基于PyroSim 的高校宿舍火災逃生情況模擬及分析*

李榮燕，任建軍，習信璐

（興義民族師范學院，貴州 興義 562400）

火災是一種危及社會治安、人民生命財產(chǎn)安全的多發(fā)性災難[1]。據(jù)報道，2006 年1 月8日，菲律賓共和國馬尼拉市城北學校區(qū)的一座學校住宅樓在當天凌晨突發(fā)大火[2]，最少8 人被嚴重燒傷，3 人燒死；2007 年1 月11日，東北師范大學研究生寢室二舍一樓突發(fā)大火，煙霧把11 樓高的整個寢室都籠罩著，樓上百余號寢室的500 多名學子被困；2008 年5 月5日，中央民族大學28 號樓的6 層女生宿舍突發(fā)大火[3]，數(shù)千女子進行了避難?？偨Y以上事例，發(fā)現(xiàn)高校宿舍容易引發(fā)火災的主要原因是使用了大功率電器。許多高校建筑都有幾十年甚至上百年的歷史，建筑物老舊，電線老化，加之有的學生違規(guī)使用大功率電器，甚至在床上吸煙引起被子燃燒等，成為近年來我國高校宿舍頻繁發(fā)生火災事故的主要原因。高校宿舍由于人員密集，樓層較高，且易燃物較多，會產(chǎn)生救援困難。為了降低高校宿舍可能發(fā)生火災事故的概率、財產(chǎn)損失以及人員傷亡，現(xiàn)使用PyroSim 軟件建模，以興義民族師范學院女生宿舍筆山樓為參照，仿真火災突發(fā)情況，對構建的模型進行數(shù)值模擬，以探究煙氣流動狀況，并提出較為完整的安全措施。

PyroSim 是由美國國家標準科學和技術研究所開發(fā)的一種火災動態(tài)仿真建模應用軟件，常被用來仿真火勢發(fā)展和煙霧運動。能夠設定不同的爆炸反應、建筑材質、表面材料，并給出應用圖形界面，易于操作，因此被廣泛用于建筑物的防火設計、消防安全仿真等。使用PyroSim 技術進行火災建模的基本流程為：模式創(chuàng)建、系統(tǒng)運行求解、大數(shù)據(jù)分析處理。其中，模型創(chuàng)建過程包括新建PyroSim 程序文檔、定義反應條件和物料數(shù)據(jù)信息、建立網(wǎng)格、界定并建立物體表面特征屬性、建立實體結構、建立通風口、建立各種檢測裝置和消防滅火裝置、建立各種結果記錄、檢測模式、存儲模式；運行求解包括設置模擬屬性、開始模擬；大數(shù)據(jù)分析處理指查看數(shù)據(jù)分析結果[4]。

1 模型創(chuàng)建

通過對興義民族師范學院女生宿舍樓筆山樓的實地檢測，提取有關數(shù)據(jù)，包括：筆山樓每層面積為368.5 m2，高約15 m，總共有6層，安全樓第一層是街道商鋪，第二層到第六層為學生寢室，每層設有10 間寢室，每間寢室長6.2 m，寬3.3 m，樓梯間寬為3.3 m，走廊長46.5 m，寬1.6 m，每層樓層之間有一間廁所。

對研究對象進行模型設計，選用的網(wǎng)格大小為0.5 m×0.5 m×0.5 m，建立一個完整的宿舍3D 模型，所用的網(wǎng)格數(shù)量為127 428 個。宿舍樓模型見第26頁圖1。為了真實還原火災現(xiàn)場，在模型中還設置了書柜和床，見第26 頁圖2。

圖1 宿舍樓模型圖

圖2 宿舍樓結構內部圖

2 宿舍樓火災模擬分析

2.1 參數(shù)確定

由于學生公寓尤其是高校的學生宿舍，是學生們學習生活的主要場地，人員相對稠密，所以一旦出現(xiàn)失火，就非常容易引發(fā)財產(chǎn)損失和傷亡事故。根據(jù)以往學校發(fā)現(xiàn)火災的事例，高校學生宿舍中發(fā)生火災的主要因素有亂拉亂接電線或電線老化；接觸條件不良而發(fā)熱引起的失火；使用家電錯誤，如將電燈泡接近可燃物，或采用不合格的家用電器；在床頭點火燭，躺在床上抽煙，或亂丟尚未撲滅的煙蒂等造成宿舍床上的棉被或床板全部燒毀。發(fā)生火災時，宿舍內的易燃物主要是棉被，棉被的主要材料是纖維素，所以設置模型燃燒的火源為二樓宿舍的床板，燃燒的功率為480 kW，顏色為紅色，運行時間為600 s。由于在火災發(fā)生時，煙氣的流動情況和CO 的濃度分布情況是火災發(fā)生時人員疏散的重要因素，為了能夠更好地設計逃生路線，在火災模擬時，分別分析煙氣的流動情況、切片的溫度情況、CO 的濃度分布情況，見表1。

表1 模擬參數(shù)表

2.2 FDS 模擬結果分析

2.2.1 運行過程中煙氣的流動結果分析情況及切片的溫度情況

火災發(fā)生時，會產(chǎn)生大量的煙氣，煙氣將直接影響到人們的視覺范圍，導致人員疏散情況不理想?；馂倪^程中產(chǎn)生的煙氣越多，人們的可見范圍就越小，疏散情況就越不理想。在對相關調研報告進行了解后得知，火災來臨時，2/3 以上的人員死亡都是由于煙氣導致的。所以，發(fā)生火災時對火災煙氣的流動方向和分布進行研究是非常有必要的，因此，對高校宿舍的火災燃燒進行了三維模擬。模擬研究表明，由于火源位置在二層較中間的位置，高溫煙氣主要在火源房間內迅速蔓延，使著火點房間的能見度迅速降低。火災燃燒到100 s時，高溫煙氣迅速蔓延到整層樓的房間，房間內的溫度也相對較高，整層樓的煙氣蔓延情況見圖3，切片的溫度見圖4。

圖3 100 s 時煙氣蔓延情況

圖4 100 s 時切片溫度

在火勢燃燒到300 s時，煙氣不斷向外擴散，隨著火勢不斷燃燒，煙氣不斷向高樓層的方向蔓延，房間內的溫度達到人體不能承受的高溫狀態(tài)。煙氣蔓延情況見圖5，切片溫度見第27 頁圖6。

圖5 300 s 時煙氣蔓延情況

圖6 300 s 時切片溫度

在火勢持續(xù)燃燒到600 s時，整棟樓的房間全部被煙氣所覆蓋，房間外的煙氣量大于房間外的煙氣量，房間內的溫度達到極致。煙氣蔓延情況見第27 頁圖7，切片溫度見第27 頁圖8。

圖7 600 s 煙氣蔓延情況

圖8 600 s 時切片溫度

在火災燃燒過程中，隨著煙氣溫度的升高與擴散，人員要在100 s 之前進行撤離，不然就會受到較嚴重的危害；在火勢持續(xù)燃燒到300 s時，燃燒正處在充分燃燒階段，此時整層樓的房間煙氣都達到最大，房間內的人員都處于危險階段，假若在火勢燃燒到300 s 時第二層樓的人員依然未撤離，將會承受更嚴重的危害，甚至會危及到生命；火災發(fā)生到600 s時，煙氣已經(jīng)完全覆蓋了2～6 層的房間，如果此時仍然有人未逃離宿舍樓的話，強烈建議禁止采取一切未知的盲目的逃生措施，因為煙氣已經(jīng)覆蓋2～6層，能見度基本沒有，所以應該待在原地等待救援，否則會有生命危險。

2.2.2 燃燒過程中CO 物質的量分數(shù)分布情況

宿舍內有可燃物被點燃引發(fā)火災時，會產(chǎn)生大量煙氣，煙氣中存在大量的CO。CO 含量的高低決定了人們中毒的反應，CO 物質的量分數(shù)為10%～20%時，屬于輕度CO 中毒，表現(xiàn)為頭痛、頭暈等神經(jīng)系統(tǒng)的缺氧改變；30%～40%屬于中度的CO 中毒，會出現(xiàn)短暫的意識障礙，但經(jīng)過適當治療，會迅速恢復意識；濃度含量在50%以上屬于重度的CO 中毒，會出現(xiàn)嚴重的意識障礙，包括深度昏迷，影響呼吸，影響內環(huán)境及水電平衡紊亂，繼發(fā)感染等，嚴重的話還可能導致橫紋肌溶解、心肌缺血、心律失常等其他臟器的損害。

在發(fā)生火災的過程中宿舍內著火點處CO 含量的變化情況見圖9。

圖9 CO 含量的變化情況

從圖9 可以得出，在火災還未發(fā)生或在發(fā)生沒多久時第二層的房間內CO 的含量為0，質量為0?；饎蓍_始初期，CO 物質的量分數(shù)增長很快?；馂陌l(fā)生到220 s時，CO 物質的量分數(shù)上升到7.8×10-2，這一濃度含量超出了人體對CO 所能接受的極限，對人體構成了極為嚴重的傷害，應對人員采取逃離措施并及時送醫(yī)。在火勢充分燃燒階段，CO 物質的量分數(shù)一直在4.8×10-2～8.0×10-2范圍內上下波動，隨著燃燒的完全，CO 的最終物質的量分數(shù)為7.6×10-2，已經(jīng)嚴重威脅到人的生命安全，人員在逃生過程中，一定要做好防范措施，保障自己的安全。

3 防火和疏散建議

通過利用PyroSim 軟件，對興義民族師范學院的女生宿舍筆山樓進行了火災模擬，發(fā)現(xiàn)較低樓層的房間起火會對最高樓層和底部樓層的房間產(chǎn)生危害，而且煙霧還會很快向四周擴散。為了降低因火勢爆炸而產(chǎn)生的傷亡事故和財產(chǎn)損失，因此，提出以下5 個建議。

一是在樓梯間以及每層樓之間都設置煙氣感應裝置以及火災報警裝置，能在火災發(fā)生時及時傳遞火災信息，為人員的疏散提供充足的時間。二是在每一層樓梯間都安裝滅火器裝置，并保證每一個人都能正確使用。三是每隔一段時間就組織全體學生進行火災逃生演練，提高大家對火災的警惕性，加強對火災的防范性，確保全體人員在火災來臨時能夠快速有序撤離。四是加強對學生的管理，明令禁止學生不能在宿舍使用大功率違規(guī)電器以及亂牽電線，嚴禁將打火機帶到宿舍。五是要求管理人員在可能引起火災的地方進行全方位排查，消除隱患。