基于FDS和Pathfinder高校宿舍樓安全疏散仿真研究

鄭渝川

摘要：本文以河北某高校宿舍樓為研究對象，通過FDS和Pathfinder軟件進(jìn)行火災(zāi)模擬和安全疏散仿真，通過煙氣的能見度重現(xiàn)疏散過程中的真實(shí)場景，在關(guān)鍵的時(shí)間節(jié)點(diǎn)上對比人員疏散和煙氣層高度，研究表明在火勢剛剛開始蔓延時(shí)就對宿舍樓內(nèi)的人群進(jìn)行疏散，可以保證樓內(nèi)被困人員在必要安全疏散時(shí)間內(nèi)可全部疏散完全。

關(guān)鍵詞：FDS;Pathfinder;煙氣能見度;安全疏散

1引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對于高等教育越來越重視，但是高校的消防安全教育和疏散意識卻一直滯后。尤其是在宿舍樓這種人員密集且空間復(fù)雜的建筑物中，火災(zāi)發(fā)生的概率更高，且當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)如果不及時(shí)得到有效的控制就會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)的迅速蔓延。不少學(xué)者都對人員辦公和住宿樓進(jìn)行過深度的研究。

王煒罡等人[1]利用FDS對高層居民樓火災(zāi)進(jìn)行數(shù)值模擬，得出居民樓最佳的逃生時(shí)間是在火災(zāi)發(fā)生的122秒，之后會(huì)因?yàn)镃O濃度大、高溫等因素致使疏散產(chǎn)生困難。劉福貴[2]模擬了高層辦公樓建筑，其研究結(jié)果為高層辦公建筑防火設(shè)計(jì)及人員逃生提供理論參考。陳咪和湛蓮香[3]對高校宿舍樓進(jìn)行模擬得出在所設(shè)定的和實(shí)際想接近的火災(zāi)現(xiàn)場，安全出口臨界危險(xiǎn)溫度出現(xiàn)的最小時(shí)間是300s左右。戎傳亮[4]在原有研究高校教學(xué)樓的基礎(chǔ)上，通過分析疏散通道溫度的變化進(jìn)一步研究對疏散人員的影響，結(jié)果表明當(dāng)疏散人員行動(dòng)隨時(shí)間的變化比較大，溫度和人員密度隨時(shí)間的變化并無統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，當(dāng)兩者一致時(shí)，則其變化規(guī)律基本上符合高斯分布，但溫度總是滯后于人員密度變化，這與現(xiàn)實(shí)的情況較為符合。

通過比較前人較為完整的理論體系，本文通過運(yùn)用兩種軟件結(jié)合的方式，更加全面完整的還原火災(zāi)發(fā)生時(shí)的場景，由此進(jìn)行對宿舍樓合理的研究。

2工程概況

本文以某高校宿舍樓為例，該宿舍樓占地面積640m2，總建筑面積為1280m2，一樓有12間寢室，2個(gè)衛(wèi)生間，2個(gè)樓梯間，1間門衛(wèi)室和1間消防控制室，二樓有16間寢室和2個(gè)衛(wèi)生間。每間宿舍長6m寬4m，每層樓高為3m。建筑總面積為宿舍樓的一二層平面圖如圖1所示。

3評估目標(biāo)與安全判據(jù)

通過FDS進(jìn)行火災(zāi)數(shù)值模擬，根據(jù)所測得的CO濃度、溫度等數(shù)據(jù)判斷火災(zāi)的擴(kuò)散情況，評估當(dāng)前的建筑是否安全，通過Pathfinder進(jìn)行人員疏散模擬，得出總體人員的疏散時(shí)間和各個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的人員疏散情況。結(jié)合各個(gè)點(diǎn)的疏散和火災(zāi)蔓延的情況，真實(shí)地展現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)場的環(huán)境來評估該宿舍樓是否符合安全的標(biāo)準(zhǔn)。

1）2）2.1FDS工況設(shè)置

按照圖紙的設(shè)計(jì)要求，設(shè)置全尺寸的模型。設(shè)置總體框架為40m×16m×6m，網(wǎng)格的大小為0.5m×0.5m×0.5m，火源設(shè)置在樓梯正對著的寢室內(nèi)，火源功率為3000kW/s，火源類型為快速t2火，在一層門位置處設(shè)置寬1m高2m的四個(gè)門均為開啟狀態(tài)作為邊界條件。所有的墻體和樓梯均為水泥，可燃物為泡沫。

2.2Pathfinder設(shè)置

1）工況設(shè)置

按照圖紙的要求設(shè)置每個(gè)房間的門的位置和整棟樓四處出口的大小和位置，每個(gè)宿舍的房門為1m，整棟樓的出口門的寬度為2m。

2）人員參數(shù)設(shè)置

本次研究是以高效宿舍樓為模板，因此設(shè)置人員的疏散速度為1.5m/s，其余均按照軟件默認(rèn)的數(shù)值進(jìn)行設(shè)定。

3）人員數(shù)量與位置

每個(gè)宿舍樓分配6人，每層廁所均有2人，消防控制室有3人，門衛(wèi)室有2人，其余的人都在寢室的走廊上，一共有190人。所有人都隨機(jī)分布在各自的房間區(qū)域內(nèi)。

4火災(zāi)煙氣分析

在該條件下，在該建筑內(nèi)煙氣的發(fā)展如圖2所示，根據(jù)模擬情況中可知，當(dāng)開始10s，可燃物被點(diǎn)燃開始有煙氣冒出，在30s煙氣充滿整個(gè)寢室，開始向走廊蔓延，t=50s時(shí)，煙氣開始向樓道蔓延，60s時(shí)，樓梯間的煙氣開始堆積，但未在二樓形成明顯的煙氣層。二層的溫度均為20°，火災(zāi)剛開始煙氣溫度并不是很高，且煙氣剛蔓延至宿舍樓二樓，疏散人員可進(jìn)行安全的疏散。

5疏散安全分析

本次疏散所有人的時(shí)間為60s，根據(jù)模擬的情況如圖3所示，可知10s時(shí)一樓人員向安全出口按照次序基本上疏散過半，30s時(shí)一樓人群已經(jīng)疏散完全，二樓的人基本上在樓道中，50s時(shí)，所有人基本上疏散完全，只有少部分還處在樓道中。

6結(jié)論

通過火災(zāi)數(shù)值模擬和人員疏散模擬可以進(jìn)一步還原火災(zāi)最真實(shí)的場景，從模擬的結(jié)果來看，在50s時(shí)，煙氣開始在樓梯間內(nèi)擴(kuò)散，但是人員已經(jīng)在樓梯間的下半段基本上已經(jīng)疏散完全，60s時(shí)漸漸形成煙氣層，但是此時(shí)人員已經(jīng)疏散完全，因此煙氣未能明顯阻礙人員疏散。從過程來看，當(dāng)t=30s時(shí)，煙氣還未從寢室中蔓延出來，此時(shí)疏散人群已經(jīng)集中在樓道中，并且有大部分人已經(jīng)從宿舍樓中疏散出去。隨著時(shí)間的推移，人員始終可以在煙氣未到達(dá)時(shí)進(jìn)行合理有序的疏散，因此綜上所述該樓發(fā)生情況最危險(xiǎn)的火情時(shí)也可保證所有人群安全的疏散。

參考文獻(xiàn)

[1]王煒罡，文虎，賈勇鋒. 基于FDS的高層居民樓火災(zāi)模擬[J]. 西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，40（02）：314-320.

[2]劉富貴. 淺析FDS火災(zāi)模擬在高層辦公建筑的應(yīng)用[J]. 水電站設(shè)計(jì)，2020，36（01）：11-13+25.

[3]陳咪，湛蓮香. 基于FDS和Pathfinder高校宿舍樓安全疏散仿真研究[J]. 數(shù)字通信世界，2021，（06）：10-11+16.

[4]戎傳亮，雷文君，齊新葉. 疏散通道溫度變化與人員流動(dòng)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究——以高校教學(xué)樓為例[J]. 山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，36（03）：52-59.