基于Pyrosim的老年人照料設(shè)施火災(zāi)模擬分析

林 熙

（河海大學(xué)，江蘇 南京 211100）

0 引言

2015年5月25日，河南省魯山縣康樂園老年公寓失火，造成39人死亡、6人受傷，過火面積達745.8 m2，造成的直接經(jīng)濟損失達2 064.5萬元［1］。2017年1月4日，吉林省輝南縣朝陽鎮(zhèn)一老年建筑發(fā)生火災(zāi)，造成7人死亡［2］。2022年1月8日，湖南省衡陽市石鼓區(qū)來雁醫(yī)院有限責(zé)任公司三樓康養(yǎng)部發(fā)生火災(zāi)，造成6人死亡、8人受傷，過火面積約300 m2，造成的直接經(jīng)濟損失約779.5萬元［3］。

由此可以看出，老年人照料設(shè)施一旦失火，造成的影響與損失都比較大。因此，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2018年10月1日批準實施了新的《老年人照料設(shè)施建筑設(shè)計標準》（JGJ 450—2018），同時廢除了《養(yǎng)老設(shè)施建筑設(shè)計規(guī)范》（GB 50867—2013）與《老年人居住建筑設(shè)計規(guī)范》（GB 50340—2016）。新的規(guī)范對老年人照料設(shè)施建筑防火設(shè)計與消防設(shè)施的設(shè)置有著更高的要求，表明國家對老年人照料設(shè)施火災(zāi)預(yù)防的重視。

2000年，美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）發(fā)布了火災(zāi)動態(tài)模擬軟件（FDS），國內(nèi)外諸多學(xué)者用該軟件對火災(zāi)進行模擬研究。Hadjisophocleous等［4］用FDS對10層塔樓進行火災(zāi)模擬，得到的數(shù)據(jù)能夠反映出火災(zāi)煙氣的擴散程度、溫度與煙氣層的高度。之后NIST創(chuàng)建了Thunderhead Engineering Pyrosim。吳壯等［5］用Pyrosim對高校學(xué)生宿舍樓不同著火點火災(zāi)發(fā)展規(guī)律進行模擬，為高校學(xué)生宿舍樓的消防安全管理與火災(zāi)預(yù)防提供依據(jù)。唐莉青［6］用Pyrosim對高層住宅的火災(zāi)進行模擬，總結(jié)了高層住宅火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律及發(fā)展特性，為高層住宅火災(zāi)預(yù)防提供建議和對策。本研究利用Pyrosim軟件對東部沿海某城市某一老年人照料設(shè)施進行火災(zāi)模擬，在所有門窗都處于開啟的前提下，分別研究消防設(shè)施處于有效狀態(tài)與無效狀態(tài)，著火層同一防煙分區(qū)在發(fā)生火災(zāi)后，獲取其煙層高度（Smoke layer height）、溫度（Temperture）和能見度（Visibility）。通過對仿真數(shù)據(jù)進行對比分析，為老年人照料設(shè)施的消防安全管理與人員疏散提供依據(jù)。

1 模型建立

1.1 老年人照料設(shè)施概況

本研究選取的老年人照料設(shè)施位于地上二層，建筑面積約為1 490 m2，框架結(jié)構(gòu)，耐火等級為二級。一層有14個護理間，共有31張床位，在疏散走道的兩側(cè)布房，面積約為873.97 m2，層高約2.9 m，并用擋煙垂壁劃分出3個防煙分區(qū)；二層也采用疏散走道兩側(cè)布房的方式，共有13個護理間、31張床位，面積約659.4 m2，層高約2.9 m，按照設(shè)計要求用擋煙垂壁劃分為2個防煙分區(qū)，擋煙垂壁高0.8 m。按照《自動噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（GB 50084—2017）中的要求設(shè)置自動噴水滅火系統(tǒng)；按照《建筑防排煙系統(tǒng)技術(shù)標準》（GB 51251—2017）中的要求在建筑內(nèi)疏散走道，并設(shè)置有機械排煙系統(tǒng)。系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)詳見表1。

表1 消防設(shè)施設(shè)計參數(shù)

該建筑內(nèi)的機械排煙系統(tǒng)設(shè)有1臺排煙風(fēng)機，在Pyrosim中采用激活事件（Activation Events）來實現(xiàn)機械排煙系統(tǒng)的聯(lián)動控制；自動噴水滅火系統(tǒng)為臨高壓給水系統(tǒng)，設(shè)有消防水池，發(fā)生火災(zāi)后，噴頭受熱爆破，管網(wǎng)壓力迅速降低，噴淋泵啟動，為噴淋管網(wǎng)輸送滅火用的水。由于只研究發(fā)生火災(zāi)后煙層高度、溫度、能見度，而自動消防設(shè)施中機械排煙與自動噴水滅火系統(tǒng)對這三個因素會產(chǎn)生較大的影響，而其他消防設(shè)施對這三個因素的直接影響較小，所以本研究忽略。

1.2 火災(zāi)場景的設(shè)置

采用Pyrosim軟件對老年人照料設(shè)施按1∶1的比例進行簡化建模，來模擬建筑內(nèi)部護理間著火情況（見圖1）。護理間內(nèi)主要可燃物有生活用品、窗簾、木制家具等固體可燃物。墻面為0.013 m厚的石膏，天花板為不燃材料，地板為瓷磚。根據(jù)場所可燃物的種類，設(shè)置該場所熱釋放率為2 500 kW［7］。選取疏散相對為較困難的二層中部護理間（見圖2）作為研究對象，假設(shè)該護理間內(nèi)的老人躺在床上吸煙導(dǎo)致著火，著火面積為1.2 m×2 m=2.4 m2。

圖1 老年人照料設(shè)施3D建模圖

圖2 二層著火房間

t2火災(zāi)熱釋放速率曲線見式（1）［8］。

式中：Q為熱釋放速率；α為火災(zāi)增長系數(shù)（本研究模擬場景中系數(shù)綜合取值0.083 kW/s2）。

由式（1）可求出，達到穩(wěn)定的2 500 kW的熱釋放速率的時間約為175 s。設(shè)定模擬時間為30 min，燃燒化學(xué)反應(yīng)設(shè)為聚氨酯，相關(guān)參數(shù)設(shè)定如表2所示。

表2 網(wǎng)格參數(shù)表

網(wǎng)格大小為0.5 m×0.5 m×0.5 m，共有65 968個網(wǎng)格。

在人員疏散路徑上安裝有熱電偶探測器、煙層高度探測器、能見度探測器和煙霧探測器。工況1為機械排煙設(shè)施與自動噴水滅火系統(tǒng)都無效的情況，工況2為機械排煙設(shè)施與自動噴水滅火系統(tǒng)都有效的情況。利用Pyrosim軟件對兩種工況進行模擬，得出兩種工況下的溫度、能見度、煙層高度等相關(guān)數(shù)據(jù)?；馂?zāi)工況設(shè)定見表3。

表3 火災(zāi)工況設(shè)定表

2 模擬結(jié)果分析

2.1 溫度

隨著煙氣層攜帶大量熱到處擴散，當煙氣層與人員接觸時，存在對人的皮膚造成燒傷的可能，溫度與人體耐受極限的關(guān)系式［9］見式（2）。

式中：t為極限忍受時間，min；T為空氣溫度，℃；B1和B2為常數(shù)，一般情況下B1=1.0、B2=0?？紤]到空氣濕度的影響及火災(zāi)中人體的實際情況，取安全系數(shù)為0.7，得到式（3）。

根據(jù)式（3）可得人員忍受時間與溫度的關(guān)系，當溫度為100℃、150℃、200℃、250℃、300℃時，人體的耐受時間分別為1 038 s、240 s、85 s、36 s、20 s。

另外，在7l℃時，皮膚僅在煙氣中持續(xù)暴露60 s就會造成二級燒傷，82℃時僅30 s就能造成皮膚二級燒傷，100℃時僅15 s就能造成皮膚二級燒傷［10］。綜上所述，在發(fā)生火災(zāi)后，環(huán)境溫度的高低對人體健康造成的影響是不同的。

2.1.1 消防設(shè)施都無效。在工況1情況下，著火層疏散路徑中不同地點的溫度變化如圖3所示。由圖3可知，不同地方的溫度會隨時間變化而變化，著火房間內(nèi)的溫度在200 s左右達到最高，約為350℃，后續(xù)溫度基本維持在350℃；西側(cè)走道的溫度在200 s左右達到最高，約為50℃，之后基本持平；西側(cè)安全出口的溫度在200 s左右達到65℃，往后基本無變化；以擋煙垂壁為界線，東側(cè)走道與東側(cè)安全出口的溫度在200 s后基本在28℃左右。

圖3 工況1下不同位置的溫度變化曲線

2.1.2 消防設(shè)施都有效。在工況2情況下，著火層疏散路徑中不同地點的溫度變化如圖4所示。由圖4可知，在200 s時自動噴水滅火系統(tǒng)噴頭的爆破與機械排煙的動作見圖5，著火房間內(nèi)的平均溫度維持在140℃左右，而西側(cè)走道與西側(cè)安全出口的溫度只上升5℃左右，隨后立即恢復(fù)至初始環(huán)境溫度。

圖4 工況2下不同位置的溫度變化曲線

圖5 自動噴水滅火與機械排煙系統(tǒng)動作圖

2.2 煙層高度

煙是材料在發(fā)生燃燒或熱解時排放到空氣中的顆粒物和氣體的集合，以及夾帶或以其他方式混合到空氣質(zhì)量中的量。本研究模擬聚氨酯燃燒物燃燒后產(chǎn)生的一氧化碳、氰化氫等有毒物質(zhì)，利用Pyrosim軟件對燃燒后各位置煙層高度進行測量。

2.2.1 消防設(shè)施失效的情況。圖6是工況1情況下，各部位煙層的高度對比。著火房間的煙層高度在著火50 s后開始急劇下降，200 s時高度基本穩(wěn)定，約為1.25 m；著火房間疏散門處的煙層在200 s時下降到1.8 m左右，而離著火房間相對較遠的西側(cè)疏散三走道煙層的高度維持在2.6 m左右。在被擋煙垂壁分割的東側(cè)防煙分區(qū)，煙層高度隨時間的變化程度不是很大。

圖6 工況1下不同位置的煙層高度

2.2.2 消防設(shè)施有效的情況。圖7是工況2情況下，著火層疏散路徑上不同位置的煙層高度。從Pyrosim模擬結(jié)果來看，隨著時間的推移，煙層高度變化不明顯，除著火房間煙層有輕微下降外，其余位置煙層高度基本無變化。

圖7 工況2下不同位置的煙層高度

2.3 能見度

煙塵擴散會導(dǎo)致樓層內(nèi)的能見度迅速降低，這是因為碳氫化合物不完全燃燒會產(chǎn)生不純碳顆粒。本研究選取樓層2 m處的能見度低于5 m為臨界值，當能見度低于臨界值時就會影響人員的疏散，且能見度降低可能會引發(fā)踩踏事件，從而造成二次傷害［5］。

2.3.1 消防設(shè)施無效的情況。圖8是工況1情況下，著火層不同部位的能見度。從圖8可以看出，從著火25 s開始到50 s左右，著火房間內(nèi)的能見度急劇下降，最后能見度維持在0.5 m左右；從95 s開始到125 s，西側(cè)安全出口的能見度急劇下降，最后維持在0.3 m左右；從95 s開始到160 s左右，西側(cè)走道的能見度急劇下降，最后維持在0.5 m左右；以擋煙垂壁為界的東側(cè)走道與東側(cè)安全出口的能見度，從170 s開始到255 s左右，能見度急劇下降，最后維持在0.5 m左右。

圖8 工況1下不同位置能見度趨勢圖

2.3.2 消防設(shè)施有效的情況。工況2情況下不同位置能見度隨時間變化見圖9。在0～200 s，著火房間、西側(cè)安全出口、西側(cè)走道這三個位置能見度會急劇下降至0 m，而以擋煙垂壁為界限的東側(cè)走道與東側(cè)安全出口能見度沒有受到影響。200 s以后，除著火房間外，西側(cè)安全出口與西側(cè)走道的能見度隨時間慢慢上升，在500 s后，西側(cè)走道能見度達到5 m的安全疏散臨界值［11］，在800 s時，西側(cè)安全出口的能見度達到5 m的安全疏散臨界值。

圖9 工況2下不同位置能見度趨勢圖

3 結(jié)語

本研究用Pyrosim仿真軟件對兩種工況進行模擬，得出溫度、煙層高度、能見度的對比圖，通過對其進行分析可知，濕式自動噴水滅火系統(tǒng)與機械排煙系統(tǒng)的有效與否，對溫度、煙層高度、能見度的影響較大。其中，在消防設(shè)施有效的情況下，著火房間的溫度是無效時的40%，其余位置的溫度更是幾乎沒有變化；著火房間的煙層高度比消防設(shè)施無效時上升了1 m，其余位置煙層高度也幾乎無變化；東側(cè)走道與東側(cè)安全出口能見度在消防設(shè)施的影響下沒有出現(xiàn)下降的趨勢，著火房間、西側(cè)走道與西側(cè)安全出口的能見度在200 s后有上升的趨勢，而相比消防設(shè)施無效時能見度在200 s后，各位置的能見度都降為0 m。著火后，消防設(shè)施的有效工作對著火后降低溫度、提高能見度、控制煙層高度起著很好的作用。所以，對建筑內(nèi)部的消防設(shè)施進行維護，保持消防設(shè)施運行良好，可減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。