淺析FDS火災模擬在高層辦公建筑的應用

劉 富 貴

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 611130)

0 前 言

隨著我國社會經濟的快速發展，人民生活水平的日益提高，高層及超高層建筑急劇增多。建筑高度不斷攀升，體量跨度越來越大，隨之而來的火災事故也呈高發、頻發態勢。作為高層建筑的典型，高層辦公建筑的火災防控成為消防管理中最為重要的工作。高層辦公建筑因人員密集、可燃物種類繁多且數量大、火災及衍生的高溫氣體蔓延迅速等特性，讓員工如何逃離火災危險區域成為亟待研究的重要課題[1]。因此掌握高層辦公建筑火災時煙氣運動、火場能見度等規律，對于高層辦公建筑內人員疏散逃生以及消防撲救等具有重要意義。

為了提高高層辦公建筑火災人員逃生虛擬演練的真實性和科學性，在做好火災事故預防的同時，完善應急措施也是非常關鍵的一環。如何在火災事故中選擇逃生線路，縮短逃生時間，減小火災事故中造成的人員傷亡和財產損失，是消防安全管理的重要目標之一。

1 模擬軟件FDS應用的原因

2009年中央電視臺附屬文化中心起火，直接經濟損失達1.6億元，這是我國高層辦公建筑火災損失特大的一次。長期以來各種火災事故從未停止過，國內外已經發生的“4·28靈石中凱大廈火災事故”“4·15巴黎圣母院火災事故”“6·14倫敦公寓樓火災事故”等均影響巨大、損失慘重。成都周邊也發生了如“3·6成都武侯區火災事故”“7·28四川成都居民樓火災事故”“12·18成都國稅辦公大樓火災事故”等，消防安全形勢嚴峻。

目前，人們對消防安全的認識普遍停留在滅火器材的使用和逃生注意事項層面，對高層辦公建筑實景情況下可能發生火災及其應對措施、路線選擇均沒有形成完整概念。影響高層辦公建筑人群疏散效率的原因包括反應時間、人群密度、人群移動速度、可移動空間、流動量的大小等眾多因素。大量實驗結果表明，FDS軟件能夠對各種建筑結構火災場景進行有效數值模擬，可以用來研究火災特性和評估建筑物火災安全系統的性能[2]。本文運用FDS軟件對某19層辦公建筑進行火災能見度及撤離時間等模擬計算，為火災時高層辦公建筑人員撤離和應急方案的制定提供理論依據。

2 FDS模擬介紹

2.1 FDS模型簡介

模擬軟件FDS是美國國家標準技術局(NIST)建筑火災研究實驗室開發的火災動力學場模擬軟件。它是一種火焰驅動流體流動的計算流體動力學(CFD)模型。該模型可用數值方法求解適合低速的熱驅動流的Nervier-Stokes方程，以火災時的煙氣流動和熱傳遞為研究對象[3]。它主要利用質量守恒方程、能量守恒方程和動量守恒的偏微分方程來近似有限差分，并將空間劃分為一系列網格，在單體網格內求解方程，確定火災基本參數在空間各點上的分布及隨時間發生的變化，重點適用于火災導致的熱、煙傳播和蔓延的數值模擬，并得到了大型及全尺寸火災實驗的驗證。隨著軟件的深入開發，FDS軟件正致力于解決消防安全工程中的一系列實際火災問題，成為燃燒和火災動力學研究的有力工具。

FDS軟件建立的模型能夠體現火場的空間幾何形狀和尺寸，被模擬的建筑被劃分為若干小型三維矩形控制體積或計算元胞，其中計算的參數包括密度、速度、溫度、壓力和氣體種類及濃度。根據質量守恒、能量守恒、動量守恒和物種平衡方程，FDS可模擬火災氣體和煙氣的生成及運動。具體而言，就是利用室內辦公用品、地面材料、壁面材料及屋頂材料的熱物理性質，FDS就可以計算火災的發展和蔓延趨勢。

2.2 安全性判定準則及判據

保證人員安全疏散是建筑防火設計中的一個重要安全指標。人員安全疏散即建筑物內發生火災時，整個建筑系統(包括消防系統)能夠為建筑中的所有人員提供足夠的時間疏散到安全地點，整個疏散過程中人員不應受到火災的危害。

建筑內的使用者撤離到安全地帶所花的時間(RSET)小于火勢發展到超出人體耐受極限的時間(ASET)，則表明達到人員生命安全的要求。保證安全疏散的判定準則為：

RSET+TS

(1)

式中，RSET為疏散時間；ASET為開始出現人體不可忍受情況的時間；TS為安全裕度。

疏散時間(RSET)，即建筑中人員從疏散開始至全部人員疏散到安全區域所需要的時間。疏散過程大致可分為感知火災、疏散行動準備、疏散行動及到達安全區域等幾個階段。

危險到來時間(ASET)，即疏散人員開始出現生理或心理不可忍受情況的時間。一般情況下，火災煙氣是影響人員疏散的最主要因素，常常以煙氣降至一定高度或濃度超標的時間作為危險來臨時間。

安全裕度(TS)，即防火設計為疏散人員所提供的安全余量。

火災時人員疏散過程與火災發展過程的關系可用圖1來表示。在人員疏散時間與火勢蔓延時間之間引入安全系數，以解決在發生火情可能出現的不確定性問題。

圖1火災發展與人員疏散參數關系

火災對人員的危害主要來源于火災產生的煙氣，主要表現為煙氣的熱作用和毒性。另外對于疏散而言，煙氣的能見度也是一個重要的影響因素。所以在分析火災對疏散的影響時，一般從溫度、毒性氣體的濃度、能見度等方面進行討論。

2.2.1 疏散時間(RSET)預測

疏散時間(RSET)包括疏散開始時間(Tstart)和疏散行動時間(Taction)兩部分。疏散時間預測采用以下方法：

RSET=Tstart+Taction

(2)

(1)疏散開始時間(Tstart)，即從起火到開始疏散的時間。一般而言，疏散開始時間與火災探測系統、報警系統，起火場所、人員相對位置，疏散人員狀態及狀況、建筑物形狀及管理狀況，疏散誘導手段等因素有關。疏散開始時間(Tstart)可分為探測時間(Td)、報警時間(Ta)和人員的疏散預動時間(TprG)。

Tstart=Td+Ta+TprG

(3)

式中，①探測時間(Td)為火災發生、發展將觸發火災探測與報警裝置而發出報警信號，使人們意識到有異常情況發生，或者人員通過本身的味覺、嗅覺及視覺系統察覺到火災征兆的時間；②報警時間(Ta)為從探測器動作或報警開始至警報系統啟動的時間；③人員的疏散預動時間(TprG)，即人員的疏散預動時間為人員從接到火災警報之后到疏散行動開始之前的這段時間間隔，包括識別時間(TrGc)和反應時間(TrGs)。

TprG=TrGc+TrGs

(4)

式中，①識別時間(TrGc)為從火災報警或信號發出后到人員還未開始反應的這一時間段。當人員接受到火災信息并開始作出反應時，識別階段即結束；②反應時間(TrGs)為從人員識別報警或信號并做出反應至開始直接朝出口方向疏散之間的時間。與識別階段類似，反應階段的時間長短也與建筑空間的環境狀況有密切關系，從數秒鐘到數分鐘不等。

(2)疏散行動時間(Taction)，即從疏散開始至疏散到安全地點的時間，它由疏散動態模擬模型模擬得到。疏散行動時間預測是以建筑中人員疏散有序且不發生恐慌為前提。

2.2.2 危險到來時間(ASET)的預測

危險到來時間的預測，需要分析在所設計的防排煙系統作用下，火災產生的熱煙氣在高層辦公建筑內的運動特性。擬采用FDS場模型進行火災煙氣運動預測分析。

2.3 FDS火災模擬

通過FDS軟件輸入建筑結構的幾何描述，計算元胞的尺寸，火源的位置，火源的熱釋放參數，室內地面、壁面、屋頂材料和辦公用品的熱性能參數，房室門窗的尺寸和位置以及開放狀態和時間(對火災發展和蔓延影響很大)，其中室內材料的熱性能參數又包括幾何厚度、點燃溫度、單位面積的熱釋放速率、熱傳導系數和熱發散系數，通過這些，FDS就可以計算火災的發展和蔓延情況。

火災產生的高溫煙氣會對人體造成一定程度的傷害，一般高溫環境中不同空氣溫度和濕度對人體安全的影響時間不同。高層辦公建筑煙氣控制系統的消防安全設計目標是保證在人員安全疏散完畢的時間內，各區域煙氣的物理特性不超過人員的耐受指標[5]，即：①清晰高度(人員活動最高區域2 m以內)以下空間內的煙氣溫度不超過60 ℃；②清晰高度(人員活動最高區域2 m以內)以下空間內的能見度大于10 m。

對于煙氣的毒性，一般認為在可接受的能見度范圍內，毒性都很低，不會對人員疏散造成影響。

火災產生大量有害的高溫煙氣，煙氣層必須保持在人員頭部以上一定高度，才能保證火災發生后人員高效、安全地進行疏散。

3 FDS在高層辦公建筑的應用

目前，FDS軟件在國內中央電視臺新臺址、國家體育場、奧林匹克會議中心、哈爾濱太平機場等建筑均已得到應用。

本文以某高層辦公建筑為實例，建筑樓層數為19樓，層高3 m，辦公人員約1 650人，平面示意如圖2所示。FDS火災模擬的火源位置設在第11層某辦公室，火災場景A相關參數見表1。

圖2 火災發生樓層平面示意

表1 火災場景A基本參數

本文僅對火災發生樓層和火災發生以上樓層進行分析。因火災發生后，火災對發生樓層以下的樓層影響較小，暫不對其進行研究分析。

3.1 發生火災樓層的模擬數據分析

著火房間的能見度會在70 s內下降到1 m以下，人員必須在70 s內離開著火房間，而走廊的能見度在200 s時下降到10 m以下，火災發生樓層的人員需在200 s內撤離該樓層。

3.2 火災發生位置以上樓層的研究分析

(1)當所有消防門、消防通道全部敞開并且排煙系統正常工作時，通過FDS模擬可以得出火災發生位置以上樓層危險來臨的時間分布，如表2所示。

表2 火災發生樓層以上樓層危險來臨時間分布

(2)當所有消防門、消防通道全部關閉并且排煙系統正常工作時，通過FDS模擬可以得出火災發生位置以上樓層危險來臨的時間分布，如表3所示。

表3 A場景各樓層能見度危險來臨時間分布

4 結 語

在設定的火災條件下，不同情況對高層辦公建筑各樓層的影響不同，經過模擬分析主要有以下內容。

(1)著火房間人員必須在70 s內離開房間，火災樓層的人員需在200 s內撤離開該樓層，火災才不會對其造成危險。

(2)當所有消防門、消防通道全部敞開并且排煙系統正常工作的情況下，火災發生后的第475.2 s開始，19層能見度開始存在危險，1 200 s內溫度不會對人員造成危險。

(3)當所有消防門、消防通道全部關閉并且排煙系統正常工作的情況時，火災發生后1 200 s內，12～19層距地面2.0 m高的平面上，其能見度大于10 m和溫度小于60 ℃，不會對人員造成危險。