基于FDS 與Pathfinder 的學生食堂火災與人員疏散研究

潘長城PAN Chang-cheng；郭建中GUO Jian-zhong

（首都經濟貿易大學安全與環境工程學院，北京 100070）

（College of Safety and Environmental Engineering，Capital University of Economics and Business，Beijing 100070，China）

0 引言

近年來，高校學生食堂火災時有發生，但一直都沒有引起社會的足夠重視，其中的原因可能是因為大多數火災發生之后處理及時，并沒有造成人員傷亡的發生。但因為食堂是人流量極大的區域，發生火災后動則上千人的大疏散，這樣不僅嚴重影響了學校師生的生活秩序、造成了較大的經濟損失，而且容易引起學生恐慌，萬一處理不及時且人員疏散工作不到位，則易發生踩踏等事故，最終的損失不可估量。基于此，筆者認為對學生食堂火災及人員疏散進行研究是很有必要的。目前，國內外用得較為廣泛的火災和人員逃生模擬軟件是FDS（Fire Dynamics Simulator）和Pathfinder，例如，徐艷秋等[1]利用FDS 軟件研究火場下的人員疏散模型，分析了不同的人員特點對疏散效率的影響。樂增等[2]利用FDS 與Pathfinder 對學生宿舍火災與人員疏散進行了數值模擬，分析了宿舍發生火災時煙氣運動、溫度的分布和能見度的變化規律，對現場消防工作具有一定的指導作用。根據筆者在知網上查詢的文獻顯示，在學校火災研究中，主要是針對學生宿舍，圖書館等區域的研究，而對學生食堂火災的研究還鮮有文章提及。所以，筆者在查閱相關標準與文獻的基礎上，結合火災模擬軟件FDS 和人員逃生軟件Pathfinder，建立學生食堂數值模擬模型，并對相關參數進行分析，以期為高校學生食堂的消防防火管理方案提供理論參考。

1 FDS 與Pathfinder 簡介

FDS（Fire Dynamics Simulator）是由美國國家標準技術局開發的火災動力學模擬工具，是計算流體力學的一種模型，模擬火的能量驅動流體流動。該軟件把設定空間分成多個小的三維矩形控制體或計算單元，計算每個單元內氣體密度，速度，溫度，壓力和組分濃度用質量守恒、動量守恒和能量守恒的偏微分方程來近似有限差分，通過對同一網格使用有限體積技術來計算熱輻射、流體流動中存在湍流現象，追蹤預測火災氣體的產生和移動，并結合家具、墻壁、地板和頂棚的材料特性來計算火災的增長和蔓延。

Pathfinder 是由美國Thunderhead engineering 公司開發的一個基于人員進出和運動的模擬器。它提供了圖形用戶界面的模擬設計和執行，以及三維可視化工具的分析結果。該運動的環境是一個完整的三維三角網格設計，以配合實際層面的建設模式。Pathfinder 可以導入FDS 模型，FDS 在模擬火災的同時，可以在相同時間內模擬人員疏散。這樣既直觀，又有可靠的數據，還可以分析出人員疏散的最佳時間，減少人員傷亡。

2 火災與人員疏散模型建立

2.1 FDS 火災模型建立 筆者以某高校學生食堂為對象，建立FDS 火災模型。該學生食堂為三層建筑，層間距為5m，食堂的第一層的平面布置圖如圖1 所示。該學生食堂的每一層布置相似，為了在方便建立模型，又不影響模擬結果的條件下，筆者在原食堂CAD 圖紙的基礎上進行了簡化處理，圖中的C 區域是食堂的主餐廳，為學生、老師的集中用餐區，中間部分為取飯處，A 區域為廚房（主要研究對象），D 區域為存放食材的地方。除此以外，圖中的中上部為食堂的主樓梯，右下部為食堂的側樓梯，B 區域為食堂的大門。

圖1 食堂一層平面布置圖

在建立完幾何模型后，再進行火源的設置。為模擬出食堂火災最嚴重的情景，筆者將火源設置在食堂一層的廚房操作間中，這樣設置的原因如下：①在筆者查閱的近幾年食堂火災的新聞中，幾乎都是廚房著火。②廚房的可燃物最多，操作間的廚師稍有不慎都有可能會導致火災的發生。③目前高校的學生食堂中，大量存在著私人承包的現象，而這些私人營業者往往安全意識不足，且管理上缺乏制度的約束，這將會讓火災發生的可能性大大增加。

2.2 Pathfinder 人員疏散模型建立 建立完FDS 火災模型后，由于FDS 與Pathfinder 所建立的模型可以相互導入。所以，只要將建立完成的火災模型導入到Pathfinder 中即可，對多余的摭擋物進行刪除處理后得到人員疏散的幾何模型。然后對幾何模型中各區域進行相關人員密度的設置，該參數可以采用Pathfinder 軟件中的推薦密度進行設置，對于餐廳區域的人員密度采用1.39m2/人，其它區域采用5.57m2/人。

在Pathfinder 軟件中人的行為模式有兩種：Steering 模式和SFPE 模式。SEPF 模型是一個流動模型，它的前進速度由每個房間的人員密度決定并且通過門的流體是由門寬控制的。而Steering 指導模式是使用路徑規劃指導機制碰撞處理相結合控制人員運動的，因而Steering 模式更能準確反應人員逃生的具體情況。

3 模擬結果及分析

3.1 FDS 火災模擬結果 在火災模擬過程中，往往需要對煙氣高度、能見度、溫度等參數進行著點分析比較。而且有研究表明，在火災中有2/3 以上的死亡者是由煙氣所致[3]，因此對煙氣進行分析將是研究的重點。圖2 為模擬所得一樓到三樓的煙氣高度的曲線圖形。

3.2 人員疏散模擬結果 在Pathfinder 中設定模擬時間為650s，并且默認人們對所有的出口都是熟知的，速度區間設置為1.13m/s～1.26m/s，得到的模擬結果如圖3 所示。

圖2 3 個樓層煙氣高度曲線圖

圖3 第55s 時的人員疏散情況

3.3 模擬結果分析 結合FDS 與Pathfinder 的模擬結果可以看出：煙氣層的高度為決定有效安全疏散時間的最關鍵的因素。210s 時，二樓樓梯口的煙氣層高度已經達到使逃生人員無法繼續逃生的臨界值1.5m。所以有效安全疏散時間為210s，這意味著，所有逃生人員需要在210s 之內逃離食堂的第二層；在人員疏散過程中，每層樓的主樓梯口與側樓梯口均容易出現“成拱”現象，人與人之間相互擠壓，萬一疏散指揮不利造成“拱塌”，則會出現踩踏事件，嚴重影響到師生的生命財產安全；通過模擬還發現，在火災最嚴重的情況下，由Pathfinder 模擬出的需要安全疏散時間（613s）遠大于有效安全疏散時間（210s），因此，對該食堂的火災報警、噴淋設施進行合理重新設置是非常有必要的，同時加裝防火樓梯也將大大縮短人員的逃生時間。

4 結論

筆者通過對某高校的學生食堂進行火災的數值模擬分析，可以發現：①該模型能有效模擬食堂火災的實際情況，能為學生食堂的消防安全工作提供有力的數據支持。②煙氣層高度為影響人員疏散的最為關鍵的因素，因此，如果在火災情景下減少煙氣對人員逃生的影響，有效的爭取到逃生時間，將是下一步研究工作的重點。③私人承包現象在大多數高校食堂中普遍存在，要解決食堂火災的問題，就必須從人員的管理上著手，完善私人承包制度，增強人員消防安全意識，規范食堂日常管理才是根本的解決之道。

[1]徐艷秋，王振東.基于Pathfinder 和FDS 的火場下人員疏散研究[J].中國安全生產科學技術,2012，8（2）：50-54.

[2]樂增,金潤國,毛龍等.高校宿舍火災數值仿真模擬[J].中國安全生產科學技術,2009,5（2）:51-55.

[3]Purser D.Toxicity assessment of combustionproducts[A].P.J.DiNennoThe SFPE Handbook of fireprotectionengineering [C].Boston，1998.