某高校教學樓火災煙氣運動規律與避災仿真研究

李瑩瑩 谷雷 王志帥

(1.中鋼集團武漢安全環保研究院有限公司 武漢 430081； 2.華北科技學院安全工程學院 北京 065201)

0 引言

教學樓具有人員密集、人流密度大、易燃物多以及發生安全問題時疏散難度大等特點，一旦失火后果不堪設想。2003年俄羅斯人民友誼大學宿舍樓因電線短路引發火災，由于疏散不及時造成41名學生遇難(包括中國留學生11名)、100多人受傷。近年來，為探索高校教學樓發生火災時的煙氣運動規律，為人員疏散方式及逃生時間提供理論指導，眾多學者對其進行了大量研究。余明高等[1]利用流體力學軟件(FDS)模擬某高校教學樓走廊火災及煙氣蔓延傳播，并通過算例分析火災發生時的相關參數，旨在得到教學樓走廊煙氣的運動規律。沈斌等[2]以某校環形教學樓為例，對不同樓層進行研究分析，獲得了火災發生后各層人員的最佳疏散路徑和逃生時間。馬輝等[3]針對日間和夜間2種上課方式，利用Pathfinder軟件分析了某高校教學樓各樓層人數、累計疏散人數與疏散時間的關系，以期為高校應急疏散演練提供依據。陳娜等[4]運用Pathfinder軟件，通過合理規劃疏散路線，對某高校學生公寓應急處置下的人員疏散進行了模擬和優化，為宿舍消防安全管理提供依據。目前針對高校教學樓進行火災模擬已成為我國應急救援工作的重點之一。本文運用Pyrosim和Pathfinder軟件對某高校教學樓發生火災時煙霧擴散和人員疏散進行了數值模擬分析，以期為高校消防安全管理提供參考。

1 計算模型及場景設定

1.1 軟件介紹

Thunderhead Engineering Pyrosim(簡稱Pyrosim)是一款專門用于火災動態仿真模擬(Fire Dynamic Simulation，FDS)的建模軟件。Pyrosim以流體動力學計算為理論支撐，通過創建火災模型，可以準確預測火災煙氣流動、火災溫度和有毒有害氣體濃度分布，用于仿真模擬預測火災中的煙氣、一氧化碳等有毒氣體的流動、火災溫度以及煙氣濃度的分布，應用范圍很廣；此外，還可直接導入FDS、DXF等格式的模型文件。

1.2模擬對象介紹

某高校教學樓共有9層，每層有12間教室，分布南北兩列。共設有1個主樓梯(教學樓位置中心)和1個副樓梯(教學樓東側)，教學樓全長99 m，寬16 m，高37 m。整棟教學樓共有3個安全出口(南門、北門和東門)。教學樓模型如圖1所示。

(a)正視 (b)側視

1.3 火災場景及參數設置1.3.1 火災場景設置

發生火災時，教學樓內環境顯著影響內部火勢發展，因此在設置火災場景時應依據保守和最不利原則進行設定[5]。

火災模擬的初始環境默認為：①房間內流場狀態為靜止(室內無風)，溫度為30 ℃，壓強為一個標準大氣壓；②教學樓內僅設置有滅火器、煙霧報警器以及消防栓等消防設施，一樓外有擋火墻，其余樓層無擋火墻以及閉式灑水噴頭；③所有房門均處于打開狀態；④走廊及樓道內無大型阻擋物。因此，根據樓層高度，按照低樓層、中樓層和高樓層分別在一樓、四樓、八樓設置3個起火源，如圖2所示。

1.3.2 火災參數設置

按照王志剛等[6]的實驗原理和方法，設置火災環境的相關參數。一樓教室起火點具有木質桌凳和紙質材料等可燃物，熱釋放速率為2 000 kW/m2，火災類型為超快火，增長類型為超快t2火災模型，自動滅火系統失效，防火門狀態失效。四樓辦公室起火點具有純棉纖維、木材和紙質材料等可燃物，熱釋放速率為4 000 kW/m2，火災類型為快速火，增長類型為快速t2火災模型，自動滅火系統失效，防火門狀態失效。具體參數如表1所示。為監測辦公樓火災的蔓延情況和逃生路線的能見度、溫度變化特征，設置若干溫度傳感器和能見度傳感器。

圖2 起火源位置

表1 火災環境相關參數

2 結果與分析

2.1 模擬煙氣流動情況分析

火災發生后教學樓煙氣流動情況如圖3所示。由圖可知，t=30 s時，在火源燃燒初期，煙霧主要聚集在火源周圍，并有開始向外擴散的趨勢；t=60 s時，四樓和八樓的煙氣逐漸擴散整層，并開始通過副樓梯向外擴散，一樓煙氣也開始向外擴散；t=90 s時，四樓至八樓副樓梯的煙氣已完全彌漫，并開始向中間樓層擴散，而一樓煙氣因擋火墻的存在并無明顯變化；t=120 s時，煙氣開始通過主樓梯進入臨近樓層，并開始向外擴散，一樓煙氣開始透過擋火墻向外彌漫；t=150 s時，煙氣持續擴散；t=180 s時，教學樓四樓至九樓，東半部分除五樓外全部彌漫煙氣，一樓煙氣因擋火墻尚未全部損毀，擴散速度較慢。

2.2 溫度變化分析

發生火災時，教學樓內各區域溫度變化趨勢如圖4所示。由圖可知，在0～30 s，燃燒器開始燃燒，火源位置溫度較高，離火源越遠，溫度逐漸降低，其中四樓、八樓火勢較小，一樓火勢較大；在30～60 s，隨著火勢逐漸蔓延，一樓教室內溫度逐漸升高，多處溫度已達500 ℃以上；在60～90 s，火勢繼續蔓延，一樓、四樓、八樓內溫度持續升高；在90～120 s，一樓火勢轟燃蔓延至整個教學樓西半部分，此時一樓溫度已超過人的耐受極限；在120 s以后，一樓火勢達到最大，教室內溫度達到最高，隨著時間的推移，可燃物逐漸耗盡，火勢逐漸減小，四樓、八樓火勢持續蔓延。

(a)t=30 s (b)t=60 s (c)t=90 s

(d)t=120 s (e)t=150 s (f)t=180 s

(a)t=30 s (b)t=60 s (c)t=90 s

(d)t=120 s (e)t=150 s (f)t=180 s

3 火災緊急疏散逃生

3.1 模型構建

Pathfinder是一款以人物為基礎的模擬器，可提供圖形用戶界面的模擬設計、執行和三維可視化工具的分析結果。該軟件可以計算每個人員的獨立運動并給予一套獨特的參數(運動速度、出口選擇等)，用以實現災難發生時人員的快速逃生路徑和時間的仿真模擬。因此，本文運用Pathfinder軟件對某高校辦公樓進行人員疏散的仿真研究。

根據研究對象的建筑結構特征、安全逃生出口的數量和分布以及每個房間的功能，構建教學樓的疏散物理模型，同時導入Pyrosim文件，在Pyrosim模型的基礎上進行房間、樓梯、逃生出口的創建，結果如圖5所示。

3.2人員疏散場景設定

考慮到煙霧彌漫對人員疏散造成的影響，在Pyrosim分析結果的基礎上，將火災場景的人數設置為1 082人，分布人數如表2所示。人員疏散研究中通常將人員分為5類：12歲及以下為兒童，13～18歲為少年，19～40歲為青年，41～60歲為中年，60歲以上為老年；19～40歲青年又可細分為青年男性和青年女性，41～60歲中年又可細分為中年男性和中年女性。考慮到現實環境的因素，按照楊雨亭[7]的分析確定疏散人員特征參數如表3所示。

圖5 模型三維視圖

表2 人數分布

表3 人員特征參數

3.3 人員疏散過程與應急救援

模擬人員疏散部分過程如圖6所示。由圖可知，90 s時，全部人員均已進入樓梯通道，教學樓東半部分人員已逃出火災現場；150 s時，僅有部分人員滯留在主樓梯出口處。

東側應急逃生出口是本次場景下重要的逃生出口，與 Pyrosim數值模擬的能見度結果吻合，主樓梯出口處因受一樓火災影響造成人員疏散緩慢，嚴重威脅人員生命安全。因此，在真實環境中教學樓東門能否正常使用直接影響人員疏散的效率。當火災現場出現人員滯留的情況時(無消防云梯情況)，最優的應急救援入口為東區逃生出口。東區逃生出口在數值模擬中能見度到達人員危險點的用時最長，同時通過東區逃生出口的人流量較小，不易發生擁擠和不必要的人員傷亡。

(a)t=0 s (b)t=30 s (c)t=60 s

(d)t=90 s (e)t=120 s (f)t=150 s

4 結論

本文利用Pyrosim和Pathfinder軟件對某高校教學樓火災煙氣運動規律和應急避災進行了仿真研究，主要結論如下：

(1)煙霧主要通過主樓梯和副樓梯向相鄰層擴散。

(2)火災發生時火源處溫度變化特征最明顯，30～60 s內上升到500 ℃以上。

(3)能見度變化特征對人員疏散和應急救援具有指導作用，本次的數值模擬中最優的應急救援入口為東區逃生出口。