基于FDS的高层建筑火灾数值模拟研究

刘晓 蔡治勇 马胜杰 范爱迪 辛萍 龚迎秋

摘要：高层建筑数量的快速增长，其建筑结构和功能比较复杂，使得火灾危险性大大增加。近年来，高层建筑火灾发生的起数在不断增加，因其独有的建筑特点给火灾救援工作带来巨大挑战。利用FDS软件对一幢高层住宅建筑的房间和走廊设置火源进行数值模拟，通过对三个不同测点的烟气浓度、CO浓度、温度和能见度进行测试得出其结果，以此来得到最佳的疏散时间。

Abstract： The rapid growth of the number of high-rise buildings and the complex structure and function of the buildings have greatly increased the fire risk. In recent years， the number of high-rise building fires has increased， and its unique architectural features have brought enormous challenges to fire rescue work. In this paper， the FDS software is used to simulate the fire source in the room and corridor of a high-rise residential building. The results are obtained by testing the smoke concentration， CO concentration， temperature and visibility of three different measuring points， so as to get best evacuation time.

关键词：高层建筑;火灾;数值模拟

Key words： high-rise building;fire;numerical simulation

中图分类号：TU998.1                                   文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）31-0131-03

0  引言

随着我国经济的快速增长，农村人口大量涌入城市，使得城市人口急剧增加，然而城市土地却越来越匮乏，使得建筑物势必向高层发展。根据建筑规范，我国将10层或10层以上的居住建筑或高估超过24米的建筑归为高层建筑[1]。由中国消防网公布的数据显示，截止2018年，我国已有35万余幢高层建筑。高层建筑具有楼层多、人员密集、内部装饰材料多等特点，因此火灾危险性远高于普通建筑。每年我国高层建筑火灾占了总火灾的6%，造成了重大的经济损失和人员伤亡，给社会安全带来了较大影响。

1  高层建筑火灾特点

高层建筑火灾是指高层建筑内的某一空间起火燃烧，进而发展到某些区域甚至整座建筑物的火灾[2]。加之高层建筑独有的特点，使其发生火灾时的救援工作和人员疏散难度较大，高层建筑火灾特点主要有以下三点：

1.1 火焰燃烧迅猛，烟气蔓延迅速

由于受热压和正压的影响，高层建筑中空气流速快，这是造成烟气蔓延迅速的主要因素。加之几乎每幢高层建筑物内都设有竖向通道，如电梯井，楼梯间，电缆井，排风管道以及管道井等，当发生火灾时，这些竖向通道就形成了天然的烟囱，致使火灾烟气从底层迅速窜向高楼层[3]。

1.2 人员集中，疏散困难

就高层住宅建筑而言，居住人口多，年龄阶段参差不齐，受教育程度不同。一旦发生火灾，楼梯是我们唯一疏散途径，所有人都往楼梯口疏散，每个人的行走速度不同，在火灾发生时人员的恐慌情绪会导致摔倒、踩踏、跳楼等情况的发生。

1.3 救援设备有限，营救困难

目前，我国消防队针对高层建筑最有效的救援设备是登高消防云梯车、直升机。登高消防云梯车的局限性太大，消防人员的徒步登楼灭火的忍耐极限只有10层楼左右，对于再高的楼层他们也无能为力。然而普通的消防云梯最大高度也只有53米，很难达到20层以上，完全满足不了现在高层建筑的高度。如果火灾发生在高楼层时，浓烟热流上窜形成冲天火柱，直升机无法进行救援。

2  高层建筑火灾场景设置

2.1 FDS模拟软件

FDS的全称为Fire Dynamics Simulator，是由美国国家标准技术局开发的一款火灾动力学模拟软件，它根据建筑和火灾的特性，以简单直观的形式动态的的显示出火灾发展的全过程，并对火灾中烟气蔓延和热传递等相关问题进行研究分析[4]。该软件将设定的建筑物划分成多个网格，采用质量守恒，动量守恒和能量守恒，计算其内部气体密度、速度、温度、压力和浓度。FDS主要完成模拟场景的构建和计算，是其主体部分;SmokeView则将FDS计算的结果进行处理，并将处理的数据以二维或三维形式显示出来。其一般步骤流程图如图1所示。

2.2 火災模型的建立

本次模拟的对象是一幢33层的民用高层住宅楼，每层有5户，2部电梯，1部剪刀式疏散楼梯。此次模拟的室内温度为20℃，单位内最大热释放速率设置为2.5kW，火灾增长类型定为快速t2增长型，模拟火灾燃烧时间为900s。本次模拟确定该幢住宅建筑物的网格大小为0.5m*0.5m*0.5m，网格个数为982800个。

2.2.1 火源的设置

根据对全国高层住宅建筑火灾案例的分析，火灾发生最高频率位置在房间和走廊，因此此次的火源位置选取了房间和走廊两个位置，火源大小为一立方米。如图2所示。

2.2.2 火灾工况的确定

①工况一

该幢住宅楼20层某一房间内设置一处火源，分别在房间内、走廊和楼梯口设置测点。

②工况二

该幢住宅楼20层走廊设置一处火源，分别在房间内、走廊和楼梯口设置测点。

2.3 数值模拟结果及分析

2.3.1 烟气蔓延浓度

从曲线图3中可以看出当房间内发生火灾时，房间内的烟气浓度在很短的时间内就上升到0.0012kg/m3，而走廊和楼梯口的烟气就相对较小，但在300s时烟气的浓度已经达到人不能承受的范围。从曲线图4中可以看出当走廊发生火灾时，楼梯和走廊的烟气浓度在300s时就达到了0.0008kg/m3，反而对房间的影响不是很大。

2.3.2 CO浓度

从曲线图5中可以看出当房间内发生火灾，房间内的CO浓度很快达到0.0007kg/m3，相当于700ppm，根据一氧化碳浓度对人体的影响程度，当一氧化碳浓度达到800ppm时，人在45min内会眼花、恶心、痉挛，2h内会失去知觉、2～3h内会死亡。从图6中可以看出当走廊发生火灾时，在300s时走廊和楼梯口的CO浓度达到400ppm，人在1～2h内会失去意识，3h后就会威胁生命[5]。

2.3.3 温度

从曲线图7中可以看出当房间发生火灾时，房间的温度迅速升高到250℃左右，同时走廊的温度也迅速上升到50℃左右。图8中当走廊发生火灾时，走廊和楼梯口的温度迅速上升到130左右，人体所能承受的时间最多5min，因此在5min之内必须迅速撤离。人体在高温烟气下所能承受的最大时间如表1所示。

2.3.4 能见度

从曲线图9中看出当房间内发生火灾后，在50s左右时能见度就下降到0，几乎看不见，在200s左右时走廊的能见度也下降到3m左右，图10所示，当走廊发生火灾后，走廊和楼梯口的能见度在50s左右时迅速下降带3m左右。有研究表明，针对建筑物熟悉者，其安全疏散的最小能见距离约为5m;不熟悉者其最小距离约为30m。然而在火灾情境下，为了能保证人员的安全疏散，其最佳能见距离必须在5～30m之间，往往在火灾全盛时期，能见度都小于5m，大大提升了疏散难度[6]。

3  结论

通过对高层建筑的特点分析，高层建筑的火灾危险性远远高于普通建筑物。利用FDS软件对一幢高层住宅建筑进行数值模拟，得出在房间内、走廊和楼梯口各处的烟气浓度值、CO浓度、温度以及能见度，从模拟的结果中分析出当发生火灾时人员逃生的最佳时间在发生火灾后的300s之内，这个时间内安全疏散的可能性最大。

参考文献：

[1]吕红卓，华高英.某办公建筑局部超高空间防火设计与排烟模拟研究[J].消防技术与产品信息，2018，31（06）：5-9.

[2]王锟，盛武，段若男.基于 Pathfinder 的高校教学楼出口人员疏散仿真研究[J].中国安全生产 科学技术，2016，12（07）：180-186.

[3]Richard D. Peacock， Jason D.  Overview of Major Studies on the Evacuation of World Trade Center Buildings 1 and 2 on 9/11[J]. Fire Technology，2013，49（3）.

[4]Hwang Hyun-seung， Choi Jun-ho， Hong Won-hwa. Special Issue on Fire Safety of High-Rise Buildings[J]. Fire Technology，2017，53（1）.

[5]任貴红.高层住宅防火技术措施的分析与研究[J].建筑技术开发，2018，45（10）：102-104.

[6]何欣.基于火灾模拟和人员疏散模拟的钢结构建筑防火疏散研究[D].天津工业大学，2017.