基于Pyrosim的高校學(xué)生宿舍火災(zāi)虛擬仿真

譚立云 聶國亮

摘?要：以我校某男生宿舍樓為研究對象，設(shè)置六個火災(zāi)場景，運用Pyrosim對研究對象進行火災(zāi)模擬。研究結(jié)果顯示：發(fā)生在走廊的火災(zāi)，相比于發(fā)生在室內(nèi)火災(zāi)，其煙氣蔓延速度更快;開啟起火房間窗戶能將煙氣排出，減慢煙氣蔓延速度;消防設(shè)施能有效控制火勢發(fā)展和煙氣蔓延，能顯著提高人員安全疏散的概率。

關(guān)鍵詞：高校學(xué)生宿舍;火災(zāi)模擬;虛擬仿真;Pyrosim

中圖分類號：X928

1?緒論

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，在各種災(zāi)害中，火災(zāi)是發(fā)生頻率最高的災(zāi)害之一。根據(jù)應(yīng)急管理部消防救援局發(fā)布火災(zāi)接處警數(shù)據(jù)，2020年全國接到的火災(zāi)報警為25.2萬起，這些火災(zāi)共造成1183人死亡，775人受傷，直接財產(chǎn)損失40.09億元[1]。

隨著高校招生人數(shù)的增多，學(xué)生宿舍樓的人員密度越來越大，學(xué)生宿舍樓的火災(zāi)安全隱患較多，我國發(fā)生了多起高校學(xué)生宿舍樓火災(zāi)。

我國高校宿舍樓一般人員密度大，大多數(shù)高校的宿舍為4人間或者6人間。并且由于宿舍內(nèi)存在大量服飾、被褥、書籍等易燃物，一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢將會迅速發(fā)展并蔓延，可能造成巨大的人員傷亡或者財產(chǎn)損失。本文選取我校某宿男生宿舍樓作為研究對象，研究宿舍火災(zāi)發(fā)展和煙氣的運動規(guī)律，為高校宿舍樓的消防管理和應(yīng)急疏散提供科學(xué)的參考。

2?建筑火災(zāi)理論簡介

建筑火災(zāi)的發(fā)展過程大致可以分為三個階段：初期增長階段、充分發(fā)展階段和減弱熄滅階段[2]。

初期增長階段：在這個階段，起火房間室內(nèi)外的溫差很大，起火點及其附近溫度很高，其他區(qū)域溫度較低，此時火災(zāi)的火勢不穩(wěn)且發(fā)展速度慢。此階段持續(xù)時長受多種因素的影響，例如起火位置、可燃物性質(zhì)和分布等。

充分發(fā)展階段：當(dāng)起火房間的溫度達到一定值時，房間內(nèi)聚集的大量可燃氣體和未充分燃燒物突然起火，房間由局部燃燒轉(zhuǎn)為全室性燃燒，這種現(xiàn)象稱為轟燃，若此時人員還未從火場逃出，則很難幸存。

減弱熄滅階段：在火災(zāi)充分發(fā)展階段的后期，可燃物不斷減少，火災(zāi)燃燒速度減慢，溫度逐漸下降。當(dāng)室內(nèi)平均溫度降到室內(nèi)最高溫度的80%時，火災(zāi)就進入了熄滅階段。之后，房間溫度下降明顯，直到房間內(nèi)可燃物完全被消耗，室內(nèi)外溫度一致，此時，火災(zāi)結(jié)束。

煙霧是由燃燒或熱解作用產(chǎn)生的，彌散在空氣中，煙霧實際上是由空氣中的微小固體顆粒、微小液滴和水蒸氣組成。據(jù)統(tǒng)計，火災(zāi)中，因煙霧原因致死的人數(shù)占全部死亡人數(shù)的60%，煙霧是火災(zāi)中對人員安全威脅最大的因素。

3?Pyrosim簡介

Pyrosim是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院研發(fā)一款火災(zāi)動態(tài)仿真模擬的軟件，常被用于模擬火災(zāi)發(fā)展和煙氣運動。可以設(shè)置不同的燃燒反應(yīng)、建筑物材料、表面材質(zhì)和消防設(shè)施等火災(zāi)模擬的要素，而且提供了用戶圖形界面，用戶使用更加方便，Pyrosim被廣泛用于建筑防火設(shè)計、消防安全模擬等[3]。

利用Pyrosim進行火災(zāi)模擬的基本過程為：模型建立、運行求解和分析處理。這三個過程的基本步驟如下：

（1）模型建立：①新建Pyrosim程序文件;②定義反應(yīng)和材料數(shù)據(jù);③創(chuàng)建網(wǎng)格;④定義和創(chuàng)建物體表面屬性;⑤創(chuàng)建實體構(gòu)筑物;⑥創(chuàng)建通風(fēng)口;⑦創(chuàng)建各種探測設(shè)備和消防滅火設(shè)備;⑧創(chuàng)建各種結(jié)果記錄;⑨檢查模型;⑩存儲模型。

（2）運行求解：①設(shè)置模擬屬性;②開始模擬。

（3）分析處理：①查看分析結(jié)果;②分析處理評估結(jié)果。

4?學(xué)生宿舍火災(zāi)Pyrosim模擬

4.1?宿舍樓基本情況介紹

本文研究的宿舍樓平面布局呈半“工”字形，男生和女生宿舍在同一棟樓，男生宿舍為“7”字形，為了降低建模難度和簡化模型，本文只研究男生宿舍的主樓部分。該宿舍樓主樓部分占地面積約1341m2，每層高3m，共五層，總建筑面積約為6700m2。該宿舍樓每層有兩個盥洗室，分別設(shè)置在宿舍樓兩端，一層設(shè)有2間會客室，2間宿舍管理員辦公室和30間寢室，二至五層每層有34間寢室。宿舍樓的每個房間住6人，每個房間都有衛(wèi)生間、陽臺和窗戶。相同樓層的每個房間由走廊連接，各樓層之間由樓梯相連，每層設(shè)有兩個樓梯間，分布于樓層兩側(cè)。該宿舍樓樓梯材料為混凝土，墻壁材料為石膏，地板材料為瓷磚，均為不可燃材料。宿舍樓在一層有兩個出口，假設(shè)有自動噴淋和自動排煙裝置。

為了簡化計算，在宿舍樓建模之前，做如下假設(shè)：

（1）建立模型時，不考慮樓梯間樓梯扶手，不考慮走廊的吊頂。

（2）建立房間模型時，房間內(nèi)部的物品，如床、桌椅、箱子等不考慮具體形狀，使用矩形塊來代替。

（3）寢室墻壁的材料設(shè)置為石膏，不考慮貼墻紙的情況，地板的材料為瓷磚，不考慮鋪設(shè)地板墊或地板貼的情況。

（4）除了火災(zāi)場景的設(shè)置要求外，假設(shè)宿舍樓所有的門窗為開啟狀態(tài)。

4.2?火災(zāi)模擬場景設(shè)置

本文主要研究起火房間窗戶的開啟狀態(tài)、自動噴淋系統(tǒng)和自動排煙系統(tǒng)對宿舍樓火災(zāi)的影響。由于宿舍樓布局是左右對稱的，火源位置在左側(cè)宿舍和右側(cè)宿舍的結(jié)果是對偶的，為了模擬多種情況，將火源位置設(shè)置為不同樓層的走廊或者寢室內(nèi)。為了模擬自動噴淋系統(tǒng)的影響，根據(jù)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB?512512017），在系統(tǒng)有效時設(shè)置火災(zāi)規(guī)模為1.5MW，無效時設(shè)置火災(zāi)規(guī)模為3MW。

根據(jù)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB512512017），設(shè)置能見度臨界值為5m，能見度小于5m則無法安全疏散;設(shè)置頂棚溫度臨界值為60℃，頂棚溫度大于60℃，人員無法疏散;設(shè)置煙氣層高度為臨界值1.5m，煙氣層高度低于15m，將嚴重影響人員疏散。