陳益迪，趙雋妍，陳錦川，任興月

（1.海南大學 土木建筑工程學院，海南 ?？?570228；2.中國礦業(yè)大學 力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116）

老舊活動中心由于建筑使用年限長，缺乏現(xiàn)代化的管理人員，建筑內配備的消防設施不足、水電設備線路老化，火情發(fā)生時產(chǎn)生的高溫和濃煙將嚴重危害人們的生命財產(chǎn)安全［1-3］.這些老舊建筑樓由于人員密度大，缺乏現(xiàn)代化的消防設備，火災發(fā)生時人員的安全疏散也存在困難［4］.近年來，老舊建筑火災引起的人員傷亡率不斷上升，火災引發(fā)的人身財產(chǎn)損失金額持續(xù)走高，發(fā)生火情時建筑內人員的應急、疏散逃生問題成為重點難題［5-6］.因此，對老舊建筑火災展開研究，對消防救援的有效開展具有重要的意義.

建筑信息模型技術（Building Information Modeling，BIM）是近年來出現(xiàn)并引領建筑數(shù)字技術走向更高層次的一項新技術，它已經(jīng)成為工程建設領域的熱點［7］.BIM 技術能夠在災害突發(fā)時快速建立建筑模型并與其他數(shù)值模擬軟件進行協(xié)同應用，其中基于BIM 技術的火災數(shù)值模擬受到研究者們高度重視，如蔣科明［8］在進行火災煙氣數(shù)值模擬時，首次將FDS 軟件應用于大邱地鐵站的全尺寸數(shù)值模擬，明晰樓梯間煙氣分布及其溫度特征，并提出地鐵火災人員安全疏散的優(yōu)化方案；劉芳等［9］利用FDS 軟件對木結構古建筑進行火災數(shù)值模擬，通過比對古建筑在不同著火情況下煙氣流動狀態(tài)、火災蔓延情況、影響因素強弱來研究古建筑的火災蔓延規(guī)律并預測木結構古建筑的著火變化特征；邢志祥等［10］研究建筑不同高度起火對人員逃生疏散的影響，得到起火樓層位置越低則人員疏散效率越低，傷亡越大；Tsukahara 等［11］用FDS 軟件對地鐵車站建立模型，模擬火災煙氣對地鐵車站疏散造成的影響；韓朱旸等［12］利用FDS 軟件對城市高層建筑進行火災模擬，提出一種實時定量評估法，減少人員傷害且提供應急救援方案；肖游等［13］通過FDS建立池火災燃燒模型，計算不同位置的溫度作為邊界條件運用于計算流體動力學中，提升了模擬研究效率，得到了快速烤燃特性；袁莎莎［14］等使用FDS軟件對機場多功能區(qū)域進行全尺寸建模與數(shù)值模擬，分析研究火災發(fā)生時的火災荷載、溫度變化、熱釋放速率等影響火情蔓延因素的變化情況；李世峰等［15］利用火災動力學軟件FDS對某城市道路隧道中三出口分流匝道路段內部發(fā)生的影響.劉新蕾等［16］以哈爾濱新第一百貨中庭商廈為研究對象，運用FDS 軟件分析了天窗開閉時中庭火災和挑臺火災的煙氣擴散規(guī)律，得到了煙氣在各個方向的擴散速率、上述研究提供了火災仿真模擬分析的理念和想法，并在模擬火場中進行充分應用.

由上述文獻可知，研究人員在模擬過程中觀察火災參數(shù)變化及火情蔓延演化，進而評估建筑物發(fā)生火災的危險性，從而提高安全疏散可行性［17］，并保證室內人員的安全［18］.但研究人員在FDS軟件研究領域所針對的建筑往往屬于簡單結構，對于復雜結構的建筑空間體缺乏關注；BIM-FDS 協(xié)同研究領域內容缺失，尤其針對易燃、老舊建筑研究匱乏的情況，此研究對于該領域火災防災顯得尤其必要.通過對老舊活動中心的3種火災工況開展數(shù)值模擬計算，獲取活動中心火災過程中關鍵數(shù)據(jù)，為災害預防與火災救援提供數(shù)據(jù)來源與理論支持，提高救援逃生的可行性、實用性.

1 老舊活動中心FDS火災模型

1.1 火災煙氣模型控制方程老舊活動中心內火災發(fā)生時煙氣的流動情況屬于湍流流動，采用FDS 軟件Pyrosim來模擬該湍流流動過程.煙氣流動特性的持續(xù)變化的控制方程組如式（1）～（4）所示

其中，ρ為氣體密度；為密度的時間變化率；u為速度矢量；?(ρu)定義了質量對流.

動量方程

其中，g為重力加速度；f是外部矢量；τ為控制計算域內流體上的定量粘性力.

能量方程

其中，h為顯焓；p為壓力；T為溫度；qr為熱輻射通量；q?為熱釋放速率（HRR）；Dl為第l種組分的擴散系數(shù)；Yl為第l種組分的質量系數(shù)；k為火災煙氣導熱系數(shù).

組分方程

其中，為第l種組分的質量生成率.

1.2 BIM 幾何模型及FDS 模型網(wǎng)格劃分研究對象是一幢6層的某老舊活動中心，由健身活動廳、乒乓球室、走廊、衛(wèi)生間、圖書閱覽室、臺球廳、樓梯間構成，每層構造大體相同.建立幾何模型：長×寬×高=18.8 m×13.7 m×23.9 m，通過Revit軟件建模，導入Pyrosim軟件，建筑模型如圖1所示.

圖1 活動中心建筑模型

在對該活動中心模型網(wǎng)格進行劃分時，不但需要全面考慮整個老舊活動中心在不同火災場景下的著火以及煙氣彌漫過程的隨機性情況，而且需要顧及計算結果的精度與計算機性能的計算上限.本次模擬設定該老舊活動中心與外圍空氣的網(wǎng)格為0.5 m×0.5 m×0.5 m，計算網(wǎng)格個數(shù)共計70 200 個.活動中心大氣內外氣體壓強和溫度分別為101.325 kPa 和20 ℃.同時，考慮到活動中心比較老舊，不設置消防噴頭、防火卷簾等消防設施.

1.3 火災模擬場景的設置在計算中，火災著火點的平均熱釋放速率（HRRPUA）被設置為1 000 kW·m-2，初始燃燒面積為1.5 m2，根據(jù)計算工況，著火點設置在該建筑第三層，火災著火點設置如圖2所示.為了獲得逃生路線上的火災參數(shù)，模型在每一樓層樓梯間的門內側，距離樓梯間地面高度1.2 m處分別設置了1個溫度監(jiān)測器，即熱電偶溫度探測器（THCP），用于測定火災發(fā)生過程中溫度隨時間的變化情況；同時每層距樓梯間地面高度1.4 m 處各設置1 個CO 濃度監(jiān)測裝置，用于測定火災發(fā)生過程中CO 濃度隨時間變化情況；距每層樓梯間地面高度1.5 m 處各設置1個煙霧探測器，用于測定火災發(fā)生過程中能見度水平隨時間變化情況.

圖2 火源燃燒建筑平面圖

為了研究窗戶和門在不同的開啟與關閉條件組合情況下，建筑內部火災發(fā)展情況及可能造成的影響，筆者在同一樓層（第三層）設計了3個對比明顯的火災場景，如表1 所示.即在火源位置保持不變情況下，通過設置窗戶開啟、關閉的不同狀態(tài)，并結合開啟窗戶距離逃生樓梯距離遠近的差異（開啟窗戶距離火源遠近的比較），觀察老舊活動中心室內煙氣蔓延擴散情況的差異.首先按照火災發(fā)生時最不利原則把老舊活動中心所有內部門窗都設置成打開狀態(tài)，使之相互連通以保證煙氣的快速擴散并觀察過程中火災參數(shù)的表現(xiàn).

表1 火災計算場景描述

2 火災模擬結果分析

2.1 火災煙氣CO 濃度分析火災發(fā)生時候，將迅速產(chǎn)生大量火災煙氣，蔓延流動的煙氣中的CO 氣體是導致人員在火災中缺氧而死的主要原因［19］，火場中受困人員由于吸入過量的CO氣體而窒息.

在不同樓層樓梯間的CO 濃度變化見圖3，其中火災場景一是著火建筑內部與室外相接窗戶A、窗戶B都關閉、火災場景二是近火源遠樓梯口窗戶A打開、火災場景三是近樓梯口遠火源窗戶B打開，通過模擬火災燃燒，觀察樓層煙氣蔓延情況，并得出3種火災場景下CO濃度隨時間變化情況.

圖3 CO濃度隨時間變化曲線

人員暴露在CO濃度0.64%條件下，保持1～2 min后將導致頭疼及頭昏眼花，保持10～15 min后將導致失去意識，同時面臨死亡威脅.而當暴露在CO 濃度1.28%條件下，火場中人員將產(chǎn)生立即的生理反應，停留1～3 min 后將迅速失去意識同時面臨死亡威脅［20］.室內發(fā)生火災后，著火點快速生成大量煙氣，著火層3 樓生成的煙氣涌進臨近樓梯間內，3 層樓梯間作為第一危險點處CO 濃度急劇增加，嚴重影響人員生命安全.

如圖3a 中，當A、B窗戶都關閉時，3 層樓梯間CO 濃度在162 s 內迅速增加，達到0.64%；由于火災場景一屬于封閉系統(tǒng)，因此CO 無法向外疏散，該場景下火災生成的CO 濃度最高，270 s后達到1.28%，300 s附近達到峰值最終穩(wěn)定.

如圖3b中，當近火源窗戶A打開后，近樓梯口窗戶B關閉，3層樓梯間CO濃度在276 s內迅速增加，達到0.64%；隨著煙氣的蔓延，著火樓層3樓以及相近的4樓、5樓、6樓樓梯間內CO 濃度在經(jīng)歷急劇上升之后迅速下降、而后又出現(xiàn)第二次的爬升，可以看出由于近火源處窗戶A打開對遠端樓梯間檢測CO 濃度產(chǎn)生影響，并且導致擴散速度比火災場景一要慢.

如圖3c，當近火源窗戶A關閉、近樓梯口窗戶B打開時，隨著火情的發(fā)展，各層樓梯通道內檢測的CO濃度不斷升高.其中著火樓層3 樓最高僅達到0.18%，可以看到，當可對流的著火層窗戶處于開啟狀態(tài)時，煙氣涌向其他房間速度增加，此時伴隨熱釋放速率增加，能量不斷擴散；與此同時，窗戶保持開啟的火場情形下，火災進行過程中產(chǎn)生煙氣也源源不斷通過窗戶排出室外，降低了火災過程中不斷產(chǎn)生的有毒有害物質濃度.由于近樓梯口窗戶B打開，導致室內的CO 濃度可以在較長的時間內維持著安全水平，使得人員逃生時間增加、減少人員傷亡.

2.2 煙氣彌漫及能見度分析老舊活動中心發(fā)生火災時，燃燒蔓延過程中將會產(chǎn)生大量有毒有害煙氣，大量的煙氣不斷積聚，使得建筑室內能見度迅速降低，并且對于人員逃生過程中造成諸多阻礙及嚴重的影響，并對場內人員構成危險.根據(jù)標準《建筑防火工程》中相關規(guī)定，熟悉的人群對一般建筑能見度應至少需要達到5 m.通過能見度臨界值5 m 來判斷煙氣濃度能否干擾人員順利逃生，來判斷場內人員是否會受到人身危害.當火災發(fā)生時，因為老舊活動中心空間不夠開闊，選取在1.5 m 高度可見度不低于5 m 作為測定標準.

將該活動中心發(fā)生火災允許的最小煙氣能見度設定為5 m.當A、B窗戶都關閉，由圖4a可以看出，在該最不利情況下，第3層著火樓梯間能見度在7 s間降至5 m；相鄰的第4層樓梯間能見度在42 s降至5 m，第5 層樓梯間能見度在55 s 降至5 m，隨后第6 層、第2 層、第1 層由于煙氣擴散能見度也逐漸降低至5 m.被強烈煙氣所籠罩，樓梯間能見度沒有達到最低標準煙氣能見度要求，不利于火場內人員逃生.

圖4 能見度隨時間變化曲線

在近火源窗戶為打開狀態(tài)、近樓梯口窗戶B為關閉狀態(tài)時，如圖4b所示，第3層的著火樓梯間能見度在最初15 s 時降到5 m，而后在能見度又出現(xiàn)一個短暫的回升后又繼續(xù)降低，受著火煙氣溫度變化的影響，房間內被煙氣籠罩，不利于室內人員逃生，此時室內人員應該采取彎腰或者匍匐前進的正確自救逃生方式；隨后第4層、第5層、第6層由于煙氣擴散能見度也逐漸降低至5 m；第2層與第1層能見度隨著時間變化出現(xiàn)較大的反復，可以看出由于近火源處窗戶A打開對著火層下部樓層產(chǎn)生影響，使得能見度下降速度比火災場景一要慢.

在近火源窗戶A為關閉狀態(tài)，近樓梯口窗戶B為打開狀態(tài)時，如圖4c 所示，第3 層著火樓梯間能見度在17 s后降至5 m，而后能見度出現(xiàn)較大回升后繼續(xù)降低；隨后第4層、第5層、第6層由于煙氣擴散能見度也逐漸降低至5 m臨界值，相對于火災場景二達到能見度5 m的時間都延長；其中第2層不出現(xiàn)反復，且第1 層在整個模擬過程中能見度并未達到設定值5 m，可以看出由于近樓梯口窗戶B打開對著火層影響最大，在較長的時間內維持能見度較高的水平，使得人員逃生時間增加、減少人員傷亡.

2.3 火場溫度分析建筑火災發(fā)展過程中會產(chǎn)生大量的熱輻射，使燃燒物及周邊的空氣溫度不斷上升，建筑中的可燃材料較多，若火勢無法及時得到控制，煙氣溫度可高達上百攝氏度，溫度大幅提高對人體和建筑本身都會造成不可恢復的傷害.根據(jù)相關研究，當溫度達到35～55 ℃之間時，人體會出現(xiàn)出汗及痛感等情況；當溫度超過65 ℃時便會造成嚴重燒傷，考慮到火災中人員的實際情況，故選擇65 ℃作為高溫的臨界值判斷標準.

根據(jù)表2可知，應選擇65 ℃作為高溫的臨界值判斷標準.

表2 火場溫度耐受表

如圖5a所示，A、B窗戶都關閉，在該封閉條件下，第3層著火樓梯間溫度在68 s時達到65 ℃高溫臨界值，而后在144 s處溫度達到最高.可以看出A、B窗戶的關閉使得建筑體內部模擬燃燒過程中沒有足夠空氣與外界交換，進而導致燃燒不充分，故著火層溫度上升不明顯；相鄰的第4 層樓梯間溫度在172 s 達到65 ℃高溫臨界值.隨后第2 層、第5 層、第1 層隨著燃燒溫度也逐漸達到65 ℃.由此得到著火層安全逃生時間為1 min.

圖5 溫度隨時間變化曲線圖

如圖5b所示，近火源窗戶A打開，近樓梯口窗戶B關閉，第3層著火樓梯間溫度在250 s達到65 ℃高溫臨界值，在煙氣流動的過程中，溫度的變化出現(xiàn)了2個波峰，說明近火源窗戶A打開后，模擬火災燃燒場景下內外空氣進行交換，燃燒過程相對火災場景一充分，對于樓道間溫度變化產(chǎn)生影響.故著火層安全逃生時間不高于5 min.

如圖5c所示，近火源窗戶A關閉，近樓梯口窗戶B打開，建筑物發(fā)生火災時，3樓著火樓梯間的溫度未達到65 ℃高溫臨界值.可以看出由于近樓梯口窗戶B打開對著火層影響最大，在較長的時間內維持能使得溫度保持在65 ℃下方，該場景下能給處于建筑內的人員充足的逃生時間.

3 小 結

結合BIM 技術與FDS軟件對某小區(qū)老舊活動中心建筑火災情況進行數(shù)值模擬計算，通過對比研究了窗戶在不同開合情形條件下產(chǎn)生物對樓梯間火災的發(fā)展變化情況造成的影響，設定3個不同的火災場景，主要針對現(xiàn)場CO 濃度、煙氣可見度、火場溫度分布的對比結果逐項進行了綜合分析，通過計算得到了以下結論并提出相應建議.

1）通過對比3 種不同類型的火災模擬仿真系統(tǒng)運行的場景，對該3 種火場仿真場景顯示出數(shù)據(jù)信息進行大量直觀清晰的圖片對比及展示，并進行深入的數(shù)據(jù)比較及分析，火災場景中的能見度、CO 濃度、火場溫度要素均有較明顯的改變.更直觀真實地反映了現(xiàn)實中老舊活動中心建筑的火災的發(fā)展趨勢及變化規(guī)律.

2）通過BIM建模，結合FDS軟件，結果表明：在火源位置保持不變情況下，火災發(fā)生時窗戶皆關閉，建筑內逃生樓梯間CO 濃度上升越快、能見度下降越快，溫度達到人體臨界的越快，給人員逃生帶來極大威脅；火災發(fā)生時有部分窗戶打開，該窗戶距離火源越近（距離逃生樓梯越遠），建筑內逃生樓梯間溫度、CO濃度上升相對較快，能見度下降變化不顯著.其中，窗戶開啟比窗戶關閉在火災CO 濃度、能見度、溫度到達臨界時間至少分別降低41.3%、11.8%、16.3%.

3）通過BIM 整合FDS 軟件計算結果，為防止火災造成嚴重的人員傷亡及財產(chǎn)損失提供支持，通過向基層政府的應急和管理相關單位負責人提建議，要求老舊活動中心小區(qū)物業(yè)工作人員加強對公共消防與安全生產(chǎn)知識技能的普及和宣傳，并將消防通道、樓梯間的窗戶保持開啟狀態(tài)以確保老舊活動中心處于安全狀態(tài)；通過聯(lián)系周遭群眾定期舉辦消防演練活動，幫助小區(qū)居民建立并提高逃生防火意識.