基于Pyrosim的學(xué)生宿舍樓不同著火點(diǎn)火災(zāi)發(fā)展規(guī)律分析

吳 壯 亢 永 趙孟孟 馬書業(yè)

(北京石油化工學(xué)院，北京 102617)

0 引言

近幾年，高校學(xué)生宿舍樓火災(zāi)事故時(shí)有發(fā)生， 2015-2019年全國發(fā)生高校宿舍火災(zāi)2314起，平均每天發(fā)生高校宿舍火災(zāi)事故1.3起[1]。高校學(xué)生宿舍樓屬于人員高聚集場(chǎng)所，學(xué)生在宿舍內(nèi)使用違規(guī)電器、吸煙等行為都可能引起火災(zāi)事故，而宿舍內(nèi)易燃物質(zhì)多，比如學(xué)生的被褥衣物及生活用品等，一旦發(fā)生火災(zāi)事故，蔓延速度極快，瞬間釋放出大量黑色煙霧，嚴(yán)重影響人員疏散，極易造成不可估量的后果。

學(xué)生宿舍樓火災(zāi)一直是學(xué)者研究的熱點(diǎn)，影響學(xué)生宿舍樓火災(zāi)發(fā)展的因素有很多，鄒馨捷、龍新峰等[2-3]基于Pyrosim和Pathfinder研究學(xué)生宿舍門窗開閉狀態(tài)對(duì)宿舍火災(zāi)發(fā)展規(guī)律的影響；Zhen Xu等[4]學(xué)者提出地震對(duì)學(xué)生宿舍噴淋系統(tǒng)影響的預(yù)測(cè)模型，研究噴淋系統(tǒng)對(duì)學(xué)生宿舍火災(zāi)發(fā)展規(guī)律的影響；Baalisampang Til等[5]提出三角形安裝火災(zāi)探測(cè)器模型，可減少探測(cè)器的激活時(shí)間，并結(jié)合機(jī)械排煙系統(tǒng)減小火災(zāi)損失；唐莉青[6]基于Pyrosim研究防火門對(duì)高層建筑火災(zāi)發(fā)展規(guī)律的影響。由于學(xué)生宿舍樓內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不同著火點(diǎn)火災(zāi)的發(fā)展規(guī)律也有所差異，張愛然等[7]模擬高校宿舍不同著火點(diǎn)的火災(zāi)危險(xiǎn)時(shí)間，但作者只考慮溫度和能見度對(duì)疏散的影響，對(duì)高校宿舍火災(zāi)發(fā)展規(guī)律的研究還不夠全面。

由于學(xué)生宿舍樓難以以試驗(yàn)方式來研究其發(fā)展規(guī)律，故一直以來學(xué)生宿舍樓火災(zāi)發(fā)展規(guī)律缺少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，Pyrosim是美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院發(fā)布的一款火災(zāi)動(dòng)態(tài)模擬軟件，Qi Sun等[8]以美國椰子林夜總會(huì)火災(zāi)事故為已知模型，通過建筑信息模型軟件對(duì)椰子林夜總會(huì)1∶1建模，以Pyrosim模擬火災(zāi)發(fā)展規(guī)律和傷亡人數(shù)得出的模擬結(jié)果與真實(shí)事故相差無幾，這從側(cè)面印證Pyrosim模擬室內(nèi)火災(zāi)事故的可行性，Pyrosim可以仿真模擬火災(zāi)發(fā)展的溫度、能見度、煙氣層高度、CO濃度等參數(shù)，能較全面的得出火災(zāi)發(fā)展規(guī)律。本文以Pyrosim為基礎(chǔ)，設(shè)置4種不同工況，綜合考慮溫度、能見度、煙氣層高度、CO濃度的發(fā)展規(guī)律，全面還原不同工況下學(xué)生宿舍樓的火災(zāi)發(fā)展規(guī)律，從而為人員疏散及建筑防火設(shè)計(jì)提供參考。

1 模型建立

1.1 Pyrosim火災(zāi)模擬理論

Pyrosim結(jié)合四大守恒方程及氣體狀態(tài)方程來仿真模擬火災(zāi)動(dòng)態(tài)過程[9]：

(1)能量守恒方程：

(1)

式中：

ρ—?dú)怏w密度，kg/m3；

h—比焓，J/kg；

u—速度矢量，m/s；

p—壓力，Pa；

q″—熱通量矢量，W/m2；

q?—單位體積的熱釋放速率，W/m3；

φ—耗散函數(shù)，W/m3。

(2)動(dòng)量守恒方程：

(2)

式中：

gn—重力矢量，通常為(0，0，-g)，g為重力加速度，g=9.8m/s2；

f—外部矢量，kg/(m2·s2)；

τij—牛頓流體粘性應(yīng)力張量，Pa。

(3)質(zhì)量守恒方程：

(3)

(4)組分守恒方程：

(4)

式中：

Yi—組分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

Di—組分i的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

Wi—單位體積第i種組分的質(zhì)量生成速率。

(5)氣體狀態(tài)方程：

(5)

式中：

T—?dú)怏w溫度，K；

R—?dú)怏w常數(shù)，R=8.314J/(mol·K)；

Mi—組分i的分子量。

1.2 Pyrosim模型及參數(shù)設(shè)置

模擬以安徽某高校男生學(xué)生宿舍樓為現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)，建立1∶1模型，研究高校學(xué)生宿舍樓不同著火點(diǎn)的火災(zāi)發(fā)展規(guī)律。學(xué)生宿舍樓共6層，除1層外每層有28個(gè)房間，整棟宿舍樓共有5個(gè)安全疏散口，一個(gè)為學(xué)生宿舍樓大門供學(xué)生平常進(jìn)出宿舍，其余4個(gè)只供緊急疏散使用，如圖1。首先建立一個(gè)56m×20m×23.2m的計(jì)算域，將計(jì)算域網(wǎng)格劃分成406 000個(gè)0.4m×0.4m×0.4m大小的網(wǎng)格；根據(jù)著火點(diǎn)的不同，將模擬工況分為4種(見表1)，火源面積設(shè)為1.5m×1.5m×1.5m的方形火源，采用快速火模型，火源熱釋放速率為1000kW/m2[10]，這是由于宿舍內(nèi)的被褥衣物、木制床板等都為極易燃物品，遇到點(diǎn)火源會(huì)在短時(shí)間劇烈燃燒形成一個(gè)熱源向周圍輻射熱量并伴隨大量黑色煙霧蔓延。

圖1 安徽某高校宿舍模型建立

表1 高校宿舍火災(zāi)工況場(chǎng)景設(shè)置

2 結(jié)果分析與討論

2.1 溫度分析

溫度分布是火災(zāi)發(fā)展的重要參數(shù)之一，由溫度分布規(guī)律可以得出學(xué)生宿舍樓火災(zāi)的熱對(duì)流路徑，為安全疏散提供參考，也是判斷人群是否可以安全疏散的重要參數(shù)，本模擬取室內(nèi)2m高度處的溫度大于60℃為安全疏散的臨界值[11]。工況一至工況四著火點(diǎn)中心處的X軸溫度切片，如圖2。雖然著火點(diǎn)的熱釋放速率都為1 000kW/m2，但X軸切片最高溫度卻相差很多，由于工況一、三、四都是發(fā)生在房間內(nèi)的小空間火災(zāi)，著火點(diǎn)短時(shí)間釋放大量熱量而且房間內(nèi)通風(fēng)質(zhì)量不佳，導(dǎo)致房間內(nèi)溫度迅速上升，最高溫度超過500℃，大大超過人體所能承受的60℃；工況二對(duì)比其他工況最高溫度只有170℃，這可能是由于工況二的著火點(diǎn)在1層樓梯轉(zhuǎn)臺(tái)下方，不是密閉空間且靠近疏散口，火源釋放的熱量通過對(duì)流、輻射等方式傳遞至宿舍外或向高樓層蔓延造成的。

圖2 不同著火點(diǎn)房間X軸切片

宿舍走廊是安全疏散的必要通道，走廊通道的溫度對(duì)于安全疏散至關(guān)重要?；馂?zāi)發(fā)生300s時(shí)4種工況條件下各樓層走廊的溫度切片，如圖3。工況一、三、四都是發(fā)生在房間內(nèi)的火災(zāi)，但工況一、工況四的最高溫度都在80～90℃之間，工況三的最高溫度達(dá)到110℃，造成這一差距的原因可能是工況三的著火點(diǎn)在樓層中部，距樓梯道較遠(yuǎn)，熱對(duì)流受限，導(dǎo)致溫度積聚；工況二走廊溫度最低，對(duì)人體傷害也最小，在300s時(shí)最高溫度為60℃，但工況二的溫度輻射范圍最廣，影響范圍最大，幾乎遍布所有樓層。

圖3 走廊處Y軸溫度切片

1層樓梯轉(zhuǎn)臺(tái)是疏散的必經(jīng)之路，轉(zhuǎn)臺(tái)溫度是否在人體可接受范圍內(nèi)是關(guān)乎安全疏散的重要參數(shù)。本模擬在各工況的1層樓梯轉(zhuǎn)臺(tái)處均設(shè)置熱電偶探測(cè)器，由于工況一、四的著火點(diǎn)都在2層以上的房間內(nèi)，故對(duì)1層樓梯轉(zhuǎn)臺(tái)溫度幾乎無影響，始終在可接受溫度范圍內(nèi)；工況三的著火點(diǎn)在1層房間內(nèi)，由于煙氣擴(kuò)散伴隨著熱量輻射，造成1層樓梯轉(zhuǎn)臺(tái)溫度上升12℃左右；工況二時(shí)1層樓梯轉(zhuǎn)臺(tái)處溫度在50s時(shí)就達(dá)到60℃，100s時(shí)接近140℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人體所能承受的溫度，所以在工況二情境下疏散應(yīng)盡量避開著火點(diǎn)所在樓梯道，如圖4。

圖4 工況二、三1層樓梯轉(zhuǎn)臺(tái)處溫度

2.2 煙氣層高度分析

火災(zāi)疏散的困難不只在于高溫的影響，更多的是因?yàn)榭扇嘉锊煌耆紵a(chǎn)生的微小固體煙霧顆粒對(duì)人體的傷害，而宿舍火災(zāi)產(chǎn)生的微小固體煙霧顆粒會(huì)在樓梯間形成蓄煙池效應(yīng)，直接影響高層人員的疏散，這也是很多火災(zāi)事故的致死原因并非高溫而是窒息[12]。劉世松[13]給出煙霧層安全高度的定義一般式：

Hs≥Hc=Hp+0.1Hb

(6)

式中：

Hs—清晰高度，m；

Hp—人員平均高度，m；

Hb—建筑內(nèi)部高度，m；

Hc—危險(xiǎn)臨界高度，m。

本模擬為男生宿舍，人員平均高度取1.7m，建筑內(nèi)部高度為3.5m，通過式(6)計(jì)算保守選取1.9m為危險(xiǎn)臨界高度。工況一、三、四都是室內(nèi)小空間火災(zāi)，著火點(diǎn)房間煙氣層高度下降曲線，如圖5。由圖5可知，著火點(diǎn)房間煙氣層高度在火災(zāi)發(fā)生5s內(nèi)就已經(jīng)下降到危險(xiǎn)臨界高度，10s后火源產(chǎn)生煙霧的速度與煙霧擴(kuò)散速度達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，最終煙氣層高度穩(wěn)定在1.5m。

圖5 著火點(diǎn)房間煙氣層高度下降曲線

Pyrosim的3D Smoke可以直觀看到火災(zāi)的發(fā)展情況，有利于研究煙霧的擴(kuò)散規(guī)律?；馂?zāi)發(fā)生300s時(shí)各工況火災(zāi)煙霧的擴(kuò)散情況，如圖6。工況一、三、四的煙霧擴(kuò)散規(guī)律相似：煙霧從著火點(diǎn)房間向外擴(kuò)散，主要沿著走廊向樓梯擴(kuò)散，先在火源點(diǎn)近處的樓梯道上方積聚，隨著時(shí)間推移煙霧逐漸擴(kuò)散至另一側(cè)樓梯道并在其上方積聚，但中間宿舍內(nèi)的煙霧濃度較低，幾乎不受影響；工況二情境下火源產(chǎn)生的煙霧順著樓梯道向頂層擴(kuò)散，導(dǎo)致頂層各個(gè)房間均有不同程度的煙霧積聚，且2-5層房間也有少量煙霧積聚，但1層房間幾乎沒有煙霧積聚。

圖6 各工況情景下煙霧擴(kuò)散積聚實(shí)況圖

2.3 能見度分析

煙霧擴(kuò)散會(huì)影響宿舍內(nèi)部的能見度，根據(jù)澳大利亞《消防工程師指南》給出的能見度標(biāo)準(zhǔn)，取樓層2m處能見度低于5m為臨界值，當(dāng)能見度低于臨界值時(shí)就會(huì)影響人員疏散，且能見度降低可能會(huì)引發(fā)踩踏事件，造成二次傷害。為研究上述4種工況火災(zāi)下的能見度情況，在各樓層2m處設(shè)置能見度切片，并將2m處能見度小于5m區(qū)域設(shè)為危險(xiǎn)區(qū)域。從圖7可以看出，工況一火災(zāi)著火點(diǎn)在2層房間內(nèi)且靠近右側(cè)，火源產(chǎn)生的煙霧通過一側(cè)窗戶及時(shí)排出宿舍外，對(duì)除著火點(diǎn)房間以外的其他區(qū)域影響較小，各樓層走廊、房間能見度都在可接受范圍內(nèi)，但3層樓梯轉(zhuǎn)臺(tái)處能見度較低；工況二火災(zāi)下，由于著火點(diǎn)在1層樓梯轉(zhuǎn)臺(tái)下方，形成煙囪效應(yīng)，煙霧順著樓梯道向上擴(kuò)散，迅速在頂層積聚大量煙霧，能見度很快降低至5m以下，并開始向走廊擴(kuò)散，300s時(shí)頂層走廊能見度基本處于10m以下，靠近著火點(diǎn)樓梯一側(cè)的房間和走廊已經(jīng)低于可接受能見度，隨著樓層的降低不可接受能見度的覆蓋區(qū)域向樓梯道縮減，但著火點(diǎn)樓梯道的能見度始終處于不可接受范圍內(nèi)；工況三火災(zāi)下，300s時(shí)1層著火點(diǎn)及樓層兩側(cè)能見度較低，其他樓層能見度基本都在可接受范圍內(nèi)；工況四火災(zāi)下，1-2層的能見度幾乎不受影響，3-5層的能見度基本都在5m以上，頂層樓梯道及其附近房間受煙霧影響較大，能見度較低。

圖7 各工況下能見度分布情況

2.4 CO濃度分析

CO可與人體血液中的血紅蛋白結(jié)合，使血紅蛋白失去運(yùn)送氧氣的能力，導(dǎo)致人體因缺氧窒息死亡，這里參考Mingxin Li等[14]所采用的人體在不同濃度CO中的傷害程度，見表2。

表2 不同濃度CO對(duì)人體傷害程度

本模擬選取的材料為尼龍材料，燃燒時(shí)產(chǎn)生大量的有毒有害混合氣體，工況一、三、四著火點(diǎn)附近的區(qū)域均在10s內(nèi)達(dá)到致死濃度，工況二由于煙霧擴(kuò)散范圍大，產(chǎn)生的CO被及時(shí)稀釋，故CO濃度積聚相對(duì)較慢，如圖8。

圖8 各工況著火點(diǎn)房間內(nèi)CO濃度

3 消防安全措施建議

本模擬以安徽某大學(xué)男生宿舍樓為原型，分析不同著火點(diǎn)下火災(zāi)溫度、煙霧、能見度、CO濃度等參數(shù)的擴(kuò)散及傳播規(guī)律，以模擬火災(zāi)實(shí)況圖、切片、曲線圖的形式展現(xiàn)出來，從模擬結(jié)果及數(shù)據(jù)可以得到如下消防安全措施：

(1)對(duì)比學(xué)生宿舍樓4種工況下的火災(zāi)溫度與煙霧擴(kuò)散圖，不難發(fā)現(xiàn)兩者的傳播擴(kuò)散具有高度重合性，這也印證火災(zāi)溫度主要是以煙霧為介質(zhì)向四周傳播，故及時(shí)排除火災(zāi)煙霧是防火工作的重要一環(huán)。

(2)工況二情境下煙霧在樓梯道發(fā)生煙囪效應(yīng)，導(dǎo)致煙霧順著樓梯道向上擴(kuò)散，頂層快速積聚大量煙霧，煙氣層快速下降至危險(xiǎn)高度，對(duì)頂層人員疏散極為不利，在頂層增加天井、機(jī)械排煙等措施可大大降低火災(zāi)煙霧對(duì)疏散的影響。

(3)工況一、三、四情境下，由于熱氣球效應(yīng)，著火點(diǎn)產(chǎn)生的煙霧會(huì)沿著樓層走廊天花板向兩側(cè)傳播，積聚在走廊兩側(cè)，直到煙霧層積聚到窗戶上邊框時(shí)才能排出宿舍外，若在窗戶上方主動(dòng)安裝機(jī)械排風(fēng)，可有效減少煙霧積聚。

(4)工況一、三、四情境下，著火點(diǎn)房間內(nèi)的煙霧難以及時(shí)排除，可燃物燃燒產(chǎn)生的CO積聚，快速達(dá)到致死濃度，故消防救援人員應(yīng)佩戴防毒面具，以防CO中毒。

(5)4種工況下煙霧擴(kuò)散都是由著火點(diǎn)向頂層和著火點(diǎn)所在樓層走廊兩側(cè)擴(kuò)散，最后聚集在頂層和走廊兩側(cè)，當(dāng)宿舍內(nèi)人員無法安全疏散時(shí)，應(yīng)盡量在較低樓層的中部房間，并緊閉門窗，防止煙霧進(jìn)入。

4 結(jié)論

本文基于Pyrosim研究學(xué)生宿舍樓不同著火點(diǎn)位置的火災(zāi)發(fā)展規(guī)律，綜合考慮溫度、能見度、煙氣層高度、CO濃度等火災(zāi)重要參數(shù)在4種工況下對(duì)人體傷害及學(xué)生疏散的影響，結(jié)果表明CO濃度可在火災(zāi)發(fā)生后極短時(shí)間達(dá)到致死濃度，防范CO中毒是減少火災(zāi)傷亡的重要途徑；另外本研究較全面地還原各火災(zāi)工況下學(xué)生宿舍樓內(nèi)的溫度及煙霧的發(fā)展規(guī)律，為建筑防火設(shè)計(jì)及火災(zāi)疏散路徑規(guī)劃提出防火設(shè)計(jì)建議。

人為干預(yù)會(huì)使火災(zāi)發(fā)展規(guī)律發(fā)生變化，本研究未考慮人為干預(yù)對(duì)學(xué)生宿舍樓火災(zāi)發(fā)展規(guī)律的影響，下一步還應(yīng)結(jié)合人為干預(yù)因素對(duì)學(xué)生宿舍樓火災(zāi)發(fā)展規(guī)律進(jìn)一步探究，以得出更全面的學(xué)生宿舍樓火災(zāi)發(fā)展規(guī)律。