基于FDS的高層居民樓火災(zāi)模擬

王煒罡 文虎 賈勇鋒

摘?要：當(dāng)前高層建筑火災(zāi)形勢嚴(yán)峻、嚴(yán)重威脅人身安全，造成財產(chǎn)損失。而高層居民樓與居民的生活息息相關(guān)，高層居民樓發(fā)生火災(zāi)更是對人民生命財產(chǎn)安全的沉重打擊。針對當(dāng)今社會高層居民樓火災(zāi)頻發(fā)的現(xiàn)實問題，通過調(diào)查研究國內(nèi)高層居民樓火災(zāi)事故，分析高層居民樓火災(zāi)的特點，利用FDS火災(zāi)模擬軟件，以某社區(qū)的一棟居民樓為研究對象，結(jié)合定性分析和火災(zāi)動態(tài)模擬，全面的對高層居民樓火災(zāi)應(yīng)急管理進(jìn)行分析，從CO濃度分布圖、能見度分布圖、煙氣分布圖總結(jié)出高層居民樓發(fā)生火災(zāi)時的直接、間接原因以及一系列環(huán)境參數(shù)的變化規(guī)律。建議加強消防基礎(chǔ)建設(shè)和消防設(shè)備的研發(fā)改進(jìn)，提高消防設(shè)備的實用性和功能性，研究出專門適合高層建筑的消防設(shè)備和防火保護(hù)設(shè)施，同時加強高層居民樓火災(zāi)應(yīng)急演練和消防救援的教育，讓居民能夠深入了解在發(fā)生火災(zāi)時應(yīng)做的事情。

關(guān)鍵詞：

高層建筑;火災(zāi);數(shù)值模擬;FDS

中圖分類號：TU 998

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-9315（2020）02-0314-07

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0217開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

High-rise residential building fire simulation based on FDS

WANG Wei-gang1，WEN Hu2，3，JIA Yong-feng2，3

（1.Department of Emergency Management，Suzhou-Yinchuan Industrial Park Administration Committee，Yinchuan 750000，China：

2.College of Safety Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China：

3.Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention，Ministry of Education，

Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：At present，the severe situation lies in the fire of high-rise building，which seriously threatens the security of human beings and results in the serious loss of property.However，high-rise residential buildings are in close relation to the life of residents in the community.The fire of high-rise residential buildings seriously affects the security of property and the normal life.In view of the current situation of the frequent occurrence of the fire of high-rise residential buildings，we investigate and study the fire of domestic high-rise residential buildings，analyze its characteristics and apply the application of Fire Dynamics Simulator software of Technology（FDS）.Taking a residential building in a community as the research object，combined with qualitative analysis and fire dynamic simulation，comprehensively analyze the fire emergency management of high-rise residential buildings，and summarize high-rise residents from the CO concentration distribution map，visibility distribution map，and smoke distribution map The direct and indirect causes of a building fire and the changes in a series of environmental parameters.It is recommended to strengthen the research and improvement of fire protection infrastructure and fire fighting equipment，improve the practicality and functionality of fire fighting equipment，develop fire fighting equipment and fire protection facilities specially adapted for high-rise buildings，and strengthen fire emergency drills and fire rescue education for high-rise residential buildings Give residents insight into what to do in the event of a fire.

Key words：

high-rise building;fire;numerical simulation;FDS

0?引?言

隨著城市化進(jìn)程的高速發(fā)展，城市建筑物用地面積的極度縮水，建筑物不得不往上發(fā)展，近年以來我國出現(xiàn)許多高層甚至超層建筑物。由于高層建筑物樓層高、體量大、人員密集，高層建筑本身的火災(zāi)隱患就比較多。發(fā)生火災(zāi)，由于煙囪效應(yīng)，火勢蔓延迅速，而且還會造成其他事故的發(fā)生，加之人員疏散困難，救援難度大等障礙，公民逃生意識差，逃生方法的不當(dāng)?shù)仍驎斐蓢?yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。目前國內(nèi)面對各種高樓火災(zāi)頻發(fā)的問題，仍沒有一個針對性的解決方案，高樓火災(zāi)逃生應(yīng)急問題日益凸顯，亟待解決。2010年11月15日，上海市靜安區(qū)膠州路728號公寓大樓發(fā)生特別重大火災(zāi)事故，造成58人死亡，71人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失1.58億元。由此可見，高層建筑火災(zāi)是火災(zāi)研究的重點課題。

計算機(jī)數(shù)值模擬和全尺寸試驗相結(jié)合的方法是火災(zāi)研究較為準(zhǔn)確可靠的方式“目前，數(shù)值模擬主要采用火災(zāi)科學(xué)研究中比較成熟，應(yīng)用廣泛的場模擬軟件FDS，并與試驗結(jié)果進(jìn)行對比驗證”徐曉楠等用FDS軟件模擬居民樓火災(zāi)和煙氣傳播過程[1]，徐伯樂等采用FDS軟件模擬，通過比較煙氣質(zhì)量等的變化情況[2]，廖曙江等通過對火災(zāi)場景定義和分類形式的研究，確定了火災(zāi)場景的原則和方法[3]，田玉敏通過典型案例討論了“性能化”防火設(shè)計中設(shè)計火災(zāi)場景的方法與步驟，更加明確了構(gòu)建火災(zāi)模擬實驗的數(shù)學(xué)模型的重要性，以及對“性能化”設(shè)計提供了指導(dǎo)性意見

[2]，林霖等利用FDS模擬預(yù)測滅火過程中火場溫度及組分濃度等特性參數(shù)變化規(guī)律

[2]，章濤林等利用FDS軟件模擬高層建筑煙氣遷移及CO濃度演變規(guī)律[6]，霍然等模擬計算分析了建筑物火災(zāi)中人員疏散，然而火災(zāi)研究中采用進(jìn)行模擬在國內(nèi)外較為常見，而對全尺寸試驗國內(nèi)研究較少，與國外存在一定差距[2]。

將某一社區(qū)為研究對象，利用軟件FDS進(jìn)行模擬FDS火災(zāi)模擬軟件，結(jié)合定性分析和火災(zāi)動態(tài)模擬，全面的對高層居民樓火災(zāi)應(yīng)急管理進(jìn)行分析，從中總結(jié)出高層居民樓發(fā)生火災(zāi)時的直接、間接原因以及一系列環(huán)境參數(shù)的變化規(guī)律，提出有效合理的建議及措施。

1?模型建立

以某社區(qū)的一棟36 m×32 m×100 m的居民樓為研究對象，建立幾何模型。該居民樓由廚房、兩間臥室、衛(wèi)生間、客廳、走廊、樓梯、樓梯間幾部分構(gòu)成;每層的樓梯間都設(shè)有通風(fēng)和排煙窗口，各窗口面積為：0.3 m×0.3 m.在每層樓梯間設(shè)有樓梯間門和通往走廊的門，用于進(jìn)入房間。該幢居民樓共有10層，每層構(gòu)造一致。在每間臥室內(nèi)有一張床，客廳里有沙發(fā)。平面布局如圖1所示。

2?模型關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

將火源位置設(shè)在4層廚房內(nèi)?；鹪创笮椋?.2 m×0.2 m×0.2 m的小立方體，設(shè)定其熱釋放率為1 000 000 kW/m2.顏色為紅色?；馂?zāi)場景是對某種火災(zāi)發(fā)展全過程的一種語言描述，包括說明起火、火勢增大、發(fā)展達(dá)到最大（如轟然）及逐漸熄滅等階段的特點[4]?；馂?zāi)場景設(shè)置的目的是為了獲得過火面積、火焰與煙氣的蔓延擴(kuò)散方向、火場熱釋放速率、火場溫度與能見度的發(fā)展變化歷程[4]。居民樓火災(zāi)應(yīng)該以最大損失原則去描述火災(zāi)造成最大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。為了模擬火災(zāi)發(fā)生的真實性，本研究在廚房內(nèi)設(shè)置了廚柜，客廳內(nèi)設(shè)置沙發(fā)，臥室內(nèi)設(shè)置床。假設(shè)，火災(zāi)發(fā)生時，廚房內(nèi)的門、客廳的門和樓梯間的門都處于開啟狀態(tài)，火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣、CO等有毒氣體會向外擴(kuò)散[4]。FDS火災(zāi)模擬軟件在模擬過程中，需要設(shè)定廚房周圍環(huán)境溫度值。設(shè)定環(huán)境的初始溫度為22 ℃.

3?FDS模擬結(jié)果分析

3.1?運行過程中煙氣質(zhì)量的變化情況

在火災(zāi)發(fā)生過程中，會產(chǎn)生大量的煙氣，煙氣會直接影響到能見度的范圍，產(chǎn)生的煙氣越多，能見度就下降得越快，對人員逃生過程中會造成嚴(yán)重的影響。火災(zāi)發(fā)生的過程中煙氣質(zhì)量變化情況，繪制成折線圖，如圖2所示。

從圖2可以看出，火災(zāi)開始發(fā)生時，會迅速產(chǎn)生煙氣?；饎菰谶M(jìn)入初次增長階段，由于房間中沒有煙氣，煙氣質(zhì)量會迅速上升;在100 s時煙氣質(zhì)量的最大值為4.54E-02 kg;在火勢進(jìn)入轟然之后開始充分燃燒，在充分燃燒階段過程中，產(chǎn)生的煙氣質(zhì)量在相對增長階段少，所以會略有下降，但是在整個充分燃燒階段過程中，煙氣質(zhì)量呈上

升趨勢。最后在993 s左右煙氣質(zhì)量為4.61E-02 kg.

3.2?燃燒過程中CO濃度結(jié)果分析

不同CO濃度對人的生理反應(yīng)不同：當(dāng)CO濃度為3.2×10-3（體積分?jǐn)?shù)為0.32%）時，人的生理反應(yīng)是5～10 min后頭疼和頭昏眼花，30 min后失去意識。當(dāng)CO濃度達(dá)到6.4×10-3（體積分?jǐn)?shù)為0.64%）時，人的生理反應(yīng)是1～2 min后頭疼、頭昏眼花，10～15 min后失去意識，面臨死亡危險;當(dāng)CO濃度為12.8×10-3（體積分?jǐn)?shù)為1.28%）時，人的生理反應(yīng)是立即反應(yīng)，1～3 min后失去意識并面臨死亡危險[6]。當(dāng)CO濃度達(dá)到2.5×10-3即時，就可對人構(gòu)成嚴(yán)重危害[7]。根據(jù)CO濃度來分析對人生理的影響，CO濃度可以直接導(dǎo)致人員傷亡。在火災(zāi)中被燒死的人大多數(shù)都是因為CO中毒，導(dǎo)致神智不清而死亡的。

火災(zāi)發(fā)生的過程中一氧化碳的質(zhì)量變化情況，根據(jù)氣體質(zhì)量測量文件（.mass.csv）輸出的數(shù)據(jù)，繪制成折線圖，如圖3所示。

從圖3可以得出，在4層（著火層）廚房內(nèi)沒有CO濃度含量，其質(zhì)量為0.從折線的變化斜率可以分析出，火勢進(jìn)入初次增長階段，CO濃度上升得越快。在發(fā)生火災(zāi)之后112 s之后，CO濃度達(dá)到最大值為2.30E-02 kg，此濃度超過了2.5×10-3，會對人體構(gòu)成傷害，此時人員應(yīng)該采取逃生措施;隨后火勢燃燒進(jìn)入充分燃燒階段，CO濃度相對初次增長階段的CO濃度低，而此時的增長速率會下降;持續(xù)一段時間的充分燃燒，產(chǎn)生的CO質(zhì)量一定，會隨著時間的增加而增加。在378 s時CO濃度達(dá)到最低值為1.42E-02 kg;隨后又開始增加，最后CO濃度為2.26E-02 kg[7].人員在逃生過程中，做好個人防護(hù)。

3.3?模擬過程中CO濃度分布情況分析

當(dāng)界面低于人眼特征高度時，還可以根據(jù)某種有害燃燒產(chǎn)物的臨界濃度判定是否達(dá)到了危險狀態(tài)。例如當(dāng)CO濃度達(dá)到2.5×10-3時，就可對人構(gòu)成嚴(yán)重危害。圖4給出了

Z=3.5 m（即著火層地面高度為0.5 m）處不同時刻下CO的濃度變化。圖4（a）在火災(zāi)發(fā)生66.5 s時，四層（即著火層）所有房間內(nèi)的CO濃度值已超過2.5×10-3，T=66.5 s為著火層整個廚房內(nèi)的CO濃度高達(dá)

5×10-3，此時火勢正處于增長階段，CO濃度上升最快。此刻，四層客廳中的CO濃度達(dá)到4.0×10-3以上，如果此時客廳內(nèi)還有人員會CO中毒，應(yīng)該立即采取逃生措施[7]。四層的臥室內(nèi)和衛(wèi)生間內(nèi)的達(dá)到2.0×10-3.圖4（b）火災(zāi)在發(fā)生122 s時，從圖中可以清晰地看出，整個走廊內(nèi)的CO濃度達(dá)到4.5×10-3以上，此時四層（著火層）的所有房間內(nèi)的CO濃度在3.5×10-3以上，都超過2.5×10-3對人體構(gòu)成嚴(yán)重危害。此時火勢進(jìn)入轟然階段，整個廚房都在充分燃燒，即四層所有房間內(nèi)的CO濃度達(dá)到2.5×10-3以上的最短時間為112 s.圖4（c）T=196 s時，由于火勢進(jìn)入減弱階段，廚房內(nèi)CO濃度開始下降，煙氣開始擴(kuò)散到樓梯間，樓梯間的CO濃度也開始上升。圖4（d）T=300 s時房間內(nèi)的CO濃度開始下降，樓梯間充滿煙氣，走廊內(nèi)和樓梯間內(nèi)的CO濃度達(dá)到3.0×10-3.

3.4?模擬過程中能見度結(jié)果分析

發(fā)生火災(zāi)后，影響人員逃生的一個極為重要的因素就是能見度。根據(jù)《建筑防火工程》中規(guī)定，對建筑物不熟悉的人群能見度應(yīng)達(dá)到13 m，對建筑熟悉的人群能見度也要到達(dá)5 m.判斷煙氣是否對人構(gòu)成危險，通常以人眼特征處的煙氣作為判斷依據(jù);當(dāng)煙氣高度低于人眼特征高度時，將會對人的呼吸和逃生帶來直接不利的影響。人眼的特征高度通常為1.2～1.8 m，文中取為1.5 m;因為居民樓空間不夠開闊，所以其臨界危險能見度取5 m.

取著火層的0.5 m（Z=3.5 m）高度處切面在不同時刻下的能見度的變化情況如圖5所示。

圖5（a）中T=62 s四層（著火層）所有房間內(nèi)的能見度切面，所有房間的能見度低于5 m，整個房間受煙氣的影響，被煙氣籠罩，不利于人員逃生，此時人員應(yīng)該采取彎腰或者匍匐前進(jìn)的逃生方式。圖5（b）中T=118.6 s時整個四層所有房間和走廊內(nèi)能見度都低于5 m，煙氣從房間擴(kuò)散到走廊，即四層走廊的能見度降低5 m所需的最短時間為118.6 s.圖5（c）T=369 s時四層的走廊內(nèi)和樓梯間內(nèi)的能見度，可以很明顯的看出，此時整個走廊和樓梯間的能見度已經(jīng)低于5 m，此時，走廊和樓梯間內(nèi)都不利于逃生，能見度極低，人員在逃生過程中因能見度很低會跌倒;但是由于火勢進(jìn)入減弱階段，著火點廚房的能見度逐漸升高。圖5（d）中，燃燒1 000 s結(jié)束時，四層廚房內(nèi)的煙氣已經(jīng)擴(kuò)散完了，能見度逐漸增加，上升到達(dá)27 m以上，四層所有房間的能見度在6～12 m，四層走廊和樓梯間內(nèi)的能見度低于5 m，雖然各層房間內(nèi)能見度還較高，但由于樓梯間是唯一的疏散通道，所以這種情況對于樓內(nèi)人員逃生是很不利的[7]。

3.5?模擬過程中煙氣結(jié)果分析

從煙氣運動模擬過程分析可以得出，當(dāng)廚房內(nèi)物質(zhì)燃燒引發(fā)火災(zāi)后，煙氣由著火點向外蔓延，直至碰觸頂棚后向四周水平擴(kuò)散，在此過程中伴隨著周圍墻體對煙氣的阻擋和冷卻，逐漸沿墻體向下流動。

圖6為不同時刻房間0.5 m處切面的煙氣擴(kuò)散分布變化，可以看出，圖6（a）中煙氣在75 s時基本上彌漫了整個廚房的上空，隨著煙氣不斷產(chǎn)生，上部煙氣層逐漸增厚，到達(dá)廚房門口以下時，通過門口向客廳和室內(nèi)其他房間擴(kuò)散，由于客廳內(nèi)無梁和其他突出障礙物的阻礙，因此煙氣沿頂棚的流動很快，圖6（b）中顯示在132 s時煙氣開始蔓延至樓梯，圖6（c）中看出447 s時煙氣在著火點處廚房仍有聚集，在客廳處慢慢消散后在樓梯間慢慢聚集，而圖6（d）中清楚地看到807 s時煙氣在房間內(nèi)的擴(kuò)散程度已明顯減弱，此時在樓梯間的煙氣濃度已達(dá)到最高值，最后圖6（e）中顯示996 s時煙氣已完全擴(kuò)散至樓梯間內(nèi)，房間內(nèi)煙氣已慢慢消失殆盡[7]?？偨Y(jié)整個過程，隨著火災(zāi)的發(fā)生，在房間內(nèi)煙氣從著火點處開始慢慢向樓梯間處擴(kuò)散，擴(kuò)散速度開始慢慢加快，在充分燃燒完成之后，隨著火勢的減弱，煙氣擴(kuò)散速度慢慢降低[7]。

4?結(jié)論與建議

4.1?結(jié)論

1）四層所有房間和走廊內(nèi)的CO濃度超過2.5×10-3（即對人體構(gòu)成傷害的濃度），即達(dá)到危險狀態(tài)的最短時間為122 s;溫度超過120 ℃，即達(dá)到危險狀態(tài)的最短時間為144.4 s;能見度小于5 m，即達(dá)到危險狀態(tài)的最短時間為118.6 s.從而可以說明在發(fā)生火災(zāi)過程中，煙氣能見度對人員的傷害大于溫度和CO濃度對人員的傷害;在逃生過程中，人員在118.6 s還沒有撤離的話，隨著CO濃度的增大，煙氣溫度的升高，會受到更嚴(yán)重的傷害。

2）在火災(zāi)發(fā)生300 s時，火災(zāi)處于轟然之后的充分燃燒階段，此時房間內(nèi)的CO濃度達(dá)到最大，房間內(nèi)的人員處于最危險時期，如果在這之前房間內(nèi)的人員還未逃離的話，接下來會遭受高溫的傷害，就會有生命危險了;在366 s以后，四層的走廊和樓梯間內(nèi)的CO濃度超過2.5×10-3，此時人員逃生到樓梯間內(nèi)會造成生命危險。

3）在火災(zāi)發(fā)生118 s時，火災(zāi)處于轟然之后的充分燃燒階段，此時四層走廊內(nèi)的能見度下降到最低，小于3 m，此時，人員還未逃離的話，應(yīng)該采取彎腰或者匍匐前進(jìn)的逃離措施。在320 s之后，走廊和樓梯間內(nèi)的能見度都小于3 m，此時樓梯間內(nèi)的人員最危險，由于能見度低，在逃生過程中可能會跌倒，造成更大的意外傷害。

4）在火災(zāi)發(fā)生132 s之后，整個四層的所有房間和走廊內(nèi)都布滿煙氣，能見度下降。此時還未擴(kuò)散到樓梯間，在這之前是四層以上樓層人員的最佳逃生時間。在996 s以后，煙氣主要集中在四層到七層的走廊和樓梯間內(nèi)，八層也分布了一些煙氣，如果在火災(zāi)發(fā)生1 000 s之后，八層以上還有人員未撤離的話，建議不要盲目采取任何逃生措施，往下逃生的危險更大。

4.2?建議

1）對政府相關(guān)部門應(yīng)該提出建立以管理為綱要、技術(shù)為支撐手段，突出管理對技術(shù)的指導(dǎo)與協(xié)調(diào)原則的高層建筑火災(zāi)防控安全體系。對高層建筑的設(shè)計、審核、驗收等流程要嚴(yán)肅重視，使那些存在危險有害因素的高層建筑一定不能蒙混過關(guān)，做到“嚴(yán)查必究、嚴(yán)格把關(guān)、安全建設(shè)”，從而杜絕“先天性”火災(zāi)隱患。政府消防研究的有關(guān)部門應(yīng)當(dāng)加強消防基礎(chǔ)建設(shè)和消防設(shè)備的研發(fā)改進(jìn)，提高消防設(shè)備的實用性和功能性，研究出專門適合高層建筑的消防設(shè)備和防火保護(hù)設(shè)施。例如：目前我國消防云梯的高度往往不能滿足高層居民樓的滅火高度，應(yīng)當(dāng)在現(xiàn)實合理的情況下提高云梯高度。

2）對于高層居民樓的設(shè)計者、施工者而言，設(shè)計者應(yīng)從專業(yè)角度制定符合居民樓本身特點的消防系統(tǒng);施工者在施工過程應(yīng)嚴(yán)格遵守國家相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，保質(zhì)保量。

3）對于安全管理人員應(yīng)熟悉消防知識，建立火災(zāi)應(yīng)急預(yù)案，培養(yǎng)專業(yè)的知識技能，增強責(zé)任心，增強居民的自救意識;加強消防管理，落實責(zé)任制度。

4）加強對于高層居民樓居住著的火災(zāi)時應(yīng)急救援和逃生的教育，相關(guān)部門組織居民進(jìn)行消防演習(xí)、消防講座，讓居民能夠深入了解在發(fā)生火災(zāi)時應(yīng)做的事情。

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