抑制火災蔓延之設計

在火災的燃燒過程中，火勢蔓延的形勢有所不同，在火災初期，火勢 擴大因子有火源種類、火源周遭之可燃物狀態，不同條件將造成不同之發 展，一般情況下火焰由地板沿牆壁而延燒至天花板，隨之因溫度提高，環 境中可燃性氣體增加，當火災現場產生之熱及累積足夠可燃性氣體將發生 閃燃(flash over)，使的環境溫度迅速上升加快燃燒速度。在防火建築中火災 發展受建築物內可燃物、空氣流入之流量及樓地板面積影響。

如同先前所述，火災之延燒途徑有飛火、火焰接觸及熱輻射等，為抑 制火災蔓延透過先前對延燒之了解，建築物設計之初即應設計完善之被動 性防火設施，並於火災發生後，以預先設置之滅火設備進行火災撲滅，火 災之各發展階段防止火勢蔓延擴大之方法如下:

1. 初期滅火

火災剛發生階段最為容易撲滅，燃燒面積與損害隨時間做二次方比例 增加，而燃燒速度則依溫度變化呈指數增加，因此火災發生初期，及早發 現通報，進行火勢控制為重要抑制火災方法之一。

2. 防火區劃

火災發生後產生之火焰及有毒濃煙對人員、財產產生極大威脅，將建 築物分割成若干區域，可將火勢限制於局部區域，限制火勢蔓延與擴大，

如居室空間、樓梯間、管道間等。

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防火區劃可分為水平及垂直兩種方式區劃，如圖 3.9 所示；水平防火區 劃以面積及用途兩方面進行區劃，將大面積空間區劃成許多小空間可有效 限制火勢成長，火災發生之該區劃以外空間則可維持安全環境提供人員避 難，如走道、居室之間以具防火時效之結構分割區劃，於居室中發生火災 時，走道仍可提供人員避難逃生；以用途不同之場所區劃分隔空間則可以 限制每一空間內不同類型之可燃物，依空間內發生火災之風險與危險性進 行消防之規劃，以達有效且經濟之消防設計。垂直防火區劃如樓層間之天 花板、管道間之外牆均須考慮其防火時效，防止火勢越過天花板或是透過 管道間之垂直通道向上延燒。

3. 控管可燃物

可燃物為燃燒重要因素之一，因此對於建築物發生火災風險較高之區 域避免放置危險物、準危險物等，容易燃燒之紙張、文件收納於金屬櫃中，

儲藏室收納之物品列表管理，周遭環境加以整頓降低起火可能及減緩燃燒 速度。

4. 內裝材料難燃化、不燃化

建築物內部裝修材料難燃化、不燃化可以延緩火勢擴大之速度，有助 於人員避難及消防搶救之進行，如窗簾、地毯等施以防焰處理，並將室內 裝潢材料如天花板、牆壁、電線披覆使之難燃化，以抑制火勢之擴大。

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3.2 火災模擬軟體火災模擬軟體火災模擬軟體火災模擬軟體(FDS)

FDS(Fire Dynamics Simulator) ， 是 由 美 國 國 家 標 準 與 科 技 研 究 所 (National Institute of Standard and Technology；NIST)發展之模擬火場計算軟 體。於西元 2000 年 2 月公開發表第一版，現於西元 2010 年 10 月公開發表 第五版（5.3.3 版）。

FDS 是 NIST 發展於低馬赫數的火災計算流體力學程式，可以計算三維 空間火災行為，它的計算運作方式是先將整個空間分割成許多細小的格 點，再以質量、動量、能量、燃燒與熱傳守恆等統御方程式下去求解。當 計算完成後在利用後處理軟體 Smokeview【41】將流場可視化做靜態或動 態的輸出，後處理軟體 Smokeview 亦於西元 2010 年 10 月公開發表第五版 Somkeview 之組織架構。

FDS 所使用之數值方法與其主要的統御方程式如以下所介紹。

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31

6. 擴散 LES(Large Eddy Simulation)模型

2

其中Pr：普郎特常數（Prandtl number）

Sc：舒密特常數（Schmidt number）

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3.2.2 差分方程式差分方程式差分方程式差分方程式 1. 時間之離散

對時間項的離散，FDS 採用 Second order predictor-corrector scheme。在 每個 time-step 開始的時候，_ρⁿ、Y_iⁿ、uvⁿ

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2. 空間之離散

所有空間項的離散皆採用二階中央差分法（Second order central

difference）。整個計算的範圍是一個被長方體格點分割的長方體。每個

格點裡面，用ⁱ、^j和^k分別代表格點的^x、^y及^z方向。所有線性的量（如

混合比燃燒模式( Mixture Fraction Combustion Model )

∑

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其中B：反應常數( pre-exponential factor for arrhenius reaction )

E：活化能（kJ/mol）

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σ ：史蒂芬–波茲曼( Stefan-Boltzman constant ) 對於牆面之熱輻射，FDS 採用之邊界條件如下：

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當液體表面蒸氣之分壓等於 Clausisus-Clapeyron 壓力時，將達平衡狀態。

 上的計算上皆採用大渦流模擬法( Large Eddy Simulation，LES )計算方法，

LES 法是將流體物理量區分為大尺度( grid-scale )及次網格尺度( sub-grid scale，SGS )兩部份。對於大尺度的物理量在 LES 中直接由 Navier-Stokes 方程式求解；而在次格點尺度內的物理量，將小於網格尺寸之漩渦或紊流 以次網格紊流模式( Sub-grid Turbulence Model )表示，並直接計算流場暫態 變化。另依方面 FDS 亦提供了 DNS 之計算方法，但由於 DNS 法需大量實 驗資料作驗證而在計算上同時也需要相當龐大之硬體設備。因此為符合學 術上與工程上之實用性與經濟效應，本研究採用 FDS 技術手冊上建議使用 之 LES 模式，DNS 法相關之模式內容亦未列舉於本論文中。

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3.3 模型建立軟體模型建立軟體模型建立軟體模型建立軟體 PyroSim

PyroSim 是一個互動式模型建立軟體作為火災動力學計算軟體（FDS）

之前端設計。此套件模軟體提供即時的回饋並確保輸入 FDS 之文件格式正 確。建模時可以任意切換公制單位模式或英制單位模式。PyroSim 提供二維 和三維幾何創建功能，並可使用旋轉、複製、移動等等功能簡化空間建立 之程序。

現代建築外觀的多樣化及量體的大型化增加了分析者建立模型之難 度，為了能有效提高分析者運用 FDS 之效率，使用可視化之建模軟體創建 空間之模型並設定空間之邊界條件，除了可降低建模之困難度，亦可減少 分析者在空間建立及邊界條件設定發生錯誤之可能，或是在第一時間即可 進行修正。

以下介紹建模之步驟順序 1. 建立幾何外觀(Obstruction)

在 PyroSim 繪圖的介面中，可透過直接建立 3D 模型或是透過 2D 分 別繪製各樓層空間幾何，在 2D 的建構模式中，可匯入建築平面圖 做為考，可支援之檔案格式如 bmp, dxf, gif, jpg, png, tga, 及 tif，複 雜之建築空間以 2D 方式進行較為快速。

2. 表面性質設定(Surface)

此步驟用於定義固體(solid)以及通風口(vent)之性質，在此，固體表 面可定義熱傳導、或是燃燒性質；通風口則可定義風速或溫度等性 質。

3. 消防排煙設備設置(Devices)

建模過程中可依建築設計建立撒水設備、火警探測器以及機械排煙 設備，前兩項均屬設備(device)之設定，而機械排煙設備則以通風口 (vent)進行設定，其中火警探測器目前具有連動其他設備之功能，此 功能亦大為提升模擬之真實度。

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4. 量測點設置(Devices)

運用 FDS 計算之前，分析者須先由建築模型判斷模擬空間內何處具 有重要之分析結果，如 CO、溫度、能見度、熱輻射及速度場等，

由事前之規劃，模型建立時即進行量測點設置，量測點對於不同之 量 測 對 象 可 分 氣 體 及 固 體 之 量 測 點 (gas phase and solid phase device)，在量測點設置處可獲得對應時間之量化數據。

5. 初始條件設定

模型空間內之初始環境條件亦可在 PyroSim 平台設定，初始條件一 般以設定環境溫度為主。

6. 邊界條件設定

模型之邊界條件設定即為重要，在建築空間開口部以及外氣是否有 速度場之存在均應詳細考慮以進行設定，對於與外氣連通或是自然 風影響均可透過通風口(vent)進行設定。

7. 網格劃分(Meshes)

透過 Meshes 可將所建之模型劃分網格，就網格大小可分為單一網格 (Uniform Meshes)及非單一網格(Nonuniform Meshes)，在較為龐大之 模型內使用單一網格易造成網格數過多導致運算時間過長或是無法 分析之情形，當網格數目過多但放大網格大小又會導致計算結果誤 差過大之情況下，建議使用非單一網格，將模型切割為多個空間，

在各空間以不同大小之網格進行劃分，一般以火源附近區域使用最 小之網格，而向外區域則可略為放大。

8. 計算條件設定(Simulation parameter)

在此可設定模型運用 FDS 計算之時間及求解方法，運算時間以秒為 單 位 ， 而 求 解 方 法 可 選 擇 Large Dddy(LDS) 或 是 Direct Numerical(DNS)，此兩方法之不同處於介紹於前一節關於 FDS 部分。

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3.4 ANSYS 有限元素法有限元素法有限元素法 有限元素法

ANSYS Mechanical 為美國 ANSYS 公司所開發之有限元素分析軟體，

目前最新版本為 ANSYS 13.0，軟體主要包括三個部分：前處理模組，分析 計算模組和後處理模組。

前處理模組提供實體建模及網格劃分工具，使用者可以方便地構造有 限元模型。

分析計算模組包括結構分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非 線性分析）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物 理場的耦合分析，可模擬多種物理介質的相互作用，具有靈敏度分析及最 佳化分析能力。

後處理模組可將計算結果以彩色等值線顯示、梯度顯示、向量顯示、

粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結構內部）等 圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出。

3.4.1 ANSYS Mechanical 的主要分析功能的主要分析功能的主要分析功能的主要分析功能

在結構力學方面，ANSYS Mechanical 的分析型式包含了靜態(static)分 析、振動模態(modal)分析、簡諧響應(harmonic response)分析、頻譜(spectrum) 分析、隨機振動(random vibration)分析、暫態動力學(transient dynamic)分析、

挫屈(buckling)分析、破壞力學(fracture mechanics)分析、最佳化(optimization) 分析等。

在熱傳學方面，ANSYS Mechanical 的分析型式包含了穩態(steady-state) 分 析 、 暫 態 (transient) 分 析 、 熱 傳 導 (heat conduction) 、 熱 對 流 (heat convection)、熱輻射(heat radiation)、相變化(phase change)、質量傳遞(mass transport)等。

在耦合場(coupled fields)方面，ANSYS Mechanical 的分析型式包含了熱 -結構(thermal-structural)分析、熱-電(thermal-electric)分析、壓電(piezoelectric)

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分析、聲場-結構(acoustic-structural)分析等。

3.4.2 元素型態元素型態元素型態元素型態

ANSYS 之元素型態可分為 3D 及 2D，依使用者所分析對象不同而選擇 不同之元素型態，本研究選用 SHELL181 元素，如圖 3.12 所示，SHELL181

ANSYS 之元素型態可分為 3D 及 2D，依使用者所分析對象不同而選擇 不同之元素型態，本研究選用 SHELL181 元素，如圖 3.12 所示，SHELL181