立體火警:偵測防火安全

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我們的模式可以模擬實際的火災情況,讓消防工程師能夠準確評估和判斷建築物的安全程度。這項數學程式所提供的資料,可以讓工程師有效地運用空間和建築物料,創造出更具成本效益的設計,以解決火警的問題。--袁國傑博士 

 

城大建築系副教授袁國傑博士負責領導的一個研究小組,運用獨特的電腦技術作火災模擬,其研究成果可以為消防工程師提供有用的資料,加強建築物的防火安全。

 

該種技術名為立體封閉火場模式,或簡稱立體火警模式(Fire3D),可以預測火場內一個或多個火頭的擴散情況。該模式可以模擬從起火到焚燒,以至釋放熱力和氣體達致「閃燃點」的整個過程。閃燃點是指火場內所有可燃燒的物件均熾熱發光。

 

提高火警安全的數學程式

「我們的模式可以模擬實際的火災情況,讓消防工程師能夠準確評估和判斷建築物的安全程度。這項數學程式所提供的資料,可以讓工程師有效地運用空間和建築物料,創造出更具成本效益的設計,以解決火警的問題。」袁博士解釋。

 

袁博士憑著研究火警動態及工程學的論文,於1998年獲澳洲新南威爾斯大學博士學位。在澳洲攻讀博士學位期間,他開始對流體動力計算(Computational Fluid Dynamics)如何應用於木材熱解(因熱力引致木材分解)展開研究。在太空科技及天然氣行業裡廣泛應用的流體動力計算學,是運用複雜的數學程式以計算氣體流動的情況。例如,工程師利用流體動力計算來預測長程管道裡的氣體情況。

 

袁博士最初以火災模擬來研究木材熱解。他模擬在一個封閉的環境裡,木牆旁邊的煤氣爐意外起火。這次立體火警模式顯示了很多重要的數據:房間內不同地方的溫度分布、氣流、易燃物品的燃燒情況、輻射、煤煙、水氣蒸發以及纖維質燃料的熱解。模擬所得的數據,在稍後受控制的實際火災試驗裡得到確認。

 

「流體動力計算的數學程式,用以研究大火作為釋放熱力和產生氣流的一種化學反應,非常有效。要做這樣的研究,方法只有兩種:一是真的放火,待火燒完後再進行測試;另外就是用流體動力計算一類的數學程式,模擬整個過程。」

 

袁博士把立體火警的模式加以擴充,以研究不同的空間情況。該模式現在可用作分析更複雜的熱解,包括不同的空間、多處的起火源頭和不同的木料。事實上,由於模擬木材熱解的計算過程極其複雜,即使用上DigitalAlpha這種以UNIX為作業系統的電腦工作站,也得花上多天,甚至多個星期才能算出所需的數據。

 

立體火警模式的未來應用方向

不過,火警安全的目標是要致力避免出現起火,因此袁博士指出立體火警模式未來的應用並非是研究材料的燃燒情況,而是要研究不同物料,特別是不易燃的物料,對大火的反應。

 

「我們也開始研究建築結構的問題以及不會燃燒的物料。例如,我們正在研究經強化的水泥,了解它對熱力的反應。水泥雖然不會燃燒,但在高溫下會弱化,導致部分剝落。這是一種剝碎現象,結果當然是削弱了建築結構。」

 

此外,研究小組會應用立體火警模式以了解大火對鋼的影響。鋼是高層建築物常用的材料,遇熱亦會變得軟化。雖然過往曾有少量實驗研究大火中鋼材結構彎曲倒塌的情況,但城大的研究小組將率先應用數學程式,全面研究大火對大型鋼材結構的影響。袁博士發明的流體動力計算數學程式,並不局限於預測建築物內的氣體狀況。它的另一項實際用途,是協助工程師設計出更有效運用能源的建築物。例如,本地的建築工程師可應用流體動力計算數學程式以判斷裝設空氣調節機的最適當位置。他們可以應用立體火警模式,先模擬空氣調節機的熱力擴散情況,再找出有散熱問題的地點。

 

其他的應用用途還包括大型建築物大堂和體育館的設計。某些運動項目,例如羽毛球比賽,會受通風口氣流的影響。不平均或不規則的氣流會影響輕如羽毛球的飛行弧度,因而影響比賽結果。

 

不過,城大建築系的首要關注重點還是建築安全,因此立體火警模式仍會主要應用於防火用途。

 

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