基于PyroSim 的高校宿舍火災(zāi)逃生情況模擬及分析*

李榮燕，任建軍，習(xí)信璐

（興義民族師范學(xué)院，貴州 興義 562400）

火災(zāi)是一種危及社會(huì)治安、人民生命財(cái)產(chǎn)安全的多發(fā)性災(zāi)難[1]。據(jù)報(bào)道，2006 年1 月8日，菲律賓共和國馬尼拉市城北學(xué)校區(qū)的一座學(xué)校住宅樓在當(dāng)天凌晨突發(fā)大火[2]，最少8 人被嚴(yán)重?zé)齻? 人燒死；2007 年1 月11日，東北師范大學(xué)研究生寢室二舍一樓突發(fā)大火，煙霧把11 樓高的整個(gè)寢室都籠罩著，樓上百余號寢室的500 多名學(xué)子被困；2008 年5 月5日，中央民族大學(xué)28 號樓的6 層女生宿舍突發(fā)大火[3]，數(shù)千女子進(jìn)行了避難?？偨Y(jié)以上事例，發(fā)現(xiàn)高校宿舍容易引發(fā)火災(zāi)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(xué)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(zāi)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(huì)產(chǎn)生救援困難。為了降低高校宿舍可能發(fā)生火災(zāi)事故的概率、財(cái)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(xué)院女生宿舍筆山樓為參照，仿真火災(zāi)突發(fā)情況，對構(gòu)建的模型進(jìn)行數(shù)值模擬，以探究煙氣流動(dòng)狀況，并提出較為完整的安全措施。

PyroSim 是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)和技術(shù)研究所開發(fā)的一種火災(zāi)動(dòng)態(tài)仿真建模應(yīng)用軟件，常被用來仿真火勢發(fā)展和煙霧運(yùn)動(dòng)。能夠設(shè)定不同的爆炸反應(yīng)、建筑材質(zhì)、表面材料，并給出應(yīng)用圖形界面，易于操作，因此被廣泛用于建筑物的防火設(shè)計(jì)、消防安全仿真等。使用PyroSim 技術(shù)進(jìn)行火災(zāi)建模的基本流程為：模式創(chuàng)建、系統(tǒng)運(yùn)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(yīng)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(shí)體結(jié)構(gòu)、建立通風(fēng)口、建立各種檢測裝置和消防滅火裝置、建立各種結(jié)果記錄、檢測模式、存儲(chǔ)模式；運(yùn)行求解包括設(shè)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(jié)果[4]。

1 模型創(chuàng)建

通過對興義民族師范學(xué)院女生宿舍樓筆山樓的實(shí)地檢測，提取有關(guān)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(xué)生寢室，每層設(shè)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(jìn)行模型設(shè)計(jì)，選用的網(wǎng)格大小為0.5 m×0.5 m×0.5 m，建立一個(gè)完整的宿舍3D 模型，所用的網(wǎng)格數(shù)量為127 428 個(gè)。宿舍樓模型見第26頁圖1。為了真實(shí)還原火災(zāi)現(xiàn)場，在模型中還設(shè)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(jié)構(gòu)內(nèi)部圖

2 宿舍樓火災(zāi)模擬分析

2.1 參數(shù)確定

由于學(xué)生公寓尤其是高校的學(xué)生宿舍，是學(xué)生們學(xué)習(xí)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(cái)產(chǎn)損失和傷亡事故。根據(jù)以往學(xué)校發(fā)現(xiàn)火災(zāi)的事例，高校學(xué)生宿舍中發(fā)生火災(zāi)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(cuò)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(diǎn)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(zāi)時(shí)，宿舍內(nèi)的易燃物主要是棉被，棉被的主要材料是纖維素，所以設(shè)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(yùn)行時(shí)間為600 s。由于在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，煙氣的流動(dòng)情況和CO 的濃度分布情況是火災(zāi)發(fā)生時(shí)人員疏散的重要因素，為了能夠更好地設(shè)計(jì)逃生路線，在火災(zāi)模擬時(shí)，分別分析煙氣的流動(dòng)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(jié)果分析

2.2.1 運(yùn)行過程中煙氣的流動(dòng)結(jié)果分析情況及切片的溫度情況

火災(zāi)發(fā)生時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的煙氣，煙氣將直接影響到人們的視覺范圍，導(dǎo)致人員疏散情況不理想?；馂?zāi)過程中產(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(guān)調(diào)研報(bào)告進(jìn)行了解后得知，火災(zāi)來臨時(shí)，2/3 以上的人員死亡都是由于煙氣導(dǎo)致的。所以，發(fā)生火災(zāi)時(shí)對火災(zāi)煙氣的流動(dòng)方向和分布進(jìn)行研究是非常有必要的，因此，對高校宿舍的火災(zāi)燃燒進(jìn)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?zé)煔庵饕诨鹪捶块g內(nèi)迅速蔓延，使著火點(diǎn)房間的能見度迅速降低?；馂?zāi)燃燒到100 s時(shí)，高溫?zé)煔庋杆俾拥秸麑訕堑姆块g，房間內(nèi)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(shí)煙氣蔓延情況

圖4 100 s 時(shí)切片溫度

在火勢燃燒到300 s時(shí)，煙氣不斷向外擴(kuò)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(nèi)的溫度達(dá)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(shí)煙氣蔓延情況

圖6 300 s 時(shí)切片溫度

在火勢持續(xù)燃燒到600 s時(shí)，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(nèi)的溫度達(dá)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(shí)切片溫度

在火災(zāi)燃燒過程中，隨著煙氣溫度的升高與擴(kuò)散，人員要在100 s 之前進(jìn)行撤離，不然就會(huì)受到較嚴(yán)重的危害；在火勢持續(xù)燃燒到300 s時(shí)，燃燒正處在充分燃燒階段，此時(shí)整層樓的房間煙氣都達(dá)到最大，房間內(nèi)的人員都處于危險(xiǎn)階段，假若在火勢燃燒到300 s 時(shí)第二層樓的人員依然未撤離，將會(huì)承受更嚴(yán)重的危害，甚至?xí)＜暗缴换馂?zāi)發(fā)生到600 s時(shí)，煙氣已經(jīng)完全覆蓋了2～6 層的房間，如果此時(shí)仍然有人未逃離宿舍樓的話，強(qiáng)烈建議禁止采取一切未知的盲目的逃生措施，因?yàn)闊煔庖呀?jīng)覆蓋2～6層，能見度基本沒有，所以應(yīng)該待在原地等待救援，否則會(huì)有生命危險(xiǎn)。

2.2.2 燃燒過程中CO 物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)分布情況

宿舍內(nèi)有可燃物被點(diǎn)燃引發(fā)火災(zāi)時(shí)，會(huì)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(yīng)，CO 物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為10%～20%時(shí)，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(huì)出現(xiàn)短暫的意識障礙，但經(jīng)過適當(dāng)治療，會(huì)迅速恢復(fù)意識；濃度含量在50%以上屬于重度的CO 中毒，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的意識障礙，包括深度昏迷，影響呼吸，影響內(nèi)環(huán)境及水電平衡紊亂，繼發(fā)感染等，嚴(yán)重的話還可能導(dǎo)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(zāi)的過程中宿舍內(nèi)著火點(diǎn)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(zāi)還未發(fā)生或在發(fā)生沒多久時(shí)第二層的房間內(nèi)CO 的含量為0，質(zhì)量為0?；饎蓍_始初期，CO 物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)增長很快?；馂?zāi)發(fā)生到220 s時(shí)，CO 物質(zhì)的量分?jǐn)?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(gòu)成了極為嚴(yán)重的傷害，應(yīng)對人員采取逃離措施并及時(shí)送醫(yī)。在火勢充分燃燒階段，CO 物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)一直在4.8×10-2～8.0×10-2范圍內(nèi)上下波動(dòng)，隨著燃燒的完全，CO 的最終物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為7.6×10-2，已經(jīng)嚴(yán)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(xué)院的女生宿舍筆山樓進(jìn)行了火災(zāi)模擬，發(fā)現(xiàn)較低樓層的房間起火會(huì)對最高樓層和底部樓層的房間產(chǎn)生危害，而且煙霧還會(huì)很快向四周擴(kuò)散。為了降低因火勢爆炸而產(chǎn)生的傷亡事故和財(cái)產(chǎn)損失，因此，提出以下5 個(gè)建議。

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