基于FDS的某居民樓火災(zāi)數(shù)值模擬及安全疏散研究*

薛元杰 周建新

1.首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院 2.中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院

1 研究對(duì)象及場(chǎng)景介紹

1.1 研究對(duì)象概況

本課題選擇呼倫貝爾市阿榮旗“熙和國際”居民住宅樓作為研究對(duì)象，該住宅樓共有七層，單層高度為3m，每層兩室住戶，各層房間格局相同，住宅樓中間樓梯間為唯一的疏散通道。經(jīng)過必要的近似和簡(jiǎn)化過程，本文所建的室內(nèi)模型由兩個(gè)臥室、一個(gè)廚房、一個(gè)衛(wèi)生間和一個(gè)客廳所組成。隱藏遮擋部分的單層實(shí)體模型，如圖1。

1.2 火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

圖1 起火樓層實(shí)體模型

為了使模擬結(jié)果合理、全面并能充分的體現(xiàn)居民樓火災(zāi)特征，本文將著火房間設(shè)置在整棟居民樓的第三層。居民樓內(nèi)最常見的起火原因是電器的老化和使用不當(dāng)所致，所以本文將起火設(shè)置在廚房里側(cè)，火源起因?yàn)殡娋€短路引燃廚房內(nèi)某易燃物品起火，假設(shè)起火時(shí)所有的門均為開啟狀態(tài)，火災(zāi)煙氣可以直接擴(kuò)散到樓梯間和其他各房間內(nèi)。為了反映現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，在室內(nèi)添置了床、沙發(fā)和櫥柜，且將頂棚和外墻面設(shè)置為半透明，以便于觀察室內(nèi)燃燒現(xiàn)象。

2 研究方法

本文利用Fire Dynamics Simulator（火災(zāi)動(dòng)力模擬，簡(jiǎn)稱FDS)軟件對(duì)居民樓火災(zāi)發(fā)展概況進(jìn)行全真模擬，F(xiàn)DS由美國國家標(biāo)準(zhǔn)局建筑火災(zāi)研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的基于場(chǎng)模擬的火災(zāi)模擬軟件，主要目的是解決消防安全工程中的典型火災(zāi)問題，在火災(zāi)安全工程領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛。

本文設(shè)定模型計(jì)算區(qū)域?yàn)?1.4m×12.4m×21.0m，房間內(nèi)環(huán)境溫度為22℃，模擬時(shí)間為900s，可燃材料為以聚亞氨脂為主，根據(jù)火場(chǎng)實(shí)際情況并考慮計(jì)算的效率和精度最終劃分網(wǎng)格100×108×200=2160000個(gè)，網(wǎng)格參數(shù)，見表1。

表1 網(wǎng)格參數(shù)

3 居民樓數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 煙氣擴(kuò)散過程

根據(jù)煙氣運(yùn)動(dòng)的模擬過程可以看出，廚房內(nèi)物質(zhì)著火后，煙氣自著火點(diǎn)向外蔓延，受到周圍墻體的阻擋和冷卻，逐漸沿墻向下流動(dòng)。在56s時(shí)，煙氣基本上彌漫了整個(gè)廚房的上空，250s左后開始向樓梯間擴(kuò)散，443.3s時(shí)煙氣已經(jīng)充滿整個(gè)室內(nèi)，且已開始蔓延到四層住戶的房間，900s計(jì)算結(jié)束時(shí)，煙氣已經(jīng)充滿除一層外的整個(gè)樓梯間以及三層和四層的全部住戶房內(nèi)。圖2可以清楚的看到各種狀態(tài)下的切面。

3.2 火災(zāi)煙氣不同參數(shù)的影響分析

火災(zāi)中影響人員安全疏散的定量參數(shù)包括煙氣層高度、輻射熱、對(duì)流熱、毒性和能見度等。本文主要從能見度、溫度、CO濃度這三個(gè)方面來分析居民樓火災(zāi)可能造成的影響。

3.2.1 能見度分析

圖2 不同時(shí)刻不同位置的煙氣動(dòng)態(tài)

根據(jù)《建筑防火工程》中規(guī)定，對(duì)建筑物不熟悉的人群能見度應(yīng)達(dá)到13m，對(duì)建筑熟悉的人群能見度也要到達(dá)5m。根據(jù)模擬發(fā)現(xiàn)266s房間三層房門處的能見度切面，雖然此時(shí)兩個(gè)臥室和廚房的能見度依然高于25m，但整個(gè)客廳的能見度已經(jīng)變得非常低，但為了避免吸入大量煙氣，還是需要彎腰或匍匐逃出。

3.2.2 煙氣溫度變化分析

本文將對(duì)人體造成直接傷害的煙氣的臨界溫度取為120℃，主要對(duì)房間內(nèi)1.5m處的溫度變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。400s時(shí)，室內(nèi)各房間出口處1.5m高度的溫度逐步逼近，基本到了逃生的最后關(guān)頭。667.8s時(shí)，廚房溫度達(dá)到最高，廚房發(fā)生轟然，整個(gè)廚房都在燃燒，此時(shí)房間內(nèi)的人員是最危險(xiǎn)的，如果在此之前沒有撤離將有生命危險(xiǎn)。

3.2.3 煙氣中CO濃度變化分析

當(dāng)界面低于人眼特征高度時(shí), 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(xiǎn)狀態(tài), 例如當(dāng)CO濃度達(dá)到2500ppm即時(shí)，就可對(duì)人構(gòu)成嚴(yán)重危害[2]。555.2s時(shí)整個(gè)室內(nèi)各門截面和客廳的1.5m高度處的CO濃度都已達(dá)到2500ppm以上，此時(shí)如果室內(nèi)還有人將有生命危險(xiǎn)。900s計(jì)算結(jié)束時(shí)，整個(gè)室內(nèi)CO濃度達(dá)到4000ppm以上，蔓延到四層的煙氣中CO濃度最高也達(dá)到了3000ppm，如果人處在這樣的環(huán)境中不能及時(shí)離開，就可能會(huì)中毒、窒息甚至死亡。

4 居民樓火災(zāi)的疏散分析

在消防安全工程分析中，一般將人員的消防安全疏散過程大致分為察覺火災(zāi)、疏散行為準(zhǔn)備、逃生行動(dòng)、到達(dá)安全區(qū)域等階段。而從火災(zāi)發(fā)生至火災(zāi)發(fā)展到對(duì)人體構(gòu)成危險(xiǎn)所需的時(shí)間大致可由可燃物被點(diǎn)燃以及火災(zāi)發(fā)展到圖3[3]所示危險(xiǎn)狀態(tài)的時(shí)間構(gòu)成[4]。

圖3 人員疏散時(shí)間示意圖

有效安全疏散時(shí)間ASET是指從起火的時(shí)刻到火災(zāi)對(duì)人構(gòu)成危險(xiǎn)的時(shí)刻的時(shí)間間隔，即危險(xiǎn)到來時(shí)間。從起火到人員成功撤離危險(xiǎn)區(qū)域所需的時(shí)間為必需疏散時(shí)間RSET，也即疏散時(shí)間。保證人員安全疏散的基本條件是：

受多方面因素的影響，RSET主要與火災(zāi)報(bào)警時(shí)間以及火災(zāi)時(shí)的人員行為等因素有關(guān)，一般由四個(gè)部分組成[6]：

式中：

tde—火災(zāi)探測(cè)時(shí)間，s；

talarm—火災(zāi)報(bào)警時(shí)間，s；

tpre—疏散準(zhǔn)備時(shí)間，s；

tmove—人員運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s

tb—起火到室內(nèi)人員察覺時(shí)間，s；

tc—疏散準(zhǔn)備所用時(shí)間，s；

ts—疏散到安全地帶事件，s。

對(duì)于RSET，多側(cè)重于人員運(yùn)動(dòng)時(shí)間的計(jì)算，研究人員在疏散路線上的運(yùn)動(dòng)情況[7-8]。根據(jù)本模擬的居民樓的實(shí)際情況，人員必須疏散時(shí)間的計(jì)算可簡(jiǎn)化為：

式中：

t0—人員響應(yīng)時(shí)間，s；

tmove—人員運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s。

考慮到室內(nèi)人員的最短逃生距離，依據(jù)人員行走速度統(tǒng)計(jì)量表，下樓梯行走時(shí)間、速度等標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，以及各房間內(nèi)不同人員疏散的運(yùn)動(dòng)時(shí)間[9]，得到房間內(nèi)不同人員疏散的運(yùn)動(dòng)時(shí)間 （s），見表2、3。

表2 各房間內(nèi)不同人員疏散的運(yùn)動(dòng)時(shí)間（s）

表3 每個(gè)樓層不同人員的下樓時(shí)間（s）

由于三層著火房間的火災(zāi)危險(xiǎn)性最大、可逃生時(shí)間最短，以三層房間為例，由公式3最終得出保證三層房間內(nèi)人員撤離所必須的疏散時(shí)間為：

在本文的模擬中，采用可見度、溫度、CO濃度作為火災(zāi)到達(dá)危險(xiǎn)狀態(tài)的判據(jù)，通過查閱大量的文獻(xiàn)，并考慮本文所模擬的居民樓的實(shí)際情況，設(shè)定危險(xiǎn)來臨時(shí)刻判據(jù)指標(biāo)，見表4。

表4 危險(xiǎn)來臨時(shí)刻判據(jù)指標(biāo)

在火災(zāi)中，這三種危險(xiǎn)條件哪一個(gè)先達(dá)到就采取哪一個(gè)作為判斷依據(jù)，由于三層著火房間的火災(zāi)危險(xiǎn)性最大、可逃生時(shí)間最短，所以只需要計(jì)算三層房間內(nèi)人員的可用安全疏散時(shí)間。從FDS模擬的結(jié)果可以看出：房間內(nèi)煙氣能見度達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)所需的最短時(shí)間為334.8s，房間內(nèi)煙氣溫度達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)所需的最短時(shí)間為347.2s，房間內(nèi)煙氣中CO濃度達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)所需的最短時(shí)間為552.2s。

若要滿足公式1的人員安全疏散的基本條件，即ASET＞RSET，則根據(jù)公式4計(jì)算出人員響應(yīng)時(shí)間不能超過201s，也就是說只有在火災(zāi)發(fā)生201s內(nèi)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)并開始疏散，才能保證人員的安全。

5 結(jié)論

利用FDS數(shù)值模擬的方法建立了呼倫貝爾市阿榮旗“熙和國際”居民住宅樓的火災(zāi)發(fā)展模型，并對(duì)火災(zāi)過程及人員疏散進(jìn)行了深入的分析。最終可以得出以下結(jié)論：

（1）從計(jì)算和模擬結(jié)果來看，若不考慮特殊情況，則在居民樓火災(zāi)危險(xiǎn)狀態(tài)來臨前，居民樓內(nèi)的人員可以全部安全疏散，并且從火災(zāi)發(fā)生到人員撤離有201s的響應(yīng)時(shí)間，在正常狀態(tài)下，足夠樓內(nèi)的人員疏散到安全地點(diǎn)。

（2）通過對(duì)居民樓火災(zāi)煙氣的模擬，可以發(fā)現(xiàn)，房間內(nèi)煙氣能見度達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)所需的最短時(shí)間為334.8s，房間內(nèi)煙氣溫度達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)所需的最短時(shí)間為347.2s，房間內(nèi)煙氣中CO濃度達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)所需的最短時(shí)間為552.2s。從而可以說明火災(zāi)煙氣能見度對(duì)人員疏散的影響要大于煙氣溫度和煙氣中CO濃度對(duì)人員疏散的影響。整個(gè)過程中受到火災(zāi)影響最大的是其上層房間以及隔壁房間。

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