运用火灾模拟软件优化消防设计

刘克锋

（南宁铁路公安处，工程师，广西 南宁 530001）

FDS（Fire Dynamics Simulator）由美国国家标准与技术研究院开发，是一种以火灾中流体运动为主要模拟对象的计算流体动力学软件，采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的N-S方程，重点计算火灾中的烟气和热传递过程。FDS采用基于场模型的有限元计算方法，其参数输入包括建筑物尺寸、空间环境温度、建筑物内物品的燃烧特性及其尺寸、烟气的特性、搜集数据所需的时间、模拟时空间网格划分、设计火灾等。FDS还提供了可直接观测数据的图形显示软件Smoke View，使输出的数据可视化。该软件可模拟建筑物的火灾发展过程，研究火灾特点，以便采取针对性的延缓火灾蔓延的措施或对防火隔离方案进行选择，以优化消防设计。

1 防火分隔方案说明

1.1 建筑物概况试验时使用的建筑物为一栋2层的铁路物流仓库，长150 m，宽15 m，层高6 m（2层共12 m），其平面如图1所示（一层平面图的左半侧）。

在①-②轴间的1～2层楼板开有一个6 m×1.1 m的孔洞，用于垂直运输货物。在③轴处设置防火墙，并在防火墙上设置甲级防火门。

1.2 规范规定《建筑设计防火规范》中规定：

1）存放丙类可燃固体的仓库的每个防火分区最大允许建筑面积为1 500 m2。

2）除一、二级耐火等级的多层戊类仓库外，其它仓库中供垂直运输物品的提升设施宜设置在仓库外，当必须设置在仓库内时，应设置在井壁的耐火极限不低于2 h的井筒内。室内外提升设施通向仓库入口上的门应采用乙级防火门或防火卷帘。

1.3 2种防火分隔方案

1.3.1 单层方案 由于①-②轴间的1～2层间楼板设有空洞，把上下两层空间纳入同一个防火分区，①-③轴间两层的建筑面积之和大于2 000m2，超出了规范规定。为此，应在孔洞处设置耐火极限不低于2 h的井壁，将①-③轴间的上下两层分别再分为2个单层防火分区，这样可同时满足规范要求。

1.3.2 双层方案 建设方考虑装卸方便，提出在②轴上增设防火墙及防火门，不设置井壁，这样在①-②轴间上下两层形成的双层防火分区面积未＞1 500 m2。但不设置井壁是否可行，需要验证。

2 火灾模拟

2.1 火灾模型根据上述2种方案，通过FDS的文本文件分别建立模型，坐标系以A轴为X轴，①轴为Y轴，平面垂线为Z轴，原点设在①轴与A轴的交点。双层模型尺寸为36 m×15 m×12 m，单层模型尺寸为78 m×15 m×6 m。货物的种类，堆码的高度、间距、每垛占地面积一致；按图纸设置窗洞，设定门是锁闭状态而不设置门洞。2个模型的细分网格尺寸均为0.25 m×0.25 m×0.25 m。

2.2 火灾场景火灾场景是对某特定火灾从引燃或者设定的状态燃烧至火灾增长的峰值的描述，同时要考虑建筑的结构、功能和布局特征、可燃物的燃烧特性和通风、排烟状态等因素。这里考虑到垂直运输货物的区域，因机械、运送皮带、电线路等故障及人为因素造成火灾的可能性大于其他地方，故2个场景都设定火源位置在一楼垂直运输货物的孔洞附近，坐标为（19.5 m，5.5 m，0 m）。

2.3 火源设定设计火灾主要是确定火灾发展曲线。火灾发展曲线通常由火灾增长类型和最大热释放速率2个主要参数组成。燃料的燃烧是一个相当复杂的物理化学过程，对其进行数值模拟是一项极其艰巨的任务。为简化计算，这里设定火源为定常火源，即火源热释放速率设为常数，不随时间变化。

2.4 初始条件和火灾燃烧时间的设定在模型的初始条件中，设定室内平均风速、室内相对压力、出口相对压力均为0（当地大气压P=101 325 Pa），室内平均温度为20℃。考虑到发现火灾和救援灭火一般与火灾发生有时间差，火灾的模拟时间设为2 400 s。

2.5 模拟结果分析在2个模型的起火点附近，坐标（19.75 m，5.3 m，5 m）处设置一测温计，记录该点温度随时间变化的过程。

2.5.1 单层模型模拟情况 火灾发展到730 s，单层模型（78 m×15 m×6 m）靠近A轴及①轴的部位出现明火。火灾发展到1 242 s，单层模型靠近①轴部分出现轰燃。火灾发展到1 674 s，单层模型全部空间猛烈燃烧。如图2。

在图3中，出现单层模型发生轰燃时（1 250 s），测温点处温度最高，达到1 100℃，之后火灾逐渐发展为全部空间猛烈燃烧（1 700 s），这阶段测温点处的温度维持在800℃的高位，再逐渐走低。

图2 单层模型火灾发展到1 674 s燃烧情况

图3 单层模型测温点温度随时间变化图

2.5.2 双层模型模拟情况 火灾发展到1749 s，双层模型（36 m×15 m×12 m）的二层靠近B轴及②轴部位出现明火。火灾发展到1 810 s，双层模型的二层靠近②轴部分出现轰燃。火灾发展到2 386 s，双层模型的一层空间猛烈燃烧。如图4。

图4 双层模型火灾发展到2386s燃烧情况

查看图5可知，测温点处的温度总体上升缓慢，维持在400～500℃之间，直到一层空间猛烈燃烧时（2 300 s），才快速走高到1 100℃以上。

图5双层模型测温点温度随时间变化图

2.5.3 模拟情况分析 通过单层模型与双层模型模拟的结果对比说明， 在相同设置的火灾场景中，单层模型要比双层模型火灾发展迅速，提早10 min以上出现轰燃及猛烈燃烧，此时火灾已很难迅速扑灭。也就是说，在延缓火灾蔓延扩大的效果上，单层模型比双层模型稍差。

按规范要求去做反而效果稍差的原因，是单层模型中起火点靠近①轴，所以该部位比③轴旁的部位更快地聚积到足够的烟气、获得足够的热量发生轰燃。而正是由于规范所担心的烟气垂直扩散比水平扩散快，双层模型上下层连通让下层烟气迅速垂直扩散到上层，使得下层聚积的烟气比单层模型相同的部位少，下层温度升高也就相对缓慢。并且双层模型的高度比单层模型大一倍，烟气在上升的路程中即得到更多的稀释和冷却，并相对均匀扩散，从而延缓了轰燃的发生。

3 结束语

虽然上述模拟情况只是个例，但也能通过FDS软件建立火灾模型模拟火灾发展过程，体现定量分析具体建筑设计的防火效果。这就证明运用FDS软件，可以优化消防设计。FDS软件还可以应用于旅客列车的车体设计，以确保乘客在列车发生火灾时有足够时间疏散，避免群死群伤。