基于FDS模擬的建筑物火災(zāi)損失量化方法研究

楊艷軍

(蘇州市消防支隊(duì)，江蘇 蘇州 215500)

基于FDS模擬的建筑物火災(zāi)損失量化方法研究

楊艷軍

(蘇州市消防支隊(duì)，江蘇 蘇州 215500)

基于建筑火災(zāi)損失量化理論的研究，結(jié)合火災(zāi)安全工程學(xué)方法和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估學(xué)原理，確定了建筑火災(zāi)損失一般量化方法和計(jì)算流程。利用FDS軟件對某建筑物進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了四種典型火災(zāi)場景下財(cái)產(chǎn)損失的概率和后果，并通過分析、比較，驗(yàn)證了建筑火災(zāi)損失量化方法的科學(xué)性和可操作性。研究成果既可以為保險(xiǎn)公司根據(jù)損失大小確定差別費(fèi)率提供依據(jù)，又可以使企業(yè)明確自身消防安全狀況，積極采取有效的防范措施，從而最大限度地降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

數(shù)值模擬；火災(zāi)損失；量化方法；火災(zāi)保險(xiǎn)；火災(zāi)評估

0 引言

建筑火災(zāi)損失量化是政府領(lǐng)導(dǎo)部門進(jìn)行科學(xué)決策和科學(xué)管理，制定消防法規(guī)和防火對策的基礎(chǔ)性資料，是消防部門發(fā)展、規(guī)劃、預(yù)防的必要條件?；馂?zāi)經(jīng)濟(jì)損失量化評估也可為保險(xiǎn)公司準(zhǔn)確客觀地理賠提供參考依據(jù)。國外建筑火災(zāi)損失評估方法和模型主要包括：加拿大的FiRECAMTM，該模型利用隨時(shí)間變化的確定性的和概率的模型來評價(jià)選定火災(zāi)場景對生命安全、財(cái)產(chǎn)安全和工作中斷所造成的損失；澳大利亞的CESARE-RISK模型，該模型采用了成本與效益比較模型來計(jì)算火災(zāi)對生命的風(fēng)險(xiǎn)和火災(zāi)預(yù)期損失；英國的CRISPⅡ模型，此模型是通過Monte-Carlo模擬所有的火災(zāi)場景的模型，進(jìn)而計(jì)算火災(zāi)損失[1]。國內(nèi)有關(guān)于建筑火災(zāi)損失的文獻(xiàn)包括：李引擎等人基于火災(zāi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，按照建筑分類統(tǒng)計(jì)分析火災(zāi)財(cái)產(chǎn)損失[2]；褚冠全等人利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)合火災(zāi)動力學(xué)分析建筑火災(zāi)損失[3]；徐志勝等人運(yùn)用灰色理論分析已有的火災(zāi)損失統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)從而預(yù)測未來一段時(shí)期內(nèi)的火災(zāi)損失[4]。

本文將火災(zāi)保險(xiǎn)靜態(tài)原則和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估學(xué)理論結(jié)合起來，提出建筑火災(zāi)損失的量化理論，計(jì)算建筑物的財(cái)產(chǎn)損失。該理論主要包括五個(gè)部分：火災(zāi)損失分析方法、設(shè)計(jì)火災(zāi)場景、典型場景的發(fā)生概率、火災(zāi)模擬研究、火災(zāi)損失量化系統(tǒng)應(yīng)用流程。

1 火災(zāi)損失分析方法

分析火災(zāi)損失需要研究四部分內(nèi)容：設(shè)計(jì)火災(zāi)場景；結(jié)合滅火效應(yīng)為每個(gè)確定的火災(zāi)場景設(shè)計(jì)火災(zāi)；確定場景的概率；量化每個(gè)場景的致?lián)p參數(shù)。然后將所得參數(shù)結(jié)果帶入到量化模型中，計(jì)算火災(zāi)損失。由此得到建筑物火災(zāi)損失模擬計(jì)算的流程和方法，具體內(nèi)容見圖1。

事件樹分析方法可以綜合考慮不同火災(zāi)場景發(fā)生的概率和損失后果，能夠?qū)?fù)雜對象的研究過程合理簡化，比較適合應(yīng)用到建筑火災(zāi)損失量化計(jì)算中。因此，本文運(yùn)用事件樹的方法來分析火災(zāi)損失事件和概率。

2 典型火災(zāi)場景

保險(xiǎn)公司在承保前，首先結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查表，對投保標(biāo)的進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)勘察，然后分析風(fēng)險(xiǎn)勘察得到的基本信息，進(jìn)而確定承保標(biāo)的各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)單位面臨的潛在損失場景的損失，為保險(xiǎn)公司決定是否承保、如何承保提供基本依據(jù)。然而，目前我國保險(xiǎn)部門沒有專門針對火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的調(diào)查表及火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的潛在損失場景定義。因此，結(jié)合國外幾類火災(zāi)損失場景的定義(正常預(yù)計(jì)損失NLE、可能的最大損失PML、最大可預(yù)計(jì)損失MFL、最大可能潛在損失MPL)[5]來確定潛在的火災(zāi)損失，并將這四種場景作為研究火災(zāi)損失的典型場景，詳細(xì)內(nèi)容見表1。

圖1 建筑物火災(zāi)損失模擬計(jì)算流程

表1 典型火災(zāi)場景損失

3 火災(zāi)致?lián)p參數(shù)的計(jì)算

3.1 模擬計(jì)算的致?lián)p參數(shù)

火災(zāi)損失的大小決定于火場的過火面積、溫度、煙氣濃度、水漬損失。此外噴淋啟動時(shí)間和消防隊(duì)救援時(shí)間對修正火場熱釋放速率起著至關(guān)重要的作用，因此，本文結(jié)合這兩種滅火效應(yīng)的時(shí)間來量化致?lián)p參數(shù)。消防隊(duì)的救援時(shí)間主要是通過經(jīng)驗(yàn)公式求解。噴淋啟動時(shí)間的求解思想是：首先根據(jù)所要研究的建筑物內(nèi)的物體擺放特征、材料特性以及噴淋的布置，構(gòu)建與實(shí)際情況等比例的小尺寸房間；其次合理設(shè)計(jì)該類建筑的火源熱釋放速率，然后運(yùn)用FDS模擬小尺寸空間的火災(zāi)，求得滅火系統(tǒng)的啟動時(shí)間；最后運(yùn)用FDS建模，對不同場景進(jìn)行模擬計(jì)算，從而求得所需的致?lián)p參數(shù)。具體流程見圖2。

3.2 利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算水漬損失

目前幾種主要的救火需水量的計(jì)算方法有：美國保險(xiǎn)事務(wù)所的計(jì)算方法、美國依阿華州計(jì)算方法、美國伊利諾州計(jì)算方法、新西蘭消防工程設(shè)計(jì)指南中的計(jì)算方法、加拿大安大略湖州建筑物防火系統(tǒng)供水指南中的計(jì)算方法和加拿大國家研究院所采用的計(jì)算方法。本文采用加拿大國家研究院計(jì)算方法。該方法將滅火需水量劃分為三部分：撲滅建筑物內(nèi)火災(zāi)所需用水量、阻止相鄰建筑物起火所需用水量、其它需要的用水量[6-7]。

圖2 計(jì)算致?lián)p參數(shù)流程圖

4 案例分析

4.1 倉庫概況

某服裝倉庫位于城市市郊，2005年興建并于次年投入使用，是一物流中心倉儲樓，建筑設(shè)計(jì)合理使用年限為50年。該建筑為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，共5層，高21.5 m，建筑總面積約10 298.4 m2，1到4層作倉儲用，第5層為機(jī)房。該倉庫與鄰近消防隊(duì)的距離約4 km；多側(cè)消防通道及防火分區(qū)的設(shè)置符合規(guī)范要求；1至5層設(shè)置相互貫通的樓梯間，有正常的疏散設(shè)備和消防聯(lián)動控制系統(tǒng)，但未設(shè)置機(jī)械防排煙設(shè)施；整個(gè)倉庫共有手提式滅火器98具。

4.2 場景分組和概率設(shè)定

4.2.1 場景分組

重點(diǎn)研究典型的四種場景對應(yīng)的分支路徑，具體內(nèi)容包括：火災(zāi)探測報(bào)警系統(tǒng)動作、火是否被工作人員或周圍群眾發(fā)現(xiàn)并撲滅、噴淋系統(tǒng)撲滅火災(zāi)、排煙系統(tǒng)的啟動、防火分隔效果以及消防隊(duì)救援。由于實(shí)例中沒有機(jī)械排煙系統(tǒng)，結(jié)合損失事件邏輯關(guān)系圖，得出如圖3所示的需要研究的火災(zāi)場景分組。

4.2.2 概率分析及確定

大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確得知路徑事件概率的必要條件，然而國內(nèi)缺乏關(guān)于起始和路徑事件的概率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，因此，在國外相關(guān)文獻(xiàn)研究[8]的基礎(chǔ)上確定各個(gè)路徑事件的概率，其中包括火災(zāi)發(fā)生概率、發(fā)現(xiàn)火災(zāi)的概率、室內(nèi)人工滅火的概率、水噴淋滅火系統(tǒng)成功概率、限制在起火室內(nèi)的概率以及消防隊(duì)滅火概率[9]。

圖3 火災(zāi)場景以及后果分組圖

4.3 火災(zāi)損失結(jié)果

利用FDS軟件，對四種典型場景進(jìn)行模擬[9-10]，可以得出建筑財(cái)產(chǎn)損失閾值以及致?lián)p參數(shù)的臨界值，通過確定物質(zhì)受損程度，最后得出四種場景下的損失情況。再結(jié)合上面的概率，從而求得各種損失場景的概率以及損失金額的區(qū)間范圍，具體情況見表2。

表2 倉庫火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果

5 核保建議

目前歐美各國保險(xiǎn)公司普遍采用風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評估方法來評價(jià)建筑物的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分值，最終決定核保決策以及浮動費(fèi)率。表3[11]描述了建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分值與風(fēng)險(xiǎn)等級的對應(yīng)關(guān)系。

表3 建筑火災(zāi)分值與火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級

保險(xiǎn)公司根據(jù)表3中的評價(jià)結(jié)果，提出核保建議，并確定投保建筑的費(fèi)率浮動情況。此處將表3中的每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)分值區(qū)間按公式(1)、(2)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的損失比例區(qū)間，從而得到損失比例與核保建議之間的對應(yīng)關(guān)系，見表4。

(1)

(2)

式中，Lrl為損失比例左端點(diǎn)；Lrr為損失比例右端點(diǎn)；Rmax為最大風(fēng)險(xiǎn)值，5；Rmin為最小風(fēng)險(xiǎn)值，1；Rr為風(fēng)險(xiǎn)分值右端點(diǎn)；Rl為風(fēng)險(xiǎn)分值左端點(diǎn)。

由前文可知，最危險(xiǎn)的極端情況的發(fā)生概率較低，因此，此處由前面三個(gè)典型場景來決定核保決策和費(fèi)率。由表4得，對于NLE和PML場景，風(fēng)險(xiǎn)低，可以考慮積極承保，而對于MFL場景，風(fēng)險(xiǎn)較低，保險(xiǎn)公司則會爭取承保。同時(shí)由表2可知該倉庫發(fā)生NLE的概率較其他場景大很多，因此，保險(xiǎn)公司會對該倉庫進(jìn)行積極承保。

6 結(jié)論與展望

通過本文的研究，得出以下結(jié)論：(1)本文研究的建筑物火災(zāi)損失量化方法是基于建筑火災(zāi)損失量化理論，并結(jié)合火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估學(xué)的方法，通過案例分析可知，該方法是比較科學(xué)合理的。(2)結(jié)合國外經(jīng)驗(yàn)和建筑火災(zāi)發(fā)展的一般規(guī)律，四種典型火災(zāi)場景的建立是合理的。(3)在確定火災(zāi)的致?lián)p參數(shù)時(shí)，應(yīng)考慮水噴淋啟動時(shí)間和消防隊(duì)救援時(shí)間以及水漬對火災(zāi)損失的影響。(4)基于FDS軟件，可以清晰直觀地分析整個(gè)火場中致?lián)p參數(shù)隨空間和時(shí)間的變化，比以往單獨(dú)用FDS中的Smokeview來分析參數(shù)的效果更直觀，從而確定了建筑火災(zāi)財(cái)產(chǎn)損失模擬計(jì)算方法的可行性與可操作性，有助于財(cái)產(chǎn)損失量化方法的應(yīng)用和推廣。

今后需要對以下幾個(gè)方面進(jìn)一步深入研究：(1)在分析場景發(fā)生概率時(shí)，借鑒了國外相關(guān)研究統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，但不同國家、不同區(qū)域的研究數(shù)據(jù)差異比較大，并不完全適合我國的實(shí)際情況。因此，亟須將消防統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和保險(xiǎn)部門統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相結(jié)合，并逐步建立保險(xiǎn)和消防共享的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，這樣有利于定量研究風(fēng)險(xiǎn)，并提高風(fēng)險(xiǎn)管理決策的效率。(2)本文采用致?lián)p閾值計(jì)算致災(zāi)因子得到物體的損壞程度，但是這些公式存在著誤差。因此，很有必要研究出各種致?lián)p參數(shù)對不同種類物體的致?lián)p機(jī)理，并在做大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上或基于保險(xiǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，總結(jié)出致?lián)p參數(shù)對物體的損壞經(jīng)驗(yàn)公式，從而提高預(yù)測的準(zhǔn)確性。(3)今后需要研究的另一個(gè)重點(diǎn)問題是改進(jìn)該方法的可操作性。本文研究的方法還比較煩瑣，應(yīng)在本文研究的基礎(chǔ)上，更加深入地研究，為保險(xiǎn)公司和企業(yè)提供一套更方便和快捷的方法。

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(責(zé)任編輯 馬 龍)

A Study on Quantification Methods of Fire Losses in a Building Based on FDS Simulation

YANG Yan-jun

(SuzhouMunicipalFireBrigade,JiangsuProvince215500,China)

Based on the research of quantification theory of fire losses in a building, and the methods of safety system engineering and the principles of fire risk assessment, a systematic calculating method and procedure was established. Taking selection atypical warehouse as an example, the probability and fire losses of four typical fire scenarios were obtained by numerical simulation using FDS. Through an analysis and comparison, the quantitative method of fire losses in a building was proved to be scientific operable. The research results not only provide an assistance for an insurance company to determine differential rate according to the fire losses, but also help an enterprise to understand fire risk confronted with itself and take effective preventive measures, thereby reduce fire risk as low as possible.

numerical simulation; fire losses; quantification method; fire insurance; fire risk assessment

2015-01-21

楊艷軍(1985— )，男，江蘇鹽城人，助理工程師。

D631.6

A

1008-2077(2015)04-0019-05