運用火災模擬軟件優化消防設計

劉克鋒

（南寧鐵路公安處，工程師，廣西 南寧 530001）

FDS（Fire Dynamics Simulator）由美國國家標準與技術研究院開發，是一種以火災中流體運動為主要模擬對象的計算流體動力學軟件，采用數值方法求解受火災浮力驅動的低馬赫數流動的N-S方程，重點計算火災中的煙氣和熱傳遞過程。FDS采用基于場模型的有限元計算方法，其參數輸入包括建筑物尺寸、空間環境溫度、建筑物內物品的燃燒特性及其尺寸、煙氣的特性、搜集數據所需的時間、模擬時空間網格劃分、設計火災等。FDS還提供了可直接觀測數據的圖形顯示軟件Smoke View，使輸出的數據可視化。該軟件可模擬建筑物的火災發展過程，研究火災特點，以便采取針對性的延緩火災蔓延的措施或對防火隔離方案進行選擇，以優化消防設計。

1 防火分隔方案說明

1.1 建筑物概況試驗時使用的建筑物為一棟2層的鐵路物流倉庫，長150 m，寬15 m，層高6 m（2層共12 m），其平面如圖1所示（一層平面圖的左半側）。

在①-②軸間的1～2層樓板開有一個6 m×1.1 m的孔洞，用于垂直運輸貨物。在③軸處設置防火墻，并在防火墻上設置甲級防火門。

1.2 規范規定《建筑設計防火規范》中規定：

1）存放丙類可燃固體的倉庫的每個防火分區最大允許建筑面積為1 500 m2。

2）除一、二級耐火等級的多層戊類倉庫外，其它倉庫中供垂直運輸物品的提升設施宜設置在倉庫外，當必須設置在倉庫內時，應設置在井壁的耐火極限不低于2 h的井筒內。室內外提升設施通向倉庫入口上的門應采用乙級防火門或防火卷簾。

1.3 2種防火分隔方案

1.3.1 單層方案 由于①-②軸間的1～2層間樓板設有空洞，把上下兩層空間納入同一個防火分區，①-③軸間兩層的建筑面積之和大于2 000m2，超出了規范規定。為此，應在孔洞處設置耐火極限不低于2 h的井壁，將①-③軸間的上下兩層分別再分為2個單層防火分區，這樣可同時滿足規范要求。

1.3.2 雙層方案 建設方考慮裝卸方便，提出在②軸上增設防火墻及防火門，不設置井壁，這樣在①-②軸間上下兩層形成的雙層防火分區面積未＞1 500 m2。但不設置井壁是否可行，需要驗證。

2 火災模擬

2.1 火災模型根據上述2種方案，通過FDS的文本文件分別建立模型，坐標系以A軸為X軸，①軸為Y軸，平面垂線為Z軸，原點設在①軸與A軸的交點。雙層模型尺寸為36 m×15 m×12 m，單層模型尺寸為78 m×15 m×6 m。貨物的種類，堆碼的高度、間距、每垛占地面積一致；按圖紙設置窗洞，設定門是鎖閉狀態而不設置門洞。2個模型的細分網格尺寸均為0.25 m×0.25 m×0.25 m。

2.2 火災場景火災場景是對某特定火災從引燃或者設定的狀態燃燒至火災增長的峰值的描述，同時要考慮建筑的結構、功能和布局特征、可燃物的燃燒特性和通風、排煙狀態等因素。這里考慮到垂直運輸貨物的區域，因機械、運送皮帶、電線路等故障及人為因素造成火災的可能性大于其他地方，故2個場景都設定火源位置在一樓垂直運輸貨物的孔洞附近，坐標為（19.5 m，5.5 m，0 m）。

2.3 火源設定設計火災主要是確定火災發展曲線。火災發展曲線通常由火災增長類型和最大熱釋放速率2個主要參數組成。燃料的燃燒是一個相當復雜的物理化學過程，對其進行數值模擬是一項極其艱巨的任務。為簡化計算，這里設定火源為定常火源，即火源熱釋放速率設為常數，不隨時間變化。

2.4 初始條件和火災燃燒時間的設定在模型的初始條件中，設定室內平均風速、室內相對壓力、出口相對壓力均為0（當地大氣壓P=101 325 Pa），室內平均溫度為20℃。考慮到發現火災和救援滅火一般與火災發生有時間差，火災的模擬時間設為2 400 s。

2.5 模擬結果分析在2個模型的起火點附近，坐標（19.75 m，5.3 m，5 m）處設置一測溫計，記錄該點溫度隨時間變化的過程。

2.5.1 單層模型模擬情況 火災發展到730 s，單層模型（78 m×15 m×6 m）靠近A軸及①軸的部位出現明火。火災發展到1 242 s，單層模型靠近①軸部分出現轟燃。火災發展到1 674 s，單層模型全部空間猛烈燃燒。如圖2。

在圖3中，出現單層模型發生轟燃時（1 250 s），測溫點處溫度最高，達到1 100℃，之后火災逐漸發展為全部空間猛烈燃燒（1 700 s），這階段測溫點處的溫度維持在800℃的高位，再逐漸走低。

圖2 單層模型火災發展到1 674 s燃燒情況

圖3 單層模型測溫點溫度隨時間變化圖

2.5.2 雙層模型模擬情況 火災發展到1749 s，雙層模型（36 m×15 m×12 m）的二層靠近B軸及②軸部位出現明火。火災發展到1 810 s，雙層模型的二層靠近②軸部分出現轟燃。火災發展到2 386 s，雙層模型的一層空間猛烈燃燒。如圖4。

圖4 雙層模型火災發展到2386s燃燒情況

查看圖5可知，測溫點處的溫度總體上升緩慢，維持在400～500℃之間，直到一層空間猛烈燃燒時（2 300 s），才快速走高到1 100℃以上。

圖5雙層模型測溫點溫度隨時間變化圖

2.5.3 模擬情況分析 通過單層模型與雙層模型模擬的結果對比說明， 在相同設置的火災場景中，單層模型要比雙層模型火災發展迅速，提早10 min以上出現轟燃及猛烈燃燒，此時火災已很難迅速撲滅。也就是說，在延緩火災蔓延擴大的效果上，單層模型比雙層模型稍差。

按規范要求去做反而效果稍差的原因，是單層模型中起火點靠近①軸，所以該部位比③軸旁的部位更快地聚積到足夠的煙氣、獲得足夠的熱量發生轟燃。而正是由于規范所擔心的煙氣垂直擴散比水平擴散快，雙層模型上下層連通讓下層煙氣迅速垂直擴散到上層，使得下層聚積的煙氣比單層模型相同的部位少，下層溫度升高也就相對緩慢。并且雙層模型的高度比單層模型大一倍，煙氣在上升的路程中即得到更多的稀釋和冷卻，并相對均勻擴散，從而延緩了轟燃的發生。

3 結束語

雖然上述模擬情況只是個例，但也能通過FDS軟件建立火災模型模擬火災發展過程，體現定量分析具體建筑設計的防火效果。這就證明運用FDS軟件，可以優化消防設計。FDS軟件還可以應用于旅客列車的車體設計，以確保乘客在列車發生火災時有足夠時間疏散，避免群死群傷。