基于數值模擬技術的密室逃脫場所火災事故分析

鄭凱升

摘要：為了降低密室逃脫類場所火災帶來的風險，同時也為此類建筑消防安全風險評估提供依據，以某市密室逃脫場所火災事故為例，通過FDS軟件來重建火災事故場所，在同一地點建模，分別模擬增設機械排煙、自動噴水滅火系統和無設置的情況，定量分析密室逃脫場所發生火災時CO濃度、溫度、能見度等影響因素的變化。結果表明，增設消防設施能使能見度增至1m，峰值溫度降低至170℃，CO濃度降低至0.01%以下。因此，在密室逃脫場所合理設置消防設施，可減少人員傷亡和財產損失。

關鍵詞：火災；數值模擬；密室逃脫；煙氣蔓延；人員疏散

中圖分類號：D631.6? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2024）01-0007-04

近年來，密室逃脫這種新型娛樂方式在我國流行開來。密室逃脫行業規模快速擴大的同時，其消防安全系統缺失、沉浸體驗與安全矛盾問題亟待解決。密室逃脫場所一旦失火，造成的影響與損失較大。2021年9月，消防救援局制定了關于密室逃脫類場所火災防控的規范[1]。2023年4月，國家消防救援局、文化和旅游部聯合印發了《劇本娛樂經營場所消防安全指南（試行）》。新規范對密室逃脫場所的建筑防火設計表明國家對密室逃脫類場所的火災預防逐漸重視起來。

2000年，美國國家標準與技術研究院（NIST）發布了火災動態模擬軟件（FDS），并逐年發展成熟[2]。本研究利用FDS軟件（PyroSim）對某市一密室逃脫場所火災進行仿真模擬復盤，獲取并對比分析著火層在發生火災后的CO濃度、溫度和能見度等數據，為密室逃脫場所的消防安全管理與人員疏散提供依據。

1 模型建立

1.1? 密室逃脫場所概況

本研究模擬的建筑為鋼筋混凝土結構，共4層，設有一條2m寬疏散樓梯。密室逃脫場所位于地上一層，東西長9.15m，南北寬8.55m，層高4.1m。場所共劃分為四個區域：醫療室、辦公室、監獄、實驗室，分別占地12.4m2、12.4m2、12.1m2、12.3m2，其中“醫療室”與“實驗室”之間采用由底到頂的木質隔斷進行分隔。一層平面圖見圖1。

圖1? 一層平面圖

現場勘查顯示，過火區域主要集中在“醫療室”和“實驗室”，前者燃燒痕跡重于后者。但調查表明，起火部位位于“實驗室”靠近門M-5的金屬桶，起火原因系玩家丟的含有R96除銹劑的紙巾與垃圾桶內的金屬發生化學反應蓄熱，引燃周邊可燃物蔓延成災。火災發生時，因游戲設置需要，游戲區域的門均處于鎖閉狀態，玩家無法逃生而死于“監獄”西北側。

1.2? 火災場景的設置模擬

用PyroSim軟件對著火層按1∶1的比例進行簡化建模。“醫療室”內主要有海綿床、沙發、理療燈，“實驗室”內有沙發、金屬桶、R96除銹劑、紙箱。墻面為石膏，頂棚為不燃材料，地板為瓷磚。門M-1、M-2、M-3處于開啟狀態，M-4、M-5處于封閉狀態但煙氣仍可通過門縫流通，門M-6處于封閉狀態而煙氣無法流出。所有的窗戶均處于封閉狀態。

研究設定在設置機械排煙、自動噴水滅火系統和無增設條件下對火災發展的影響。無消防設施的定為工況1；設有消防設施的為工況2：Activation Events實現機械排煙系統的聯動控制，排煙口面積為0.64m2，最大排煙量為10.0m3/s，最大壓力為100.0Pa；設置濕式噴水滅火系統，噴頭型號為快速響應噴頭（K≥80），正方形布置（平均約3m×3m），動作溫度68.33℃，流量為56.1L/min。

初始環境溫度為20℃，壓強為101.325kPa，能見度為30m。根據場所可燃物的種類，參考紙箱堆垛火的實驗數據[3-4]，設置起火點熱釋放率為500kW，著火面積為0.5m×0.5m=0.25m2，火源的模型為t2火災，模擬時間為10min。網格大小為0.2m×0.2m×0.2m。

在人員疏散路徑上（即死者倒下的位置）安裝能見度探測器、溫度探測器和CO濃度探測器，均設置在（X=8.8m，Y=1.7m，Z=2m）位置，離地2m。

2 結果分析與討論

2.1? 煙氣變化情況

圖2中，煙氣在2.5s時開始從“實驗室”向“監獄”擴散，沿著樓層頂板水平運動，在頂板聚集進行擴散；23.6s時充滿“監獄”，313.4s時充滿整個樓層，并向上面樓層蔓延。從圖3可以看出，增設排煙設施和自動滅火系統后，煙氣擴散的速率有所降低。

2.2? 著火區域煙氣溫度切片情況分析

圖4、圖5分別為工況1、2條件下著火區域坐標Y=6m在不同時間的溫度切片圖，該切片主要穿過“醫療室”“實驗室”和起火部位。

圖4中，剛開始，高溫區域主要集中在“實驗室”起火點附近，隨著燃燒推進，熱量不斷上升，高溫聚集于頂板，主要的易燃物質被消耗完，在20s左右迅速達到峰值470℃。100s后，室內燃燒物燃燒殆盡，由于房間內有源源不斷的可燃物，后續溫度基本維持在150～300℃。

圖5可以看出，設置了消防設施后，火災的蔓延受到抑制，峰值溫度降低至170℃，且主要分布在火源附近，燃燒未向其他區域蔓延。

圖6為一層著火區域在不同時間的HRRPUV動畫模型俯視圖。從圖中可以看出，剛開始過火區域主要集中在“實驗室”區域，從96.7s開始，木質隔墻開始局部燒損，高溫通過隔墻向“醫療室”蔓延，423.3s后，隔墻的燒損速率加快，“醫療室”的醫療床和沙發開始燃燒并放出熱量；至560s時，木質隔墻大部分燒損。這也對應著圖4，在火災發生第450s左右時，頂部高溫通過木質隔墻，蔓延至“醫療室”，高溫區域向北側轉移，持續到模擬結束。這解釋了為什么不是起火部位的“醫療室”現場燃燒痕跡重于“實驗室”。

2.3? 逃生出口CO氣體濃度分析

圖7為探測點在兩種工況條件下CO濃度變化曲線。數據表明，CO濃度的最大允許值為0.01%，而當濃度達到0.08%時，45min后便會使人痙攣[5]。從圖7中可以看出，在“實驗室”著火時，“監獄”入口處的CO濃度迅速上升，91.22s時，CO濃度達到0.0688%，并持續在0.0587%～0.0688%，573s后濃度開始下降。而在工況2設置消防設施的條件下，CO濃度增長速率變緩，全過程不超過0.01%，基本對人體沒有危害。

2.4? 逃生出口能見度變化模擬分析

資料表明，能見度超過20m，對人員疏散沒有影響；當低于5m時，人員則會選擇折返[6]。“監獄”西北側入口處的能見度變化見圖8所示。可以看出，前10s，能見度一直維持在30m。在火災發生第14.42s時，能見度降低至4m以下，81.02s時，能見度降低至0.5m以下。此時對“玩家”的逃離將造成嚴重影響。而在設置消防設施的條件下，前25s，能見度一直維持在30m。55s后，能見度才降低至4m，最終能見度在1m左右徘徊。

2.5? 逃生出口煙氣溫度分析

圖9為“監獄”西北側入口處溫度變化曲線。可以看出，當“實驗室”著火時，隨著燃燒過程的推進，煙氣溫度急劇上升，14.42s時已經超過人體耐受的臨界溫度60℃，71.42s時溫度達到最高峰值232.37℃，此時“實驗室”大部分可燃物已燃燒。71.42～217.22s時，“實驗室”內燃燒物燃燒逐漸殆盡，煙氣溫度稍有下降，但一直維持在150～200℃之間。217.22～378.01s時煙氣溫度再次上升，此時對應著木質隔墻被燒穿，火焰向“醫療室”蔓延，“醫療室”的大部分可燃物被點燃并放出熱量向周圍傳遞，雖然“監獄”與“醫療室”隔著兩個出口和一個房間，但溫度還是出現上升，隨后開始呈現波動式下降，但煙氣溫度保持在72℃以上，此溫度人體只能堅持15～30min。而在設置消防設施后，入口處溫度雖然也有所上升，但一直維持在30～45℃之間，未超過人體耐受的臨界溫度[7]，說明著火房間“實驗室”的火災得到了控制，未向其他區域蔓延。

3 結論

本研究用FDS軟件對某城市一密室逃脫場所火災進行仿真模擬，得出其CO濃度、溫度、能見度的變化圖，通過對其分析可知：

密室逃脫場所多為多空間組合，其火災模擬結果顯示，在CO濃度、溫度和能見度三個影響因素中，按影響程度從高到低依次是能見度、溫度和CO濃度，即使起火部位和人員在不同空間，能見度也會迅速下降，影響玩家安全疏散；溫度在14.42s時會超過人體不能耐受的溫度60℃。可見，多空間串聯或嵌套布局會導致室內疏散環境變差，既影響人員逃生，也容易造成煙氣的快速聚集和蔓延，進而使受困人員面臨更大的生命威脅。

密室逃脫類場所采用非阻燃高分子聚合材料裝修，燃燒后會產生大量有毒物質，且場所內通風不暢，難以及時將煙毒物質排出。在本案例中，增設排煙系統以及自動滅火設施，可有效減少煙氣的蔓延。在現實生活中，應定期測試消防設施保證完好有效。此外，個別密室場所為營造神秘氛圍，對建筑外墻上的窗進行了封堵，影響了排煙效果[8]。因此，密室場所的建筑部件應確保在不影響防火用途的前提下進行改動。

應合理進行平面布置和安全疏散設計。本案例中，玩家只能利用各個場景嵌套間的門進行疏散，而游戲過程中大部分場景內房門鎖閉，無正常照明，這些都需要加以改進。根據密室逃脫類場所的特殊應用性質，其要求應至少等同于甚至高于歌舞娛樂放映游藝場所相關規定，本案例中“實驗室”與“醫療室”采用可燃的木質隔墻分隔顯然不符合相關規定，進而導致了火勢的蔓延與擴大。

參考文獻：

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[8]盛晨.真人密室逃生場所火災隱患分析及安全管理對策[J].今日消防，2021，6（8）：85-89.