基于計算機技術的大型建筑火災蔓延模擬研究

貢招峰　李軍

摘 要：在現代社會生活中，由于火災現象會經常發生，但是火災科學自身的特性可以使得建筑火災的發展和蔓延得以控制。因此，在研究大型建筑火災蔓延現象時，需要在收集大量的火災數據的前提上，并且結合利用模擬研究的手段而進行科學的統計和分析。文章立足于當代社會大型建筑火災蔓延的現象，探索和分析了火災蔓延的相關特性和外部風險，同時利用計算機軟件來深入研究了相關模型的試驗和模擬情況，從中發現了計算機模擬火災蔓延的方法，以此為大型建筑的火災蔓延模擬研究做出了前期的準備。此外，通過實際的工程案例，做出了相關的火場分析和調查，最終實現了建筑內外的模擬場景，并且研究了火場的溫度及其對建筑結構安全性的威脅。

關鍵詞：計算機技術；大型建筑；火災蔓延；模擬研究

中圖分類號：TK121 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）05-0083-01

隨著現代化社會改革的進程不斷深入，使得我國的科學技術和經濟總值也隨之迅猛的發展，從而促進了建筑事業的蓬勃發展。然而無論是從建筑的結構上，還是功能上分析，其都在社會和經濟發展中不斷的發生著變化。但是，在這一變化發生的過程中，同時出現了大量的建筑耗能問題，而建筑節能問題的日益顯現，使得這一問題在隨著經濟和社會發展的進程中也越來越受到社會和人民群眾的重視。當建筑的外墻增加了外保溫構造系統后，會在一定程度上降低建筑能源的損失和耗散，但由于建筑材料自身保溫板的防火性能差的緣故，會給建筑本身的安全造成一定的威脅和火災的隱患。因此，面對火災發生時是否會給建筑結構產生影響，以及影響的程度的大小的問題，就需要利用當前計算機的火災蔓延模擬技術來對此進行深入的研究。

1 相關理論概述

1.1 火災蔓延

火災蔓延是引起火災局勢變大的主要因素。這事由于當建筑物發生火災情況時，建筑物的局部火焰會通過熱傳導、熱對流、熱輻射，以及飛火的形式來使得周邊的可燃物體迅速的燃燒，甚至會造成二次燃燒的現象[1]。同時，在火災蔓延模擬的整個過程中，也需要利用以上的四種形式來進行煙氣與火的熱傳遞，以便保持模擬的情形與實際情況一致。

1.2 火災科學

火災科學是指在研究火災出現、發展、蔓延，以及控制的相關原理和規律的應用型基礎科學。而其涉及到研究各類火災現象的共性問題，主要包括火災的發生、火災蔓延、煙氣蔓延、滅火、火災防治，以及火災對人的影響和危害等，同時還會在不同的火災情形中出現一些有意義的現象。例如，油罐火災中的揚沸、室內火災中的轟燃、森林火災中的火旋風等，需要更加側重于研究它們產生的原理和對人民群眾人身安全的危害程度。

1.3 火災模型

主要是利用計算機技術來對制定的房間內的形狀、地面、天花板的熱導性、通風情況，以及室內的物品的易燃性，從而來對指定房間的模擬火災的燃燒情形作出全面、綜合性的分析和研究[2]。

1.4 模擬實驗

模擬實驗主要是指從物理、化學，以及幾何的條件等角度引入的與其相類似的一類實驗。同時，由于模擬實驗在火災科學的實際研究過程中占據著舉足輕重的地位，其不僅可以研究現象、揭示新的機理和規律、歸納公式，而且還可以為理論研究和計算機模擬提供一系列的實驗數據。

1.5 計算機模擬

計算機模擬的內容是通過利用計算機的數據庫、圖形、計算，以及圖像等功能來進行相關的研究。在火災的過程中，計算機模擬具備多層次和多種類的特點。具體來說，主要劃分為三個層次。第一，專家系統，即經驗模擬；第二，半經驗半理論的模擬，即半物流模擬；第三，場模擬，即物理模擬。其中，第二、第三類的模擬情況也會經常出現在數學問題中，并且在通常情況下，是很難解答出結果的，一般是需要借助于計算機來對此進行相關的數值求解。

2 建筑火災蔓延的規律

2.1 火災規律的確定性和隨機性

由于火災的發生存在一定的規律性，使得其既包含確定性的一面，又包含著隨機性的一面。在一般情況下，常規的工程科學顧慮只包含確定性的一面，換句話說，也就是其隨機性的可能性較小，甚至是達到可以被忽略的程度[3]。但是，從火災學以及整個“災害學”的角度來分析，都是存在確定性和隨機性兩方面的規律的，單純的忽略確定性和隨機性其中的任一個都是不準確的。而這一特點便是火災科學同常規的工程科學最大的不同之處。同時，由于火災科學自身存在著確定性，使得其可以利用模擬研究的方法來對其進行深入的探討，而火災本身又存在著隨機性，因此需要收集大量的火災數據，在此基礎上進行相關的數據統計和分析。

2.2 建筑火災蔓延的基本特性

建筑火災蔓延的發展過程主要有初期增長階段、轟燃階段、全盛階段，以及衰退階段，如圖1所示。

從上圖分析可知，在初期和全盛的階段上，通常會出現一個溫度陡然上升的狹窄的曲線，而這時的室內溫度會促使可燃物出現大面積的燃燒，理論上稱之為轟燃，此刻意味著出現好轉方式質的轉變。

3 計算機技術應用于火災蔓延工程分析

在火災發生時，其往往會給人們帶來一定的危險性，而在整個火災消防安全性的評估分析中，針對火災蔓延煙氣運動的過程，可以應用到計算機軟件可以有很多種，并且不同的計算機軟件適用的范圍也是不同的。在本文中，主要研究的FDS（火災動力學）模擬軟件。該計算機軟件中包含了許多的模型，主要有燃燒模型、熱解模型、熱輻射模型等[4]。而本文在分析和研究火災蔓延的情況時，通過在起火點處設置燃火源，結合其他區域的可燃材料物的參數和外墻保溫材料的可燃物的燃點、種類、熱值等情況進行設置，以此來模擬火災蔓延、溫度分布、煙氣流動，以及火災規模等。

通過計算機模擬實驗，可以粗略的了解到反應試驗的情況，并且使之與實驗的燃燒情況進行對比，發現其兩者間是相吻合的。同時，通過將單位熱釋放速率和單位質量損失的兩種模擬應用到實驗中，使之進行對比，從中發現質量損失法能夠有效的控制火勢的蔓延情況。通常情況下，運用單位熱釋放速率能夠更加簡單、便捷的控制燃燒的速率。具體來說，在模擬開始之前，火焰迅速蔓延到模型架頂端的時間會比較短；而在模擬的過程中，會選擇利用次生火源來取代熔滴火，避免其與實際試驗的結果產生偏差。此外，通過試驗的模擬情況來分析，得出影響的相關因素有如下幾方面：①材料的厚度；②材料的燃點；③排煙口風速的大小；④網格大小的設置。然后，通過建立的相關計算機模型來選擇合適的算法，實現對溫度場的模擬計算，最終達到對建筑結構安全的合理評估，從而完善建筑防火性能化的設計。

4 總結與展望

綜上所述，立足于現代大型建筑火災的現狀，通過使建筑火災的研究能夠更加貼近于火災的實際情況，并且基于計算機技術的大型建筑火災蔓延模擬的研究，在一定程度上對建筑火災的危險性作出相應的評估和性能化的防火設計建議。本文通過構造火災蔓延相關特性的研究框架，概括了導致火災蔓延的原因，并且通過利用計算機模擬的方法重現了火災蔓延的情況。同時，在進行計算機模擬時，需要注意可燃材料的屬性參數設置，使之在模擬時能夠得到有效的控制。另外，還需要在模型的試驗和模擬的過程中，得出了模擬手段驗證試驗模型是可行的，而調整模擬的相關參數，也可以實現模擬和試驗現象一致的情況。

參考文獻：

[1] 柴盼.高層建筑火災場景設置研究[D].重慶：重慶大學，2014.

[2] 孫敏.大型超市火災數值模擬及人員疏散研究[D].淮南：安徽理工大

學，2014.

[3] 顏向農.基于計算機模擬的建筑物室內火災風險評估研究[D].湘潭：湖 南科技大學，2008.

[4] 鄒志翀.大型公共建筑火災逃生環境風險測度與導航路徑優化[D].哈 爾濱：哈爾濱工業大學，2009.