基于PyroSim 的高校宿舍火灾逃生情况模拟及分析*

李荣燕，任建军，习信璐

（兴义民族师范学院，贵州 兴义 562400）

火灾是一种危及社会治安、人民生命财产安全的多发性灾难[1]。据报道，2006 年1 月8日，菲律宾共和国马尼拉市城北学校区的一座学校住宅楼在当天凌晨突发大火[2]，最少8 人被严重烧伤，3 人烧死；2007 年1 月11日，东北师范大学研究生寝室二舍一楼突发大火，烟雾把11 楼高的整个寝室都笼罩着，楼上百余号寝室的500 多名学子被困；2008 年5 月5日，中央民族大学28 号楼的6 层女生宿舍突发大火[3]，数千女子进行了避难。总结以上事例，发现高校宿舍容易引发火灾的主要原因是使用了大功率电器。许多高校建筑都有几十年甚至上百年的历史，建筑物老旧，电线老化，加之有的学生违规使用大功率电器，甚至在床上吸烟引起被子燃烧等，成为近年来我国高校宿舍频繁发生火灾事故的主要原因。高校宿舍由于人员密集，楼层较高，且易燃物较多，会产生救援困难。为了降低高校宿舍可能发生火灾事故的概率、财产损失以及人员伤亡，现使用PyroSim 软件建模，以兴义民族师范学院女生宿舍笔山楼为参照，仿真火灾突发情况，对构建的模型进行数值模拟，以探究烟气流动状况，并提出较为完整的安全措施。

PyroSim 是由美国国家标准科学和技术研究所开发的一种火灾动态仿真建模应用软件，常被用来仿真火势发展和烟雾运动。能够设定不同的爆炸反应、建筑材质、表面材料，并给出应用图形界面，易于操作，因此被广泛用于建筑物的防火设计、消防安全仿真等。使用PyroSim 技术进行火灾建模的基本流程为：模式创建、系统运行求解、大数据分析处理。其中，模型创建过程包括新建PyroSim 程序文档、定义反应条件和物料数据信息、建立网格、界定并建立物体表面特征属性、建立实体结构、建立通风口、建立各种检测装置和消防灭火装置、建立各种结果记录、检测模式、存储模式；运行求解包括设置模拟属性、开始模拟；大数据分析处理指查看数据分析结果[4]。

1 模型创建

通过对兴义民族师范学院女生宿舍楼笔山楼的实地检测，提取有关数据，包括：笔山楼每层面积为368.5 m2，高约15 m，总共有6层，安全楼第一层是街道商铺，第二层到第六层为学生寝室，每层设有10 间寝室，每间寝室长6.2 m，宽3.3 m，楼梯间宽为3.3 m，走廊长46.5 m，宽1.6 m，每层楼层之间有一间厕所。

对研究对象进行模型设计，选用的网格大小为0.5 m×0.5 m×0.5 m，建立一个完整的宿舍3D 模型，所用的网格数量为127 428 个。宿舍楼模型见第26页图1。为了真实还原火灾现场，在模型中还设置了书柜和床，见第26 页图2。

图1 宿舍楼模型图

图2 宿舍楼结构内部图

2 宿舍楼火灾模拟分析

2.1 参数确定

由于学生公寓尤其是高校的学生宿舍，是学生们学习生活的主要场地，人员相对稠密，所以一旦出现失火，就非常容易引发财产损失和伤亡事故。根据以往学校发现火灾的事例，高校学生宿舍中发生火灾的主要因素有乱拉乱接电线或电线老化；接触条件不良而发热引起的失火；使用家电错误，如将电灯泡接近可燃物，或采用不合格的家用电器；在床头点火烛，躺在床上抽烟，或乱丢尚未扑灭的烟蒂等造成宿舍床上的棉被或床板全部烧毁。发生火灾时，宿舍内的易燃物主要是棉被，棉被的主要材料是纤维素，所以设置模型燃烧的火源为二楼宿舍的床板，燃烧的功率为480 kW，颜色为红色，运行时间为600 s。由于在火灾发生时，烟气的流动情况和CO 的浓度分布情况是火灾发生时人员疏散的重要因素，为了能够更好地设计逃生路线，在火灾模拟时，分别分析烟气的流动情况、切片的温度情况、CO 的浓度分布情况，见表1。

表1 模拟参数表

2.2 FDS 模拟结果分析

2.2.1 运行过程中烟气的流动结果分析情况及切片的温度情况

火灾发生时，会产生大量的烟气，烟气将直接影响到人们的视觉范围，导致人员疏散情况不理想。火灾过程中产生的烟气越多，人们的可见范围就越小，疏散情况就越不理想。在对相关调研报告进行了解后得知，火灾来临时，2/3 以上的人员死亡都是由于烟气导致的。所以，发生火灾时对火灾烟气的流动方向和分布进行研究是非常有必要的，因此，对高校宿舍的火灾燃烧进行了三维模拟。模拟研究表明，由于火源位置在二层较中间的位置，高温烟气主要在火源房间内迅速蔓延，使着火点房间的能见度迅速降低。火灾燃烧到100 s时，高温烟气迅速蔓延到整层楼的房间，房间内的温度也相对较高，整层楼的烟气蔓延情况见图3，切片的温度见图4。

图3 100 s 时烟气蔓延情况

图4 100 s 时切片温度

在火势燃烧到300 s时，烟气不断向外扩散，随着火势不断燃烧，烟气不断向高楼层的方向蔓延，房间内的温度达到人体不能承受的高温状态。烟气蔓延情况见图5，切片温度见第27 页图6。

图5 300 s 时烟气蔓延情况

图6 300 s 时切片温度

在火势持续燃烧到600 s时，整栋楼的房间全部被烟气所覆盖，房间外的烟气量大于房间外的烟气量，房间内的温度达到极致。烟气蔓延情况见第27 页图7，切片温度见第27 页图8。

图7 600 s 烟气蔓延情况

图8 600 s 时切片温度

在火灾燃烧过程中，随着烟气温度的升高与扩散，人员要在100 s 之前进行撤离，不然就会受到较严重的危害；在火势持续燃烧到300 s时，燃烧正处在充分燃烧阶段，此时整层楼的房间烟气都达到最大，房间内的人员都处于危险阶段，假若在火势燃烧到300 s 时第二层楼的人员依然未撤离，将会承受更严重的危害，甚至会危及到生命；火灾发生到600 s时，烟气已经完全覆盖了2～6 层的房间，如果此时仍然有人未逃离宿舍楼的话，强烈建议禁止采取一切未知的盲目的逃生措施，因为烟气已经覆盖2～6层，能见度基本没有，所以应该待在原地等待救援，否则会有生命危险。

2.2.2 燃烧过程中CO 物质的量分数分布情况

宿舍内有可燃物被点燃引发火灾时，会产生大量烟气，烟气中存在大量的CO。CO 含量的高低决定了人们中毒的反应，CO 物质的量分数为10%～20%时，属于轻度CO 中毒，表现为头痛、头晕等神经系统的缺氧改变；30%～40%属于中度的CO 中毒，会出现短暂的意识障碍，但经过适当治疗，会迅速恢复意识；浓度含量在50%以上属于重度的CO 中毒，会出现严重的意识障碍，包括深度昏迷，影响呼吸，影响内环境及水电平衡紊乱，继发感染等，严重的话还可能导致横纹肌溶解、心肌缺血、心律失常等其他脏器的损害。

在发生火灾的过程中宿舍内着火点处CO 含量的变化情况见图9。

图9 CO 含量的变化情况

从图9 可以得出，在火灾还未发生或在发生没多久时第二层的房间内CO 的含量为0，质量为0。火势开始初期，CO 物质的量分数增长很快。火灾发生到220 s时，CO 物质的量分数上升到7.8×10-2，这一浓度含量超出了人体对CO 所能接受的极限，对人体构成了极为严重的伤害，应对人员采取逃离措施并及时送医。在火势充分燃烧阶段，CO 物质的量分数一直在4.8×10-2～8.0×10-2范围内上下波动，随着燃烧的完全，CO 的最终物质的量分数为7.6×10-2，已经严重威胁到人的生命安全，人员在逃生过程中，一定要做好防范措施，保障自己的安全。

3 防火和疏散建议

通过利用PyroSim 软件，对兴义民族师范学院的女生宿舍笔山楼进行了火灾模拟，发现较低楼层的房间起火会对最高楼层和底部楼层的房间产生危害，而且烟雾还会很快向四周扩散。为了降低因火势爆炸而产生的伤亡事故和财产损失，因此，提出以下5 个建议。

一是在楼梯间以及每层楼之间都设置烟气感应装置以及火灾报警装置，能在火灾发生时及时传递火灾信息，为人员的疏散提供充足的时间。二是在每一层楼梯间都安装灭火器装置，并保证每一个人都能正确使用。三是每隔一段时间就组织全体学生进行火灾逃生演练，提高大家对火灾的警惕性，加强对火灾的防范性，确保全体人员在火灾来临时能够快速有序撤离。四是加强对学生的管理，明令禁止学生不能在宿舍使用大功率违规电器以及乱牵电线，严禁将打火机带到宿舍。五是要求管理人员在可能引起火灾的地方进行全方位排查，消除隐患。