教学楼火灾蔓延及人员疏散的数值模拟

孙超　刘月婵　王博　蒋永清

摘要：高校教学楼人员密集，火灾载荷大，是重点的消防安全管理场所。为研究该类建筑物的消防安全特性，联合使用火灾动态模拟软件Pyrosim和人员疏散模拟软件Pathfinder，开展了火灾蔓延和发展规律以及人员紧急疏散情况的数值模拟研究。建立模型对典型教学楼火灾及人员疏散情况进行全尺寸数值模拟分析。根据仿真实验所得结果和数据，分析了教学楼发生火灾不同时刻火势蔓延情况，烟气扩散情况，有毒气体浓度、温度分布和能见度的变化规律以及人员紧急疏散情况。研究结果可为类似建筑物消防安全设计提供参考性依据，有针对性地设定消防应急预案，对现场消防工作具有一定的指导作用。

关键词：

火灾特性分析；人员疏散分析；数值模拟；Pyrosim；Pathfinder

DOI：10.15938/j.jhust.2018.05.018

中图分类号： TP3919

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2018）05-0106-07

Numerical Simulation of Fire Spread and Evacuation for Teaching Building

SUN Chao1，2，LIU Yuechan1，WANG Bo1，JIANG Yongqing1

（1School of MeasurementControl Technology and Communication Engineering， Department of safety Engineering，Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080，China； 2Power Engineering and Engineering Thermal Physics Postdoctoral Research Station，Harbin Engineering University，Harbin 150080，China）

Abstract：University teaching building is the focus of the fire safety management with staff density fire load In order to study the fire safety characteristics of this kind of buildings， the fire dynamic simulation software Pyrosim and the personnel evacuation simulation software Pathfinder were used to study the law of fire spread and development and the emergency evacuation The model was established to simulate and analyze the fire and evacuation of typical teaching building by full size numerical simulation According to the simulation results and data， the paper analyzes the fire spread， smoke diffusion， toxic gas concentration， temperature distribution and visibility change in different time of the fire in the teaching building， and the emergency evacuation situation The results show that the model can effectively carry out the fire analysis of teaching building， which can provide the reference basis for the fire safety design of similar buildings， and has a certain guiding role in the fire emergency planning and on site fire prevention

Keywords：fire characteristics analysis； evacuation analysis； numerical simulation； Pyrosim； Pathfinder

0引言

高校教學楼人流密度大，人员密集，且室内可燃物较多，包括易燃易爆的设备和材料，火灾载荷较大，增加了发生火灾的概率。一旦发生火灾事故，人员伤亡和财产损失极为严重。一般而言，教学楼内火灾危险源有以下几个方面：1）使用充电宝，手机充电器或违规电器等意外引发的火灾。2）吸烟后处理不当引发火灾。3）教学楼内部电路老化造成的电器火花火灾。目前对于火灾特性的主要研究方法是通过实验研究[1-2]和计算机模拟研究[3-11]。

上世纪60年代，日本的川越邦雄对单个房间稳态燃烧进行了分析并提出了一种简化的单层区域数学模型[12]；随后Smith和Clark建立了用于模拟室内家具着火过程的经验模型，Quintiere用准稳态的方法研究火灾的数学模型[13]；Emmons第一次把质量、动量和能量守恒运用于火灾研究，用数学分析方法描述了火灾过程。随着高性能计算机发展，国内外各火灾研究机构开发并采用一批应用广泛的模拟软件，常用的有CFX、 FLUENT、PHOENICS、CFAST及PyroSim等。其中，PyroSim软件较为流行，其以计算流体动力学为依据，可模拟预测火灾中的烟气，CO等毒气运动，温度以及浓度等情况。在人员疏散数值模拟方面，Pathfinder作为一款简单直观易用的新型智能人员紧急疏散逃生评估系统，应用最为广泛。能够三维动画视觉效果展示火灾发生时的场景，准确确定个体在火灾发生时的最佳逃生路线和逃生时间。

本文选取某教学楼某一区域为研究对象，联合使用火灾动态模拟软件Pyrosim和人员疏散模拟软件Pathfinder，開展了火灾蔓延和发展规律以及人员紧急疏散情况的数值模拟研究。建立模型对典型教学楼火灾及人员疏散情况进行全尺寸数值模拟分析。根据仿真实验所得结果和数据，分析了教学楼发生火灾不同时刻火势蔓延情况，烟气扩散情况，有毒气体浓度、温度分布和能见度的变化规律以及人员紧急疏散情况。

1教学楼火灾燃烧数值模拟

11火灾动态数值模拟软件PyroSim简介

PyroSim是由美国的Thunderhead engineering公司开发的专用于火灾动态仿真模拟软件。其最大的

特点是提供了三维图形化前处理功能，可视化编辑的效果，能够边编辑边查看所建模型。

12教学楼火灾数值模型建立

本文选取对象为作者所在高校某办公区，走廊两侧房间为教师办公室、上课教室、研究生实验室及图书阅览档案室等。此类教学楼空间布局、内部结构和装饰及人员构成分布情况代表了此类高校建筑物的特点，其内部特征较有代表性和普遍性。

首先测量建筑布局和设计尺寸作为模型输入的尺寸，参考已有的研究模型中的相关参数，采用Pyrosim前处理功能建立了教学楼层的火灾三维模型，并对该模型进行合理的简化处理，该教学楼二层平面图如图1所示，可以看出该层由包括教室在内的九个房间组成，具体尺寸为（长×宽×高）407m×185m×35m，其中，教室门的尺寸为（宽×高）14m×22m。整个楼层的三维模型图和不同房间的细节效果图分别见图2、图3所示。

根据Pyrosim软件中需要输入的参数进行查阅并确定以下数据。1）火源功率的确定：本文主要参考《民用建筑防排烟技术规程》（DGJ08882000）中火灾热释放速率的选用标准，考虑最严重的火灾情

形，选取的热释放速率是6MW。2）表面材料的选取：桌椅表面的材料选用黄松，查阅资料知其能量释放功率是500Kw/s，燃点是450℃。其他参数选用Pyrosim数据库内的默认参数。仿真中设定D211实验室中某一桌面起火燃烧，根据选取火灾危害性的评判指标（火场温度、气体浓度、O2含量和能见度等）在软件中分别设置了温度传感器、CO浓度检测传感器、CO2浓度检测传感器、O2浓度检测传感器、热电偶设备、能见度检测设备等。

13模拟结果分析

131火灾蔓延情况分析

火灾蔓延趋势主要通过观察火焰的蔓延方向和火焰强度进行观察，分别选取了几个特征趋势进行说明，如图4所示。从上图可以看出：在发生火灾888s时，火灾已经在实验室燃烧起来，火焰较大，其他区域还未燃烧；123s时，在温度差和气体膨胀等多因素的影响作用下可燃气体和火焰向其他区域蔓延；2544s时，实验室桌子已经被烧掉了一部分，同时由于此时室内氧气供应不足，此时火灾属于通风控制型火灾，室内的大量未充分燃烧气体与门口处空气中的氧气混合继续燃烧；2734s时，火源附近的桌椅被部分烧掉，由于此时室内氧气含量不充足，桌椅燃烧部分火焰不明显；3582s时，火源上方的桌子和旁边的椅子已经被烧去大半，明火仍主要集中于门口附近；在5938s时，火源右侧的实验桌和椅子均被烧掉。

132烟气扩散情况分析

烟气扩散一般会受到房间尺寸，建筑布局，室内通风系统或者其他排烟设备等的影响。在本文中主要分析当某个房间失火后，其烟气扩散对相邻或其他房间的影响，具体蔓延情况如图5所示，D211实验室内部的烟气扩散情况见图8。可以看出，当火源充分发展后，短时间会产生大量烟雾，在房间上部积聚。此时的烟气温度较低，不易造成灼伤等伤害。随着烟气增多，烟雾开始向走廊通道和其他房间扩散，此时烟雾仍然主要积聚在房间上部，如图6（b）。随着火势变大，烟气不断增加，烟气层高度逐渐降低，致使烟气热辐射对人体产生较大危害，如图6（c）。由5、6两图可以看到当房屋面积较小时，火源充分燃烧后烟气在短时间内就会充满整个房间，随后迅速向外蔓延直至维持在一个相对稳定的状态。

火灾发生初期，火焰中的热烟气被周围冷空气包围，在浮力的作用下向上运动。当热烟气向上升腾时，周围的冷空气会被卷吸进入到火灾羽流并不断扩大，当羽流与顶棚接触后，热烟气沿顶棚蔓延，最终将会达到房间侧壁，受墙壁的限制作用开始沿壁面向下运动，形成较为明显的回流和烟气沉降。因此，在顶棚下面会形成热烟气层。随着火灾的发展，烟气的不断增加，热烟气层在发展的同时会向对室内其他可燃物进行辐射加热，因此室内所有的可燃物的温度都会在多个因素的影响下逐渐升温最后发生点火燃烧。

133温度变化情况分析

为了研究火场中温度对疏散人员的危害，在z=16m处设置了温度切片，如图7。

从温度云图可以看出，在火灾初期，大部分区域的温度均小于150℃，最高温度在火源的正上方出现，加上受烟气温度的影响，温度达到了270℃。随着火灾的发展，温度在火灾发生两三分钟后发生闪燃，是实验室大部分区域的温度达到240℃以上，根据相关资料知，当温度在120～130℃时，人的忍受时长为15min，当温度在200～250℃时，人的忍受时长为5min。所以，人员在两分钟前成功疏散能保证人员基本不会受到伤害，但三分钟后，高温会对人体产生危险。当火灾发展到后期时，温度下降，大部分区域温度都不超过两百摄氏度，此时可以根据具体情况在排除潜在危险后进行灭火救援。图8给出了模拟得到的D211实验室不同时刻室内温度变化趋势。

134主要气体浓度分析

火灾的危害除了高温烧伤等外，烟气内的有毒气体也会对人体造成不同程度的伤害。本文仅选取CO、CO2气体作为分析对象。根据标准，当CO浓度超过000625kg/m3以上时，人会感到剧烈头疼，并有死亡危险。当CO浓度超过012kg/m3以上时，会失去知觉甚至死亡。如图9，CO浓度在火灾发生300s后达到0006kg/m3以上，在500s后达到0012kg/m3以上，对人体产生极大危害。图10为检测得到的CO2浓度结果，在火灾发展100s左右后人体已经出现呼吸急促等影响，当进展到300s左右后，CO2已经对人体具有较大的危害性。

135氧气含量分析

在火灾发生后，不仅CO和CO2会对疏散中的人员造成伤害，火灾燃烧快速消耗O2也会致使人员发生窒息等的情况进而阻碍人员逃生。利用Pyrosim模拟得到的室内O2含量变化趋势如图11所示。可以看到，在240s左右后O2含量低于8%，在460s左右后低于6%，在这种情况下，人员应当尽快脱离火灾现场，避免伤亡。

136能见度分析

能见度会因为烟气浓度的增加而降低，从而会影响人员在疏散过程中的判断，对疏散效率和路径选择均有影响。Pyrosim模拟得到的能见度结果见图12。可以看到，在火灾发生约一分钟后能见度由30m急剧下降到5～10m范围内，虽然由于烟气不断流动可见度而随之不断变化，但能见度的整体波动范围一直处于4～10m范围内。

2人员疏散数值模拟研究

21人员疏散模拟软件Pathfinder简介

Pathfinder是由美国Thunderhead engineering公司开发的—个基于进出和人员运动的模拟器，其提供了图形用户界面的模拟设计和执行，以及三维可视化工具的分析结果。该运动的环境是一个完整的三维三角网格设计，以配台实际层面的建设模式。Pathfinder中人员的运动模式包括SFPE模式和Steering模式。Pathfinder可以导入FDS模型，在模拟火灾的同时，可在相同时间内模拟人员疏散，这样同步跟踪可以科学的分析出人员疏散的相关数据和人员疏散的最佳时间，从而减少人员伤亡[8]。

22参数设定及疏散模拟

根据Pathfinder中需要的参数，结合实际情况，设置教学楼层内各年龄的人员构成，人的身体比例参数、行走速度、反应时间及各房间的人数等。根据日常上课情况，考虑可能达到的人数最多情况，根据各个房间的功能对各个房间的人数做好设定，见表1、2。

23人员疏散模拟结果分析

对火灾过程中的人员安全疏散进行研究的目的就是通过分析在火灾威胁到人员安全之前，人们是否有足够的逃生时间撤离至安全区域。为了保障人员能够安全疏散，就必须使人员能在火灾发展到对人员产生危险之前有充足的时间撤离到安全区域。即要求安全疏散时间（包括：探测报警时间、人员反应时间和疏散运动时间）小于可用安全疏散时间。

通过运行软件得出仿真疏散结果：疏散总时间为353s，根据之前设定的人员反应的时间区间可知，当发生火灾时，火灾警告时间和人员反应时间的长短对逃生具有较大影响。图15给出了各个房间门的人员通过率。从上图可知，当疏散效率较高时，每秒钟最多通过人数为4人，当房间内人数过多时，在人员疏散初期，门口往往会发生拥堵的情况如图16，从图中也可明显看出，教室因为人数最多，发生火灾后拥堵最严重，疏散时间最长。图17是各个房间人数的变化情况，从图中可以看出，逃生最快的房间仅用了13s所有的人员就全部疏散到走廊里，而走廊内的人数在15s时达到了最高点64人，结合前面火灾模拟部分可知，当发生火灾后教学楼内的人员有较为充足的时间逃生，不论是烟气达到危险浓度所需时间，还是室内各类温度所产生威胁的时间，都小于人员所需要的疏散时间，也就是说，人员完全能够在火灾对人造成危险之前就能够安全撤离。

3结论

火灾数值模拟技术做为火灾科学研究的重要技术手段，在工程应用中极为广泛。本文通过对学校某教学楼进行火灾燃烧及人员疏散的仿真模拟研究，着重分析了室内火灾蔓延趋势、楼内烟气扩散、温度、气体浓度（CO、CO2、O2）、能见度等参数变化。由模拟结果分析可知：

1）利用pyrosim和pathfinder软件对教学楼内火灾烟气蔓延过程与人员疏散过程进行模拟对比分析，是一种有效的火灾风险评估方法，得到的结果与现实火灾蔓延趋势基本相符，能够较好地与现实火灾场景相吻合，可为楼宇的消防设计和制定消防应急预案提供依据。

2）在火灾发生约30s时，在一人高位置处（16m处）大部分区域的温度均小于150℃，最高温度在火源的正上方出现，温度达到270℃；当燃烧时间超过7 min后，大部分区域温度在250～270℃之间。在火灾动态模拟过程中，当火灾发生后，温度和CO浓度迅速上升，在火灾发生300s后超过0006kg/m3，在500s后超过0012kg/m3，对人体产生极大危害甚至死亡；O2浓度和能见度迅速下降，在240s左右后O2含量低于8%，在460s左右后低于6%。有毒烟气短时间内迅速充满整个房间并蔓延至楼道走廊内，由于走廊两侧排烟效果较差，烟气遇到壁面后将会产生回流和沉降导致烟气在走廊内聚集过快。同时，在火灾发生约一分钟后能见度由30m急剧下降到5～10m范围内。

3）所有房间人群疏散总时间为353s，逃生最快的房间仅用了13s所有的人员就全部疏散到走廊里，而走廊内的人数在15s时达到了最高点64人，结合火灾模拟结果，当发生火灾后该层教学楼内的人员有较为充足的时间逃生，人员完全能够在火灾对人造成危险之前就能够安全撤离，不论是烟气的达到危险浓度时间，还是室内温度所产生威胁的时间，都大于人員所需要的疏散时间。

4）模拟结果显示在一定时间内会出现较严重的拥挤情况甚至人员无法移动，此时若烟气达到危险浓度，极易造成人员伤亡，因此合理的人员密度对于人员疏散也至关重要。同时，楼内应安装高灵敏度的火灾报警系统并设置安全疏散标志，明确的疏散路径和方向指示能够提高疏散效率，为人员的安全逃生争取时间。

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（编辑：关毅）