孫超　劉月嬋　王博　蔣永清

摘要：高校教學(xué)樓人員密集，火災(zāi)載荷大，是重點的消防安全管理場所。為研究該類建筑物的消防安全特性，聯(lián)合使用火災(zāi)動態(tài)模擬軟件Pyrosim和人員疏散模擬軟件Pathfinder，開展了火災(zāi)蔓延和發(fā)展規(guī)律以及人員緊急疏散情況的數(shù)值模擬研究。建立模型對典型教學(xué)樓火災(zāi)及人員疏散情況進(jìn)行全尺寸數(shù)值模擬分析。根據(jù)仿真實驗所得結(jié)果和數(shù)據(jù)，分析了教學(xué)樓發(fā)生火災(zāi)不同時刻火勢蔓延情況，煙氣擴(kuò)散情況，有毒氣體濃度、溫度分布和能見度的變化規(guī)律以及人員緊急疏散情況。研究結(jié)果可為類似建筑物消防安全設(shè)計提供參考性依據(jù)，有針對性地設(shè)定消防應(yīng)急預(yù)案，對現(xiàn)場消防工作具有一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：

火災(zāi)特性分析；人員疏散分析；數(shù)值模擬；Pyrosim；Pathfinder

DOI：10.15938/j.jhust.2018.05.018

中圖分類號： TP3919

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）05-0106-07

Numerical Simulation of Fire Spread and Evacuation for Teaching Building

SUN Chao1，2，LIU Yuechan1，WANG Bo1，JIANG Yongqing1

（1School of MeasurementControl Technology and Communication Engineering， Department of safety Engineering，Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080，China； 2Power Engineering and Engineering Thermal Physics Postdoctoral Research Station，Harbin Engineering University，Harbin 150080，China）

Abstract：University teaching building is the focus of the fire safety management with staff density fire load In order to study the fire safety characteristics of this kind of buildings， the fire dynamic simulation software Pyrosim and the personnel evacuation simulation software Pathfinder were used to study the law of fire spread and development and the emergency evacuation The model was established to simulate and analyze the fire and evacuation of typical teaching building by full size numerical simulation According to the simulation results and data， the paper analyzes the fire spread， smoke diffusion， toxic gas concentration， temperature distribution and visibility change in different time of the fire in the teaching building， and the emergency evacuation situation The results show that the model can effectively carry out the fire analysis of teaching building， which can provide the reference basis for the fire safety design of similar buildings， and has a certain guiding role in the fire emergency planning and on site fire prevention

Keywords：fire characteristics analysis； evacuation analysis； numerical simulation； Pyrosim； Pathfinder

0引言

高校教學(xué)樓人流密度大，人員密集，且室內(nèi)可燃物較多，包括易燃易爆的設(shè)備和材料，火災(zāi)載荷較大，增加了發(fā)生火災(zāi)的概率。一旦發(fā)生火災(zāi)事故，人員傷亡和財產(chǎn)損失極為嚴(yán)重。一般而言，教學(xué)樓內(nèi)火災(zāi)危險源有以下幾個方面：1）使用充電寶，手機(jī)充電器或違規(guī)電器等意外引發(fā)的火災(zāi)。2）吸煙后處理不當(dāng)引發(fā)火災(zāi)。3）教學(xué)樓內(nèi)部電路老化造成的電器火花火災(zāi)。目前對于火災(zāi)特性的主要研究方法是通過實驗研究[1-2]和計算機(jī)模擬研究[3-11]。

上世紀(jì)60年代，日本的川越邦雄對單個房間穩(wěn)態(tài)燃燒進(jìn)行了分析并提出了一種簡化的單層區(qū)域數(shù)學(xué)模型[12]；隨后Smith和Clark建立了用于模擬室內(nèi)家具著火過程的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，Quintiere用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的方法研究火災(zāi)的數(shù)學(xué)模型[13]；Emmons第一次把質(zhì)量、動量和能量守恒運(yùn)用于火災(zāi)研究，用數(shù)學(xué)分析方法描述了火災(zāi)過程。隨著高性能計算機(jī)發(fā)展，國內(nèi)外各火災(zāi)研究機(jī)構(gòu)開發(fā)并采用一批應(yīng)用廣泛的模擬軟件，常用的有CFX、 FLUENT、PHOENICS、CFAST及PyroSim等。其中，PyroSim軟件較為流行，其以計算流體動力學(xué)為依據(jù)，可模擬預(yù)測火災(zāi)中的煙氣，CO等毒氣運(yùn)動，溫度以及濃度等情況。在人員疏散數(shù)值模擬方面，Pathfinder作為一款簡單直觀易用的新型智能人員緊急疏散逃生評估系統(tǒng)，應(yīng)用最為廣泛。能夠三維動畫視覺效果展示火災(zāi)發(fā)生時的場景，準(zhǔn)確確定個體在火災(zāi)發(fā)生時的最佳逃生路線和逃生時間。

本文選取某教學(xué)樓某一區(qū)域為研究對象，聯(lián)合使用火災(zāi)動態(tài)模擬軟件Pyrosim和人員疏散模擬軟件Pathfinder，開展了火災(zāi)蔓延和發(fā)展規(guī)律以及人員緊急疏散情況的數(shù)值模擬研究。建立模型對典型教學(xué)樓火災(zāi)及人員疏散情況進(jìn)行全尺寸數(shù)值模擬分析。根據(jù)仿真實驗所得結(jié)果和數(shù)據(jù)，分析了教學(xué)樓發(fā)生火災(zāi)不同時刻火勢蔓延情況，煙氣擴(kuò)散情況，有毒氣體濃度、溫度分布和能見度的變化規(guī)律以及人員緊急疏散情況。

1教學(xué)樓火災(zāi)燃燒數(shù)值模擬

11火災(zāi)動態(tài)數(shù)值模擬軟件PyroSim簡介

PyroSim是由美國的Thunderhead engineering公司開發(fā)的專用于火災(zāi)動態(tài)仿真模擬軟件。其最大的

特點是提供了三維圖形化前處理功能，可視化編輯的效果，能夠邊編輯邊查看所建模型。

12教學(xué)樓火災(zāi)數(shù)值模型建立

本文選取對象為作者所在高校某辦公區(qū)，走廊兩側(cè)房間為教師辦公室、上課教室、研究生實驗室及圖書閱覽檔案室等。此類教學(xué)樓空間布局、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和裝飾及人員構(gòu)成分布情況代表了此類高校建筑物的特點，其內(nèi)部特征較有代表性和普遍性。

首先測量建筑布局和設(shè)計尺寸作為模型輸入的尺寸，參考已有的研究模型中的相關(guān)參數(shù)，采用Pyrosim前處理功能建立了教學(xué)樓層的火災(zāi)三維模型，并對該模型進(jìn)行合理的簡化處理，該教學(xué)樓二層平面圖如圖1所示，可以看出該層由包括教室在內(nèi)的九個房間組成，具體尺寸為（長×寬×高）407m×185m×35m，其中，教室門的尺寸為（寬×高）14m×22m。整個樓層的三維模型圖和不同房間的細(xì)節(jié)效果圖分別見圖2、圖3所示。

根據(jù)Pyrosim軟件中需要輸入的參數(shù)進(jìn)行查閱并確定以下數(shù)據(jù)。1）火源功率的確定：本文主要參考《民用建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》（DGJ08882000）中火災(zāi)熱釋放速率的選用標(biāo)準(zhǔn)，考慮最嚴(yán)重的火災(zāi)情

形，選取的熱釋放速率是6MW。2）表面材料的選?。鹤酪伪砻娴牟牧线x用黃松，查閱資料知其能量釋放功率是500Kw/s，燃點是450℃。其他參數(shù)選用Pyrosim數(shù)據(jù)庫內(nèi)的默認(rèn)參數(shù)。仿真中設(shè)定D211實驗室中某一桌面起火燃燒，根據(jù)選取火災(zāi)危害性的評判指標(biāo)（火場溫度、氣體濃度、O2含量和能見度等）在軟件中分別設(shè)置了溫度傳感器、CO濃度檢測傳感器、CO2濃度檢測傳感器、O2濃度檢測傳感器、熱電偶設(shè)備、能見度檢測設(shè)備等。

13模擬結(jié)果分析

131火災(zāi)蔓延情況分析

火災(zāi)蔓延趨勢主要通過觀察火焰的蔓延方向和火焰強(qiáng)度進(jìn)行觀察，分別選取了幾個特征趨勢進(jìn)行說明，如圖4所示。從上圖可以看出：在發(fā)生火災(zāi)888s時，火災(zāi)已經(jīng)在實驗室燃燒起來，火焰較大，其他區(qū)域還未燃燒；123s時，在溫度差和氣體膨脹等多因素的影響作用下可燃?xì)怏w和火焰向其他區(qū)域蔓延；2544s時，實驗室桌子已經(jīng)被燒掉了一部分，同時由于此時室內(nèi)氧氣供應(yīng)不足，此時火災(zāi)屬于通風(fēng)控制型火災(zāi)，室內(nèi)的大量未充分燃燒氣體與門口處空氣中的氧氣混合繼續(xù)燃燒；2734s時，火源附近的桌椅被部分燒掉，由于此時室內(nèi)氧氣含量不充足，桌椅燃燒部分火焰不明顯；3582s時，火源上方的桌子和旁邊的椅子已經(jīng)被燒去大半，明火仍主要集中于門口附近；在5938s時，火源右側(cè)的實驗桌和椅子均被燒掉。

132煙氣擴(kuò)散情況分析

煙氣擴(kuò)散一般會受到房間尺寸，建筑布局，室內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)或者其他排煙設(shè)備等的影響。在本文中主要分析當(dāng)某個房間失火后，其煙氣擴(kuò)散對相鄰或其他房間的影響，具體蔓延情況如圖5所示，D211實驗室內(nèi)部的煙氣擴(kuò)散情況見圖8。可以看出，當(dāng)火源充分發(fā)展后，短時間會產(chǎn)生大量煙霧，在房間上部積聚。此時的煙氣溫度較低，不易造成灼傷等傷害。隨著煙氣增多，煙霧開始向走廊通道和其他房間擴(kuò)散，此時煙霧仍然主要積聚在房間上部，如圖6（b）。隨著火勢變大，煙氣不斷增加，煙氣層高度逐漸降低，致使煙氣熱輻射對人體產(chǎn)生較大危害，如圖6（c）。由5、6兩圖可以看到當(dāng)房屋面積較小時，火源充分燃燒后煙氣在短時間內(nèi)就會充滿整個房間，隨后迅速向外蔓延直至維持在一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

火災(zāi)發(fā)生初期，火焰中的熱煙氣被周圍冷空氣包圍，在浮力的作用下向上運(yùn)動。當(dāng)熱煙氣向上升騰時，周圍的冷空氣會被卷吸進(jìn)入到火災(zāi)羽流并不斷擴(kuò)大，當(dāng)羽流與頂棚接觸后，熱煙氣沿頂棚蔓延，最終將會達(dá)到房間側(cè)壁，受墻壁的限制作用開始沿壁面向下運(yùn)動，形成較為明顯的回流和煙氣沉降。因此，在頂棚下面會形成熱煙氣層。隨著火災(zāi)的發(fā)展，煙氣的不斷增加，熱煙氣層在發(fā)展的同時會向?qū)κ覂?nèi)其他可燃物進(jìn)行輻射加熱，因此室內(nèi)所有的可燃物的溫度都會在多個因素的影響下逐漸升溫最后發(fā)生點火燃燒。

133溫度變化情況分析

為了研究火場中溫度對疏散人員的危害，在z=16m處設(shè)置了溫度切片，如圖7。

從溫度云圖可以看出，在火災(zāi)初期，大部分區(qū)域的溫度均小于150℃，最高溫度在火源的正上方出現(xiàn)，加上受煙氣溫度的影響，溫度達(dá)到了270℃。隨著火災(zāi)的發(fā)展，溫度在火災(zāi)發(fā)生兩三分鐘后發(fā)生閃燃，是實驗室大部分區(qū)域的溫度達(dá)到240℃以上，根據(jù)相關(guān)資料知，當(dāng)溫度在120～130℃時，人的忍受時長為15min，當(dāng)溫度在200～250℃時，人的忍受時長為5min。所以，人員在兩分鐘前成功疏散能保證人員基本不會受到傷害，但三分鐘后，高溫會對人體產(chǎn)生危險。當(dāng)火災(zāi)發(fā)展到后期時，溫度下降，大部分區(qū)域溫度都不超過兩百攝氏度，此時可以根據(jù)具體情況在排除潛在危險后進(jìn)行滅火救援。圖8給出了模擬得到的D211實驗室不同時刻室內(nèi)溫度變化趨勢。

134主要氣體濃度分析

火災(zāi)的危害除了高溫?zé)齻韧猓瑹煔鈨?nèi)的有毒氣體也會對人體造成不同程度的傷害。本文僅選取CO、CO2氣體作為分析對象。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)CO濃度超過000625kg/m3以上時，人會感到劇烈頭疼，并有死亡危險。當(dāng)CO濃度超過012kg/m3以上時，會失去知覺甚至死亡。如圖9，CO濃度在火災(zāi)發(fā)生300s后達(dá)到0006kg/m3以上，在500s后達(dá)到0012kg/m3以上，對人體產(chǎn)生極大危害。圖10為檢測得到的CO2濃度結(jié)果，在火災(zāi)發(fā)展100s左右后人體已經(jīng)出現(xiàn)呼吸急促等影響，當(dāng)進(jìn)展到300s左右后，CO2已經(jīng)對人體具有較大的危害性。

135氧氣含量分析

在火災(zāi)發(fā)生后，不僅CO和CO2會對疏散中的人員造成傷害，火災(zāi)燃燒快速消耗O2也會致使人員發(fā)生窒息等的情況進(jìn)而阻礙人員逃生。利用Pyrosim模擬得到的室內(nèi)O2含量變化趨勢如圖11所示?？梢钥吹剑?40s左右后O2含量低于8%，在460s左右后低于6%，在這種情況下，人員應(yīng)當(dāng)盡快脫離火災(zāi)現(xiàn)場，避免傷亡。

136能見度分析

能見度會因為煙氣濃度的增加而降低，從而會影響人員在疏散過程中的判斷，對疏散效率和路徑選擇均有影響。Pyrosim模擬得到的能見度結(jié)果見圖12。可以看到，在火災(zāi)發(fā)生約一分鐘后能見度由30m急劇下降到5～10m范圍內(nèi)，雖然由于煙氣不斷流動可見度而隨之不斷變化，但能見度的整體波動范圍一直處于4～10m范圍內(nèi)。

2人員疏散數(shù)值模擬研究

21人員疏散模擬軟件Pathfinder簡介

Pathfinder是由美國Thunderhead engineering公司開發(fā)的—個基于進(jìn)出和人員運(yùn)動的模擬器，其提供了圖形用戶界面的模擬設(shè)計和執(zhí)行，以及三維可視化工具的分析結(jié)果。該運(yùn)動的環(huán)境是一個完整的三維三角網(wǎng)格設(shè)計，以配臺實際層面的建設(shè)模式。Pathfinder中人員的運(yùn)動模式包括SFPE模式和Steering模式。Pathfinder可以導(dǎo)入FDS模型，在模擬火災(zāi)的同時，可在相同時間內(nèi)模擬人員疏散，這樣同步跟蹤可以科學(xué)的分析出人員疏散的相關(guān)數(shù)據(jù)和人員疏散的最佳時間，從而減少人員傷亡[8]。

22參數(shù)設(shè)定及疏散模擬

根據(jù)Pathfinder中需要的參數(shù)，結(jié)合實際情況，設(shè)置教學(xué)樓層內(nèi)各年齡的人員構(gòu)成，人的身體比例參數(shù)、行走速度、反應(yīng)時間及各房間的人數(shù)等。根據(jù)日常上課情況，考慮可能達(dá)到的人數(shù)最多情況，根據(jù)各個房間的功能對各個房間的人數(shù)做好設(shè)定，見表1、2。

23人員疏散模擬結(jié)果分析

對火災(zāi)過程中的人員安全疏散進(jìn)行研究的目的就是通過分析在火災(zāi)威脅到人員安全之前，人們是否有足夠的逃生時間撤離至安全區(qū)域。為了保障人員能夠安全疏散，就必須使人員能在火災(zāi)發(fā)展到對人員產(chǎn)生危險之前有充足的時間撤離到安全區(qū)域。即要求安全疏散時間（包括：探測報警時間、人員反應(yīng)時間和疏散運(yùn)動時間）小于可用安全疏散時間。

通過運(yùn)行軟件得出仿真疏散結(jié)果：疏散總時間為353s，根據(jù)之前設(shè)定的人員反應(yīng)的時間區(qū)間可知，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，火災(zāi)警告時間和人員反應(yīng)時間的長短對逃生具有較大影響。圖15給出了各個房間門的人員通過率。從上圖可知，當(dāng)疏散效率較高時，每秒鐘最多通過人數(shù)為4人，當(dāng)房間內(nèi)人數(shù)過多時，在人員疏散初期，門口往往會發(fā)生擁堵的情況如圖16，從圖中也可明顯看出，教室因為人數(shù)最多，發(fā)生火災(zāi)后擁堵最嚴(yán)重，疏散時間最長。圖17是各個房間人數(shù)的變化情況，從圖中可以看出，逃生最快的房間僅用了13s所有的人員就全部疏散到走廊里，而走廊內(nèi)的人數(shù)在15s時達(dá)到了最高點64人，結(jié)合前面火災(zāi)模擬部分可知，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)后教學(xué)樓內(nèi)的人員有較為充足的時間逃生，不論是煙氣達(dá)到危險濃度所需時間，還是室內(nèi)各類溫度所產(chǎn)生威脅的時間，都小于人員所需要的疏散時間，也就是說，人員完全能夠在火災(zāi)對人造成危險之前就能夠安全撤離。

3結(jié)論

火災(zāi)數(shù)值模擬技術(shù)做為火災(zāi)科學(xué)研究的重要技術(shù)手段，在工程應(yīng)用中極為廣泛。本文通過對學(xué)校某教學(xué)樓進(jìn)行火災(zāi)燃燒及人員疏散的仿真模擬研究，著重分析了室內(nèi)火災(zāi)蔓延趨勢、樓內(nèi)煙氣擴(kuò)散、溫度、氣體濃度（CO、CO2、O2）、能見度等參數(shù)變化。由模擬結(jié)果分析可知：

1）利用pyrosim和pathfinder軟件對教學(xué)樓內(nèi)火災(zāi)煙氣蔓延過程與人員疏散過程進(jìn)行模擬對比分析，是一種有效的火災(zāi)風(fēng)險評估方法，得到的結(jié)果與現(xiàn)實火災(zāi)蔓延趨勢基本相符，能夠較好地與現(xiàn)實火災(zāi)場景相吻合，可為樓宇的消防設(shè)計和制定消防應(yīng)急預(yù)案提供依據(jù)。

2）在火災(zāi)發(fā)生約30s時，在一人高位置處（16m處）大部分區(qū)域的溫度均小于150℃，最高溫度在火源的正上方出現(xiàn)，溫度達(dá)到270℃；當(dāng)燃燒時間超過7 min后，大部分區(qū)域溫度在250～270℃之間。在火災(zāi)動態(tài)模擬過程中，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生后，溫度和CO濃度迅速上升，在火災(zāi)發(fā)生300s后超過0006kg/m3，在500s后超過0012kg/m3，對人體產(chǎn)生極大危害甚至死亡；O2濃度和能見度迅速下降，在240s左右后O2含量低于8%，在460s左右后低于6%。有毒煙氣短時間內(nèi)迅速充滿整個房間并蔓延至樓道走廊內(nèi)，由于走廊兩側(cè)排煙效果較差，煙氣遇到壁面后將會產(chǎn)生回流和沉降導(dǎo)致煙氣在走廊內(nèi)聚集過快。同時，在火災(zāi)發(fā)生約一分鐘后能見度由30m急劇下降到5～10m范圍內(nèi)。

3）所有房間人群疏散總時間為353s，逃生最快的房間僅用了13s所有的人員就全部疏散到走廊里，而走廊內(nèi)的人數(shù)在15s時達(dá)到了最高點64人，結(jié)合火災(zāi)模擬結(jié)果，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)后該層教學(xué)樓內(nèi)的人員有較為充足的時間逃生，人員完全能夠在火災(zāi)對人造成危險之前就能夠安全撤離，不論是煙氣的達(dá)到危險濃度時間，還是室內(nèi)溫度所產(chǎn)生威脅的時間，都大于人員所需要的疏散時間。

4）模擬結(jié)果顯示在一定時間內(nèi)會出現(xiàn)較嚴(yán)重的擁擠情況甚至人員無法移動，此時若煙氣達(dá)到危險濃度，極易造成人員傷亡，因此合理的人員密度對于人員疏散也至關(guān)重要。同時，樓內(nèi)應(yīng)安裝高靈敏度的火災(zāi)報警系統(tǒng)并設(shè)置安全疏散標(biāo)志，明確的疏散路徑和方向指示能夠提高疏散效率，為人員的安全逃生爭取時間。

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（編輯：關(guān)毅）