・３０８・ 价值工程 基于计算机模拟的实验综合楼火灾和安全疏散研究 Ｏｎ ｔｈｅ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｆｉｒｅ ａｎｄ Ｓａｆｅ Ｅｖａｃｕａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 张志魁ＺＨＡＮＧ Ｚｈｉ—ｋｕｉ；张嘉琪ＺＨＡＮＧ Ｊｉａ—ｑｉ （天津理工大学环境科学与安全工程学院，天津３００３８４） （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００３８４，Ｃｈｉｎａ） 摘要：本文主要介绍了火灾模拟软件ＦＤＳ和人员安全疏散模拟软件Ｐａｔｈｆｉｎｄｅｒ，并通过建立模型的方式对某高校实验综合楼进 行仿真数值模拟 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｆｉｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＦＤＳ ａｎｄ ｓａｔ％ｅｖａｃｕａｔｉｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｐａｔｈｆｉｎｄｅｒ．ａｎｄ ｃｏｎｄｕｃｔｓ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｏｆ ａ ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｗａｙ ｏｆ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｔｈｅ ｍｏｄｅ１． 关键词：ＦＤＳ；Ｐａｔｈｆｉｎｄｅｒ；实验综合楼火灾；人员疏散 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＦＤＳ；Ｐａｔｈｆｉｎｄｅｒ；ｆｉｒｅ ｏｆ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｂｕｉｌｄｉｎｇ；ｅｖａｃｕａｔｉｏｎ 中图分类号：Ｘ９２８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—４３ ｌ１（２０１５）０７—０３０８—０２ 形用户界面分析人员的进出和运动情况，最终计算出运动 作为高校建筑和人员集散的主体，实验综合楼不但是 结果。Ｐａｔｈｆｉｎｄｅｒ是一个三维可视化工具，它分析的是一个 ０引言 高校科研工作的主要场所，而且承载着部分教学和办公任 务，建筑内部有很多大型实验仪器和各种易燃易爆物质以 及危化物品，一旦发生火灾将会造成较大的人员伤亡和财 产损失【ｌ－２１。基于此，笔者认为对高校实验综合楼火灾和人 员安全疏散的研究是很有必要的。所以，笔者在查阅相关 标准和有关文献的基础上，结合火灾模拟软件ＦＤＳ和人 员紧急疏散模拟软件Ｐａｔｈｆｉｎｄｅｒ，通过如图１所示的技术 路线图建立实验综合楼数值模拟模型进行数值模拟，并对 相关模拟结果进行对比分析，以期为高校实验综合楼的消 防防火管理方案提供相关理论参考。 完整的三维三角网格设计环境，与实际层面的建筑模式相 一致。 １火灾与疏散模型建立 １．１ ＦＤＳ火灾模型建立本文以某高校实验综合楼为 研究对象，该实验综合楼为五层单体建筑，层间距为 ３．６ｍ，该楼的一层和二层之间通过中庭连通，整体建筑结 构类似，将建筑结构简化建立模型尺寸为长×宽×高＝６２ｘ １９ｘｌ８ｍ 的立方体，取网格参数见表１，最小网格尺寸为 ０．５ｘＯ．５ｘ０．５，网格总数为１６９，６３２。 表１网格参数设置 轴 Ｘ Ｙ Ｚ Ｍｉｎ（起点） Ｍａｘ（终点） ６２ ｌ９．Ｏ １８．Ｏ 网格数 ｌ２４ ３８ ３６ ０．０ ０．０ ０．０ 在建立完几何模型后，要进行火源的设定，为了能模 拟出该楼火灾的最严重情景，笔者将火源设定在位于一楼 中部位置的火灾实验室中，设置火源点大小为０．５ｘ０．５ｘ ０．５，火源功率为３０００ｋＷ／ｍ ，模拟时间为６００ｓ。该实验综 合楼的火灾模型如图２所示。 图１技术路线图 ＦＤＳ是由美国国家标准技术局开发的一种火灾动力 模拟工具，它可以根据设定要求将整个建筑空间分为多个 小型计算单元或三维矩形控制体，并能计算出各单元内部 图２实验综合楼火灾模型 的气体密度、温度、湿度、压力、组合浓度等。该模拟工具可 １．２ Ｐａｔｈｆｉｎｄｅｒ人员疏散模型建立建立完ＦＤＳ火灾 以通过有限体积技术追踪火灾气体的产生和蔓延情况，并 模型后，由于ＦＤＳ与Ｐａｔｈｆｉｎｄｅｒ所建立的模型可以相互导 根据墙壁、顶棚材料、地板、家具等的材料特性来计算火灾 入。所以，只要将建立完成的火灾模型导入到Ｐａｔｈｆｉｎｄｅｒ 中的增长速度 。 中即可，对多余的遮挡物进行删除处理后得到人员疏散的 Ｐａｔｈｆｉｎｄｅｒ是由美国Ｔｈｕｎｄｅｒｈｅａｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ公司设 几何模型，然后对几何模型中各区域进行相关人员密度的 设置，该参数可以采用Ｐａｔｈｆｉｎｄｅｒ软件中的推荐密度进行 根据该建筑物的人员实际情况，将人员密度设置为 作者简介：张志魁（１９８８一），男，河南商丘人，硕士，研究方向为建 设置，计并开发出的一款人员进出和运动模拟器，它借助一个图 筑火灾模拟。 ３５．４２ｍ２／人，并默认人们对所有的出口都是熟知的，疏散速 Ｖａｌｕｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ・３０９・ 度设置为１．７１ ｒｒｄｓｏ ２模拟结果及分析 ２．１ ＦＤＳ模拟结果与分析根据对火灾中人员死因的 分析统计，火灾中烟气对人造成的伤害最大，烟熏致死的 比例较大，最高达７８．９％，烟气流动的方向决定了人员疏 散的方向［４１。 ７０ ６Ｏ ５０ 暑４０ 岂 当烟气界面低于人眼的特征高度时，我们就可以根据 童３０ 烟气中有害燃烧物的临界浓度判断火灾的危险性程度。其 中，烟气层高度若满足下式要求，则有害物质即达到临界 ２０ 浓度：Ｈｓ＞Ｈ ＝Ｈ ０．１Ｈｂ （１） 式（１）中：｝｛ｓ为烟气层高度；Ｈ 为人眼特征高度；Ｈ ０ １００ ２００ ３００ Ｔｉｍｅ／ｓ ４Ｏ０ ５００ ６００ 为建筑物顶棚高度；Ｈ 为对人构成危险的临界高度。假设 人眼特征高度为１．７ｍ，建筑物被顶棚高度为３．０ｍ，则可计 算出烟气层对人构成危险的临界高度为２．０ｍ。因此，当烟 气层的高度降低到对人人体构成危险的临界高度２．０ｍ 时，则烟气层高度达到模拟临界危险值。 模拟结果表明：通过设定在各楼层疏散楼梯口的烟气 层高度测量点，得出各疏散口烟气层高度随时问变化规律 如图３所示，当火灾持续到大约ｔ＝１９０ｓ时，～楼测量点烟 气层高度最先达到临界值２．Ｏｍ。 ｎ 图４楼梯间纵向温度一时间曲线 ０ ２０ ０ｏ ４０．ｏｏ ６ｏｏ０ ８０．ｏ０ １０ｏｏ １２０．０ １４ｏ．ｏ ３．０ ２．５ 目２．０ Ｔｉｍｅ ｉｎ Ｓｅｃｏｎｄｓ 图５人员疏散模拟结果 ｊ ． ＝芒１．５ １．０ ０．５ ０ １０Ｏ ２ＵＯ ３００ Ｔｉｍｅ／ｓ ４００ ５００ ６００ 险临界值的时间，可知烟气层的高度为决定火灾危险时间 的相对比较关键的因素，当ｔ＝１９０ｓ一楼疏散楼梯口烟气 层高度率先达到临界值２．０ｍ时，由于该建筑人员完全疏 散的时间为１２１ｓ，则此时该建筑物内的人员已经疏散完 毕，所以，此实验综合楼的安全疏散通道能够满足火灾发 生时的人员疏散要求。 ３结论 图３烟气层高度变化曲线 通过对此高校实验综合楼进行的火灾数值模拟和人 除了烟气影响外，火灾造成人员伤亡的另・个重要原 员安全疏散模拟的分析，可以得出以下结论：①该模型能 因是燃烧产生的热。当烟气层高度下降至与人直接接触 有效模拟实验综合楼火灾的实际情况，可以有效反应出火 时，烟气对人的危害是直接灼伤。资料显示，要造成皮肤二 灾发生过程中烟气蔓延情况和温度场的分布，能为实验综 级烧伤，７１℃时只需皮肤在烟气中持续暴露６０ｓ，８２ｏＣ时需 合楼的消防安全工作提供有力的数据支持；②烟气是影响 ３０ｓ，１００￣Ｃ时只需要１５ｓ［５１。对于健康的着装成年男子，克拉 人员疏散相对关键的因素，因此，如果在火灾情景下，运用 尼ｆ Ｇｒａｎｅｅ）推荐了温度与人体极限忍受时间的关系式为悯： 合理的防排烟措施，将会减少烟气对人员逃生的影响，有 ｔ＝４．１ｘｌＯＳ／［（Ｔ—Ｂ２）／Ｂ１ （２） 效争取到逃生时间；③通过火灾模拟和人员安全疏散模拟 式（２）中 ｔ表示极限忍受时间ｒａｉｎ：Ｔ为空气温度℃： 相结合，找到了火灾过程中的最佳疏散时间，对消防管理 Ｂ。和Ｂ：分别为常数，一般取Ｂ１＝１．０，Ｂ ：０。考虑到空气湿 工作具有重要的指导意义。 度的影响及火灾中人体的实际情况，取安全系数０．７，得到： 参考文献： ［１】刘淑萍，张锐，关路贵．高校实验教学楼火灾预防要素与应 Ｊｌ＇中国公共安全・学术版，２０１２（１）：１２０—１２２． 在模拟实验中沿楼梯口处纵向布置了多个感温探测 对『［２］李五一主编．高等学校实验室安全概论［Ｍ］．杭州：浙江摄影 器，如图４所示，各感温探测器探测的温度随时间变化。模 ２００７． 拟结果显示，在ｔ＝３５０ｓ左右，一楼测量点最高温度温度约 出版社，ｔ＝２．８７ｘ １０８／，ｉｏ （３） ６２℃，而其他各测量点最高温度不超过５５－２℃，远低于人 体的可耐受温度。由此可见，温度因素对此建筑火灾人员 的影响不明显。 ［３］Ｋｅｖｉｎ ＭｅＧｒ￣ｔａｎ．Ｇｌｅｎｎ Ｆｏｍｅｙ．Ｆｉｒｅ Ｄｙｎａｍｉｃｓ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ （Ｖｅｒｓｉｏｎ ４）Ｕｓｅｒ Ｓ Ｇｕｉｄｅ［Ｒ］．Ｕ．Ｓ．Ｇｏｖｅｒｎｍｅｎｔ Ｐｒｉｎｔｉｎｇ Ｏｆｉｃｅ，２００６：ｆ １—３１． ２．２ Ｐａｔｈｆｉｎｄｅｒ模拟结果及分析通过Ｐａｔｈｆｉｎｄｅｒ中更 分布与危害［Ｊ］＿自然灾害学报，２００３（３）：６９—７４． 能准确反应人员逃生的具体情况Ｓｔｅｅｒｉｎｇ模式，该实验综 【５］武来喜．典型建筑中基于烟气成分和温度分布的烟气危害 合楼全部人员安全疏散的时间为１２１ｓ，模拟结果如图５。 性分析方法研究［Ｄ］．合肥：中国科学技术大学，２００９． ２．３模拟结果对比分析结合ＦＤＳ与Ｐａｔｈｆｉｎｄｅｒ的模 【６】霍然，胡源，李元洲．建筑火灾安全工程导论【Ｍ１．合肥：中国 拟结果可以看出：通过对比烟气层高度和温度达到火灾危 科学技术大学出版社，１９９９：７８—７９． 【４］黎强，刘清辉，张慧，等．火灾烟气中有毒气体的体积分数
