基于Pyrosim 的高校辦公樓火災模擬仿真研究

高嘉璐

(遼寧工程技術大學，遼寧 阜新 123000)

根據調查，我國2021 年火災大約74.8 萬起，共死亡約1987 人，受傷約2225 人。在高校中，辦公樓是除學生宿舍外另一密集的場所，人員年齡段分布廣，流動性大，存在較大安全隱患。馬銳[1]通過對近12 年全國發生的110 起群死群傷特大火災情況的收集和整理，分別對群死群傷火災總體情況發生年度、月份、省份、原因人員、死亡原因、死亡人員性別及特殊年齡階段死亡人員身份發生火災區域行業類別經濟類型建筑性質等做出了總結。陳思奇[2]運用PyroSim火災仿真模擬軟件對棉花露天倉儲火災進行了數值模擬，根據計算結果對場內火焰、煙氣蔓延情形、下游堆垛的溫度場和露天倉庫整體的溫度場以及不同風速下熱釋放速率曲線進行了分析。呂希奎等[3]基于BIM 的二次開發技術，實現了對BIM 中材質信息的有效、快速、準確的提取，解決了BIM 和Pyrosim 軟件間的數據傳輸關鍵問題。在此基礎上，將BIM 集成在Pyrosim 軟件，實現了基于BIM 的火災模擬，得到了火災模擬信息和以及關鍵位置的可用安全疏散時間。

1 火災燃燒理論及影響因素

火災燃燒的條件是火源、可燃物和助燃物，三個條件缺一不可。火災燃燒分為六個階段，分別為：吸熱階段、熱解階段、發煙階段、轟然階段、全燃階段和衰減階段。火災中主要影響因素分別是溫度、一氧化碳濃度、能見度，因此本文主要對其三項進行模擬。若建筑物發生火災將產生強烈的煙囪效應，極大的加速煙氣體傳播有害物質的速度，煙氣體中的有害物質如：一氧化碳、二氧化硫等有害成分均會對人體及視線等造成不同程度的損傷，增加火場復雜程度及其疏散時間。

2 高校辦公樓火災仿真模擬

2.1 Pyrosim 及模擬對象簡介

FDS 軟件是一款計算火災動力學的軟件，依據守恒定律，設置燃燒材料導熱參數、溫度、能見度，模擬煙氣變化規律并通過SmokeView 來查看模擬結果。Pyrosim 是FDS 的預設軟件，在眾多火災模擬軟件中，Pyrosim 以其快速的模型建立、方便的著火材料及位置確定，在火災模擬中應用廣泛。因此，本次進行火災模擬的軟件選擇的是Pyrosim，利用Pyrosim 建立本次模擬的模型，再運行FDS 軟件，對模型進行模擬。

圖1 為遼寧工程技術大學北校區高校辦公樓BIM 模型圖。建筑一共4 層，建筑總高度20.6m，建筑面積為4492.14m2。

圖1 遼寧工程技術大學辦公樓BIM 模型圖

2.2 模型建立

本研究通過Revit 軟件對遼寧工程技術大學辦公樓進行模型的建立，再導入Pyrosim 中，得到火災模擬模型。在FDS 中按照1:1 設定仿真模型，建筑物長寬高為87m、24m、20.6m，坐標取（0，0，0），為保證模型的火災模擬的準確性，采取網格尺寸為1m×1m×1m，總網格數為49140 個，選取網格數量為90×26×21。

2.3 火災有害因素分析及其危險性判定

在火災發生時，影響的因素有煙氣溫度、煙氣高度、煙氣能見度和有害氣體。通過對這些因素分析來進行危險性判定。

2.3.1 煙氣溫度

圖2 Pyrosim 模型圖

過高的煙氣溫度會導致人的皮膚被灼燒，在火災中溫度急速上升一定程度，使人體快速脫水、燒傷等產生生理性的影響，在進行火災危險性判定時，需要確定人體的臨界溫度，根據研究，本次研究選取的人的耐受的臨界溫度為60℃。人體對輻射熱強度為2.5KW/m2。[4]

2.3.2 煙氣高度

火災燃燒產生的大量煙氣，煙氣密度小所以漂浮在建筑頂部，隨著煙氣的聚集，煙氣高度降低，達到一定程度時會對人的疏散速度造成極大的影響。選取其中一個判定公式作為本文章的判定條件：

式中：HS-清晰高度（m）；HC-危險臨界高（m）；HP-平均高度（m），一般取1.6m；HB-建筑內高度（m）。本研究的高校辦公樓層高為4.2m，根據式（1）能得出：HC=1.6+0.1×4.2=2.02（m）因此本次研究選取煙氣高度為2m 處，視為危險臨界高度。

2.3.3 煙氣能見度

能見度是指正常視力的人能將目標物從背景中識別出來的最大距離，在火災發生時，煙氣的不透光性會遮擋大部分視線，而且煙氣刺激人眼，會使人在火災中視力下降。在一些專家研究中給出了對煙氣的能見度的臨界指標，在小空間中能見度臨界值為5m，在大空間中臨界值為10m。

2.3.4 有害氣體

在建筑火災中，煙氣中主要的有害氣體為CO，是火災中導致死亡原因之一。常用的建筑材料燃燒所產生CO 的濃度高達2.5%，而CO 濃度達到0.1%時，已經使人們產生頭暈惡心，中毒的現象，所以本文確定臨界CO 濃度危險值為0.1%。

2.4 著火點位置選取及著火點的火災場景設置

2.4.1 著火點位置的選取

一個火災模擬中，最重要的是著火點位置選取。本次研究著火點位置選取采用最不利原則，使得出的模擬結果更接近最差的情況，就能在現實應用中挽救更多人的生命。在選取著火點位置時，遵循以下幾種原則:（1）貼近真實火災情況。在研究中選擇現實中容易著火的材料、空間。（2）聚集人多且不容易疏散的空間。選擇不利于人們疏散的空間來貼近真實火災場景。（3）考慮周圍空間環境。周圍環境的明與暗，距離疏散遠與近都會影響著火點位置是否切近真實火災場景。根據上訴原則，本文選擇一層大廳為著火源。如果一層大廳著火，煙氣會更大面積對兩側房間照成影響，更貼近火災真實情況；空間上，常駐人和流動人員（學生請假和取體育用品學生等）眾多，熟悉場地環境和不熟悉場地環境的人在此處頻繁交集。在周圍環境方面，通過一層出口的人會更易被火災產生的各種有害因素所影響，所以此著火點位置更能模擬火災場景中火災蔓延最差情況。

2.4.2 火災場景的設置

模擬初始火災場景的環境溫度為20℃，壓強為標準大氣壓101.325KPa。室內風為靜態，不考慮室外的風對室內煙氣的影響。本文研究的是高校的辦公樓，取此次最大熱釋放率為6000KW，火源的熱釋放速率模型設置為t2，本文選擇快速生長火，所以α=0.046890。根據公式Q=αt2可得，t=357.71s。即火源達到穩定熱釋放速率的時間為357.71s。在距離每一層地面2m 高度處的兩個疏散樓梯口處和走廊中間分別設置溫度傳感器煙氣、煙氣高度傳感器、煙氣能見度傳感器和CO 濃度傳感器。

3 最不利著火點的模擬結果分析

3.1 煙氣彌漫過程分析

圖3 表示煙氣彌漫過程，圖（a）-（d）分別展示了30s、90s、270s、360s、的建筑立面圖的煙氣彌漫程度。在30s 時，在火源點產生少量煙氣，尚未充滿整個大廳；90s 時煙氣已經不均勻充滿一層大廳且蔓延至兩側走廊，有大量煙氣通過一層大廳的樓梯蔓延至二層；270s 時，一層二層走廊已經基本被煙氣填滿，煙氣沿著北側的兩個疏散樓梯已經少量蔓延至三層的走廊中，四層有極少量煙氣進入走廊中；600s模擬結束時，一層二層完全被煙氣填滿，三層走廊被填滿，房間內聚集的煙氣增多，四層走廊被煙氣填滿且開始蔓延至房間。中能見度降低至10m 時，對人員疏散逃生和火災撲滅造成巨大的影響。根據探測器的數據繪制的能見度曲線變化圖和切片（圖5），在77s 時，各個探測器的能見度無變化都是30m，說明把握好火災初期的時間，能極大程度的減少煙氣能見度的影響。探測器4 和5 位于大空間處，能見度最快降低至10m 以下，探測器4 和5 分別在97s 和95s 時，二樓中間的樓梯喪失疏散能力。靠近一層大廳主入口的探測器0在140s 時，煙氣能見度降低至10m。位于二層北側兩個疏散樓梯的探測器6（西側）和7（東側）分別在178s 和177s煙氣能見度降低至5m。三層在290s 時煙氣能見度降低至5m。四層在367s 時煙氣能見度降低至5m。

圖3 辦公樓內部煙氣蔓延圖

圖5 能見度變化曲線圖

3.2 煙氣溫度分析

從溫度變化曲線（圖4）中可以看出14 個探測器的曲線變化趨勢相接近，靠近火源處的探測器0 在272s 時達到人體的耐受的臨界溫度60℃，靠近南側的主入口探測器3 在268s 時人體的耐受的臨界溫度60℃，即第268s 時，南側主入口喪失疏散功能。二層樓梯東側的探測器5 溫度最高，溫度上升最快，在244s 的時候達到60℃，位于大廳中間的樓梯喪失疏散功能。通過對比一層和二層的探測器發現，二層的煙氣溫度都大于一層的煙氣溫度，而位于三四層的探測器的數據全部沒有超過60℃，說明溫度變化對三四層人員逃生沒有影響。

圖4 溫度變化曲線圖

3.3 煙氣能見度分析

由前文2.3 可知，在小空間中能見度降低至5m、大空間

3.4 有害氣體CO 濃度分析

根據前文表2.3.2CO 濃度值為0.1%時，人們會出現頭暈惡心，中毒癥狀，嚴重影響人員疏散速度危害人們的生命。根據探測器的數據繪制的CO 濃度曲線變化（圖6）發現，位于二樓東側樓梯口的探測器5CO 濃度值最快達到0.1%，在317s 時，不適合人疏散逃生。探測器4 雖然前期上升CO 濃度值沒有探測器4 快，但是最終的CO 濃度值達到的最高，為0.22%。位于一層北側兩個疏散樓梯的探測器1（西側）和2（東側）分別在448s 和450s 時CO 濃度值達到0.1%。位于二層在410s 時CO 濃度值達到0.1%。位于三、四層在模擬結束時CO 濃度值均未達到0.1%。與前文溫度和能見度變化曲線作比較，發現達到溫度和能見度臨界值的時間較比于達到CO 濃度的臨界時間短。

圖6 CO 濃度值變化曲線圖

4 優化

根據火災模擬結果分析，在溫度、能見度和CO 濃度影響因素中，影響最大的是能見度，在190s 時，三個出口的能見度已經降低至5m，使還未疏散的人們不能找到疏散出口，最后導致逃生失敗，所以為了延長疏散時間，就要增加人們在火災中的能見度，主要方法為增加光源。通過縮小安全指示燈的間隔距離，增加應急燈的數量及光的強度，每層疏散樓梯口的防煙防火門，來降低能見度對人們疏散的影響，從而減少人們疏散時間，使更多的人逃生成功。

5 結論

在本次火災疏散模擬中，煙氣最先充斥一樓二樓的大廳，再向走廊蔓延。位于二樓大廳的樓梯處在244s 的時候最先達到人體耐受溫度達到60℃，并發現所有位于二層疏散口煙氣溫度都要高于其它層煙氣溫度。發現所有位于二層疏散口CO 濃度值都要高于其它層CO 濃度值。能見度在火災疏散中影響最大，應重視安全指示燈的間隔距離，增加應急燈的數量及光的強度；在每層疏散樓梯間設置防煙防火門，以阻隔煙氣聚集逃生通道，降低能見度對人員疏散的影響。