基于Pyrosim和Pathfinder的高校學生宿舍火災人員疏散安全性模擬分析

鄒馨捷，薩木哈爾·波拉提，郝 明，龐奇志

(中國地質大學(武漢) 工程學院，湖北 武漢 430074)

已有調查結果顯示，大學生在宿舍中存在諸多不安全行為，如在床上吸煙、使用違章電器、夏季點蚊香、冬季使用電熱毯以及在宿舍煮火鍋等，這些行為都會增加高校學生宿舍火災事故的發生率[1]。例如：2019年5月20日，某大學B區宿舍一寢室發生火災，由于宿舍內無學生，幸無人員傷亡，造成此次事故的原因是學生在宿舍使用大功率電器；2019年9月10日，某師范學院學生宿舍由于學生使用大功率電器導致宿舍起火，寢室內部被煙霧完全籠罩，大量濃煙向外擴散，室內床上有明火，所幸無人員被困。高校學生宿舍是學生學習生活的主要場所，一旦發生火災事故，輕則會造成人員恐慌，重則會造成嚴重的經濟損失和人員傷亡，因此對高校學生宿舍火災人員疏散安全性進行數值模擬研究是十分有必要的，這對做好高校學生宿舍安全消防工作具有重要的意義[2]。

由于建筑物發生火災的原因與過程比較復雜，人員疏散會受到較多因素的影響，采用傳統的實驗方法對其進行研究會耗時耗力且花費較大，難以獲得有應用價值的成果[3]。而運用Pyrosim和Pathfinder的數值模擬研究方法，可以有效地減少研究時間和費用，并能夠實現更為直觀的火災現場人員疏散過程模擬。為此，本文以某高校學生宿舍樓為研究對象，運用Pyrosim和Pathfinder軟件對該高校學生宿舍樓發生火災時火災擴散過程和人員疏散安全性進行了數值模擬分析，以為高校學生宿舍消防安全管理提供依據。

1 數值模型的建立

1.1 某高校學生宿舍樓概況

某高校一棟男生宿舍樓共有6層，每層樓有18間房間，整棟樓共有108間房間，每間房間面積是24.68 m2，每層樓樓高為3.6 m，總建筑面積為4 231.32 m2；每間房間可住4人，每層樓有2個安全出口，樓梯寬度為1.3 m。該宿舍樓由于修建時間早、投入使用時間較長，大多數建筑設施已非常陳舊，而且宿舍樓內無排煙系統、火災報警裝置以及自動噴淋滅火系統。某高校學生宿舍樓層平面圖見圖1。

圖1 某高校學生宿舍樓層平面圖Fig.1 Floor plan of a college student dormitory building

1.2 火災場景設置

學生宿舍內部易燃物較多，如被褥、窗簾等，未熄滅的煙頭或蚊香極易點燃被褥而發生火災；而在樓道中學生極易堆放各種雜物，學生途徑樓道將未熄滅的煙頭扔進雜物堆極易點燃雜物，發生火災。

每間宿舍的布局及布置的可燃物幾乎相同，被褥和窗簾的材質是純棉纖維，墻壁的材質是石膏板，地板的材質是瓷磚，參考王志剛等的實驗測定結果[4]，設置火災類型為快速火，熱釋放速率為1 000 kW/m2，火災增長類型設定為快速t2增長型，并設置該棟宿舍樓的模擬網格大小為0.5 m×0.5 m×0.5 m，網格個數為126 720個。本次模擬設置4種火災場景，將火源分別設置在1F樓道中部、1F中部宿舍內部、5F中部宿舍內部、3F左邊宿舍內部，火源高度均設置為1 m，并結合該宿舍樓的實際，考慮最不利的情況，同時參考《建筑防煙排煙系統技術標準》(GB 51251—2017)，將自動噴淋滅火系統有效情況下的火災規模設置為1.5 MW，自動噴淋滅火系統失效情況下的火災規模設置為3 MW。

4種火災場景下分別在距離著火樓層地面以上1.8 m設置監測截面，監測煙氣能見度，并在著火樓層兩個安全出口距離地面3.4 m處設置監測點，監測頂棚溫度和煙氣層高度。假設所有火災場景下防火門屬于失效狀態，并將火災模擬時間設置為1 200 s。具體火災場景設置見表1。

表1 某高校學生宿舍樓火災場景設置Table 1 Fire condition setting of a college student dormitory building

2 基于Pyrosim的火災擴散過程模擬分析

本文利用上述建立的數值模型，并運用Pyrosim軟件建立了某高校學生宿舍樓在不同火災場景下的火災擴散模型，模擬了著火樓層安全出口處煙氣能見度、頂棚溫度和煙氣層高隨時間的變化過程，以為進一步分析人員疏散安全性提供基礎數據。

2.1 著火層煙氣能見度分析

參考《建筑防煙排煙系統技術標準》(GB 51251—2017)，并根據學生對自己的宿舍樓十分熟悉，本次模擬中設置火災時該宿舍樓著火層安全出口處允許的最小煙氣能見度為5 m[5]。圖2為不同火災場景下，某高校學生宿舍樓著火層兩個安全出口處煙氣能見度分布云圖。

圖2 不同火災場景下某高校學生宿舍樓著火層兩個 安全出口處煙氣能見度分布云圖Fig.2 Cloud map of the smoke visibility at the two exits on the fire floor of a college student dormitory building under different fire conditions

由圖2可見，A1、A2、B1和B2火災場景下該宿舍樓著火層兩個安全出口處煙氣能見度分別在火災發生328 s、395 s、367 s和272 s時下降至5 m，此時人員的安全疏散受阻。

根據模擬結果可知，當A2火災場景中的自動噴淋滅火系統有效且著火房間所有窗戶打開時，可以有效地減緩著火層安全出口處煙氣能見度降低的速率[6]。

2.2 著火層頂棚溫度分析

圖3為不同火災場景下，某高校學生宿舍樓著火層1號和2號安全出口處頂棚溫度隨時間的變化曲線。

圖3 不同火災場景下某高校學生宿舍樓著火層兩個 安全出口處頂棚溫度隨時間的變化曲線Fig.3 Change curves of the ceiling temperature at the two exits on the fire floor of a college student dormitory building under different fire conditions

由圖3可見，A2火災場景下該宿舍樓著火層兩個安全出口處頂棚溫度及其增長速度皆低于A1、B1和B2火災場景；B1火災場景下該宿舍樓著火層兩個安全出口處頂棚溫度及其增長速度都低于A1火災場景，這主要是因為A1火災場景下，樓道發生火災時阻礙物較少，溫度上升速度較快，到達安全出口時熱量損失較少；B2火災場景下，火源靠近1號安全出口，導致1號安全出口處溫度高于2號安全出口處溫度，由于該宿舍樓著火層安全出口及著火房間的窗戶處于關閉狀態，兩個安全出口處溫度上升較快，熱量損失少。

由圖3還可知，A1、A2、B1三種火災場景下該宿舍樓著火層安全出口處頂棚溫度從火災開始到結束都未達到60℃，人員的安全疏散不受影響；而在B2火災場景下該宿舍樓著火層1號安全出口處頂棚溫度在火災發生220 s時達到60℃，而2號安全出口處頂棚溫度在火災發生300 s時達到60℃，此時人員無法安全疏散。

2.3 著火層煙氣層高度分析

煙氣層高度、溫度和有害氣體濃度是影響人員安全疏散的重要因素，其中影響最大的是煙氣層高度[7]。當煙氣層高度低于2.5 m時，將嚴重影響人員的安全疏散；當煙氣層高度低于1.5 m時，人員無法安全疏散[8]。圖4為不同火災場景下，某高校學生宿舍樓著火層1號和2號安全出口處煙氣層高度隨時間的變化曲線。

圖4 不同火災場景下某高校學生宿舍樓著火層兩個 安全出口處煙氣層高度隨時間的變化曲線Fig.4 Change curves of the height of smoke layer at the two exits on the fire floor of a college student dormitory building under different fire conditions with time

由圖4(a)可見，A1火災場景下，當火災發生210 s時該宿舍樓著火層1號安全出口處煙氣層高度開始低于1.5 m，且隨著時間的延長煙氣層高度逐漸下降至1 m并最終趨于穩定，A2火災場景下，當火災發生360 s時該宿舍樓著火層1號安全出口處煙氣層高度開始低于1.5 m，且隨著時間的延長煙氣層高度降至1 m并趨于穩定；B1火災場景下，當火災發生260 s時該宿舍樓著火層1號安全出口處煙氣層高度開始低于1.5 m，且隨著時間的延長逐漸下降至0.8 m并最終趨于穩定；B2火災場景下，當火災發生190 s時該宿舍樓著火層1號安全出口處煙氣層高度開始低于1.5 m，且隨著時間的延長逐漸下降至0.75 m并最終趨于穩定。由圖4(b)可見，A1火災場景下，當火災發生190 s時該宿舍樓著火層2號安全出口處煙氣層高度開始低于1.5 m，且隨著時間的延長煙氣層高度下降至1 m左右并最終趨于穩定；A2火災場景下，當火災發生250 s時該宿舍樓著火層2號安全出口處煙氣層高度開始低于1.5 m，且隨著時間的延長煙氣層高度逐漸下降至1 m并最終趨于穩定；B1火災場景下，當火災發生220 s時該宿舍樓著火層2號安全出口處煙氣層高度開始低于1.5 m，且隨著時間的延長逐漸下降至0.8 m并最終趨于穩定；B2火災場景下，當火災發生200 s時著火層2號安全出口處煙氣層高度開始低于1.5 m，且隨著時間的延長煙氣層高度逐漸下降至0.75 m并最終趨于穩定。

比較在不同火災場景下該宿舍樓著火層兩個安全出口處煙氣層高度隨時間的變化曲線可以看出,A1、B1和B2火災場景是自動噴淋滅火系統失效時發生火災，導致A1、B1和B2火災場景下該宿舍樓著火層安全出口處煙氣層高度開始下降時間早于A2火災場景；而A1火災場景是樓道中部發生火災，阻礙物較少，煙氣可以快速蔓延至疏散樓梯處，導致A1火災場景下該宿舍樓著火層安全出口處煙氣層高度下降時間早于B1火災場景；B2火災場景是著火房間窗戶關閉，火災發生時熱量損失少，蔓延速度快，導致B2火災場景下著火層安全出口處煙氣層高度下降時間早于A1和B1火災場景。

3 基于Pathfinder的人員疏散安全性分析

建筑物發生火災后，人員所需安全疏散時間(Required Safety Egress Time，RSET)和人員可用安全疏散時間(Available Safety Egress Time，ASET)這兩個時間參數決定人員是否能夠安全疏散[9]。當RSET

3.1 不同火災場景下人員疏散可用安全疏散時間的確定

(1) A1火災場景下人員可用安全疏散時間確定：分析A1火災場景下火災擴散過程的模擬結果發現，在整個火災發展過程中，該宿舍樓著火層安全出口處頂棚溫度都未達到60℃；當火災發生328 s時，該宿舍樓著火層安全出口處煙氣能見度已降到5 m；當火災發生210 s時，該宿舍桉著火層兩個安全出口處煙氣層高度已經低于1.5 m，此時人員無法安全疏散。綜合考慮，在A1火災場景下，整棟樓的人員必須在發生火災后的210 s內完全疏散。

(2) A2火災場景下人員可用安全疏散時間確定：分析A2火災場景下火災擴散過程的模擬結果發現，當火災發生395 s時，該宿舍樓著火層兩個安全出口處煙氣能見度都低于5 m；當火災發生360 s時，該宿舍樓著火層兩個安全出口處煙氣層高度降至1.5 m；在整個火災發生過程中，該宿舍樓著火層安全出口處頂棚溫度都未達到60℃。綜合考慮，在A2火災場景下，整棟樓的人員必須在發生火災后的360 s內完全疏散。

(3) 場景B1下人員可用安全疏散時間確定：B1火災場景是在5樓中部宿舍內部發生火災，分析B1火災場景下火災擴散過程的模擬結果發現，在火災發展的整個過程中，煙氣和溫度都是向上蔓延，該宿舍樓著火層安全出口處頂棚溫度都未達到60℃；該宿舍樓著火層兩個安全出口處煙氣能見度在火災發生367 s時均降至5 m；當火災發生260 s時，該宿舍樓著火層兩個安全出口處煙氣層高度下降至1.5 m。綜合考慮，在B1火災場景下,整棟樓的人員必須在發生火災后的260 s內完全疏散。

(4) B2火災場景下人員可用安全疏散時間確定：分析B2火災場景下火災擴散過程的模擬結果發現，當火災發生272 s時，該宿舍樓著火層兩個安全出口處煙氣能見度均低于5 m；當火災發生300 s時，該宿舍樓著火層兩個安全出口處頂棚溫度開始高于60℃；而當火災發生200 s時，該宿舍樓著火層兩個安全出口處煙氣層高度均低于1.5 m。綜合考慮，在B2火災場景下，整棟樓的人員必須在發生火災后該宿舍樓200 s內完全疏散。

3.2 人員疏散所需安全疏散時間的確定

假設從發生火災到室內人員察覺的時間為t1(s)，人員疏散準備的時間為t2(s)，人員疏散到安全地帶的時間為t3(s)[2]，則有下列關系：

RSET=t1+t2+t3

(1)

本文利用Pathfinder軟件建立了該高校學生宿舍樓人員疏散模型。Pathfinder軟件中默認的人員疏散路徑為最短疏散路徑，即認為人員將按照最短疏散路徑疏散至安全出口，但是在實際疏散過程中，人員采取的疏散路徑可能與模型中默認的疏散路徑不一致，故在分析人員所需安全疏散時間時需要考慮安全系數[10]。本文參考《防火工程手冊》的推薦，將安全系數設定為1.1[11]。

由于學生對宿舍樓十分熟悉，并且該宿舍樓的結構比較簡單，因此在確定人員察覺到火災發生的時間和疏散準備的時間時，將人員察覺到火災發生的時間設定為30 s，即t1=30 s；由于學生宿舍樓的人員居住集中，一旦發現火災，人員會迅速做出反應，故設定人員疏散準備的時間設定為30 s，即t2=30 s[12]。基于Pathfinder軟件建立的某高校學生宿舍樓人員疏散模型見圖5。根據Pathfinder軟件的參數設置，本次人員疏散模擬采用的疏散速度符合正態分布[13]，人員平均疏散速度為1.19 m/s，肩寬為45.58 cm，考慮火災發生時所有學生都在宿舍樓，疏散人數為432人，人員隨機分布在各個宿舍、樓道、樓梯間，人員從宿舍樓的兩個安全出口進行疏散[14]。Pathfinder模擬計算出人員疏散到安全地帶的時間為258.5 s，即t3=258.5 s，計算出整棟樓全部人員完全疏散所需安全疏散時間為

圖5 基于Pathfinder軟件的某高校學生宿舍樓人員 疏散模型Fig.5 Personnel evacuation model for a college student dormitory based on Pathfinder software

RSET=30 s+30 s+258.5 s×1.1=344.35 s

3.3 人員疏散安全性分析

在對該學生宿舍樓人員進行安全疏散時要考慮整棟樓人員完全疏散所需的時間。通過對4種火災場景下該宿舍樓人員疏散可用安全疏散時間(ASET)和人員所需安全疏散時間(RSET)的模擬，可得到不同火災場景下人員疏散安全性模擬結果的比較見表2。

表2 不同火災場景下人員疏散安全性模擬結果的比較Table 2 Comparison of simulation results of personnel evacuation safety under different fire conditions

由表2可知，在A1火災場景下人員疏散可用安全疏散時間只有210 s，在A2火災場景下人員疏散可用安全疏散時間為360 s，在B1火災場景下人員疏散可用安全疏散時間為260 s，在B2火災場景下人員疏散可用安全疏散時間為200 s，而該宿舍樓全部人員完全疏散所需安全疏散時間為344.35 s;在A1火災場景下，210 s時該宿舍樓著火層兩個安全出口處煙氣層高度低于1.5 m，導致人員安全疏散十分困難，此時部分人員處于危險狀態；在A2火災場景下，360 s時該宿舍樓著火層兩個安全出口煙氣層高度完全低于1.5 m，此時人員已安全疏散完全；在B1火災場景下，該宿舍樓著火層兩個安全出口處煙氣能見度低于5 m需要367 s,但是該宿舍樓著火層兩個安全出口處煙氣層高度在260 s時完全低于1.5 m，因此人員在260 s時還未完全疏散至安全地帶就已經處于危險狀態；在B2火災場景下，火災發生200 s時該宿舍樓著火層兩個安全出口處煙氣層高度已下降至1.5 m，此時人員還未完全疏散就已經處于危險狀態。

4 消防安全管理措施

利用Pyrosim和Pathfinder軟件分別模擬了某高校學生宿舍樓火災擴散和人員疏散過程，對比分析其模擬結果發現：目前該宿舍樓的消防設施不完備或過于老舊，導致該宿舍樓發生火災時火災蔓延速度較快[15]，特別是樓道發生火災時短時間內煙氣能見度均低于5 m,著火層安全出口處煙氣層高度低于1.5 m,導致人員在疏散過程中不具備充足的時間，在實際疏散過程中會造成生命和財產損失[16]。因此,針對老舊學生宿舍樓可以采取以下的消防安全管理措施。

(1) 學校應組織專業人員在宿舍樓內部安裝消防設施，消防設施包括自動噴淋滅火系統、排煙系統、滅火器等，并定期組織專業人員對其進行維護與更新。

(2) 通過分析發現宿舍樓樓道著火造成的后果更加嚴重，故學校應禁止學生在樓道堆放可燃物并定期派人清掃樓道的垃圾，并將樓道中的垃圾桶放置在消防設施附近，盡可能避免樓道發生火災。

(3) 學校應減小老舊宿舍的人員居住密度，將原來的4人間宿舍盡量安排為2人間宿舍，這樣在發生火災時有助于提高人員疏散速度，減少疏散時間。宿舍樓內部的窗戶在有人時須長期敞開。

(4) 學校應定期組織專業人員對學生進行消防知識和消防技能培訓，提高學生的消防意識和火災自救能力。

5 結 語

本文利用Pyrosim軟件模擬分析了高校學生宿舍樓在自動噴淋滅火系統是否有效和著火房間窗戶是否關閉等情況下發生火災時，著火層安全出口處煙氣能見度、煙氣層高度和頂棚溫度的變化規律，并結合Pathfinder軟件模擬計算出人員疏散所需安全疏散時間，結果表明自動噴淋滅火系統的有效性和著火房間窗戶的敞開性對火災中人員疏散安全性的影響較大。

高校學生宿舍是人群密集的場所，也是安全隱患較多的場所，因此對高校學生宿舍進行有針對性的火災人員疏散安全性分析是十分有必要的。可為高校采取消防安全管理措施提供參考。