高層建筑火災(zāi)模擬與滅火救援策略研究

摘要：分析高層建筑火災(zāi)發(fā)生的原因，概述火災(zāi)加速蔓延的影響因素，建立了火災(zāi)燃燒的動(dòng)力學(xué)模型。通過PyroSim軟件模擬高層建筑火災(zāi)蔓延趨勢(shì)，從而提出影響高層建筑火災(zāi)救援的策略。結(jié)果表明，合理有效的滅火救援策略可以在高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)延緩火勢(shì)的擴(kuò)散和發(fā)展，并有望在火災(zāi)初期將其撲滅，降低火災(zāi)產(chǎn)生的有毒有害氣體釋放量，減少人員傷亡。

關(guān)鍵詞：高層建筑；滅火救援策略；PyroSim軟件；火災(zāi)模擬

高層住宅建筑的快速增長給人們生活帶來了巨大的便利，同時(shí)也帶來了嚴(yán)峻的消防安全風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)引起高度重視。一直以來，由于技術(shù)、人員、管理等方面的原因，火災(zāi)事件時(shí)有發(fā)生，給社會(huì)和個(gè)人帶來了巨大損失。尤其是高層住宅建筑發(fā)生火災(zāi)后，由于眾多可燃物的燃燒，火場(chǎng)的高溫、能見度低、有毒有害氣體積聚，以及恐慌引起的二次事故等，都可能導(dǎo)致人員傷亡。面對(duì)這種情況，傳統(tǒng)的滅火救援方法往往力不從心，現(xiàn)有的資源配置、人員培訓(xùn)和應(yīng)急響應(yīng)能力亟待提升。尤其是在救援過程中，復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)和密集的人員流動(dòng)使疏散、救援工作面臨較大風(fēng)險(xiǎn)[1]。因此，在這種背景下，本文通過PyroSim軟件模擬高層建筑火災(zāi)的蔓延趨勢(shì)，探索高層建筑滅火救援策略。

1 高層建筑火災(zāi)原因及蔓延理論分析

1.1" 高層建筑火災(zāi)發(fā)生原因

高層建筑火災(zāi)發(fā)生的原因主要包括以下幾個(gè)方面：第一，電路管理不善。冰箱、空調(diào)、微波爐等大功率電器在家庭中的普及，若未及時(shí)更新老化的電力線路，可能會(huì)出現(xiàn)線路超負(fù)荷的情況，增加火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)[2]。第二，生活用火不慎。廚房是火災(zāi)高發(fā)區(qū)域，涉及液化氣和天然氣等多種火源。在烹飪過程中，操作不當(dāng)或設(shè)備故障都可能引發(fā)火災(zāi)。第三，吸煙習(xí)慣。有些人在床上抽煙或隨意丟棄未熄滅的煙頭，均有可能引發(fā)火災(zāi)[3]。

1.2" 高層建筑加速火勢(shì)蔓延影響因素

高層建筑火勢(shì)蔓延的加速因素包括：第一，煙囪效應(yīng)。高層建筑火災(zāi)中，可燃物燃燒產(chǎn)生的煙氣因高溫影響而密度較低，并沿著電梯井、樓梯等通道向上蔓延，形成低壓區(qū)域。周圍的低溫空氣從底部進(jìn)入，形成上升氣流。不僅加強(qiáng)了火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的熱對(duì)流，促進(jìn)火勢(shì)蔓延與擴(kuò)大，還由于大量新鮮空氣進(jìn)入，為燃燒提供充足的氧氣，加劇了火勢(shì)[1]。快速流動(dòng)的空氣還會(huì)使火焰傾斜，加快火勢(shì)的傳播。第二，圍爐效應(yīng)。高層建筑結(jié)構(gòu)相對(duì)封閉，火源周圍的房間溫度和壓力逐漸上升，煙氣和熱量排放受阻，引發(fā)局部轟燃現(xiàn)象，促使火勢(shì)擴(kuò)散。第三，火羽流。燃燒火源上部與可燃物燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔獗环Q為火羽流，是一種極具破壞性的現(xiàn)象。在高層建筑設(shè)計(jì)中，為了降低火災(zāi)破壞，必須考慮火羽流的影響。特別是頂層通道開口的大小，會(huì)影響火羽流的溫度及速度，進(jìn)而影響火勢(shì)蔓延的速度和范圍。

1.3" 火災(zāi)燃燒模型分析

火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件（FDS）基本控制方程主要依據(jù)動(dòng)力學(xué)模型的基本方程組。包括：能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、組分守恒方程等。FDS的開發(fā)人員在模擬計(jì)算中，根據(jù)兩種主流方法對(duì)網(wǎng)格尺寸的需求，構(gòu)建燃燒模型。該模型進(jìn)一步考慮了有限反應(yīng)率和混合分?jǐn)?shù)的影響，并采用混合分?jǐn)?shù)的概念來更準(zhǔn)確地表示不同氣體的比例，其假設(shè)燃燒氣體的比例存在分布閾值，可以通過守恒函數(shù)求解不同組分的問題。

2 基于PyroSim軟件的高層建筑火災(zāi)模擬

PyroSim是一款專業(yè)的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)火災(zāi)煙氣，包含一氧化碳在內(nèi)的多種毒氣的運(yùn)動(dòng)、火災(zāi)溫度和煙氣濃度分布，該軟件由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院開發(fā)[2]。PyroSim是基于火災(zāi)動(dòng)力學(xué)仿真模擬軟件（FDS）發(fā)展而來，F(xiàn)DS在火災(zāi)模擬領(lǐng)域具有代表性，提供了全面的模擬數(shù)據(jù)，適用于多種火災(zāi)類型的研究。盡管FDS存在一些局限性，比如對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求較高，導(dǎo)致模擬過程耗時(shí)較長。

2.1" 案例概述

本文以一幢集商業(yè)與居住于一體的高層建筑為研究對(duì)象，該建筑共28層，主樓與2層裙房相連。住宅部分建筑面積為11602.47m2，公共部分建筑面積為1092.22m2，總面積達(dá)12694.69m2。每層居住區(qū)域設(shè)有A、B、C、D四種三室一廳的戶型。建筑設(shè)有兩部電梯和兩部防煙樓梯間且貫通整棟建筑的疏散樓梯。建筑等級(jí)為一級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為50年，在耐火等級(jí)方面，高層部分為Ⅰ級(jí)，多層部分為Ⅱ級(jí)；屋面防水等級(jí)，高層部分為Ⅰ級(jí)，多層部分為Ⅱ級(jí)，框架剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為7度。

2.2" 火災(zāi)模擬流程

PyroSim模型的構(gòu)建主要分為以下幾步：第一，網(wǎng)格建立。第二，材料定義。第三，表面創(chuàng)建。第四，建筑構(gòu)建。第五，火源設(shè)置及通風(fēng)口的配置。通過順利完成這些步驟，可以獲得一個(gè)精確的火災(zāi)模型。在模擬求解階段，可以設(shè)定模擬時(shí)間及所需輸出的結(jié)果參數(shù)，最終獲得結(jié)果文件[3]。為了對(duì)所得結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，需對(duì)三維Smokeview結(jié)果進(jìn)行分析，并生成、分析時(shí)間歷史結(jié)果圖，包括時(shí)間、溫度、煙氣高度和氣體濃度等變量的變化曲線，從而更加深入理解火災(zāi)事故的發(fā)展過程和影響因素。

2.3" 火災(zāi)模型搭建

由于計(jì)算機(jī)性能和計(jì)算時(shí)間的限制，只能對(duì)火災(zāi)的初期階段和全面發(fā)展階段進(jìn)行模擬，為了提高模擬的精確性，必須考慮火災(zāi)從初期階段到全面發(fā)展階段的過渡時(shí)間。

在PyroSim軟件內(nèi)建立火災(zāi)模型時(shí)，網(wǎng)格單元尺寸的設(shè)定是影響計(jì)算模擬精度和計(jì)算時(shí)間的主要因素，如果網(wǎng)格單元尺寸設(shè)定過大，模擬結(jié)果不夠精準(zhǔn)；如果網(wǎng)格單元尺寸設(shè)定過小，則需要較長的運(yùn)算時(shí)間。因此，應(yīng)綜合考慮模型的精度和運(yùn)行時(shí)間，以在合理的計(jì)算時(shí)間內(nèi)獲得較好的計(jì)算結(jié)果。

2.4" 模擬結(jié)果分析

火源設(shè)定為非穩(wěn)態(tài)火災(zāi)模型，熱釋放速率在大約146s時(shí)達(dá)到1MW，經(jīng)過437s后達(dá)到最大熱釋放速率8MW，并且在模擬時(shí)間900s結(jié)束時(shí)，仍保持較穩(wěn)定的熱釋放速率，說明直到模擬結(jié)束，火災(zāi)并未進(jìn)入衰減階段。

由于可燃物燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饷芏容^低，以及煙囪效應(yīng)的作用，高溫?zé)煔庵饕蛏线\(yùn)動(dòng)，所以在該建筑物火災(zāi)情況下，著火樓層以上的區(qū)域溫度受煙氣傳播的顯著影響。在模擬時(shí)間內(nèi)，2層中部位置的溫度迅速上升，在400s內(nèi)超過了150℃，3～6層內(nèi)的某些區(qū)域溫度也達(dá)到60℃以上。著火樓層以下區(qū)域受到的影響極小，可以忽略不計(jì)。

3 高層建筑火災(zāi)救援策略方案設(shè)計(jì)

根據(jù)前文分析，火災(zāi)中對(duì)人員生命安全主要威脅來自可燃物燃燒產(chǎn)生的煙氣在建筑物內(nèi)的快速蔓延。因此，本節(jié)將重點(diǎn)探討高層建筑火災(zāi)的救援策略。

3.1" 合理設(shè)置安全出口

作為建筑物用于疏散人員的關(guān)鍵通道，安全出口在人員疏散過程中具有重要的作用。若安全出口數(shù)量不足或者寬度不夠，可能導(dǎo)致人員疏散時(shí)出現(xiàn)擁堵。即便安全出口數(shù)量充足，若利用率不高也可能引發(fā)局部擁堵[4]。為確保火災(zāi)或其他緊急情況下，建筑內(nèi)的人員能夠迅速安全疏散，減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，應(yīng)在建筑設(shè)計(jì)階段依據(jù)相關(guān)防火規(guī)范合理規(guī)劃安全出口的數(shù)量、位置和寬度等參數(shù)。

3.2" 合理設(shè)計(jì)疏散樓梯

樓梯是高層住宅建筑火災(zāi)及緊急情況下人員疏散的主要工具，其重要性不言而喻。為了避免因人員過多導(dǎo)致樓梯擁堵，其凈寬度不應(yīng)小于1.1m，同時(shí)，為了提供額外的支持和安全性，樓梯應(yīng)配備防護(hù)措施，這可以在一定程度上提高樓梯的疏散效率。

3.3" 優(yōu)化疏散誘導(dǎo)系統(tǒng)

火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣會(huì)阻礙疏散人員的視線并引發(fā)恐慌情緒，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)混亂。為了引導(dǎo)人員有序疏散，提高疏散效率，建筑物內(nèi)的疏散誘導(dǎo)系統(tǒng)需要優(yōu)化。在疏散通道的墻壁、出入口設(shè)置醒目的熒光綠或紅色標(biāo)識(shí)；在通道拐角和交界處設(shè)置指示牌，明確指示方向；在建筑設(shè)計(jì)時(shí)可以設(shè)置語音播報(bào)系統(tǒng)，引導(dǎo)人員向安全出口疏散。

3.4" 安全宣傳、教育、培訓(xùn)和演練

通過消防安全宣傳、教育和培訓(xùn)，能夠有效提高人員對(duì)消防知識(shí)的熟悉和安全防范意識(shí)。在高層住宅建筑中，應(yīng)安排專人定期進(jìn)行安全教育培訓(xùn)工作，并組織人員進(jìn)行應(yīng)急疏散演練，以增強(qiáng)人們的火災(zāi)防范和應(yīng)急處理能力，確保人們?cè)诨馂?zāi)發(fā)生時(shí)能夠快速、有效地進(jìn)行自救和逃生，最大程度減少人員傷亡[5]。

3.5" 制定安全疏散應(yīng)急預(yù)案

不同類型和特點(diǎn)的高層建筑在火災(zāi)發(fā)生時(shí)可以表現(xiàn)出不同的特征，因此，制定人員疏散應(yīng)急預(yù)案應(yīng)具有針對(duì)性。由物業(yè)、安保和消防等相關(guān)部門共同參與，明確疏散組織和人員分工。高層住宅建筑內(nèi)的人員應(yīng)根據(jù)疏散指示牌和語音播報(bào)系統(tǒng)的引導(dǎo)，有序疏散至安全位置。

4 結(jié)束語

本研究通過PyroSim軟件仿真模擬了高層建筑火災(zāi)蔓延趨勢(shì)，并據(jù)此提出了相應(yīng)的救援策略，研究得出以下結(jié)論：第一，假設(shè)火災(zāi)發(fā)生時(shí)兩樓梯間的防火門均正常工作，樓梯間可供人員正常疏散，建筑物內(nèi)人員疏散所需時(shí)間為200s以上。第二，針對(duì)高層住宅建筑的人員安全疏散，本研究提出一系列規(guī)劃建議，如設(shè)置合理的安全出口和疏散樓梯、優(yōu)化疏散誘導(dǎo)系統(tǒng)、制定安全疏散應(yīng)急預(yù)案，并定期進(jìn)行安全宣傳、教育培訓(xùn)和演練等。這些措施提高了高層建筑對(duì)火災(zāi)的應(yīng)對(duì)能力，減少火災(zāi)造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，并確保消防滅火救援策略的高效性和及時(shí)性。

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