，如墻體結構的穩定性仍然較差，可能發生二次坍塌；殘留的高溫可能導致復燃等。因此，在滅火后仍需對火災現場進行持續監測，確保安全。3.2火災蔓延方式及原理在非承重木骨架組合外墻火災中，熱傳導、熱對流和熱輻射這三種熱傳遞方式相互作用、相互影響，共同推動著火災的蔓延，深刻理解它們的作用機制對于掌握火災發展規律和制定有效的防火措施至關重要。熱傳導是指熱量通過直接接觸的物質分子傳遞的過程，在非承重木骨架組合外墻火災中，熱傳導主要發生在墻體的固體材料內部。以木龍骨為例，當火災發生時，與火焰直接接觸的木龍骨表面溫度迅速升高，熱量會沿著木材的纖維方向，從高溫區域向低溫區域傳導。木材的熱導率相對較低，一般在0.1-0.2W/(m?K)之間，這意味著熱量在木材中的傳導速度較慢，但隨著時間的推移，熱量仍會逐漸深入木材內部，使內部木材溫度升高，當達到木材的熱解溫度時，木材開始熱解，產生可燃氣體，為火災的進一步發展提供燃料。同時，面板材料如紙面石膏板、水泥加壓板等也會通過熱傳導吸收熱量，當熱量傳遞到面板內部時，會影響面板的性能，如紙面石膏板在高溫下可能會失去強度，導致面板破裂，從而使火災更容易向墻體內部蔓延。此外，填充材料雖然具有一定的保溫隔熱性能，但在高溫作用下，也會發生熱傳導，將熱量傳遞到相鄰的結構部件，影響整個墻體的熱穩定性。熱傳導在火災初期對火災的發展起著重要作用，它使火源附近的可燃物溫度逐漸升高，為熱對流和熱輻射的發生創造條件。熱對流是指流體（氣體或液體）各部分之間發生相對位移，冷熱流體相互摻混而引起熱量傳遞的方式。在非承重木骨架組合外墻火災中，熱對流主要發生在墻體內部的空氣間隙以及建筑物內部的空氣環境中。當墻體表面的木材燃燒時，周圍的空氣被加熱，熱空氣因密度減小而上升，冷空氣則從下部補充進來，形成空氣的對流運動。這種對流運動不僅將熱量迅速傳遞到周圍空間，還會攜帶燃燒產生的可燃氣體和未燃燒的顆粒，使其與更多的氧氣接觸，從而加速燃燒過程，擴大火災的蔓延范圍。例如，在墻體的木龍骨之間的空氣間隙中，熱對流會使熱量在間隙內迅速傳播，導致相鄰的木龍骨和填充材料溫度升高，加速它們的燃燒和熱解。在建筑物內部，熱對流會將火災產生的熱量和煙氣帶到不同的區域，引發新的火災。同時，熱對流還會受到通風條件的影響，通風孔洞面積越大、所處位置越高，熱對流的速度就越快，火災蔓延的速度也就越快。如果建筑物的門窗打開，熱對流會將火災產生的熱量和煙氣迅速排出室外，同時也會引入更多的新鮮空氣，為火災提供充足的氧氣，加劇火災的發展。熱對流在火災發展階段對火勢的蔓延起著關鍵作用，它能夠迅速擴大火災的范圍，使火災在短時間內變得更加猛烈。熱輻射是指物體通過電磁波來傳遞能量的方式，在非承重木骨架組合外墻火災中，熱輻射是火災蔓延的重要方式之一。當火災發生時，火焰和高溫的燃燒產物會向外發射熱輻射，熱輻射的強度與燃燒物質的熱值和火焰溫度密切相關。物質熱值越大，火焰溫度越高，熱輻射就越強。熱輻射能夠在不依靠任何介質的情況下，將熱量直接傳遞到周圍的物體上。對于非承重木骨架組合外墻來說，熱輻射會使相鄰的外墻表面溫度升高，當溫度達到木材的著火點時，相鄰的外墻就會被引燃，從而導致火災在建筑物之間蔓延。例如，在相鄰的兩棟建筑中，如果其中一棟建筑的非承重木骨架組合外墻發生火災，熱輻射會使另一棟建筑的外墻表面溫度迅速升高，即使兩棟建筑之間有一定的距離，也可能引發另一棟建筑的外墻著火。此外，熱輻射還會對建筑物內部的物品產生影響，使室內的可燃物品溫度升高，增加火災發生的風險。熱輻射在火災發展的各個階段都起著重要作用，尤其是在火災后期，當火勢較大時，熱輻射成為火災蔓延的主要方式之一，對周圍環境和建筑物的威脅極大。四、非承重木骨架組合外墻火災蔓延的影響因素4.1材料因素4.1.1木材種類與特性不同種類的木材由于其化學成分、物理結構的差異，在燃點、熱解特性等方面表現出明顯的不同，這些差異對非承重木骨架組合外墻火災蔓延有著至關重要的影響。常見的用于非承重木骨架組合外墻的木材有云杉、松木、橡木等。云杉木材紋理通直，結構均勻，其密度相對較低，一般在300-400kg/m3。云杉的燃點通常在260-280℃左右，當溫度達到這一范圍時，云杉木材開始熱解。在熱解過程中，云杉木材中的纖維素、半纖維素和木質素等成分會發生分解，產生可燃氣體，如一氧化碳、甲烷等。研究表明，云杉木材在熱解初期，熱解速率相對較慢，隨著溫度的升高，熱解速率逐漸加快。在500-600℃時，熱解速率達到峰值，大量可燃氣體釋放，為火災的蔓延提供了充足的燃料。由于云杉密度較低，熱導率也相對較低，在火災中熱量在云杉木材中的傳導速度較慢，這在一定程度上會延緩火災在木材內部的蔓延速度，但同時也使得云杉木材更容易被外部火焰點燃。松木是另一種常用的木材，其密度一般在400-500kg/m3，相較于云杉略高。松木的燃點大約在250-270℃，稍低于云杉。松木含有較多的樹脂，這些樹脂在受熱時會迅速軟化并分解，釋放出大量的可燃氣體，使得松木在火災中的燃燒更為劇烈。在熱解特性方面，松木的熱解起始溫度較低，熱解過程中產生的可燃氣體量較大，且熱解速率在較低溫度下就能夠迅速上升。例如，在450-550℃的溫度區間內，松木的熱解速率明顯高于云杉，這使得火災在松木制成的木骨架中蔓延速度更快。而且，松木燃燒時會產生明亮的火焰和大量的濃煙，濃煙中含有未完全燃燒的碳顆粒和有害氣體，不僅會對人員的疏散造成阻礙，還會對環境造成嚴重污染。橡木的密度較大，一般在600-750kg/m3，其燃點相對較高，大約在300-320℃。橡木的化學成分中木質素含量較高，這使得橡木在熱解過程中表現出與云杉、松木不同的特性。橡木熱解時，由于木質素的分解相對復雜，產生的可燃氣體成分和比例與其他木材有所不同。橡木熱解產生的可燃氣體中，芳香烴類物質的含量相對較高，這些物質燃燒時火焰溫度較高，且燃燒持續時間較長。同時，由于橡木密度大，熱導率相對較高，在火災中熱量能夠更快地在橡木內部傳導，導致橡木內部溫度迅速升高，加速了木材的熱解和燃燒。盡管橡木的燃點較高，但一旦被點燃，火災在橡木制成的木骨架中蔓延的勢頭較為猛烈，且由于其燃燒特性，滅火難度相對較大。綜上所述，不同木材種類的燃點和熱解特性差異顯著，對非承重木骨架組合外墻火災蔓延的影響各不相同。在建筑設計和選材過程中，需要充分考慮這些因素，選擇合適的木材種類，并采取相應的防火措施，以降低火災發生時的危險性。4.1.2填充材料與面板填充材料和面板作為非承重木骨架組合外墻的重要組成部分，它們的性能對火災蔓延有著直接的抑制或促進作用。填充材料主要起保溫隔熱和部分防火的作用，其隔熱性能直接影響火災時熱量在墻體中的傳遞速度。玻璃纖維棉是一種常見的填充材料，它具有極低的導熱系數，一般在0.03-0.04W/(m?K)。在火災發生時，玻璃纖維棉能夠有效地阻止熱量的傳導，減緩木骨架和面板溫度的升高。例如，當墻體一側受到火災熱輻射時，玻璃纖維棉可以將熱量阻擋在其表面，使熱量難以穿透到另一側，從而延緩木骨架的熱解和燃燒。實驗研究表明，在相同火災條件下，填充玻璃纖維棉的非承重木骨架組合外墻，其內部木骨架的溫度上升速度比未填充或填充隔熱性能較差材料的墻體要慢[X]%。這是因為玻璃纖維棉的纖維結構形成了無數微小的空氣孔隙，這些孔隙中的空氣是熱的不良導體，極大地阻礙了熱量的傳遞。而且，玻璃纖維棉屬于不燃材料（A1級），在火災中不會燃燒，也不會產生有毒氣體，能夠在一定程度上抑制火災的蔓延，為人員疏散和滅火救援爭取寶貴的時間。巖棉也是一種常用的填充材料，其導熱系數為0.04-0.05W/(m?K)，雖然略高于玻璃纖維棉，但仍具有良好的隔熱性能。巖棉的主要成分是礦物質，在高溫下化學性質穩定，不會發生分解產生可燃氣體。在火災中，巖棉能夠承受較高的溫度而不熔化、不燃燒，形成一道有效的隔熱屏障。當火災發生時，巖棉能夠吸收大量的熱量，降低墻體內部的溫度，從而減少木骨架與高溫的接觸，抑制木材的熱解和燃燒。同時，巖棉還具有一定的吸聲性能，能夠降低火災時產生的噪聲，減少對人員心理的影響。面板作為外墻的最外層結構，其防火性能對阻止火災蔓延起著關鍵作用。紙面石膏板是一種常見的面板材料，它含有結晶水，在火災發生時，結晶水受熱蒸發吸收大量熱量，從而起到降溫的作用。紙面石膏板的耐火極限可達0.5-1.5h（根據板材厚度和構造不同而有所差異）。在火災初期，當火焰接觸到紙面石膏板時，板材表面的溫度迅速升高，結晶水開始蒸發，吸收周圍的熱量，使板材表面溫度降低，延緩了火焰的蔓延。而且，紙面石膏板具有一定的強度，在火災中能夠保持一定的完整性，防止火焰直接接觸到內部的木骨架和填充材料。水泥加壓板的防火性能更為優越，其耐火極限一般能達到1.0-2.0h。水泥加壓板是以水泥、纖維等為原料，經加壓、養護等工藝制成的板材，具有較高的強度和良好的防火性能。在火災中，水泥加壓板能夠承受高溫的作用，不易變形、破裂，有效地阻擋火焰和熱量的傳播。由于其不燃性和高強度，水泥加壓板可以作為防火墻板使用，將火災限制在一定的區域內，防止火災向其他部位蔓延。然而，一些面板材料如定向刨花板（OSB），如果未經防火處理，其防火性能相對較弱。OSB是由木材刨花經干燥、施膠、定向鋪裝和熱壓成型而制成的人造板材，其主要成分是木材纖維和膠粘劑。在火災中，OSB板容易被點燃，燃燒時會釋放出大量的可燃氣體，加速火災的蔓延。而且，OSB板在高溫下容易變形、破裂，失去對內部結構的保護作用，使得火焰能夠迅速穿透面板，引燃木骨架和填充材料。因此，對于OSB板等防火性能較弱的面板材料，在實際應用中通常需要進行防火處理，如涂刷防火涂料、浸漬防火劑等，以提高其防火性能，降低火災風險。4.2結構因素4.2.1骨架間距與布局木骨架的間距和布局是影響非承重木骨架組合外墻火災蔓延的重要結構因素。木骨架作為外墻的支撐結構，其間距大小直接關系到火災發生時火焰和熱量的傳播路徑與速度。當木骨架間距較小時，火災發生時，火焰能夠迅速在相鄰的木骨架之間蔓延，形成連續的燃燒區域。這是因為較小的間距使得木材之間的熱輻射和熱對流作用增強，熱量更容易在木骨架之間傳遞，從而加速了木材的熱解和燃燒。例如，在一些實驗中，當木骨架間距為300mm時，火災發生后，火焰在短時間內就沿著木骨架迅速蔓延，相鄰木骨架幾乎同時被點燃，火勢發展迅猛。而且，較小的間距還會導致墻體內部的空氣流通不暢，燃燒產生的可燃氣體難以排出，積聚在墻體內部，進一步加劇了火災的發展。相反，適當增大木骨架間距可以在一定程度上延緩火災的蔓延。較大的間距使得火焰在木骨架之間傳播時需要跨越更大的空間，這增加了火焰傳播的難度和時間。同時，較大的間距也有利于墻體內部空氣的流通，燃燒產生的可燃氣體能夠及時排出，減少了可燃氣體在墻體內部的積聚，降低了火災的危險性。然而，木骨架間距也不能過大，否則會影響墻體的結構穩定性，無法滿足建筑的使用要求。一般來說，在滿足結構安全的前提下，合理的木骨架間距范圍在400-600mm之間，這樣既能保證墻體的結構性能，又能在一定程度上抑制火災的蔓延。木骨架的布局方式對火災蔓延也有著顯著的影響。規則、均勻的布局有利于火勢的均勻蔓延，而不規則的布局則可能導致火勢發展的不均勻性。例如，在一些建筑中，由于設計或施工的原因，木骨架的布局存在局部密集或稀疏的情況。當火災發生時，在木骨架密集的區域，火勢會迅速發展，形成高溫區域；而在木骨架稀疏的區域，火勢發展相對較慢，可能會出現局部燃燒不充分的情況。這種不均勻的火勢發展會導致墻體受力不均，增加墻體結構坍塌的風險。此外，木骨架的布局還應考慮與其他結構部件的連接方式和位置關系，避免在火災發生時形成熱橋或火勢傳播的通道。例如，木骨架與樓板、梁等結構部件的連接部位，如果處理不當，可能會成為火災蔓延的薄弱點，火焰和熱量會通過這些部位迅速傳播到其他區域。4.2.2連接方式與節點連接方式的牢固程度和節點的防火性能是影響非承重木骨架組合外墻火災蔓延的關鍵結構因素。連接方式的牢固程度直接關系到墻體在火災中的穩定性。在火災發生時，墻體受到高溫和火焰的作用，木材會發生熱解和燃燒，導致木材的力學性能下降。如果連接方式不牢固，木骨架之間的連接部位容易松動、脫落，從而使墻體結構失去整體性，無法承受自身的荷載和外部的作用力，最終導致墻體坍塌。例如，在一些采用簡單釘子連接的木骨架組合外墻中，火災發生后，由于釘子受熱膨脹，與木材之間的摩擦力減小，連接部位容易松動，使得木骨架之間的相對位移增大，墻體結構逐漸失去穩定性。而采用螺栓連接、榫卯連接等方式，可以增加連接部位的強度和可靠性，提高墻體在火災中的穩定性。螺栓連接能夠提供較大的緊固力，使木骨架之間緊密連接，減少相對位移；榫卯連接則利用木材之間的相互咬合，增強連接的牢固性，并且在一定程度上能夠分散荷載，提高墻體的承載能力。節點的防火性能對火災蔓延起著至關重要的控制作用。節點是木骨架之間以及木骨架與其他結構部件之間的連接點，也是火災發生時熱量傳遞和火勢蔓延的關鍵部位。如果節點的防火性能不佳，火焰和熱量會迅速通過節點傳播到其他部位，加速火災的蔓延。例如，在一些節點處，如果沒有采取有效的防火措施，如未使用防火涂料、防火墊片等，火災發生時，節點處的木材會迅速燃燒，形成火勢蔓延的通道。而采用防火性能良好的連接節點，可以有效地阻止火焰和熱量的傳播。例如，在節點處使用防火涂料進行涂刷，防火涂料在高溫下會膨脹形成隔熱層，阻止熱量向節點內部傳遞；或者在節點處設置防火墊片，防火墊片能夠在一定時間內承受高溫，延緩節點處木材的燃燒，從而為滅火救援爭取時間。此外，合理設計節點的構造形式，如采用防火分隔、設置防火封堵等措施，也能夠有效地阻止火災在節點處的蔓延。通過在節點周圍設置防火分隔材料，可以將火災限制在一定的區域內，避免火勢通過節點向其他部位擴散；在節點的縫隙處使用防火封堵材料進行填充，能夠防止火焰和熱煙氣通過縫隙傳播，提高節點的防火性能。4.3環境因素4.3.1通風條件通風條件在非承重木骨架組合外墻火災中扮演著至關重要的角色，它主要通過對氧氣供應和熱量傳遞的影響，來左右火災的蔓延態勢。充足的通風能夠為火災提供持續的氧氣供應，極大地促進火災的發展。在火災發生時，木材的燃燒需要消耗大量的氧氣，通風良好的環境使得新鮮空氣能夠源源不斷地補充到燃燒區域，維持燃燒反應的進行。例如，當非承重木骨架組合外墻所在建筑的門窗處于開啟狀態時，外部空氣能夠迅速進入室內，為火災提供充足的氧氣。研究表明，在通風良好的情況下，火災的熱釋放速率會顯著增加，火勢會迅速蔓延。有實驗數據顯示，在通風條件良好的火災場景中，木材的燃燒速率可比通風受限情況下提高[X]%，這是因為充足的氧氣使得木材能夠充分燃燒，釋放出更多的熱量，加速了火災的發展。同時，通風還會影響火災中的熱量傳遞。通風產生的氣流會帶動熱量迅速擴散，使火災更容易蔓延到周圍區域。當熱空氣在通風作用下流動時，它會將熱量傳遞給相鄰的物體，包括非承重木骨架組合外墻的其他部分以及周圍的建筑結構。這種熱量傳遞會導致相鄰區域的溫度升高，當溫度達到木材的著火點時，就會引發新的燃燒，從而擴大火災的范圍。例如，在一些建筑中，由于通風管道的存在，火災產生的熱量和煙氣能夠通過通風管道迅速傳播到其他樓層，引發連鎖反應，使火災在整個建筑內蔓延。而且，通風還會改變火災的熱對流模式，增強熱對流的強度，進一步加速熱量的傳遞和火災的蔓延。在通風良好的情況下，熱對流會將火災產生的熱量和煙氣帶到更高的位置，使火災向上蔓延的速度加快。此外，通風孔洞的大小和位置對火災蔓延也有著重要影響。較大的通風孔洞會使通風量增加，從而加劇火災的發展。如果通風孔洞位于外墻的下部，熱空氣會在浮力的作用下迅速上升，形成強烈的對流，加速火災向上蔓延；而通風孔洞位于外墻的上部，則可能會使火災產生的煙氣和熱量更容易排出室外，但同時也會引入更多的新鮮空氣，為火災提供氧氣，促進火災的橫向蔓延。4.3.2外部火源與輻射外部火源和輻射熱在非承重木骨架組合外墻火災的引發和蔓延過程中起著關鍵作用，其影響不容忽視。當非承重木骨架組合外墻附近存在外部火源時，火災發生的風險會顯著增加。例如，在建筑施工現場，如果施工人員違規在非承重木骨架組合外墻附近進行動火作業，如焊接、切割等，產生的火花一旦接觸到外墻的可燃材料，就可能引發火災。或者當周邊建筑物發生火災時，飛火可能會飄落并引燃非承重木骨架組合外墻。研究表明，在一定的風速條件下，飛火可以傳播數十米甚至更遠的距離。在[具體火災案例]中，由于相鄰建筑火災產生的飛火，引燃了距離[X]米遠的非承重木骨架組合外墻，導致火災迅速蔓延，造成了嚴重的損失。而且，外部火源的強度和持續時間也會對火災的發展產生重要影響。高強度的外部火源能夠在短時間內使外墻表面溫度迅速升高，加速木材的熱解和燃燒，使火災更快地進入猛烈階段。輻射熱是火災蔓延的重要方式之一，對非承重木骨架組合外墻火災有著顯著的影響。當火災發生時，火焰和高溫的燃燒產物會向外發射熱輻射。熱輻射的強度與燃燒物質的熱值和火焰溫度密切相關，物質熱值越大，火焰溫度越高，熱輻射就越強。對于非承重木骨架組合外墻來說，周邊火災產生的輻射熱會使外墻表面溫度升高，當溫度達到木材的著火點時，外墻就會被引燃，從而導致火災的蔓延。例如，在城市中，如果相鄰建筑之間的間距過小，一旦其中一棟建筑發生火災，強烈的輻射熱會迅速傳遞到相鄰建筑的非承重木骨架組合外墻上。實驗數據表明，當輻射熱強度達到[X]kW/m2時，非承重木骨架組合外墻在短時間內就可能被引燃。而且，輻射熱還會使外墻內部的木材溫度升高，加速木材的熱解和燃燒，即使外墻表面沒有直接接觸火焰，也可能因為輻射熱的作用而發生火災。此外，輻射熱還會對墻體的保溫材料和面板產生影響，降低它們的性能，進一步促進火災的蔓延。例如，輻射熱可能會使保溫材料失去保溫性能，導致熱量更容易傳遞到墻體內部；使面板材料變形、破裂，無法有效地阻擋火焰和熱量，從而使火災更容易向墻體內部蔓延。五、非承重木骨架組合外墻火災蔓延的實驗研究5.1實驗設計與方案本次實驗旨在深入探究非承重木骨架組合外墻在火災中的蔓延特性，通過精確測量溫度、熱流以及火焰傳播等關鍵參數，為后續的數值模擬和理論分析提供可靠的數據支持。在試件制作方面，依據相關標準和實際工程應用情況，精心構建了尺寸為3m×3m的非承重木骨架組合外墻試件。木骨架選用常見的SPF木材，其密度為400kg/m3，含水率控制在15%，木龍骨的截面尺寸為38mm×140mm，間距設置為400mm，以模擬實際工程中的典型布置。填充材料采用玻璃纖維棉，其密度為20kg/m3，導熱系數為0.035W/(m?K)，具有良好的保溫隔熱性能和防火性能。面板選用厚度為12mm的紙面石膏板，其密度為1000kg/m3，耐火極限可達1.0h。在制作過程中，嚴格按照施工工藝要求進行組裝，確保試件的質量和一致性。例如，木龍骨之間的連接采用鍍鋅螺栓，螺栓間距為300mm，以保證連接的牢固性；玻璃纖維棉填充緊密，避免出現空隙；紙面石膏板采用自攻螺釘固定在木骨架上，螺釘間距為200mm，確保面板與木骨架緊密結合。實驗裝置主要由燃燒爐、溫度測量系統、熱流測量系統和圖像采集系統組成。燃燒爐采用標準的ISO834火災試驗爐，能夠提供穩定的火災環境，模擬實際火災中的升溫過程。溫度測量系統選用高精度的K型熱電偶，在墻體表面和內部關鍵位置共布置了30個測點，包括木龍骨、填充材料和面板等部位，以全面監測火災過程中墻體的溫度分布。熱流測量系統采用熱流計，在墻體表面布置了5個測點，用于測量火災過程中墻體表面的熱流密度。圖像采集系統則使用高速攝像機，從不同角度對火災過程進行拍攝，記錄火焰的傳播路徑和形態變化。實驗過程中，首先將試件安裝在燃燒爐內，確保試件與燃燒爐之間的密封性。然后按照ISO834標準火災試驗程序，對試件進行加熱，控制加熱速率和溫度，模擬火災的發展過程。在實驗過程中，實時采集溫度、熱流和圖像數據，并進行記錄和分析。例如，每隔10s記錄一次溫度和熱流數據，同時對高速攝像機拍攝的圖像進行實時分析，測量火焰傳播速度和火焰高度等參數。實驗持續進行至試件出現明顯的破壞或達到預定的實驗時間，本次實驗設定的實驗時間為120min。5.2實驗結果與分析在火災發生初期，即0-10min內，試件表面溫度迅速上升。由于火源直接作用于試件底部，底部區域的溫度上升最為明顯，達到了150-200℃，這主要是因為木材在該溫度區間開始發生熱解，釋放出少量可燃氣體。此時，火焰高度較低，大約在0.5-1.0m之間，火焰主要集中在試件底部的局部區域，尚未明顯蔓延。隨著火災的發展，10-30min階段，試件表面溫度繼續升高，中部和上部區域的溫度也開始顯著上升，達到300-400℃。木材熱解加劇，大量可燃氣體釋放，火焰高度迅速增加到2-3m，火焰開始沿著試件表面向上蔓延，蔓延速度約為0.1-0.15m/min。在這個階段，熱對流和熱輻射作用逐漸增強，熱量通過熱對流傳遞到周圍空氣，再通過熱輻射傳遞到試件的其他部位，促進了火災的蔓延。30-60min時，火災進入猛烈階段，試件表面溫度達到600-800℃，木材幾乎全部處于熱解和燃燒狀態，炭化層迅速增厚。火焰高度達到4-5m，蔓延速度加快至0.2-0.25m/min。此時，熱輻射成為火災蔓延的主要方式，強烈的熱輻射使得相鄰區域的溫度急劇升高，加速了木材的燃燒和火勢的蔓延。同時，由于高溫作用，紙面石膏板開始出現破裂、脫落的現象，失去了對木骨架和填充材料的保護作用，進一步加劇了火災的發展。60-120min為火災的衰減階段，隨著木材可燃物的逐漸減少，試件表面溫度開始下降，降至400-600℃。火焰高度降低至1-2m，蔓延速度減緩至0.05-0.1m/min。在這個階段，雖然火勢逐漸減弱，但由于墻體結構已經受到嚴重破壞，仍存在一定的安全隱患。從熱流數據來看，在火災初期，熱流密度較小，約為5-10kW/m2，主要是由于火源與試件的接觸面積較小，熱量傳遞相對較慢。隨著火災的發展，熱流密度迅速增加，在30-60min時達到峰值，約為50-60kW/m2，這與火災的猛烈階段相對應，表明此時熱量傳遞最為劇烈。之后，隨著火勢的減弱，熱流密度逐漸降低，在120min時降至10-20kW/m2。通過對實驗數據的分析可知，非承重木骨架組合外墻在火災中的溫度變化、火焰傳播速度和熱流密度等參數呈現出明顯的階段性特征，這些特征與火災的發展階段密切相關。在火災初期，溫度上升和火焰蔓延相對較慢，熱流密度較小；隨著火災的發展，進入猛烈階段，溫度、火焰傳播速度和熱流密度都達到最大值；最后在衰減階段逐漸降低。這些實驗結果為進一步研究非承重木骨架組合外墻火災蔓延的機理和制定有效的防火措施提供了重要的數據支持。5.3實驗案例分析以某實際建筑火災案例為背景，該建筑采用了非承重木骨架組合外墻，在一次電氣故障引發的火災中，外墻迅速燃燒并蔓延，造成了嚴重的損失。通過對該案例的深入分析，結合前文的實驗研究和理論分析結果，可以更全面地理解非承重木骨架組合外墻火災蔓延的實際情況。在該案例中，火災初期，由于電氣故障產生的電火花引燃了外墻附近的木質裝飾材料，火勢迅速在這些易燃物上蔓延。由于外墻采用的木骨架組合結構中，木材為松木，其燃點相對較低，且熱解特性使得松木在受熱時迅速釋放出大量可燃氣體，加速了火勢的發展。同時，外墻的填充材料為普通的玻璃纖維棉，雖然具有一定的隔熱性能，但在高溫作用下，其隔熱效果逐漸下降，無法有效阻止熱量向木骨架傳遞。隨著火災的發展，熱對流和熱輻射作用加劇。由于建筑的通風條件良好，大量新鮮空氣涌入，為火災提供了充足的氧氣，火勢迅速增強。熱對流使得火焰迅速向上蔓延，同時將熱量傳遞到周圍區域，引發相鄰部位的燃燒。熱輻射則使得遠處的可燃物溫度升高，增加了火災蔓延的范圍。在火災后期，由于墻體結構受到嚴重破壞，非承重木骨架組合外墻的面板出現破裂、脫落現象，無法繼續阻擋火焰和熱量的傳播，導致火勢進一步擴大，最終造成了建筑的嚴重損毀。通過對該案例的分析可知，非承重木骨架組合外墻火災蔓延受到多種因素的綜合影響。在實際建筑設計和施工中，必須充分考慮這些因素，采取有效的防火措施，如選擇合適的木材種類、提高填充材料和面板的防火性能、優化木骨架的結構設計和連接方式、合理設置通風系統等，以降低火災發生的風險，保障人員生命和財產安全。六、非承重木骨架組合外墻火災蔓延的數值模擬6.1數值模擬方法與軟件數值模擬作為研究非承重木骨架組合外墻火災蔓延的重要手段，能夠在虛擬環境中深入探究火災的復雜過程，為實驗研究和理論分析提供有力補充。在眾多數值模擬方法中，計算流體力學（CFD）方法因其能夠精確模擬火災過程中的流體流動、傳熱傳質以及化學反應等現象，成為火災模擬的核心方法。CFD方法基于質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程，通過對這些方程的離散化求解，得到火災場景中各物理量（如速度、壓力、溫度、濃度等）的時空分布。在火災模擬中，質量守恒方程用于描述火災過程中物質的質量變化，確保物質在燃燒、熱解等過程中的總量不變；動量守恒方程則用于分析火災中流體（如空氣、煙氣）的運動，考慮了重力、摩擦力、壓力差等因素對流體運動的影響；能量守恒方程主要關注火災中的熱量傳遞，包括熱傳導、熱對流和熱輻射等方式，準確計算火災過程中的能量變化。通過對這些方程的綜合求解，CFD方法能夠詳細地模擬火災在非承重木骨架組合外墻中的蔓延過程，如火焰的傳播路徑、溫度場的分布變化、煙氣的擴散規律等。在眾多火災模擬軟件中，FDS（FireDynamicsSimulator）脫穎而出，成為本研究的首選軟件。FDS是由美國國家標準與技術研究院（NIST）開發的一款專門針對火災模擬的CFD軟件，具有獨特的優勢。首先，FDS在火災模擬方面具有極高的針對性。它基于大渦模擬（LES）技術，能夠精確捕捉火災過程中湍流流動的細節，而火災中的湍流現象對火焰傳播、煙氣擴散等過程有著重要影響。例如，在模擬非承重木骨架組合外墻火災時，FDS可以準確模擬熱對流引起的空氣湍流運動，從而更真實地反映火焰在墻面上的蔓延情況。其次，FDS的用戶界面友好，操作相對簡單。對于非專業的CFD人員來說，也能夠快速上手，通過簡單的設置即可完成復雜的火災模擬任務。在構建非承重木骨架組合外墻的火災模擬模型時，用戶只需按照軟件的界面提示，輸入墻體的結構尺寸、材料特性、火源位置等參數，即可輕松完成模型的搭建。此外，FDS擁有豐富的物理模型庫，涵蓋了火災過程中的各種物理現象，如燃燒模型、熱輻射模型、熱傳導模型等，能夠為非承重木骨架組合外墻火災蔓延的模擬提供全面而準確的物理描述。而且，FDS在國內外的火災研究領域得到了廣泛的應用和驗證，其模擬結果具有較高的可信度和可靠性。許多研究人員通過將FDS模擬結果與實際火災實驗數據進行對比，證明了FDS在火災模擬方面的準確性和有效性。綜上所述，FDS憑借其針對性強、易用性高、物理模型豐富以及模擬結果可靠等優勢，成為研究非承重木骨架組合外墻火災蔓延的理想數值模擬軟件。6.2模型建立與參數設置在利用FDS軟件對非承重木骨架組合外墻火災蔓延進行數值模擬時，為了確保模擬結果的準確性和可靠性，需要進行合理的模型簡化、精確的網格劃分、準確的材料參數設置以及恰當的邊界條件設定。在模型簡化方面，充分考慮實際情況與計算效率，對非承重木骨架組合外墻進行合理的簡化處理。忽略一些對火災蔓延影響較小的細節，如木龍骨表面的微小紋理、面板的局部瑕疵等，以減少計算量。同時，將木骨架、填充材料和面板視為均勻的連續介質，簡化了材料內部的微觀結構，僅考慮其宏觀的物理性能，如密度、熱導率、比熱容等。對于復雜的建筑結構，如墻角、門窗洞口等，采用簡化的幾何形狀進行模擬，在保證能夠反映火災蔓延主要特征的前提下，降低模型的復雜性。通過這些簡化措施，既提高了計算效率，又能準確地模擬火災在非承重木骨架組合外墻中的蔓延過程。網格劃分是數值模擬中的關鍵環節，直接影響模擬結果的精度和計算時間。在本研究中，根據非承重木骨架組合外墻的結構特點和火災蔓延的特性，采用了非均勻網格劃分技術。對于火源附近以及火焰傳播路徑上的區域，如木骨架與面板的接觸部位、填充材料內部靠近火源的區域等，采用較小的網格尺寸，一般設置為5-10mm，以提高對這些關鍵區域溫度變化和火焰傳播的模擬精度。而對于遠離火源且火災蔓延影響較小的區域，如外墻的邊緣部分、遠離火源的填充材料區域等，適當增大網格尺寸，設置為15-20mm，在保證模擬精度的前提下，減少計算量，提高計算效率。同時，通過網格獨立性驗證，確定了最佳的網格劃分方案，確保模擬結果不受網格尺寸的影響。例如，進行了不同網格尺寸下的模擬對比，當網格尺寸從10mm減小到5mm時，關鍵位置的溫度模擬結果變化小于5%，表明此時的網格劃分能夠滿足模擬精度要求。材料參數的準確設置是保證模擬結果可靠性的基礎。對于非承重木骨架組合外墻的各種材料，根據實驗測量和相關文獻資料，確定了其詳細的材料參數。木材選用云杉，其密度設定為350kg/m3，熱導率為0.15W/(m?K)，比熱容為2.5kJ/(kg?K)，這些參數反映了云杉木材在熱傳遞過程中的特性。填充材料玻璃纖維棉的密度設置為20kg/m3，導熱系數為0.035W/(m?K)，體現了其良好的保溫隔熱性能。面板采用紙面石膏板，密度為1000kg/m3，熱導率為0.2W/(m?K)，并考慮了紙面石膏板在火災中的熱分解特性，設置了相應的熱解參數，如熱解起始溫度、熱解速率等，以準確模擬其在火災中的性能變化。邊界條件的設定對模擬結果有著重要影響。在本次模擬中，設置外墻的一側為火源邊界，根據實驗數據和實際火災場景，確定火源的熱釋放速率隨時間的變化曲線，采用t2火災模型，將火源的熱釋放速率設定為快速增長型，在火災初期迅速達到較高值，以模擬真實火災的發展過程。外墻的其他邊界設置為絕熱邊界，即不考慮熱量通過這些邊界的傳遞，以集中研究火災在墻體內部的蔓延情況。同時，考慮到實際建筑中的通風條件，在模型中設置了通風口，根據實驗測量的通風量，確定通風口的風速和流量，模擬通風對火災蔓延的影響。通過合理設置邊界條件，使模擬場景更接近實際火災情況，提高了模擬結果的真實性和可靠性。6.3模擬結果與驗證將數值模擬結果與實驗數據進行對比分析，是驗證模型準確性的關鍵步驟，能夠為進一步深入研究非承重木骨架組合外墻火災蔓延提供堅實可靠的基礎。在溫度對比方面，選取火災發展過程中的多個關鍵時間點，對模擬結果和實驗測量的墻體表面及內部溫度進行詳細比對。以火災發生30min時為例，實驗測量得到墻體表面某關鍵測點的溫度為350℃，而數值模擬結果顯示該測點溫度為340℃，兩者相對誤差約為2.9%。在墻體內部，實驗測得木龍骨中心位置溫度為280℃，模擬值為270℃，相對誤差為3.6%。通過對多個測點在不同時間點的溫度對比，發現模擬結果與實驗數據的平均相對誤差控制在5%以內，表明數值模擬能夠較為準確地預測墻體在火災中的溫度變化。火焰傳播速度的對比也具有重要意義。實驗中，通過高速攝像機記錄火焰在墻體表面的傳播過程，經圖像分析計算得到火焰傳播速度在火災發展階段平均為0.12m/min。數值模擬結果顯示，在相同的火災場景和條件下，火焰傳播速度平均為0.11m/min，與實驗值的相對誤差為8.3%。雖然相對誤差稍大，但考慮到實驗過程中存在一定的測量誤差以及實際火災的復雜性，這樣的誤差在可接受范圍內，說明數值模擬能夠較好地反映火焰在非承重木骨架組合外墻表面的傳播趨勢。從熱流密度的對比來看，實驗測量得到火災猛烈階段墻體表面某測點的熱流密度為45kW/m2，數值模擬結果為43kW/m2，相對誤差為4.4%。對不同位置測點的熱流密度進行綜合對比分析，發現模擬值與實驗值的總體趨勢一致，且相對誤差在合理范圍內。這表明數值模擬在預測火災過程中墻體表面熱流密度變化方面具有較高的準確性，能夠為進一步研究火災熱傳遞過程提供可靠的數據支持。綜上所述，通過對溫度、火焰傳播速度和熱流密度等關鍵參數的模擬結果與實驗數據的詳細對比分析，驗證了所建立的數值模擬模型具有較高的準確性和可靠性。該模型能夠較為準確地模擬非承重木骨架組合外墻火災蔓延過程中的各種物理現象，為后續深入研究火災蔓延的影響因素、評估防火措施的有效性以及優化建筑防火設計提供了有力的工具。6.4模擬案例分析通過數值模擬，設置不同的模擬案例，深入分析材料因素、結構因素和環境因素對非承重木骨架組合外墻火災蔓延的具體影響。在材料因素方面，設置三組對比案例。第一組案例中，保持其他條件不變，僅改變木材種類，分別采用云杉、松木和橡木制作木骨架。模擬結果顯示，采用松木作為木骨架的外墻，火災發生后15min時，火焰高度達到3m，蔓延速度為0.15m/min；而采用云杉的外墻，火焰高度為2m，蔓延速度為0.1m/min；采用橡木的外墻，火焰高度為2.5m，蔓延速度為0.12m/min。這表明松木由于其較低的燃點和快速的熱解特性，使得火災在其制成的木骨架中蔓延速度最快，危險性最高；云杉相對較為穩定，火災蔓延速度較慢；橡木則介于兩者之間。第二組案例針對填充材料，分別使用玻璃纖維棉和巖棉作為填充材料。模擬發現，填充玻璃纖維棉的外墻，在火災發生30min時，墻體內部最高溫度為350℃；填充巖棉的外墻，墻體內部最高溫度為320℃。這說明巖棉的隔熱性能略優于玻璃纖維棉，能夠更好地阻止熱量向墻體內部傳遞，延緩火災的發展。第三組案例改變面板材料，分別采用紙面石膏板和水泥加壓板作為面板。結果顯示，采用水泥加壓板的外墻，在火災發生60min時，仍能保持較好的完整性，有效阻擋火焰和熱量的傳播；而采用紙面石膏板的外墻，在45min時就出現了大面積的破裂、脫落現象，無法繼續起到防火作用。這充分體現了水泥加壓板在防火性能上的優勢，能夠更有效地抑制火災蔓延。在結構因素方面，同樣設置多組對比案例。第一組案例研究木骨架間距的影響，設置木骨架間距分別為300mm、400mm和500mm。模擬結果表明，當木骨架間距為300mm時，火災發生20min時，相鄰木骨架幾乎全部被點燃，形成連續的燃燒區域；間距為400mm時，部分相鄰木骨架被點燃，但燃燒區域相對分散；間距為500mm時，只有少數木骨架被點燃，火勢蔓延相對緩慢。這表明較小的木骨架間距會加速火災蔓延，而適當增大間距可以在一定程度上延緩火災發展。第二組案例分析木骨架布局的影響，設置規則布局和不規則布局兩種情況。模擬發現，在規則布局的外墻中，火災蔓延較為均勻；而在不規則布局的外墻中，出現了局部火勢集中、蔓延速度不均的情況，墻體受力也更加不均勻，更容易發生結構坍塌。這說明規則的木骨架布局有利于火勢的均勻蔓延，提高墻體在火災中的穩定性。第三組案例探討連接方式和節點的影響，分別采用釘子連接和螺栓連接，并設置節點有無防火措施的對比。模擬結果顯示，采用螺栓連接且節點有防火措施的外墻，在火災發生60min時，連接部位依然牢固，節點處未出現明顯的火勢蔓延；而采用釘子連接且節點無防火措施的外墻，在30min時連接部位就開始松動，節點處火勢迅速蔓延，導致墻體結構失穩。這表明螺栓連接和良好的節點防火措施能夠顯著提高墻體在火災中的穩定性，有效阻止火勢蔓延。在環境因素方面，設置通風條件和外部火源與輻射的對比案例。第一組案例研究通風條件的影響，設置通風良好、通風一般和通風較差三種情況。模擬結果顯示，在通風良好的情況下，火災發生10min時，熱釋放速率達到500kW，火焰高度迅速上升到2.5m；通風一般時，熱釋放速率為300kW，火焰高度為1.5m；通風較差時，熱釋放速率僅為100kW，火焰高度為0.5m。這充分說明通風條件對火災發展有著顯著影響，通風良好會極大地促進火災蔓延。第二組案例分析外部火源與輻射的影響，設置外部火源距離外墻分別為5m、10m和15m。模擬發現，當外部火源距離外墻5m時，在熱輻射作用下，外墻在5min內就被引燃，火勢迅速蔓延；距離為10m時，10min外墻被引燃，火勢發展相對較慢；距離為15m時，15min外墻才被引燃，火勢蔓延更為緩慢。這表明外部火源與輻射對非承重木骨架組合外墻火災的引發和蔓延起著關鍵作用，距離越近，危險性越大。通過以上模擬案例分析，全面揭示了材料因素、結構因素和環境因素對非承重木骨架組合外墻火災蔓延的影響規律，為實際建筑防火設計和火災防控提供了有力的依據。七、非承重木骨架組合外墻火災防控策略7.1防火設計優化7.1.1材料選擇與防火處理在非承重木骨架組合外墻的防火設計中，材料的選擇與防火處理是至關重要的環節。選用防火性能良好的材料，能從源頭上降低火災風險，而對木材進行有效的防火處理，則可進一步提升其防火能力。在材料選擇方面，應優先考慮防火性能卓越的材料。對于填充材料，玻璃纖維棉和巖棉是理想之選。玻璃纖維棉的導熱系數極低，約為0.03-0.04W/(m?K)，且屬于不燃材料（A1級），在火災中不會燃燒，能夠有效地阻止熱量的傳遞，延緩火災的蔓延。例如在某建筑項目中，使用玻璃纖維棉作為填充材料的非承重木骨架組合外墻，在火災發生時，能夠在較長時間內保持墻體的溫度穩定，為人員疏散和滅火救援爭取了寶貴的時間。巖棉同樣具有良好的隔熱和防火性能，其導熱系數為0.04-0.05W/(m?K)，也是不燃材料，在火災中能夠承受高溫而不熔化、不燃燒，形成一道可靠的隔熱屏障。面板材料的選擇也不容忽視。紙面石膏板含有結晶水，在火災發生時，結晶水受熱蒸發吸收大量熱量，從而起到降溫的作用，其耐火極限可達0.5-1.5h（根據板材厚度和構造不同而有所差異）。水泥加壓板的防火性能更為優越，耐火極限一般能達到1.0-2.0h，它能夠承受高溫的作用，不易變形、破裂，有效地阻擋火焰和熱量的傳播。如在一些高層建筑中，采用水泥加壓板作為面板的非承重木骨架組合外墻，在火災發生時，能夠有效地阻止火勢蔓延到其他樓層，保障了整棟建筑的安全。對于木材這一主要的可燃材料，進行防火處理是提高其防火性能的關鍵措施。常見的防火處理方法包括浸漬處理和涂刷防火涂料。浸漬處理是將木材浸泡在防火劑溶液中，使防火劑滲透到木材內部。防火劑中的化學成分能夠在木材受熱時發生化學反應，形成一層隔熱層，阻止熱量向木材內部傳遞，從而延緩木材的燃燒速度。例如，使用硼系防火劑對木材進行浸漬處理，能夠顯著提高木材的防火性能。經測試，浸漬處理后的木材，其燃燒時間可延長[X]%，熱解速率降低[X]%。涂刷防火涂料也是一種廣泛應用的防火處理方法。防火涂料在高溫下會膨脹形成一層厚厚的泡沫隔熱層，這層隔熱層能夠有效地阻擋火焰和熱量，降低木材的溫度，防止木材迅速燃燒。例如，膨脹型防火涂料在遇到高溫時，其體積可膨脹數倍甚至數十倍，形成的隔熱層能夠有效地保護木材。在實際應用中，應根據木材的使用環境和防火要求，選擇合適的防火涂料，并確保涂刷均勻、厚度符合標準。例如，對于室內使用的非承重木骨架組合外墻，可選用水性膨脹型防火涂料，其環保性能好，且具有良好的防火效果；而對于室外使用的外墻，應選擇具有耐候性的防火涂料，以確保在惡劣的環境條件下仍能發揮有效的防火作用。7.1.2結構設計改進合理的結構設計對于控制非承重木骨架組合外墻火災蔓延起著關鍵作用，通過優化骨架間距、連接方式和防火構造設計，可以顯著提高外墻的防火性能。在骨架間距方面，應根據火災蔓延的特性和墻體的結構要求，合理確定木骨架的間距。較小的木骨架間距會加速火災蔓延，因為火焰能夠迅速在相鄰的木骨架之間傳播，形成連續的燃燒區域。例如，當木骨架間距為300mm時，火災發生后，火焰在短時間內就會沿著木骨架迅速蔓延，相鄰木骨架幾乎同時被點燃，火勢發展迅猛。而適當增大木骨架間距可以在一定程度上延緩火災的蔓延。研究表明，在滿足結構安全的前提下，將木骨架間距設置在400-600mm之間較為合理。此時，火焰在木骨架之間傳播時需要跨越更大的空間，增加了火焰傳播的難度和時間，同時也有利于墻體內部空氣的流通，燃燒產生的可燃氣體能夠及時排出，減少了可燃氣體在墻體內部的積聚，降低了火災的危險性。連接方式的選擇直接關系到墻體在火災中的穩定性。在火災發生時，墻體受到高溫和火焰的作用，木材會發生熱解和燃燒，導致木材的力學性能下降。如果連接方式不牢固，木骨架之間的連接部位容易松動、脫落，從而使墻體結構失去整體性，無法承受自身的荷載和外部的作用力，最終導致墻體坍塌。因此，應采用牢固的連接方式，如螺栓連接、榫卯連接等。螺栓連接能夠提供較大的緊固力，使木骨架之間緊密連接，減少相對位移；榫卯連接則利用木材之間的相互咬合，增強連接的牢固性，并且在一定程度上能夠分散荷載，提高墻體的承載能力。例如，在某建筑項目中，采用螺栓連接的非承重木骨架組合外墻，在火災發生時，連接部位依然牢固，墻體結構保持穩定，有效地阻止了火災的蔓延。防火構造設計也是結構設計改進的重要內容。在節點處，應采取有效的防火措施，如使用防火涂料、防火墊片等。防火涂料在高溫下會膨脹形成隔熱層，阻止熱量向節點內部傳遞；防火墊片能夠在一定時間內承受高溫，延緩節點處木材的燃燒，從而為滅火救援爭取時間。同時，合理設計節點的構造形式，如采用防火分隔、設置防火封堵等措施，也能夠有效地阻止火災在節點處的蔓延。通過在節點周圍設置防火分隔材料，可以將火災限制在一定的區域內，避免火勢通過節點向其他部位擴散；在節點的縫隙處使用防火封堵材料進行填充，能夠防止火焰和熱煙氣通過縫隙傳播，提高節點的防火性能。此外，還可以在墻體內部設置防火分區，采用防火材料將墻體分隔成多個區域，當火災發生時，能夠將火勢控制在一個較小的范圍內，避免火災大面積蔓延。7.2消防設施配置7.2.1火災報警系統火災報警系統在非承重木骨架組合外墻建筑的火災防控中起著至關重要的預警作用，其選型和布置直接關系到火災能否被及時發現，為人員疏散和滅火救援爭取寶貴時間。在系統選型方面，應根據建筑的規模、功能以及火災風險等級進行綜合考量。對于規模較小、功能相對簡單的建筑，如小型住宅、單層丁戊類廠房等，可以選用區域報警系統。區域報警系統一般由火災探測器、手動報警按鈕、區域火災報警控制器和警報裝置等組成，能夠對一個區域內的火災信號進行監測和報警。這種系統成本較低，操作簡單，能夠滿足小型建筑的基本火災報警需求。例如，在某小型住宅中，安裝了區域報警系統，當室內發生火災時，火災探測器能夠迅速感知到煙霧和溫度的變化，將信號傳輸給區域火災報警控制器，控制器立即發出警報，提醒居民及時疏散。而對于規模較大、功能復雜的建筑，如多層住宅、大型辦公建筑等，則應采用集中報警系統。集中報警系統除了包含區域報警系統的所有組件外，還增加了集中火災報警控制器。集中火災報警控制器可以接收多個區域報警控制器傳來的信號，對整個建筑的火災情況進行集中監控和管理。在大型辦公建筑中，不同樓層設置了多個區域報警系統，這些區域報警系統將信號傳輸給集中火災報警控制器，控制器可以實時顯示火災發生的具體位置、火勢大小等信息，便于消防人員進行統一指揮和調度。在布置原則上，火災探測器的布置應確保能夠全面覆蓋建筑空間，避免出現監測盲區。對于非承重木骨架組合外墻附近的區域，應重點布置火災探測器。例如，在木骨架組合外墻的室內一側，每隔一定距離（一般不超過10m）設置一個感煙探測器，因為火災初期往往會產生大量煙霧，感煙探測器能夠快速響應，及時發出報警信號。在靠近外墻的電氣設備、可燃物品存放區域等火災風險較高的位置，還應增設感溫探測器，以監測溫度的異常升高，防止因電氣故障或物品自燃引發火災。手動報警按鈕的布置應方便人員操作，在建筑的疏散通道、安全出口等位置應設置手動報警按鈕，且安裝高度應適中，一般距離地面1.3-1.5m，以便人員在疏散過程中能夠迅速按下報警按鈕。同時，手動報警按鈕應具有明顯的標識，易于識別。例如，在某建筑的疏散通道中，手動報警按鈕采用紅色醒目標識，周圍還設置了指示牌，即使在煙霧彌漫的情況下，人員也能快速找到并操作。此外，火災報警系統的布線應符合相關標準要求，采用防火、阻燃的線纜，避免在火災發生時因線纜燒毀而導致報警系統失效。同時，系統應具備良好的抗干擾能力，確保在復雜的電磁環境下能夠準確地傳輸報警信號。7.2.2滅火設備與系統在非承重木骨架組合外墻建筑中，合理配置滅火設備與系統是有效控制火災蔓延、減少火災損失的關鍵環節。針對此類建筑的特點，應選用合適的滅火設備和系統，并嚴格按照設置要求進行安裝和維護。對于小型建筑或火災初期階段，滅火器是一種常用且有效的滅火設備。根據非承重木骨架組合外墻火災的特點，應選用ABC類干粉滅火器，它能夠撲滅A類（固體火災，如木材、紙張等）、B類（液體火災，如汽油、柴油等）和C類（氣體火災，如煤氣、天然氣等）火災。在設置要求方面，滅火器應設置在明顯、便于取用的位置，且不得影響安全疏散。例如，在每層樓梯間入口處、公共活動區域等位置設置滅火器，其擺放高度應便于人員操作，頂部離地面高度不應大于1.5m，底部離地面高度不宜小于0.08m。同時，滅火器的配置數量應根據建筑的面積、火災危險等級等因素確定，一般按照每50-100平方米配置1具4kg的ABC類干粉滅火器的標準進行配置。對于中大型建筑，自動噴水滅火系統是一種重要的滅火設施。自動噴水滅火系統能夠在火災發生時自動噴水滅火，有效地控制火勢蔓延。在非承重木骨架組合外墻建筑中，應根據建筑的功能和火災危險等級選擇合適的自動噴水滅火系統類型，如濕式系統、干式系統等。對于環境溫度不低于4℃且不高于70℃的場所，宜采用濕式系統；而對于環境溫度低于4℃或高于70℃的場所，如冷庫、鍋爐房等，則應采用干式系統。在設置要求上，噴頭的布置應確保均勻噴水，覆蓋整個保護區域。噴頭與墻、梁、柱等障礙物之間的距離應符合相關標準要求，以避免影響噴頭的噴水效果。例如，噴頭與墻的距離不應小于0.1m，且不應大于1.8m；噴頭與梁的距離應根據梁的高度和寬度進行調整，確保噴頭能夠正常噴水。同時，自動噴水滅火系統的供水壓力和流量應滿足設計要求，以保證在火災發生時能夠提供足夠的滅火用水。除了滅火器和自動噴水滅火系統外，對于一些特殊場所，如電氣設備集中的區域，還應配備氣體滅火系統。氣體滅火系統具有滅火效率高、對設備無污染等優點，適用于撲救電氣火災。常見的氣體滅火系統有七氟丙烷滅火系統、IG541混合氣體滅火系統等。在設置氣體滅火系統時，應確保防護區的密封性良好，防止氣體泄漏影響滅火效果。同時，系統的控制方式應靈活可靠，具備自動、手動和機械應急操作三種控制方式，以滿足不同情況下的滅火需求。例如，在某數據中心，采用了七氟丙烷滅火系統，當火災發生時，系統能夠自動探測到火災信號，在延遲一定時間后自動啟動，釋放七氟丙烷氣體進行滅火；同時，工作人員也可以通過手動按鈕或機械應急操作方式啟動系統，確保在緊急情況下能夠及時滅火。7.3日常管理與維護定期檢查與維護是確保非承重木骨架組合外墻防火性能長期有效的重要措施，而加強人員培訓則能提高相關人員的火災防范意識和應急處理能力，從而全方位提升非承重木骨架組合外墻建筑的火災防控水平。定期檢查非承重木骨架組合外墻的防火性能是一項持續性的重要工作。檢查周期應根據建筑的使用環境、