某高校辦公樓火災(zāi)模擬與應(yīng)急疏散仿真研究

王志帥，朱權(quán)潔，張 震，張爾輝，趙啟峰，師皓宇

(1.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201；2.華北科技學(xué)院 應(yīng)急技術(shù)與管理學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

我國突發(fā)公共事件較多，據(jù)應(yīng)急管理部消防救援局于2020年11月9日公布2020年1～10月全國火災(zāi)形勢報告，數(shù)據(jù)顯示全國共接報火災(zāi)19.6萬起，平均每兩分鐘就會有一場火災(zāi)的發(fā)生，共造成1472人傷亡，造成直接經(jīng)濟損失25.5億元，火災(zāi)依然是對我們的生活產(chǎn)生威脅最大的災(zāi)害之一。從未發(fā)生過火災(zāi)的高校較少。2020年9月上海大學(xué)寶山校區(qū)宿舍發(fā)生火災(zāi)。2020年11月湖南外國語職業(yè)學(xué)院一間女生宿舍發(fā)生火災(zāi)。由于我國高校中部分地區(qū)人員密集，火災(zāi)發(fā)生原因復(fù)雜，歷來是消防安全管理的重點單位。為面對嚴峻的高?；馂?zāi)形勢，開展本次高?；馂?zāi)應(yīng)急人員疏散數(shù)值模擬研究。

對于樓層火災(zāi)模擬方面的研究，眾多學(xué)者的研究多集中于火災(zāi)模型的建立、煙氣蔓延規(guī)律、頂棚溫度的分析、能見度分析、滅火系統(tǒng)對火勢影響等方面。如鄒馨捷等[1]以某高校學(xué)生宿舍樓為研究對象，運用Pyrosim軟件建立火災(zāi)擴散模型，模擬分析了高校學(xué)生宿舍樓在自動噴淋滅火系統(tǒng)是否失效和著火房間窗戶是否關(guān)閉等情況下發(fā)生火災(zāi)時，著火樓層頂棚溫度和煙氣層高度的變化規(guī)律，為高校學(xué)生宿舍消防安全管理提供依據(jù)；劉陽等[2]利用建模軟件Pyrosim建立火災(zāi)3D物理模型，通過火災(zāi)動力學(xué)模擬分析軟件FDS5.0來模擬火災(zāi)煙氣的蔓延過程，研究高溫?zé)煔夥植己湍芤姸确植记闆r，分析得出各火災(zāi)場景的火災(zāi)危險時間為類似的建筑火災(zāi)問題提供借鑒意義；唐莉青[3]應(yīng)用Pyrosim軟件通過建立火災(zāi)模型，研究火災(zāi)發(fā)展過程中的煙氣蔓延規(guī)律和相關(guān)規(guī)律對高層住宅建筑火災(zāi)的預(yù)防管理提出相關(guān)的對策建議措施。

樓層應(yīng)急疏散方面的研究，國內(nèi)外學(xué)者的研究集中于疏散場景分析、疏散效率分析、疏散設(shè)施分析、疏散人員心理狀態(tài)對疏散影響等方面，并取得了優(yōu)異的研究成果。如：馬輝等[4]基于Pathfinder軟件對某高校教學(xué)樓進行仿真研究，分析高校教學(xué)樓日間和夜間場景下各樓層人數(shù)、累計疏散人數(shù)與疏散時間的關(guān)系，為高校應(yīng)急疏散演練、應(yīng)急預(yù)案編制等提供依據(jù)；方瀟宇等[5]應(yīng)用Pathfinder軟件模擬人群的應(yīng)急疏散行為，對案例大樓的房間疏散、樓層疏散以及整棟樓的疏散進行了仿真研究，為高層建筑的應(yīng)急疏散設(shè)計提出建議；王志濤等[6]基于Pathfinder軟件以某高中教學(xué)樓為研究對象，通過變換出入口位置，改變樓梯梯段寬度等方式設(shè)計調(diào)整教學(xué)樓疏散場景，模擬了不同場景下教學(xué)樓出入口和各樓層樓梯處的人員疏散情況，根據(jù)對疏散過程及疏散時間的分析，為該類建筑緊急疏散設(shè)計提供參考；沈斌等[7]以某校環(huán)形中庭教學(xué)樓為研究對象，對該教學(xué)樓樓層的煙氣擴散情況進行研究分析，獲得了火災(zāi)發(fā)生后各樓層最佳疏散路徑和逃生時間；Groner N.E等[8]研究一種在火災(zāi)緊急情況下管理建筑物住戶移動的策略模型，該模型比通常規(guī)定的全階段建筑疏散、部分建筑疏散、就地避難的全建筑策略更有效。

但現(xiàn)有的研究未考慮火災(zāi)中煙氣擴散、能見度降低對人員疏散的影響；未考慮人員分布對疏散的影響；缺乏極端情況下樓房人員疏散仿真及應(yīng)急救援路線確定等問題的研究。

本文以某高校辦公樓為例，運用Pyrosim和Pathfinder軟件進行數(shù)值模擬研究。分析高校辦公樓在一樓實驗室和四樓辦公室同時發(fā)生火災(zāi)時，環(huán)境溫度、能見度以及人員性別、年齡對疏散的影響等，為高校辦公樓消防安全管理、火災(zāi)應(yīng)急人員疏散和應(yīng)急預(yù)案編制等提供依據(jù)。

1 數(shù)值模型的建立與火災(zāi)仿真

1.1 Pyrosim與模擬對象介紹

Pyrosim是快速準確地使用FDS模型的領(lǐng)先軟件，可以幫助用戶快速創(chuàng)建和管理復(fù)雜火災(zāi)模型的詳細信息。同時Pyrosim還提供了可以自定義并導(dǎo)入當前模型中的屬性庫，例如：反應(yīng)、熱探測器、材料、顆粒、表面和其他模型參數(shù)。因其強大的功能目前被廣泛應(yīng)用于樓房火災(zāi)、隧道火災(zāi)、高層建筑火災(zāi)等方面的研究。因此本文運用Pyrosim軟件對某高校辦公樓進行火災(zāi)數(shù)值模擬研究。

該辦公大樓為一棟綜合性辦公樓，以辦公室和實驗室為主。其中，一樓設(shè)置辦公室、實驗室、保衛(wèi)科；二樓設(shè)置辦公室、會議室、接待室；三樓設(shè)置辦公室、會議室、接待室；四樓設(shè)置辦公室、實踐教室、會議室；五樓設(shè)置辦公室、機房、資料室。當火災(zāi)發(fā)生將會造成重要資料受損、科研項目推遲，進而影響整個學(xué)院的正常工作進程。同時也造成巨大的經(jīng)濟損失，為學(xué)校帶來不可逆的名譽和經(jīng)濟上的影響。

圖1 辦公大樓實景圖

1.2 模型構(gòu)建

以某高校辦公樓為研究對象構(gòu)建模型，該辦公樓共五層，建筑物長83 m、寬16 m、高15 m，設(shè)有多個獨立房間，主要為辦公室、會議室、接待室、實驗室、機房教室，辦公樓東區(qū)和西區(qū)的逃生出口處于常閉狀態(tài)，辦公樓中區(qū)大門處于常開狀態(tài)。辦公樓內(nèi)設(shè)有消防栓、滅火器等滅火設(shè)施，火災(zāi)報警器等報警設(shè)備。模型正視圖和俯視圖如圖2所示，為直觀地呈現(xiàn)樓層的相對關(guān)系，去掉模型中的部分墻體。

圖2 數(shù)值模型圖

1.3 火災(zāi)場景的設(shè)置

FDS數(shù)值模擬以網(wǎng)格作為最小計算單位，網(wǎng)格的劃分直接影響計算結(jié)果的準確性[9]。本次模擬的網(wǎng)格的精確度為0.7 m×0.7 m×0.7 m，網(wǎng)格數(shù)量為93.5萬個。模擬的初始環(huán)境：房間內(nèi)流場狀態(tài)為靜止，溫度為20℃，壓強為一個標準大氣壓?？紤]到樓房起火具有蔓延快，撲救困難，救援難度大等特點以及辦公樓投入使用時間較長，雖然配有火災(zāi)報警裝置，但沒有自動滅火系統(tǒng)，沒有排煙系統(tǒng)等實際情況，同時分析各部分的使用情況，故設(shè)置兩個起火源進行數(shù)值仿真模擬研究。第一個起火點位于一樓實驗室。第二個起火點位于四樓辦公室。

參考王志剛等[10]的實驗原理和方法，設(shè)置火災(zāi)環(huán)境的相關(guān)參數(shù)。一樓實驗室起火點具有木材、泡沫、塑料、化學(xué)物品，聚酯等可燃物，釋放速率為2000 kW/m2，火災(zāi)類型為超快火，增長類型為超快t2增長型，自動滅火系統(tǒng)失效，防火門狀態(tài)失效。四樓辦公室起火點具有純棉纖維、木材等可燃物，釋放速率為1000 kW/m2火災(zāi)類型為快速火，增長類型為快速t2增長型，自動滅火系統(tǒng)失效，防火門狀態(tài)失效。具體參數(shù)如表1所示。為監(jiān)測辦公樓火災(zāi)的蔓延情況和逃生路線的能見度、溫度變化特征，設(shè)置若干溫度傳感器和能見度傳感器。

表1 火災(zāi)環(huán)境相關(guān)參數(shù)表

1.4 火災(zāi)模擬結(jié)果分析

1.4.1 火災(zāi)煙氣蔓延分析

圖3為模擬火災(zāi)發(fā)生后辦公樓煙氣蔓延和填充的過程的展示。從圖3(a)～(f)模擬結(jié)果中可以看出，火災(zāi)發(fā)生3 s時火源燃燒初期，煙氣主要聚集在火源周圍；火災(zāi)發(fā)生15 s時，一樓大廳被煙氣填充，煙氣已經(jīng)通過一樓出口擴散到辦公樓以外的地方，同時大量的煙氣通過樓梯快速向上蔓延；火災(zāi)發(fā)生60 s時，由一樓火源產(chǎn)生的煙氣已蔓延至五樓，由四樓火源產(chǎn)生的煙氣已通過西側(cè)的逃生出口擴散到辦公樓以外，此時煙氣并未填充整個四樓走廊通道。隨著火災(zāi)的繼續(xù)發(fā)展，煙氣繼續(xù)擴散，煙氣濃度逐漸增大；t=100 s時，煙氣蔓延填充四樓西區(qū)走廊；火災(zāi)發(fā)生110 s時，一樓東區(qū)、中區(qū)和西區(qū)完全被煙氣填充；火災(zāi)發(fā)生130 s后，煙氣繼續(xù)蔓延，一樓、四樓完全被煙氣填充，整個辦公樓被填充了75.13%。

圖3 煙氣蔓延圖

1.4.2 溫度變化分析

在模型中添加溫度傳感器(模型中用temperature表示)用于監(jiān)測火災(zāi)過程溫度變化特征，傳感器分布于火源高1.5 m處和各個樓層的樓梯出口處，相對位置如圖4所示。根據(jù)傳感器得到的溫度變化數(shù)據(jù)，繪制溫度變化曲線，如圖5所示。通過分析溫度變化曲線得出以下幾點：①火源處傳感器所展現(xiàn)出來溫度變化趨勢大致相同，火源燃燒初始階段溫度迅速升高到達最大值后產(chǎn)生波動溫度有所下降，但隨著火勢的蔓延溫度在到達最低點后開始接著上升，同時隨著時間的發(fā)展溫度趨向于平穩(wěn)狀態(tài)；②火災(zāi)發(fā)生時火源處溫度直線型上升，易對火源處的人員生命安全造成嚴重的威脅，火災(zāi)發(fā)生的第一時間逃離危險，遠離火源是至關(guān)重要的；③樓梯出口處的溫度變化趨勢相同，溫度變化較為緩慢，離火源越近，溫度變化越快；④人體的環(huán)境溫度極限大約為116℃，在190 s內(nèi)共有6個傳感器的數(shù)據(jù)超過116℃。

圖4 溫度傳感器相對位置圖

圖5 溫度變化曲線圖

1.4.3 能見度變化分析

燃燒物在燃燒過程中會伴有大量的固態(tài)、液態(tài)微粒產(chǎn)生，極大的影響火災(zāi)現(xiàn)場的能見度，為人員的應(yīng)急疏散和火災(zāi)的順利撲滅產(chǎn)生極大的阻力[11]。因此在本次研究中共設(shè)置了15個能見度傳感器(模型中用visibility表示)，主要布置于每層的樓梯口和應(yīng)急出口處，相對位置如圖6所示。根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)繪制能見度變化曲線圖，如圖7所示。由圖7可知，火災(zāi)發(fā)生初期，樓層能見度大約為30 m，隨著火勢的蔓延煙氣填充辦公樓的能見度成指數(shù)型下降。因受一樓起火源的影響，傳感器visibility12(位于辦公樓正門處)的能見度下降最早，6 s時能見度已下降至5 m到達人員傷亡危險點[12]。101 s時，15個能見度傳感器收集到的數(shù)據(jù)均小于5 m意味著各個逃生出口處的能見度均小于5 m，101 s之后將失去最佳的逃生時間。

圖6 能見度傳感器相對位置圖

圖7 能見度變化圖

2 Pathfinder模型建立

Pathfinder是Thunderhead Engineering 公司研發(fā)的人員緊急疏散逃生評估系統(tǒng)軟件[13]，它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；同時模型還可以計算每個人員獨立運動并給予了一套獨特的參數(shù)(最高速度，出口的選擇等等)。Pathfinder目前已廣泛應(yīng)用于地鐵、商場、樓層等人員密集場所人員的疏散仿真研究中，因此本文也運用Pathfinder軟件對某高校辦公樓進行人員疏散的仿真研究。

2.1 模型構(gòu)建

本文通過對研究對象的建筑結(jié)構(gòu)特征、安全逃生出口的數(shù)量和分布以及每個房間的功能來構(gòu)建辦公樓的疏散物理模型，同時導(dǎo)入Pyrosim文件，在Pyrosim模型的基礎(chǔ)上進行房間、樓梯、逃生出口的創(chuàng)建，最終建模如圖8、9所示：

圖8 模型三維視圖

2.2 人員疏散場景設(shè)定

為考慮溫度、能見度對人員疏散的影響，基于前期火災(zāi)模擬結(jié)果和Pyrosim輸出的FDS Data文件，將FDS Data文件導(dǎo)入Pathfinder?？紤]到辦公樓的功能和樓層的使用情況將火災(zāi)場景的人數(shù)設(shè)置為166人。一樓共有23人，辦公室15人、實驗室4人、保衛(wèi)科4人；二樓共有33人，辦公室8人、會議室17人、接待室8人；三樓共有39人，辦公室16人、會議室23人、接待室0人；四樓共有20人，辦公室20人、實踐教室0人、會議室0人；五樓共有51人，辦公室15人、機房32人、資料室4人；人數(shù)具體分布如表2所示：

圖9 模型平面圖

表2 人數(shù)分布表

2.3 人員參數(shù)確定

人員疏散的研究中通常將人員分為5類：12歲及以下為兒童，13～18歲為少年，19～40歲為青年，41～60歲為中年，60歲以上為老年，19～40歲青年又進一步細分為青年男性、青年女性、中年男性、中年女性?？紤]到現(xiàn)實環(huán)境的因素，結(jié)合楊雨亭等人的研究確定疏散人員特征參數(shù)如表3所示[14]。

表3 人員特征參數(shù)表

3 人員疏散與應(yīng)急救援分析

3.1 人員疏散時間分析

本次數(shù)值模擬的人員應(yīng)急疏散場景共疏散人數(shù)166人，人員通過量最大的逃生出口為西區(qū)逃生出口，最小的為中區(qū)逃生出口。根據(jù)人員逃離數(shù)據(jù)繪制人員疏散曲線圖，如圖10所示。由圖10 可得到以下幾點結(jié)論：本次火災(zāi)場景分布在辦公樓的人員疏散完畢耗時130 s?；馂?zāi)發(fā)生后的12 s時，滯留人數(shù)曲線開始下降。疏散人數(shù)曲線具有一直上升的趨勢，當70 s時人員疏散效率有所下降，原因分析，65 s時因通過五樓西區(qū)逃生出口的人員增加導(dǎo)致五樓樓梯出口處發(fā)生擁堵造成人員滯留。

圖10 疏散人數(shù)圖

3.2 人員疏散過程與應(yīng)急救援

本次應(yīng)急仿真人員疏散部分過程圖如圖11所示。從圖11(a)～(f)中可以看出，t=0 s時人員疏散開始；t=15 s時，一樓西區(qū)成功疏散1人；t=55 s時，中區(qū)人員疏散接近尾聲；t=70 s時，中區(qū)和東區(qū)人員都已疏散完畢，西區(qū)人員均已進入樓梯通道；t=112s時，人員均已疏散到3層樓以下；t=129 s時，最后逃離火災(zāi)人員已到達西區(qū)1樓逃生出口。在本次疏散場景中東西區(qū)應(yīng)急逃生出口為重要的逃生出口，因此在真實環(huán)境中東西區(qū)逃生出口能否正常使用嚴重影響人員疏散的效率。當火災(zāi)現(xiàn)場出現(xiàn)人員滯留、無消防云梯等情況，最優(yōu)的應(yīng)急救援入口為東區(qū)逃生出口。東區(qū)逃生出口在數(shù)值模擬中能見度到達人員危險點用時最長，同時通過東區(qū)逃生出口的人流量較小，不易發(fā)生人員傷亡。

圖11 人員疏散過程圖

表4為疏散情況匯總表，分析表4可以得出66 s時，5樓51名人員均已離開5樓；83 s時4樓20名人員和5樓51名人員均已離開4樓；101 s時，3樓39名人員、4樓20名人員和5樓51名人員均已離開3樓；118 s時共疏散143名人員2樓及以上樓層所有人員均已離開2樓；130 s時共疏散166名人員1樓及以上所有人員均已離開1樓，人員被全部疏散。

表4 疏散情況匯總表

表5為最后離開辦公樓情況匯總表，最后逃生人員7消耗時間123.3 s、路徑距離75.8 m、滯留時間28.4 s、開始位置五樓辦公室、滯留原因四樓西區(qū)樓梯發(fā)生擁堵；最后逃生人員6消耗時間124.4 s、路徑距離39.3 m、滯留時間40.5 s、開始位置五樓辦公室、滯留原因五樓西區(qū)樓梯發(fā)生擁堵；最后逃生人員5消耗時間126.5 s、路徑距離70.2 m、滯留時間39.7 s、滯留原因五樓西區(qū)樓梯發(fā)生擁堵。其余人員信息見表5所示。分析表5最后離開辦公樓的7名人員的開始位置均是5樓。

表5 最后離開辦公樓情況匯總表

表4和表5表明，疏散時間與疏散人數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)，五樓人員疏散所需要時間最長成為疏散過程改進的重點；最后逃離火災(zāi)的7人中男女比例接近1∶1.3；疏散過程中發(fā)生人員滯留最重要的原因是發(fā)生人員的擁堵，特別是五樓西區(qū)樓梯的擁堵造成五樓76%的人員發(fā)生滯留。

4 結(jié)論

(1) 火災(zāi)發(fā)生時火源處溫度變化特征最明顯，10 s內(nèi)上升到300℃以上；煙氣通過樓梯上升至5樓是5樓中區(qū)被煙氣填充的主要因素。

(2) 本次應(yīng)急疏散共用時130 s；通過分析場景中的溫度傳感器和能見度傳感器采集的數(shù)據(jù)可知，能見度是制約人員避災(zāi)疏散效率的關(guān)鍵因素；在101 s時高校辦公樓逃生出口處的能見度已低于5 m，到達人員傷亡危險點，人員未能全部安全疏散。

(3) 基于某高校開展了火災(zāi)模擬與應(yīng)急疏散仿真研究。通過深入分析可知，辦公樓人員疏散效率與人員密度、人員的相對位置、疏散擁堵程度相關(guān)，辦公樓五樓西區(qū)發(fā)生嚴重滯留擁堵是影響人員逃生效率的主要原因，應(yīng)作為現(xiàn)實中火災(zāi)應(yīng)急避災(zāi)的首要安全隱患。

(4) 能見度變化特征對人員疏散和人員救援具有引導(dǎo)作用，本次的數(shù)值模擬中最優(yōu)的應(yīng)急救援入口為東區(qū)逃生出口。

(5) 本文針對某高校辦公樓，運用Pyrosim軟件進行了火災(zāi)數(shù)值模擬仿真研究，指導(dǎo)人員疏散、逃生。研究成果證明了仿真模擬技術(shù)在高層建筑火災(zāi)模擬和人員逃生疏散的研究領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而本文針對固定起火點、火勢蔓延和人員的疏散逃生進行研究，在本研究基礎(chǔ)上，針對多起火點、資料檔案保護、白天和夜間等不同研究重心下作進一步的研究與推廣將會取得更顯著的成果。