基于Pyrosim的高校學生宿舍火災虛擬仿真

譚立云 聶國亮

摘?要：以我校某男生宿舍樓為研究對象，設置六個火災場景，運用Pyrosim對研究對象進行火災模擬。研究結果顯示：發生在走廊的火災，相比于發生在室內火災，其煙氣蔓延速度更快;開啟起火房間窗戶能將煙氣排出，減慢煙氣蔓延速度;消防設施能有效控制火勢發展和煙氣蔓延，能顯著提高人員安全疏散的概率。

關鍵詞：高校學生宿舍;火災模擬;虛擬仿真;Pyrosim

中圖分類號：X928

1?緒論

根據相關統計，在各種災害中，火災是發生頻率最高的災害之一。根據應急管理部消防救援局發布火災接處警數據，2020年全國接到的火災報警為25.2萬起，這些火災共造成1183人死亡，775人受傷，直接財產損失40.09億元[1]。

隨著高校招生人數的增多，學生宿舍樓的人員密度越來越大，學生宿舍樓的火災安全隱患較多，我國發生了多起高校學生宿舍樓火災。

我國高校宿舍樓一般人員密度大，大多數高校的宿舍為4人間或者6人間。并且由于宿舍內存在大量服飾、被褥、書籍等易燃物，一旦發生火災，火勢將會迅速發展并蔓延，可能造成巨大的人員傷亡或者財產損失。本文選取我校某宿男生宿舍樓作為研究對象，研究宿舍火災發展和煙氣的運動規律，為高校宿舍樓的消防管理和應急疏散提供科學的參考。

2?建筑火災理論簡介

建筑火災的發展過程大致可以分為三個階段：初期增長階段、充分發展階段和減弱熄滅階段[2]。

初期增長階段：在這個階段，起火房間室內外的溫差很大，起火點及其附近溫度很高，其他區域溫度較低，此時火災的火勢不穩且發展速度慢。此階段持續時長受多種因素的影響，例如起火位置、可燃物性質和分布等。

充分發展階段：當起火房間的溫度達到一定值時，房間內聚集的大量可燃氣體和未充分燃燒物突然起火，房間由局部燃燒轉為全室性燃燒，這種現象稱為轟燃，若此時人員還未從火場逃出，則很難幸存。

減弱熄滅階段：在火災充分發展階段的后期，可燃物不斷減少，火災燃燒速度減慢，溫度逐漸下降。當室內平均溫度降到室內最高溫度的80%時，火災就進入了熄滅階段。之后，房間溫度下降明顯，直到房間內可燃物完全被消耗，室內外溫度一致，此時，火災結束。

煙霧是由燃燒或熱解作用產生的，彌散在空氣中，煙霧實際上是由空氣中的微小固體顆粒、微小液滴和水蒸氣組成。據統計，火災中，因煙霧原因致死的人數占全部死亡人數的60%，煙霧是火災中對人員安全威脅最大的因素。

3?Pyrosim簡介

Pyrosim是由美國國家標準與技術研究院研發一款火災動態仿真模擬的軟件，常被用于模擬火災發展和煙氣運動。可以設置不同的燃燒反應、建筑物材料、表面材質和消防設施等火災模擬的要素，而且提供了用戶圖形界面，用戶使用更加方便，Pyrosim被廣泛用于建筑防火設計、消防安全模擬等[3]。

利用Pyrosim進行火災模擬的基本過程為：模型建立、運行求解和分析處理。這三個過程的基本步驟如下：

（1）模型建立：①新建Pyrosim程序文件;②定義反應和材料數據;③創建網格;④定義和創建物體表面屬性;⑤創建實體構筑物;⑥創建通風口;⑦創建各種探測設備和消防滅火設備;⑧創建各種結果記錄;⑨檢查模型;⑩存儲模型。

（2）運行求解：①設置模擬屬性;②開始模擬。

（3）分析處理：①查看分析結果;②分析處理評估結果。

4?學生宿舍火災Pyrosim模擬

4.1?宿舍樓基本情況介紹

本文研究的宿舍樓平面布局呈半“工”字形，男生和女生宿舍在同一棟樓，男生宿舍為“7”字形，為了降低建模難度和簡化模型，本文只研究男生宿舍的主樓部分。該宿舍樓主樓部分占地面積約1341m2，每層高3m，共五層，總建筑面積約為6700m2。該宿舍樓每層有兩個盥洗室，分別設置在宿舍樓兩端，一層設有2間會客室，2間宿舍管理員辦公室和30間寢室，二至五層每層有34間寢室。宿舍樓的每個房間住6人，每個房間都有衛生間、陽臺和窗戶。相同樓層的每個房間由走廊連接，各樓層之間由樓梯相連，每層設有兩個樓梯間，分布于樓層兩側。該宿舍樓樓梯材料為混凝土，墻壁材料為石膏，地板材料為瓷磚，均為不可燃材料。宿舍樓在一層有兩個出口，假設有自動噴淋和自動排煙裝置。

為了簡化計算，在宿舍樓建模之前，做如下假設：

（1）建立模型時，不考慮樓梯間樓梯扶手，不考慮走廊的吊頂。

（2）建立房間模型時，房間內部的物品，如床、桌椅、箱子等不考慮具體形狀，使用矩形塊來代替。

（3）寢室墻壁的材料設置為石膏，不考慮貼墻紙的情況，地板的材料為瓷磚，不考慮鋪設地板墊或地板貼的情況。

（4）除了火災場景的設置要求外，假設宿舍樓所有的門窗為開啟狀態。

4.2?火災模擬場景設置

本文主要研究起火房間窗戶的開啟狀態、自動噴淋系統和自動排煙系統對宿舍樓火災的影響。由于宿舍樓布局是左右對稱的，火源位置在左側宿舍和右側宿舍的結果是對偶的，為了模擬多種情況，將火源位置設置為不同樓層的走廊或者寢室內。為了模擬自動噴淋系統的影響，根據《建筑防煙排煙系統技術標準》（GB?512512017），在系統有效時設置火災規模為1.5MW，無效時設置火災規模為3MW。

根據《建筑防煙排煙系統技術標準》（GB512512017），設置能見度臨界值為5m，能見度小于5m則無法安全疏散;設置頂棚溫度臨界值為60℃，頂棚溫度大于60℃，人員無法疏散;設置煙氣層高度為臨界值1.5m，煙氣層高度低于15m，將嚴重影響人員疏散。