基于FDS的住宅火災數值重構

摘要：火災調查是火災事故責任認定的重要依據，傳統火災調查方法大多僅對火災發展進行定性分析，難以定量再現火災蔓延過程。為了驗證某住宅火災事故的起火原因和人員傷亡的原因，調查人員根據現場勘驗資料，采用FDS內置的混合控制燃燒模型，對火災現場進行數值模擬重構，得到火災的熱釋放速率最大值為670kW。雖然火災規模較小，但煙氣擴散速度和下降速度較快，導致人員傷亡。通過定量分析煙氣溫度、熱輻射和起火點位置，與火災現場勘查結果基本一致。

關鍵詞：火災調查；火災重構；FDS；熱釋放速率

中圖分類號：D631.6" " " 文獻標識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2025）07-0114-04

0 引言

FDS是美國國家標準與技術研究院（NIST）開發的火災模擬軟件，基于計算流體力學（CFD）模擬煙氣和熱量的傳播過程，同時，可以根據設定的燃料熱解參數，模擬其熱解過程，可用于火災重構[1-2]。通常來說，火災重構包括兩個相互耦合的問題：第一是可燃物的熱解過程，即固體燃料熱降解為揮發性氣體，第二是揮發性燃料的燃燒，產生熱量并反饋熱輻射給固體，促使可燃物熱解更多的揮發性氣體，并繼續燃燒釋放熱量[3-4]。FDS可分析水噴淋噴頭的布置對火災和煙霧蔓延的影響、感煙探測器的布置或數量對報警時間的影響、門或窗戶開口情況對火災發生和發展的影響、排煙設置對煙氣蔓延的影響，以及不同位置點火源和點火能對火災和煙霧蔓延的影響等[5]。

通過火災重構技術，可以幫助調查人員更清晰地了解室內火災的起源、強度、發展、持續時間，了解常見材料的熱釋放率、熱傳遞方式、煙氣蔓延和發展規律，以及火災羽流和室內火災的特性。本文針對成都某居民小區住宅樓發生的火災，利用FDS軟件建立模型進行數值模擬重構，以分析火災發生及人員傷亡原因。

1 事故概況

2022年，成都市某住宅樓發生火災，見圖1。過火面積約11m2，火災造成2人死亡，直接經濟損失約17萬余元。

火災現場勘驗發現，該住房內起火區域為客廳，客廳部分過火，過火面積約11m2，其余房間未過火，僅有煙熏痕跡，客廳整體燒損程度呈南重北輕，東重西輕。客廳與臥室之間殘留的南側隔斷門面向客廳一側的木條上部燒毀，下部木條完好，表面有煙熏痕跡，煙熏痕跡由上到下逐漸減輕。

在客廳過火區域中發現的垃圾桶殘骸，其底座完好且底座周圍融化的塑料桶身呈褶皺狀將底座包圍，符合桶內部火源形成的由內向外蔓延的燃燒痕跡特征。臥室的垃圾桶也發現煙蒂。綜合分析，初步認定起火原因是客廳未熄滅的煙頭引燃垃圾桶內的垃圾，繼而引燃周圍可燃物，蔓延成災。

2 火災重構模擬及參數

2.1" 火災模型建立

為了驗證該起火災事故中火災起源和人員傷亡的原因，根據現場勘驗資料對火災現場進行數值模擬重構分析。根據起火建筑（現場）的尺寸和可燃物及其位置，建立該火災現場FDS模型，見圖2，房間墻體和天花板表面為石膏，地板為混凝土，客廳與臥室之間的門為木材和玻璃。

2.2" 可燃物及參數設定

根據火災現場調查，客廳的主要可燃物包括沙發、茶幾、垃圾桶及雜物，其重要組成PVC、織物、泡沫和木材，屬于多種物質的燃燒，根據FDSUser’sGuide的要求，采用復雜混合控制燃燒模型。該模型可以模擬復雜化合物的燃燒（復雜化合物是指化學分子式中含有除C、O、N、H外其他元素的化合物，如PVC，分子式為C2H3Cl）。使用該模型需要自定義反應物、燃燒產物（SPEC命令）和反應方程式化學系數（REAC命令）。參考FDS User’sGuide和SFPE手冊，給出各燃燒物質的產煙量和CO產量，見表1。

參考FDSUser’sGuide和SFPE手冊，不同物質的材料參數、熱解和燃燒參數見表2、表3。本次模擬預估最大熱釋放速率為1MW，根據FDSUser’sGuide，網格單元格尺寸取0.1m×0.1m×0.1m。

經調查人員初步分析，起火原因是客廳垃圾桶內未熄滅的煙頭引燃。垃圾桶采用0.2m×0.2m×0.3m的PVC構成，設置高溫點火粒子模擬煙頭。在房門和墻體表面布置溫度測點，臥室中心處布設熱輻射強度測點，見圖3。

3 結果分析

3.1" 火災熱釋放速率

通過火災重構，得到的熱釋放速率曲線，見圖4。火災初期發生很緩慢，約200s后，熱釋放速率到達峰值，約670kW，并保持相對穩定燃燒，2000s后，熱釋放速率急劇下降，然后保持較低的燃燒速率。

由圖5可知，2s時客廳垃圾桶被點燃并生成豎直向上的煙氣；10s時煙氣到達客廳頂棚，少量煙氣通過客廳與臥室的門縫進入臥室；94s時，客廳的煙氣層已下降到地面，臥室的煙氣層已下降到2m高度；144s時，臥室的煙氣層已下降到地面。盡管火災的熱釋放速率較小，但是住宅房間空間小，且沒有排煙設置，因此房間起火后煙氣蔓延迅速，且煙氣層下降速度很快。如人員沒有及時發現火情，逃生非常困難。

3.3" 數值重構與現場勘驗對比

根據SmokeView畫面，見圖6，模擬結束時（7200s），客廳地面上留有少部分沙發殘骸，木茶幾整體保持完好，客廳燃燒區域主要集中在茶幾以外的區域，這與客廳整體燒損程度呈南重北輕、東重西輕的現場勘驗結果一致。

圖6" 客廳物品殘留情況

根據火災調查結果，3個點位處有明顯煙熏痕跡，分別是正門內側、廚房門下部和客廳西墻上部。正門內側上部有過火痕跡，下部有煙熏痕跡；廚房門外側表面距地面約0.3m的區域保留門原有漆面，以上區域表面有煙熏痕跡；客廳西墻向客廳一側的木條上部燒毀，夾層玻璃完好有煙熏痕跡，煙熏痕跡由上向下逐漸減輕。在火災穩定發展階段：住房正門內側1.15m高度以上位置的溫度穩定在200～300℃之間，最高溫度可達315℃，符合上部有過火痕跡的特征；廚房門外側0.4m高度處的溫度在200℃附近波動，而且隨著高度從1.0m下降到0.4m，可以明顯觀察到溫度也在隨著高度的下降而降低，在廚房門外側表面形成了界限分明的煙熏痕跡；客廳西墻1.35m高度以上位置的溫度維持在400℃上下，最高溫度可達535℃，木條在此溫度下可以被點燃，而且高位置處的溫度始終高于低位置處的溫度，符合煙熏痕跡由上向下逐漸減輕的特征。

本次重構火災將煙頭假設為高溫粒子，高溫粒子引燃垃圾桶，垃圾桶起火后又導致客廳火災蔓延，這與初步調查分析一致，驗證起火原因。

綜上所述，將模擬結果與現場勘查結果進行比對，發現過火區域、死者軀體傷痕、點位煙熏痕跡和起火原因方面模擬與實際吻合良好。

4 結束語

本文基于FDS火災模擬軟件，對一起住宅火災進行數值重構得出火場的再現數據信息，與事故現場照片、勘查結果進行比對，驗證模擬的準確性，并驗證了調查人員認定的起火原因，為火災調查提供必要的參考。為提高火災重構的可靠性，不僅需要對現場可燃物的組成、尺寸和數量進行翔實核查，還需要對不同可燃物熱解參數進行測試。同時為了提高FDS對固體表面局部熱反饋的預測精度，需要改進固體表面的熱輻射模型，而熱輻射受局部煙粒濃度和溫度的控制，需要進一步改進FDS的局部煙粒模型。

參考文獻

[1]陳瑩隆.基于FDS的飛機客艙火災數值模擬及模型優化研究[D].德陽：中國民用航空飛行學院，2024.

[2]王純潔.阻燃型硬質聚氨酯泡沫制備、燃燒及數值模擬研究[D].馬鞍山：安徽工業大學，2019.

[3]李友杰.生物質成型燃料的燃燒特性及其數值模擬[D].北京：北京化工大學，2023.

[4]陳宜磊.基于FDS建筑A型中庭火災煙氣蔓延特性研究[D].長春：吉林建筑大學，2024.

[5]劉宏慢.基于FDS的金華武義“4·17”重大火災事故數值重構分析[J].消防科學與技術，2023，42（12）：1733-1737.