基于Pyrosim 的高校辦公樓火災(zāi)模擬仿真研究

高嘉璐

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新 123000)

根據(jù)調(diào)查，我國2021 年火災(zāi)大約74.8 萬起，共死亡約1987 人，受傷約2225 人。在高校中，辦公樓是除學(xué)生宿舍外另一密集的場所，人員年齡段分布廣，流動性大，存在較大安全隱患。馬銳[1]通過對近12 年全國發(fā)生的110 起群死群傷特大火災(zāi)情況的收集和整理，分別對群死群傷火災(zāi)總體情況發(fā)生年度、月份、省份、原因人員、死亡原因、死亡人員性別及特殊年齡階段死亡人員身份發(fā)生火災(zāi)區(qū)域行業(yè)類別經(jīng)濟類型建筑性質(zhì)等做出了總結(jié)。陳思奇[2]運用PyroSim火災(zāi)仿真模擬軟件對棉花露天倉儲火災(zāi)進行了數(shù)值模擬，根據(jù)計算結(jié)果對場內(nèi)火焰、煙氣蔓延情形、下游堆垛的溫度場和露天倉庫整體的溫度場以及不同風(fēng)速下熱釋放速率曲線進行了分析。呂希奎等[3]基于BIM 的二次開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)了對BIM 中材質(zhì)信息的有效、快速、準(zhǔn)確的提取，解決了BIM 和Pyrosim 軟件間的數(shù)據(jù)傳輸關(guān)鍵問題。在此基礎(chǔ)上，將BIM 集成在Pyrosim 軟件，實現(xiàn)了基于BIM 的火災(zāi)模擬，得到了火災(zāi)模擬信息和以及關(guān)鍵位置的可用安全疏散時間。

1 火災(zāi)燃燒理論及影響因素

火災(zāi)燃燒的條件是火源、可燃物和助燃物，三個條件缺一不可?；馂?zāi)燃燒分為六個階段，分別為：吸熱階段、熱解階段、發(fā)煙階段、轟然階段、全燃階段和衰減階段?；馂?zāi)中主要影響因素分別是溫度、一氧化碳濃度、能見度，因此本文主要對其三項進行模擬。若建筑物發(fā)生火災(zāi)將產(chǎn)生強烈的煙囪效應(yīng)，極大的加速煙氣體傳播有害物質(zhì)的速度，煙氣體中的有害物質(zhì)如：一氧化碳、二氧化硫等有害成分均會對人體及視線等造成不同程度的損傷，增加火場復(fù)雜程度及其疏散時間。

2 高校辦公樓火災(zāi)仿真模擬

2.1 Pyrosim 及模擬對象簡介

FDS 軟件是一款計算火災(zāi)動力學(xué)的軟件，依據(jù)守恒定律，設(shè)置燃燒材料導(dǎo)熱參數(shù)、溫度、能見度，模擬煙氣變化規(guī)律并通過SmokeView 來查看模擬結(jié)果。Pyrosim 是FDS 的預(yù)設(shè)軟件，在眾多火災(zāi)模擬軟件中，Pyrosim 以其快速的模型建立、方便的著火材料及位置確定，在火災(zāi)模擬中應(yīng)用廣泛。因此，本次進行火災(zāi)模擬的軟件選擇的是Pyrosim，利用Pyrosim 建立本次模擬的模型，再運行FDS 軟件，對模型進行模擬。

圖1 為遼寧工程技術(shù)大學(xué)北校區(qū)高校辦公樓BIM 模型圖。建筑一共4 層，建筑總高度20.6m，建筑面積為4492.14m2。

圖1 遼寧工程技術(shù)大學(xué)辦公樓BIM 模型圖

2.2 模型建立

本研究通過Revit 軟件對遼寧工程技術(shù)大學(xué)辦公樓進行模型的建立，再導(dǎo)入Pyrosim 中，得到火災(zāi)模擬模型。在FDS 中按照1:1 設(shè)定仿真模型，建筑物長寬高為87m、24m、20.6m，坐標(biāo)取（0，0，0），為保證模型的火災(zāi)模擬的準(zhǔn)確性，采取網(wǎng)格尺寸為1m×1m×1m，總網(wǎng)格數(shù)為49140 個，選取網(wǎng)格數(shù)量為90×26×21。

2.3 火災(zāi)有害因素分析及其危險性判定

在火災(zāi)發(fā)生時，影響的因素有煙氣溫度、煙氣高度、煙氣能見度和有害氣體。通過對這些因素分析來進行危險性判定。

2.3.1 煙氣溫度

圖2 Pyrosim 模型圖

過高的煙氣溫度會導(dǎo)致人的皮膚被灼燒，在火災(zāi)中溫度急速上升一定程度，使人體快速脫水、燒傷等產(chǎn)生生理性的影響，在進行火災(zāi)危險性判定時，需要確定人體的臨界溫度，根據(jù)研究，本次研究選取的人的耐受的臨界溫度為60℃。人體對輻射熱強度為2.5KW/m2。[4]

2.3.2 煙氣高度

火災(zāi)燃燒產(chǎn)生的大量煙氣，煙氣密度小所以漂浮在建筑頂部，隨著煙氣的聚集，煙氣高度降低，達(dá)到一定程度時會對人的疏散速度造成極大的影響。選取其中一個判定公式作為本文章的判定條件：

式中：HS-清晰高度（m）；HC-危險臨界高（m）；HP-平均高度（m），一般取1.6m；HB-建筑內(nèi)高度（m）。本研究的高校辦公樓層高為4.2m，根據(jù)式（1）能得出：HC=1.6+0.1×4.2=2.02（m）因此本次研究選取煙氣高度為2m 處，視為危險臨界高度。

2.3.3 煙氣能見度

能見度是指正常視力的人能將目標(biāo)物從背景中識別出來的最大距離，在火災(zāi)發(fā)生時，煙氣的不透光性會遮擋大部分視線，而且煙氣刺激人眼，會使人在火災(zāi)中視力下降。在一些專家研究中給出了對煙氣的能見度的臨界指標(biāo)，在小空間中能見度臨界值為5m，在大空間中臨界值為10m。

2.3.4 有害氣體

在建筑火災(zāi)中，煙氣中主要的有害氣體為CO，是火災(zāi)中導(dǎo)致死亡原因之一。常用的建筑材料燃燒所產(chǎn)生CO 的濃度高達(dá)2.5%，而CO 濃度達(dá)到0.1%時，已經(jīng)使人們產(chǎn)生頭暈惡心，中毒的現(xiàn)象，所以本文確定臨界CO 濃度危險值為0.1%。

2.4 著火點位置選取及著火點的火災(zāi)場景設(shè)置

2.4.1 著火點位置的選取

一個火災(zāi)模擬中，最重要的是著火點位置選取。本次研究著火點位置選取采用最不利原則，使得出的模擬結(jié)果更接近最差的情況，就能在現(xiàn)實應(yīng)用中挽救更多人的生命。在選取著火點位置時，遵循以下幾種原則:（1）貼近真實火災(zāi)情況。在研究中選擇現(xiàn)實中容易著火的材料、空間。（2）聚集人多且不容易疏散的空間。選擇不利于人們疏散的空間來貼近真實火災(zāi)場景。（3）考慮周圍空間環(huán)境。周圍環(huán)境的明與暗，距離疏散遠(yuǎn)與近都會影響著火點位置是否切近真實火災(zāi)場景。根據(jù)上訴原則，本文選擇一層大廳為著火源。如果一層大廳著火，煙氣會更大面積對兩側(cè)房間照成影響，更貼近火災(zāi)真實情況；空間上，常駐人和流動人員（學(xué)生請假和取體育用品學(xué)生等）眾多，熟悉場地環(huán)境和不熟悉場地環(huán)境的人在此處頻繁交集。在周圍環(huán)境方面，通過一層出口的人會更易被火災(zāi)產(chǎn)生的各種有害因素所影響，所以此著火點位置更能模擬火災(zāi)場景中火災(zāi)蔓延最差情況。

2.4.2 火災(zāi)場景的設(shè)置

模擬初始火災(zāi)場景的環(huán)境溫度為20℃，壓強為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101.325KPa。室內(nèi)風(fēng)為靜態(tài)，不考慮室外的風(fēng)對室內(nèi)煙氣的影響。本文研究的是高校的辦公樓，取此次最大熱釋放率為6000KW，火源的熱釋放速率模型設(shè)置為t2，本文選擇快速生長火，所以α=0.046890。根據(jù)公式Q=αt2可得，t=357.71s。即火源達(dá)到穩(wěn)定熱釋放速率的時間為357.71s。在距離每一層地面2m 高度處的兩個疏散樓梯口處和走廊中間分別設(shè)置溫度傳感器煙氣、煙氣高度傳感器、煙氣能見度傳感器和CO 濃度傳感器。

3 最不利著火點的模擬結(jié)果分析

3.1 煙氣彌漫過程分析

圖3 表示煙氣彌漫過程，圖（a）-（d）分別展示了30s、90s、270s、360s、的建筑立面圖的煙氣彌漫程度。在30s 時，在火源點產(chǎn)生少量煙氣，尚未充滿整個大廳；90s 時煙氣已經(jīng)不均勻充滿一層大廳且蔓延至兩側(cè)走廊，有大量煙氣通過一層大廳的樓梯蔓延至二層；270s 時，一層二層走廊已經(jīng)基本被煙氣填滿，煙氣沿著北側(cè)的兩個疏散樓梯已經(jīng)少量蔓延至三層的走廊中，四層有極少量煙氣進入走廊中；600s模擬結(jié)束時，一層二層完全被煙氣填滿，三層走廊被填滿，房間內(nèi)聚集的煙氣增多，四層走廊被煙氣填滿且開始蔓延至房間。中能見度降低至10m 時，對人員疏散逃生和火災(zāi)撲滅造成巨大的影響。根據(jù)探測器的數(shù)據(jù)繪制的能見度曲線變化圖和切片（圖5），在77s 時，各個探測器的能見度無變化都是30m，說明把握好火災(zāi)初期的時間，能極大程度的減少煙氣能見度的影響。探測器4 和5 位于大空間處，能見度最快降低至10m 以下，探測器4 和5 分別在97s 和95s 時，二樓中間的樓梯喪失疏散能力?？拷粚哟髲d主入口的探測器0在140s 時，煙氣能見度降低至10m。位于二層北側(cè)兩個疏散樓梯的探測器6（西側(cè)）和7（東側(cè)）分別在178s 和177s煙氣能見度降低至5m。三層在290s 時煙氣能見度降低至5m。四層在367s 時煙氣能見度降低至5m。

圖3 辦公樓內(nèi)部煙氣蔓延圖

圖5 能見度變化曲線圖

3.2 煙氣溫度分析

從溫度變化曲線（圖4）中可以看出14 個探測器的曲線變化趨勢相接近，靠近火源處的探測器0 在272s 時達(dá)到人體的耐受的臨界溫度60℃，靠近南側(cè)的主入口探測器3 在268s 時人體的耐受的臨界溫度60℃，即第268s 時，南側(cè)主入口喪失疏散功能。二層樓梯東側(cè)的探測器5 溫度最高，溫度上升最快，在244s 的時候達(dá)到60℃，位于大廳中間的樓梯喪失疏散功能。通過對比一層和二層的探測器發(fā)現(xiàn)，二層的煙氣溫度都大于一層的煙氣溫度，而位于三四層的探測器的數(shù)據(jù)全部沒有超過60℃，說明溫度變化對三四層人員逃生沒有影響。

圖4 溫度變化曲線圖

3.3 煙氣能見度分析

由前文2.3 可知，在小空間中能見度降低至5m、大空間

3.4 有害氣體CO 濃度分析

根據(jù)前文表2.3.2CO 濃度值為0.1%時，人們會出現(xiàn)頭暈惡心，中毒癥狀，嚴(yán)重影響人員疏散速度危害人們的生命。根據(jù)探測器的數(shù)據(jù)繪制的CO 濃度曲線變化（圖6）發(fā)現(xiàn)，位于二樓東側(cè)樓梯口的探測器5CO 濃度值最快達(dá)到0.1%，在317s 時，不適合人疏散逃生。探測器4 雖然前期上升CO 濃度值沒有探測器4 快，但是最終的CO 濃度值達(dá)到的最高，為0.22%。位于一層北側(cè)兩個疏散樓梯的探測器1（西側(cè)）和2（東側(cè)）分別在448s 和450s 時CO 濃度值達(dá)到0.1%。位于二層在410s 時CO 濃度值達(dá)到0.1%。位于三、四層在模擬結(jié)束時CO 濃度值均未達(dá)到0.1%。與前文溫度和能見度變化曲線作比較，發(fā)現(xiàn)達(dá)到溫度和能見度臨界值的時間較比于達(dá)到CO 濃度的臨界時間短。

圖6 CO 濃度值變化曲線圖

4 優(yōu)化

根據(jù)火災(zāi)模擬結(jié)果分析，在溫度、能見度和CO 濃度影響因素中，影響最大的是能見度，在190s 時，三個出口的能見度已經(jīng)降低至5m，使還未疏散的人們不能找到疏散出口，最后導(dǎo)致逃生失敗，所以為了延長疏散時間，就要增加人們在火災(zāi)中的能見度，主要方法為增加光源。通過縮小安全指示燈的間隔距離，增加應(yīng)急燈的數(shù)量及光的強度，每層疏散樓梯口的防煙防火門，來降低能見度對人們疏散的影響，從而減少人們疏散時間，使更多的人逃生成功。

5 結(jié)論

在本次火災(zāi)疏散模擬中，煙氣最先充斥一樓二樓的大廳，再向走廊蔓延。位于二樓大廳的樓梯處在244s 的時候最先達(dá)到人體耐受溫度達(dá)到60℃，并發(fā)現(xiàn)所有位于二層疏散口煙氣溫度都要高于其它層煙氣溫度。發(fā)現(xiàn)所有位于二層疏散口CO 濃度值都要高于其它層CO 濃度值。能見度在火災(zāi)疏散中影響最大，應(yīng)重視安全指示燈的間隔距離，增加應(yīng)急燈的數(shù)量及光的強度；在每層疏散樓梯間設(shè)置防煙防火門，以阻隔煙氣聚集逃生通道，降低能見度對人員疏散的影響。