基于FDS模擬的建筑物火災損失量化方法研究

楊艷軍

(蘇州市消防支隊，江蘇 蘇州 215500)

基于FDS模擬的建筑物火災損失量化方法研究

楊艷軍

(蘇州市消防支隊，江蘇 蘇州 215500)

基于建筑火災損失量化理論的研究，結合火災安全工程學方法和火災風險評估學原理，確定了建筑火災損失一般量化方法和計算流程。利用FDS軟件對某建筑物進行了數值模擬，得出了四種典型火災場景下財產損失的概率和后果，并通過分析、比較，驗證了建筑火災損失量化方法的科學性和可操作性。研究成果既可以為保險公司根據損失大小確定差別費率提供依據，又可以使企業明確自身消防安全狀況，積極采取有效的防范措施，從而最大限度地降低火災風險。

數值模擬；火災損失；量化方法；火災保險；火災評估

0 引言

建筑火災損失量化是政府領導部門進行科學決策和科學管理，制定消防法規和防火對策的基礎性資料，是消防部門發展、規劃、預防的必要條件。火災經濟損失量化評估也可為保險公司準確客觀地理賠提供參考依據。國外建筑火災損失評估方法和模型主要包括：加拿大的FiRECAMTM，該模型利用隨時間變化的確定性的和概率的模型來評價選定火災場景對生命安全、財產安全和工作中斷所造成的損失；澳大利亞的CESARE-RISK模型，該模型采用了成本與效益比較模型來計算火災對生命的風險和火災預期損失；英國的CRISPⅡ模型，此模型是通過Monte-Carlo模擬所有的火災場景的模型，進而計算火災損失[1]。國內有關于建筑火災損失的文獻包括：李引擎等人基于火災統計數據，按照建筑分類統計分析火災財產損失[2]；褚冠全等人利用數理統計結合火災動力學分析建筑火災損失[3]；徐志勝等人運用灰色理論分析已有的火災損失統計數據從而預測未來一段時期內的火災損失[4]。

本文將火災保險靜態原則和火災風險評估學理論結合起來，提出建筑火災損失的量化理論，計算建筑物的財產損失。該理論主要包括五個部分：火災損失分析方法、設計火災場景、典型場景的發生概率、火災模擬研究、火災損失量化系統應用流程。

1 火災損失分析方法

分析火災損失需要研究四部分內容：設計火災場景；結合滅火效應為每個確定的火災場景設計火災；確定場景的概率；量化每個場景的致損參數。然后將所得參數結果帶入到量化模型中，計算火災損失。由此得到建筑物火災損失模擬計算的流程和方法，具體內容見圖1。

事件樹分析方法可以綜合考慮不同火災場景發生的概率和損失后果，能夠將復雜對象的研究過程合理簡化，比較適合應用到建筑火災損失量化計算中。因此，本文運用事件樹的方法來分析火災損失事件和概率。

2 典型火災場景

保險公司在承保前，首先結合風險調查表，對投保標的進行風險勘察，然后分析風險勘察得到的基本信息，進而確定承保標的各個風險單位面臨的潛在損失場景的損失，為保險公司決定是否承保、如何承保提供基本依據。然而，目前我國保險部門沒有專門針對火災風險的調查表及火災風險的潛在損失場景定義。因此，結合國外幾類火災損失場景的定義(正常預計損失NLE、可能的最大損失PML、最大可預計損失MFL、最大可能潛在損失MPL)[5]來確定潛在的火災損失，并將這四種場景作為研究火災損失的典型場景，詳細內容見表1。

圖1 建筑物火災損失模擬計算流程

表1 典型火災場景損失

3 火災致損參數的計算

3.1 模擬計算的致損參數

火災損失的大小決定于火場的過火面積、溫度、煙氣濃度、水漬損失。此外噴淋啟動時間和消防隊救援時間對修正火場熱釋放速率起著至關重要的作用，因此，本文結合這兩種滅火效應的時間來量化致損參數。消防隊的救援時間主要是通過經驗公式求解。噴淋啟動時間的求解思想是：首先根據所要研究的建筑物內的物體擺放特征、材料特性以及噴淋的布置，構建與實際情況等比例的小尺寸房間；其次合理設計該類建筑的火源熱釋放速率，然后運用FDS模擬小尺寸空間的火災，求得滅火系統的啟動時間；最后運用FDS建模，對不同場景進行模擬計算，從而求得所需的致損參數。具體流程見圖2。

3.2 利用經驗公式計算水漬損失

目前幾種主要的救火需水量的計算方法有：美國保險事務所的計算方法、美國依阿華州計算方法、美國伊利諾州計算方法、新西蘭消防工程設計指南中的計算方法、加拿大安大略湖州建筑物防火系統供水指南中的計算方法和加拿大國家研究院所采用的計算方法。本文采用加拿大國家研究院計算方法。該方法將滅火需水量劃分為三部分：撲滅建筑物內火災所需用水量、阻止相鄰建筑物起火所需用水量、其它需要的用水量[6-7]。

圖2 計算致損參數流程圖

4 案例分析

4.1 倉庫概況

某服裝倉庫位于城市市郊，2005年興建并于次年投入使用，是一物流中心倉儲樓，建筑設計合理使用年限為50年。該建筑為鋼筋混凝土框架結構，共5層，高21.5 m，建筑總面積約10 298.4 m2，1到4層作倉儲用，第5層為機房。該倉庫與鄰近消防隊的距離約4 km；多側消防通道及防火分區的設置符合規范要求；1至5層設置相互貫通的樓梯間，有正常的疏散設備和消防聯動控制系統，但未設置機械防排煙設施；整個倉庫共有手提式滅火器98具。

4.2 場景分組和概率設定

4.2.1 場景分組

重點研究典型的四種場景對應的分支路徑，具體內容包括：火災探測報警系統動作、火是否被工作人員或周圍群眾發現并撲滅、噴淋系統撲滅火災、排煙系統的啟動、防火分隔效果以及消防隊救援。由于實例中沒有機械排煙系統，結合損失事件邏輯關系圖，得出如圖3所示的需要研究的火災場景分組。

4.2.2 概率分析及確定

大量的統計數據是準確得知路徑事件概率的必要條件，然而國內缺乏關于起始和路徑事件的概率統計數據，因此，在國外相關文獻研究[8]的基礎上確定各個路徑事件的概率，其中包括火災發生概率、發現火災的概率、室內人工滅火的概率、水噴淋滅火系統成功概率、限制在起火室內的概率以及消防隊滅火概率[9]。

圖3 火災場景以及后果分組圖

4.3 火災損失結果

利用FDS軟件，對四種典型場景進行模擬[9-10]，可以得出建筑財產損失閾值以及致損參數的臨界值，通過確定物質受損程度，最后得出四種場景下的損失情況。再結合上面的概率，從而求得各種損失場景的概率以及損失金額的區間范圍，具體情況見表2。

表2 倉庫火災風險結果

5 核保建議

目前歐美各國保險公司普遍采用風險指數法評估方法來評價建筑物的火災風險分值，最終決定核保決策以及浮動費率。表3[11]描述了建筑火災風險分值與風險等級的對應關系。

表3 建筑火災分值與火災風險等級

保險公司根據表3中的評價結果，提出核保建議，并確定投保建筑的費率浮動情況。此處將表3中的每個風險分值區間按公式(1)、(2)轉換為對應的損失比例區間，從而得到損失比例與核保建議之間的對應關系，見表4。

(1)

(2)

式中，Lrl為損失比例左端點；Lrr為損失比例右端點；Rmax為最大風險值，5；Rmin為最小風險值，1；Rr為風險分值右端點；Rl為風險分值左端點。

由前文可知，最危險的極端情況的發生概率較低，因此，此處由前面三個典型場景來決定核保決策和費率。由表4得，對于NLE和PML場景，風險低，可以考慮積極承保，而對于MFL場景，風險較低，保險公司則會爭取承保。同時由表2可知該倉庫發生NLE的概率較其他場景大很多，因此，保險公司會對該倉庫進行積極承保。

6 結論與展望

通過本文的研究，得出以下結論：(1)本文研究的建筑物火災損失量化方法是基于建筑火災損失量化理論，并結合火災風險評估學的方法，通過案例分析可知，該方法是比較科學合理的。(2)結合國外經驗和建筑火災發展的一般規律，四種典型火災場景的建立是合理的。(3)在確定火災的致損參數時，應考慮水噴淋啟動時間和消防隊救援時間以及水漬對火災損失的影響。(4)基于FDS軟件，可以清晰直觀地分析整個火場中致損參數隨空間和時間的變化，比以往單獨用FDS中的Smokeview來分析參數的效果更直觀，從而確定了建筑火災財產損失模擬計算方法的可行性與可操作性，有助于財產損失量化方法的應用和推廣。

今后需要對以下幾個方面進一步深入研究：(1)在分析場景發生概率時，借鑒了國外相關研究統計數據，但不同國家、不同區域的研究數據差異比較大，并不完全適合我國的實際情況。因此，亟須將消防統計數據和保險部門統計數據相結合，并逐步建立保險和消防共享的基礎數據庫，這樣有利于定量研究風險，并提高風險管理決策的效率。(2)本文采用致損閾值計算致災因子得到物體的損壞程度，但是這些公式存在著誤差。因此，很有必要研究出各種致損參數對不同種類物體的致損機理，并在做大量試驗的基礎上或基于保險統計數據，總結出致損參數對物體的損壞經驗公式，從而提高預測的準確性。(3)今后需要研究的另一個重點問題是改進該方法的可操作性。本文研究的方法還比較煩瑣，應在本文研究的基礎上，更加深入地研究，為保險公司和企業提供一套更方便和快捷的方法。

[1] 范維澄,孫金華,陸守香，等.火災風險評估方法學[M].北京:科學出版社,2004.

[2] 李引擎,季廣其,鄧正賢,等.建筑物火災損失統計計算和保險費率的確定[J].建筑科學,1998,14(5):3-7.

[3] 褚冠全,孫金華.基于火災動力學和概率統計理論耦合的建筑火災直接損失預估[J].中國工程科學,2004,6(8)：64-68.

[4] 徐志勝,白國強,馮凱.灰色預測理論在火災損失預測中的應用[J].湘潭礦業學院學報,2004,19(1)：24-26.

[5]THOMASF,BARRYPE.EventTreeFireLossScenarioAnalysis[EB/OL].(2003-04-19)[2014-12-10].http://www.fireriskforum.com.

[6]BENICHOUN，KASHEFA，HADJISOPHOCLEOUSG.FireDepartmentResponseModel(FDRM)andFireDepartmentEffectivenessModel(FDEM)TheoryReport,IRC-RR-842[R].FireRiskManagementProgramInstituteforResearchinConstructionNationalResearchCouncilCanada,2002.

[7]TORVID,KASHEFA,BENICHOUN,etal.FIERAsystem Water Requirements Model,IRC-RR-851[R].Fire Risk Management Program Institute for Research in Construction National Research Council Canada,2002.

[8] ENRIGHT T.Impact on Life Safety of the Type 5 Alarm[R].New Zealand Fire Service Commission,2003.

[9] Tim Porter.Determining Realistic Loss Estimates for Rack Storage Warehouse Fires[D].Christchurch,New Zealand:Canterbury,2004.

[10] 鄧玲.非均勻網格法在場模擬軟件FDS中的應用[J].消防科學與技術,2007,26(2):146-149.

[11] 孫金華,褚冠全,劉小勇.火災風險與保險[M].北京:科學出版社,2008:132-155.

(責任編輯 馬 龍)

A Study on Quantification Methods of Fire Losses in a Building Based on FDS Simulation

YANG Yan-jun

(SuzhouMunicipalFireBrigade,JiangsuProvince215500,China)

Based on the research of quantification theory of fire losses in a building, and the methods of safety system engineering and the principles of fire risk assessment, a systematic calculating method and procedure was established. Taking selection atypical warehouse as an example, the probability and fire losses of four typical fire scenarios were obtained by numerical simulation using FDS. Through an analysis and comparison, the quantitative method of fire losses in a building was proved to be scientific operable. The research results not only provide an assistance for an insurance company to determine differential rate according to the fire losses, but also help an enterprise to understand fire risk confronted with itself and take effective preventive measures, thereby reduce fire risk as low as possible.

numerical simulation; fire losses; quantification method; fire insurance; fire risk assessment

2015-01-21

楊艷軍(1985— )，男，江蘇鹽城人，助理工程師。

D631.6

A

1008-2077(2015)04-0019-05