一种建筑外立面火灾模拟装置的制作方法

本发明属于建筑防灾技术领域，具体涉及城市U型建筑物外壁面火灾蔓延且侧面受限条件下的火焰与烟气羽流特征，外立面火溢流卷入上层腔室发生次生火灾的现象，以及改进的防火挑檐实验研究装置。

背景技术：

近年来，随着经济飞速的发展，城市规模不断扩大，日益激增的人口与国家紧缺的土地矛盾日益激化，所以国家建造了一大批高密度、大规模的居民住宅用房群。这些住宅群的结构各有不同，尤其是有一类建筑结构类似“U”型、“回”型、甚至“L”型，较普通的建筑结构有较好的稳定性。然而，有利必有弊，在这类建筑拥有较高稳定性的同时也存在着一些安全隐患。一旦这类建筑发生火灾，火焰就会沿着窗户蔓延出来，再沿着建筑壁面迅速扩散，更有甚者外立面的火溢流会顺着外壁向上蔓延，通过辐射传热给上层腔室的易燃物，高温火焰使上层玻璃破碎并造成次生火灾的进一步发生，从而引发大型建筑火灾，给国家和人民带来不可估量的人员伤亡和经济损失。由于此类建筑结构据有一定的特殊性，建筑的外壁面火灾也会和普通建筑形式所发生的火灾具有一定的特殊性，有可能发生立体火蔓延现象。然而现有技术中未涉及上层建筑内部被引燃的情况，如授权专利《城市建筑外壁面火灾模拟实验装置》(申请号：200910184963.0)，也未考虑不同侧墙宽度和环境风耦合形成的烟囱效应对外立面火灾的影响。

除此之外，目前工程技术中常用防火挑檐被用来阻止火焰沿着建筑外壁面向上层建筑继续蔓延，我国现有建筑防火设计规范对防火挑檐的尺寸有如下的规定:

《建筑设计防火规范》GB50016—2014中第6.2.5款规定建筑外墙上、下层开口之间应设置高度不小于1.2m的实体墙或挑出宽度不小于1.0m、长度不小于开口宽度的防火挑檐；当室内设置自动喷水灭火系统时，上、下层开口之间的实体墙高度不应小于O.8m。

虽然在一定程度上达到抑制火焰向上蔓延的效果，但是真正外立面发生立体火灾情况下，火势较大，容易在短时间内迅速绕过水平防火挑檐，进一步蔓延至上层建筑，造成更大损失，同时在现有技术中，也不能任意加长防火挑檐，会大大影响建筑美观效果。如何进行改进建筑领域防火挑檐设置，是一个重要研究内容。

技术实现要素：

本发明为解决现有技术的不足之处，提出一种建筑外立面火灾模拟装置，以期能用于研究U型建筑外壁面火灾蔓延情况和在侧面受限条件下，火焰与烟气羽流特征以及外立面火溢流卷入上层燃烧腔室发生次生火灾的一般规律，并且探究改进后的防火挑檐影响效果，从而为在此类建筑发生火灾时提供更优的应急方案与防范措施。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明一种建筑外立面火灾模拟装置的特点包括：多层燃烧腔室、模拟侧墙、移动平台、铠装热电偶探头、热辐射通量测量仪、热电偶贴片、阳光控制镀膜玻璃、模拟可燃物、水冷热流计、DV摄像机、轴流风机、玻璃边框和可伸缩防火挑檐；

所述多层燃烧腔室为两个中空的燃烧腔室叠加而成，包括上层燃烧腔室和下层燃烧腔室；所述上层燃烧腔室和下层燃烧腔室的内腔顶部均设置有喷淋头、底部均设置为底面钢板，所述下层燃烧腔室设有喷气孔；其中所述上层燃烧腔室内设置有所述模拟可燃物；

所述上层燃烧腔室和下层燃烧腔室的同一个壁面均设置为耐高温透明玻璃，与所述耐高温透明玻璃相对应的壁面设置为玻璃对面钢板，在所述玻璃对面钢板上呈阵列排布有所述铠装热电偶探头；

所述模拟侧墙与所述模拟翼墙的壁面垂直形成U型结构，并通过三角斜筋固定在所述移动平台上；任意模拟侧墙之间通过插销和插孔进行延伸；在所述模拟侧墙上通过铁丝呈阵列排布有若干个铠装热电偶探头，用于测量侧墙上温度分布特征；

在所述上层燃烧腔室和下层燃烧腔室上，并与所述耐高温透明玻璃相邻的壁面上分别设置有上窗口和下窗口；在所述上层燃烧腔室的上窗口上安装有玻璃边框及阳光控制镀膜玻璃；在所述阳光控制镀膜玻璃上呈阵列布置有所述热电偶贴片；并与所述阳光控制镀膜玻璃相邻的位置上，在不同高度处沿竖直和径向方向镶有若干个用于测量正面的总热流值的水冷热流计；在燃烧腔室外立面内部安装热电偶，用于记录壁面热传导规律。

所述可伸缩防火挑檐设置在所述下窗口的上方，并由弹簧、开关移动杆、不锈钢固定块、磁铁固定块、pvc支撑架、不锈钢支撑架、内壳和外壳组成；

在所述外壳和内壳嵌套设置，在所述外壳的内腔背板上设置有所述磁铁固定块，并通过所述pvc支撑架进行支撑；在所述磁铁固定块上吸附有所述开关移动杆；所述开关移动杆上设置有所述弹簧；所述弹簧的外侧连接所述内壳；在所述开关移动杆的前方，并处于所述弹簧的两侧设置有所述不锈钢固定块，所述不锈钢固定块通过所述不锈钢支撑架进行支撑；以所述pvc支撑架在燃烧中融化而造成所述磁铁固定块掉落，使得所述开关移动杆在水平方向上受到的磁力小于所述弹簧的弹力，从而在弹簧的弹力作用下，所述开关移动杆贴合在所述不锈钢固定块上，并在弹簧的伸展下带动所述内壳向外延伸，形成可伸缩防火挑檐的扩展结构；

以所述多层燃烧腔室的上窗口和下窗口所在面为所述多层燃烧腔室的正面，在所述正面的前方摆放有轴流风机、DV摄像机和所述热辐射通量检测仪，所述轴流风机用于模拟实际环境中的侧风；所述DV摄像机用于记录火焰图像及所述阳光控制镀膜玻璃破裂时刻；所述热辐射通量检测仪用于测量所述多层燃烧腔室溢出火焰的热辐射特征。

本发明所述的建筑外立面火灾模拟装置的特点也在于，在所述正面的两侧，并沿着水平方向上设置有可伸缩的延伸装置；所述延伸装置与所述模拟侧墙形成扩展的U型结构。

所述正面的总热流值与U型结构的开口大小的关系通过式来表征：

式中，∝表示正比关系，A是上窗口或下窗口的面积，H是上窗口或下窗口的高度，D是所述正面两侧的模拟侧墙之间的间距，y是所述水冷热流计的高度，是所述水冷热流计在水平方向上的热流值，是所述水冷热流计在竖直方向上的热流值。

与现有技术相比，本发明充分考虑了建筑结构楼层高度以及不同大小侧墙、侧墙深度对结构的影响以及火溢流可能造成的上层燃烧腔室次生火灾的发生情况，利用相应的技术措施来研究U型建筑火灾防护，并达到了操作方便经济性较好的效果，具体的说，有益效果体现在：

1、在侧墙结构方面，通常来说不同的U型建筑的侧墙大小和结构会有很多差异，忽略了相邻建筑结构对建筑外立面开口火溢流现象的影响。本发明可通过接合多个模拟侧墙来实现侧墙深度的改变，改变模拟侧墙之间的距离；从而可以针对不同侧墙条件进行多组试验，并且耦合环境风的影响，研究U型建筑形成的“烟囱效应”对外立面火灾的影响；

2、在燃烧外立面内部热传导方向，本发明提出了设置内部热电偶，用于记录不同厚度下外立面热传导情况；对于研究不同开口，侧墙限制和环境风影响下，腔室壁面传热机制有重要作用，从而可以更详细了解建筑腔室的热损失，便于合理的设置建筑保温系统。

3、在次生火灾研究方面，前人尚未考虑上层建筑内部被引燃的情况。本发明型通过在上层燃烧腔室的窗口设置玻璃边框用于安装不同厚度阳光控制镀膜玻璃模拟建筑玻璃幕墙，并且在其内部放置模拟燃烧物。在上层燃烧腔室的正前方位置拉铁丝安装铠装热电偶，可以测量上层腔室燃烧时的室外温度。在燃烧腔室正面放置轴流风机模仿侧风，通过设置在玻璃上热电偶贴片以及水冷热流计，用DV记录燃烧过程，从而有利于研究火溢流在环境风作用下发生引起上层腔室内易燃物发生燃烧以及玻璃破碎时的相关特征。

4、在外立面热流测量方面，本发明型放置了3个以上水冷热流计镶在外立面上，用来测量外立面在发生火灾时的热流值；本发明通过设置多个热流计在火焰径向，可以研究径向、不同高度热流值与侧墙之间的距离、窗口面积、开口高度等因素的关系，能够更加详细、严谨、全面的研究发生建筑外立面火灾时热流值随不同参数的变化情况；

5、在防火挑檐方面，目前工程技术中常用的防火挑檐结构可能单一，对于外立面立体火蔓延燃烧现象，抑制火焰向上蔓延的效果不一定好；本发明提出了一种通过弹簧带动伸缩的防火挑檐，从而尽量减少火焰直接沿着建筑壁面向上立体蔓延，使得上层建筑内部发生次生火灾的可能性；除此之外，通过防火挑檐的延伸，研究了防火挑檐的长度对溢流火特征参数分布的影响，通过对比不同防火挑檐长度的情况来综合优化，更加系统化的研究高层建筑外立面立体火灾与防火挑檐长度的关系，为防火挑檐长度优化设计提供一定的理论参考依据；

因此，本发明对研究高层建筑的外壁面火灾以及上层建筑内部发生次生火灾具有重要的意义。

附图说明

图1-1为本发明中的城市U型建筑外壁面火灾模拟实验装置整体结构示意图；

图1-2为本发明中的实验台装置正视图；

图2为本发明中的两层燃烧腔室以及热辐射测量装置、水冷热流计、DV摄像机立体图；

图3为本发明中的模拟侧墙对接及拉伸立体图；

图4为本发明中的底面钢板喷气孔布置示意图；

图5为本发明中的耐高温玻璃对面板热电偶布置正视图；

图6为本发明中的模拟侧墙上热电偶布置正视图；

图7为本发明中的玻璃边框立体图：

图8为本发明中的阳光控制镀膜玻璃热电偶布置正视图；

图9-1为本发明中的可伸缩防火挑檐内部结构俯视图；

图9-2为本发明中的可伸缩防火挑檐内部结构侧视图；

图9-3为本发明中的可伸缩防火挑檐内部结构立体图；

图10为本发明中的壁面内部热电偶和热流计布置侧视图；

图11-1为本发明中的竖向和径向热流计正面分布图；

图11-2为本发明中的径向热流分布数据示意图；

图中标号：1a上窗口，1b下窗口，2模拟侧墙，3模拟轨道，4三角斜筋，5移动轮，6移动平台，7实验平台，8燃烧腔室，9喷淋头，10底面钢板，11喷气孔，12玻璃对面钢板，13铠装热电偶探头，14插孔，15插销；16测量通孔；17热辐射测量装置；18耐高温透明玻璃；19热电偶贴片，20阳光控制镀膜玻璃；21模拟可燃物；22水冷热流计；23DV摄像机；24轴流风机；25玻璃边框；26铁丝；27可伸缩防火挑檐；28弹簧；29开关移动杆；30不锈钢固定块；31磁铁固定块；32pvc支撑架；33不锈钢支撑架；34内壳；35外壳。

具体实施方式

如图1-1和图1-2所示，一种建筑外立面火灾模拟装置，其特征包括：多层燃烧腔室8、模拟侧墙2、移动平台6、铠装热电偶探头13、热辐射通量测量仪17、热电偶贴片19、阳光控制镀膜玻璃20、模拟可燃物21、水冷，热流计22、DV摄像机23、轴流风机24、玻璃边框25和可伸缩防火挑檐27；

如图1-1和图2所示，多层燃烧腔室8为两个中空的燃烧腔室叠加而成，包括上层燃烧腔室和下层燃烧腔室，燃烧腔室尺寸为1m*1m*1m的立方体，壁面由3cm-5cm厚度的隔热板组成。多层燃烧腔室8底部固定于实验平台7上，下部的燃烧腔室的顶部可以与上部燃烧腔室的底部堆垛，上下两个燃烧腔室开口面共面，共同组成模拟翼墙；如图1和图3所示，两边的模拟侧墙2与模拟翼墙的壁面垂直形成U型结构，并通过三角斜筋4固定在移动平台6上，模拟侧墙2为6mm厚的复合平面钢板组成，钢板平面垂直于模拟翼墙，且模拟侧墙垂直固定于移动平台6上，并由三角斜筋4进行加固，三角斜筋4使用φ15光圆钢筋，模拟侧墙为2个，关于模拟翼墙开口竖向中线呈对称分布，模拟侧墙2与模拟翼墙相接，其相接缝隙通过耐高温填料填补，可以通过增加模拟侧墙2的数量来改变侧墙深度，其中一个侧墙的长度是30cm到100cm，高度220cm；任意模拟侧墙2之间通过插销15和插孔14进行延伸；在模拟侧墙2上通过铁丝26呈阵列排布有若干个铠装热电偶探头13，用于测量侧墙上温度分布特征；

活动平台6由矩形底座和四个移动轮5构成，其中移动轮在地面模拟轨道3上进行横向移动，模拟侧墙2与设有耐高温透明玻璃18的壁面进行接缝，并且其侧面边缘处设置有可伸缩的延伸装置可以拉伸模拟侧墙，改变U型的宽度；矩形底座与底部的燃烧腔室的底部共面；所在每个燃烧腔室的内腔顶部设置有喷淋头9以便研究燃烧腔室里的灭火性能；

地面模拟轨道3平行于模拟翼墙，为钢制槽钢，尺寸略大于活动平台的移动轮的厚度，且地面轨道具有止固移动轮的卡槽，用于确定模拟侧墙的之间的距离。

如图2和图3所示，以多层燃烧腔室8的上窗口1a和下窗口1b所在面为多层燃烧腔室8的正面，在正面的前方摆放有轴流风机24、DV摄像机和热辐射通量检测仪17，轴流风机24用于模拟实际环境中的侧风，其中，轴流风机的额定电压220V，最大频率50HZ，额定功率3Kw，风量为9800m³/h，轴流风机24可以根据不同实验条件调节不同的风速，模拟外界环境风的影响；DV摄像机用于记录火焰图像及阳光控制镀膜玻璃20破裂时刻以及相关的火焰图像；并且在耐高温透明玻璃18侧面开2个及其以上直径为1～3cm可封堵的备用通孔16；在下窗口1b的前方放置热辐射测量装置17，热辐射通量检测仪17用于测量多层燃烧腔室溢出火焰的热辐射特征，用于测量所述多层燃烧腔室溢出火焰的热辐射特征；如图3，并结合图2所示，在模拟翼墙的两侧，并沿着水平方向上设置有可伸缩的延伸装置；延伸装置与模拟侧墙2形成扩展的U型结构。模拟侧墙2通过插孔15、插销16相互对接，通过此种方式来连接不同的模拟侧墙，改变“U”型结构的宽度和深度；从图2也可以看出模拟侧墙2与设有耐高温透明玻璃18的壁面进行接缝，并且侧面边缘处设置有可伸缩的延伸装置进行拉伸；

如图1-1和与图4所示，并结合图2可知，上层燃烧腔室和下层燃烧腔室的内腔顶部均设置有喷淋头9、底部均设置为底面钢板10，下层燃烧腔室设有喷气孔11，下层燃烧腔室底面钢板10开9个喷气孔11，直径为2cm，用于放置液体燃料或固体燃料或气体燃烧喷头，九孔的位置分别是正中、中前，中后、左中、左前、左后、右中、右前、右后，间距为25cm，各孔可封堵；上层燃烧腔室底面钢板10不开孔；其中上层燃烧腔室内设置有模拟可燃物21；上层燃烧腔室内的模拟可燃物21为聚苯乙烯材料，尺寸可变，形状为正方体，用于模拟不同尺度的可燃物被点燃情况，研究临界火源功率，外立面结构的影响；当模拟可燃物21被点燃时，根据模拟侧墙2上布置的铠装热电偶13记录下上层燃烧腔室引起火灾时的环境温度，将环境温度与上层燃烧腔室内模拟可燃物21被引燃的温度进行对比；在轴流风机24控制的不同侧风风速下，进行多组不同实验，可以研究不同情况下的上层燃烧腔室被引燃时的燃烧腔室内外温度，并且耦合环境风影响机制，研究U型建筑形成的“烟囱效应”对外立面火灾的影响；

如图5和与图6所示，上层燃烧腔室和下层燃烧腔室的同一个壁面均设置为耐高温透明玻璃18，与耐高温透明玻璃18相对应的壁面设置为玻璃对面钢板12，在玻璃对面钢板12上呈阵列排布有3个以上铠装热电偶探头13；上层燃烧腔室玻璃对面钢板12上装有铠装热电偶13，用来测量上层燃烧腔室内部模拟可燃物21被点燃时的温度；在模拟侧墙2上按矩形阵列布置若干热电偶检测装置，用于测量火溢流的温度；

如图7，并结合图1所示，在上层燃烧腔室和下层燃烧腔室上，并与耐高温透明玻璃18相邻的壁面上分别设置有上窗口1a和下窗口1b；在上层燃烧腔室的上窗口1a上安装有玻璃边框25及阳光控制镀膜玻璃20；可以根据实验要求安装不同厚度的2mm～5mm的阳光控制镀膜玻璃20，来研究不同厚度玻璃在下层腔室火溢流引燃上层腔室的特性，其中上窗口1a、下窗口1b的尺寸可以改变；如图8所示，在阳光控制镀膜玻璃20上呈阵列布置有所述热电偶贴片19；并与阳光控制镀膜玻璃20相邻的位置上，所以设置3个个热电偶贴片19呈阵列分布在阳光控制镀膜玻璃20表面，以便精确测量玻璃破碎时的温度；

如图9-1、图9-2和图9-3所示，可伸缩防火挑檐27设置在下窗口1b的上方，并由弹簧28、开关移动杆29、不锈钢固定块30、磁铁固定块31、pvc支撑架32、不锈钢支撑架33、内壳34和外壳35组成；可伸缩防火挑檐27的高度5cm，长度30cm，宽度10cm，由厚度3mm不锈钢组成，同时伸缩装置由弹簧28、开关移动杆29、不锈钢固定块30、磁铁固定块31、pvc支撑架32、不锈钢支撑架33构成；

在外壳35和内壳34嵌套设置，在外壳35的内腔背板上设置有磁铁固定块31，并通过pvc支撑架32进行支撑，pvc材料要充分考虑炽热的太阳烘烤效应，避免在炽热的太阳下伸缩；在磁铁固定块31上吸附有开关移动杆29；开关移动杆29上设置有弹簧28；弹簧28的外侧连接内壳34；在开关移动杆29的前方，并处于所述弹簧28的两侧设置有不锈钢固定块30，不锈钢固定块30通过不锈钢支撑架33进行支撑；当下层燃烧腔室的火焰向上蔓延至可伸缩防火挑檐27时，溢出火焰撞击防火挑檐，根据所选pvc材料，超过一定温度后，以pvc支撑架32在燃烧中融化而造成磁铁固定块31落，使得开关移动杆29在水平方向上受到的磁力小于弹簧28的弹力，从而在弹簧28的弹力作用下，开关移动杆29贴合在不锈钢固定块30上，并在弹簧28的伸展下带动内壳34向外延伸，形成可伸缩防火挑檐27的扩展结构；达到抑制火焰沿着建筑外壁面竖向立体蔓延的目的，从而为我们研究不同防火挑檐的长度提供理论基础数据；

如图10所示，在不同高度处沿竖直和径向方向镶嵌有若干个用于测量正面的总热流值的水冷热流计22；在燃烧腔室外立面内部安装热电偶，用于记录壁面热传导规律。

如图11-1，并结合图10所示，燃烧腔室外立面上镶嵌3个以上水冷热流计22；3个以上水冷热流计22分别镶嵌在外立面的中心轴线上和侧向位置，用来测量不同高度处在可伸缩防火挑檐27影响下外立面发生火灾时的竖向和径向热流分布，用来探究开口上方中心线高度处热流值与径向位置处热流值比值与开口面积A、开口高度H、U型模拟侧墙2之间的间距D、竖向高度y之间的关系。如图11-1所示，燃烧腔室外立面镶嵌有中心线上水冷热流计22和侧向位置的水冷热流计22，用于记录外立面竖向和径向热流分布特征，其中径向位置可调节。

如图11-2所示，通过实验数据的分析和拟合，耦合获得正面的总热流值与U型结构和开口大小的关系通过式(1)来表征：

式(1)中，∝表示正比关系，A是上窗口1a或下窗口1b的面积，H是上窗口1a或下窗口1b的高度，D是所述正面两侧的模拟侧墙2之间的间距，y是所述水冷热流计22的高度，是所述水冷热流计22在外立面水平方向上的热流值，是所述水冷热流计22在竖直方向上的热流值，可以指导建筑外立面防火设计。