基于FDS的某居民楼火灾数值模拟及安全疏散研究*

薛元杰 周建新

1.首都经济贸易大学安全与环境工程学院 2.中国安全生产科学研究院

1 研究对象及场景介绍

1.1 研究对象概况

本课题选择呼伦贝尔市阿荣旗“熙和国际”居民住宅楼作为研究对象，该住宅楼共有七层，单层高度为3m，每层两室住户，各层房间格局相同，住宅楼中间楼梯间为唯一的疏散通道。经过必要的近似和简化过程，本文所建的室内模型由两个卧室、一个厨房、一个卫生间和一个客厅所组成。隐藏遮挡部分的单层实体模型，如图1。

1.2 火灾场景设计

图1 起火楼层实体模型

为了使模拟结果合理、全面并能充分的体现居民楼火灾特征，本文将着火房间设置在整栋居民楼的第三层。居民楼内最常见的起火原因是电器的老化和使用不当所致，所以本文将起火设置在厨房里侧，火源起因为电线短路引燃厨房内某易燃物品起火，假设起火时所有的门均为开启状态，火灾烟气可以直接扩散到楼梯间和其他各房间内。为了反映现实场景，在室内添置了床、沙发和橱柜，且将顶棚和外墙面设置为半透明，以便于观察室内燃烧现象。

2 研究方法

本文利用Fire Dynamics Simulator（火灾动力模拟，简称FDS)软件对居民楼火灾发展概况进行全真模拟，FDS由美国国家标准局建筑火灾研究实验室开发的基于场模拟的火灾模拟软件，主要目的是解决消防安全工程中的典型火灾问题，在火灾安全工程领域中应用十分广泛。

本文设定模型计算区域为11.4m×12.4m×21.0m，房间内环境温度为22℃，模拟时间为900s，可燃材料为以聚亚氨脂为主，根据火场实际情况并考虑计算的效率和精度最终划分网格100×108×200=2160000个，网格参数，见表1。

表1 网格参数

3 居民楼数值模拟结果及分析

3.1 烟气扩散过程

根据烟气运动的模拟过程可以看出，厨房内物质着火后，烟气自着火点向外蔓延，受到周围墙体的阻挡和冷却，逐渐沿墙向下流动。在56s时，烟气基本上弥漫了整个厨房的上空，250s左后开始向楼梯间扩散，443.3s时烟气已经充满整个室内，且已开始蔓延到四层住户的房间，900s计算结束时，烟气已经充满除一层外的整个楼梯间以及三层和四层的全部住户房内。图2可以清楚的看到各种状态下的切面。

3.2 火灾烟气不同参数的影响分析

火灾中影响人员安全疏散的定量参数包括烟气层高度、辐射热、对流热、毒性和能见度等。本文主要从能见度、温度、CO浓度这三个方面来分析居民楼火灾可能造成的影响。

3.2.1 能见度分析

图2 不同时刻不同位置的烟气动态

根据《建筑防火工程》中规定，对建筑物不熟悉的人群能见度应达到13m，对建筑熟悉的人群能见度也要到达5m。根据模拟发现266s房间三层房门处的能见度切面，虽然此时两个卧室和厨房的能见度依然高于25m，但整个客厅的能见度已经变得非常低，但为了避免吸入大量烟气，还是需要弯腰或匍匐逃出。

3.2.2 烟气温度变化分析

本文将对人体造成直接伤害的烟气的临界温度取为120℃，主要对房间内1.5m处的温度变化趋势进行分析。400s时，室内各房间出口处1.5m高度的温度逐步逼近，基本到了逃生的最后关头。667.8s时，厨房温度达到最高，厨房发生轰然，整个厨房都在燃烧，此时房间内的人员是最危险的，如果在此之前没有撤离将有生命危险。

3.2.3 烟气中CO浓度变化分析

当界面低于人眼特征高度时, 还可以根据某种有害燃烧产物的临界浓度判定是否达到了危险状态, 例如当CO浓度达到2500ppm即时，就可对人构成严重危害[2]。555.2s时整个室内各门截面和客厅的1.5m高度处的CO浓度都已达到2500ppm以上，此时如果室内还有人将有生命危险。900s计算结束时，整个室内CO浓度达到4000ppm以上，蔓延到四层的烟气中CO浓度最高也达到了3000ppm，如果人处在这样的环境中不能及时离开，就可能会中毒、窒息甚至死亡。

4 居民楼火灾的疏散分析

在消防安全工程分析中，一般将人员的消防安全疏散过程大致分为察觉火灾、疏散行为准备、逃生行动、到达安全区域等阶段。而从火灾发生至火灾发展到对人体构成危险所需的时间大致可由可燃物被点燃以及火灾发展到图3[3]所示危险状态的时间构成[4]。

图3 人员疏散时间示意图

有效安全疏散时间ASET是指从起火的时刻到火灾对人构成危险的时刻的时间间隔，即危险到来时间。从起火到人员成功撤离危险区域所需的时间为必需疏散时间RSET，也即疏散时间。保证人员安全疏散的基本条件是：

受多方面因素的影响，RSET主要与火灾报警时间以及火灾时的人员行为等因素有关，一般由四个部分组成[6]：

式中：

tde—火灾探测时间，s；

talarm—火灾报警时间，s；

tpre—疏散准备时间，s；

tmove—人员运动时间，s

tb—起火到室内人员察觉时间，s；

tc—疏散准备所用时间，s；

ts—疏散到安全地带事件，s。

对于RSET，多侧重于人员运动时间的计算，研究人员在疏散路线上的运动情况[7-8]。根据本模拟的居民楼的实际情况，人员必须疏散时间的计算可简化为：

式中：

t0—人员响应时间，s；

tmove—人员运动时间，s。

考虑到室内人员的最短逃生距离，依据人员行走速度统计量表，下楼梯行走时间、速度等标准参数，以及各房间内不同人员疏散的运动时间[9]，得到房间内不同人员疏散的运动时间 （s），见表2、3。

表2 各房间内不同人员疏散的运动时间（s）

表3 每个楼层不同人员的下楼时间（s）

由于三层着火房间的火灾危险性最大、可逃生时间最短，以三层房间为例，由公式3最终得出保证三层房间内人员撤离所必须的疏散时间为：

在本文的模拟中，采用可见度、温度、CO浓度作为火灾到达危险状态的判据，通过查阅大量的文献，并考虑本文所模拟的居民楼的实际情况，设定危险来临时刻判据指标，见表4。

表4 危险来临时刻判据指标

在火灾中，这三种危险条件哪一个先达到就采取哪一个作为判断依据，由于三层着火房间的火灾危险性最大、可逃生时间最短，所以只需要计算三层房间内人员的可用安全疏散时间。从FDS模拟的结果可以看出：房间内烟气能见度达到危险状态时所需的最短时间为334.8s，房间内烟气温度达到危险状态时所需的最短时间为347.2s，房间内烟气中CO浓度达到危险状态时所需的最短时间为552.2s。

若要满足公式1的人员安全疏散的基本条件，即ASET＞RSET，则根据公式4计算出人员响应时间不能超过201s，也就是说只有在火灾发生201s内发现火灾并开始疏散，才能保证人员的安全。

5 结论

利用FDS数值模拟的方法建立了呼伦贝尔市阿荣旗“熙和国际”居民住宅楼的火灾发展模型，并对火灾过程及人员疏散进行了深入的分析。最终可以得出以下结论：

（1）从计算和模拟结果来看，若不考虑特殊情况，则在居民楼火灾危险状态来临前，居民楼内的人员可以全部安全疏散，并且从火灾发生到人员撤离有201s的响应时间，在正常状态下，足够楼内的人员疏散到安全地点。

（2）通过对居民楼火灾烟气的模拟，可以发现，房间内烟气能见度达到危险状态时所需的最短时间为334.8s，房间内烟气温度达到危险状态时所需的最短时间为347.2s，房间内烟气中CO浓度达到危险状态时所需的最短时间为552.2s。从而可以说明火灾烟气能见度对人员疏散的影响要大于烟气温度和烟气中CO浓度对人员疏散的影响。整个过程中受到火灾影响最大的是其上层房间以及隔壁房间。

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