基于FDS的高层居民楼火灾模拟

王炜罡 文虎 贾勇锋

摘 要：当前高層建筑火灾形势严峻、严重威胁人身安全，造成财产损失。而高层居民楼与居民的生活息息相关，高层居民楼发生火灾更是对人民生命财产安全的沉重打击。针对当今社会高层居民楼火灾频发的现实问题，通过调查研究国内高层居民楼火灾事故，分析高层居民楼火灾的特点，利用FDS火灾模拟软件，以某社区的一栋居民楼为研究对象，结合定性分析和火灾动态模拟，全面的对高层居民楼火灾应急管理进行分析，从CO浓度分布图、能见度分布图、烟气分布图总结出高层居民楼发生火灾时的直接、间接原因以及一系列环境参数的变化规律。建议加强消防基础建设和消防设备的研发改进，提高消防设备的实用性和功能性，研究出专门适合高层建筑的消防设备和防火保护设施，同时加强高层居民楼火灾应急演练和消防救援的教育，让居民能够深入了解在发生火灾时应做的事情。

关键词：

高层建筑;火灾;数值模拟;FDS

中图分类号：TU 998

文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2020）02-0314-07

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0217开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

High-rise residential building fire simulation based on FDS

WANG Wei-gang1，WEN Hu2，3，JIA Yong-feng2，3

（1.Department of Emergency Management，Suzhou-Yinchuan Industrial Park Administration Committee，Yinchuan 750000，China：

2.College of Safety Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China：

3.Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention，Ministry of Education，

Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：At present，the severe situation lies in the fire of high-rise building，which seriously threatens the security of human beings and results in the serious loss of property.However，high-rise residential buildings are in close relation to the life of residents in the community.The fire of high-rise residential buildings seriously affects the security of property and the normal life.In view of the current situation of the frequent occurrence of the fire of high-rise residential buildings，we investigate and study the fire of domestic high-rise residential buildings，analyze its characteristics and apply the application of Fire Dynamics Simulator software of Technology（FDS）.Taking a residential building in a community as the research object，combined with qualitative analysis and fire dynamic simulation，comprehensively analyze the fire emergency management of high-rise residential buildings，and summarize high-rise residents from the CO concentration distribution map，visibility distribution map，and smoke distribution map The direct and indirect causes of a building fire and the changes in a series of environmental parameters.It is recommended to strengthen the research and improvement of fire protection infrastructure and fire fighting equipment，improve the practicality and functionality of fire fighting equipment，develop fire fighting equipment and fire protection facilities specially adapted for high-rise buildings，and strengthen fire emergency drills and fire rescue education for high-rise residential buildings Give residents insight into what to do in the event of a fire.

Key words：

high-rise building;fire;numerical simulation;FDS

0 引 言

随着城市化进程的高速发展，城市建筑物用地面积的极度缩水，建筑物不得不往上发展，近年以来我国出现许多高层甚至超层建筑物。由于高层建筑物楼层高、体量大、人员密集，高层建筑本身的火灾隐患就比较多。发生火灾，由于烟囱效应，火势蔓延迅速，而且还会造成其他事故的发生，加之人员疏散困难，救援难度大等障碍，公民逃生意识差，逃生方法的不当等原因会造成严重的人员伤亡和财产损失。目前国内面对各种高楼火灾频发的问题，仍没有一个针对性的解决方案，高楼火灾逃生应急问题日益凸显，亟待解决。2010年11月15日，上海市静安区胶州路728号公寓大楼发生特别重大火灾事故，造成58人死亡，71人受伤，直接经济损失1.58亿元。由此可见，高层建筑火灾是火灾研究的重点课题。

计算机数值模拟和全尺寸试验相结合的方法是火灾研究较为准确可靠的方式“目前，数值模拟主要采用火灾科学研究中比较成熟，应用广泛的场模拟软件FDS，并与试验结果进行对比验证”徐晓楠等用FDS软件模拟居民楼火灾和烟气传播过程[1]，徐伯乐等采用FDS软件模拟，通过比较烟气质量等的变化情况[2]，廖曙江等通过对火灾场景定义和分类形式的研究，确定了火灾场景的原则和方法[3]，田玉敏通过典型案例讨论了“性能化”防火设计中设计火灾场景的方法与步骤，更加明确了构建火灾模拟实验的数学模型的重要性，以及对“性能化”设计提供了指导性意见

[2]，林霖等利用FDS模拟预测灭火过程中火场温度及组分浓度等特性参数变化规律

[2]，章涛林等利用FDS软件模拟高层建筑烟气迁移及CO浓度演变规律[6]，霍然等模拟计算分析了建筑物火灾中人员疏散，然而火灾研究中采用进行模拟在国内外较为常见，而对全尺寸试验国内研究较少，与国外存在一定差距[2]。

将某一社区为研究对象，利用软件FDS进行模拟FDS火灾模拟软件，结合定性分析和火灾动态模拟，全面的对高层居民楼火灾应急管理进行分析，从中总结出高层居民楼发生火灾时的直接、间接原因以及一系列环境参数的变化规律，提出有效合理的建议及措施。

1 模型建立

以某社区的一栋36 m×32 m×100 m的居民楼为研究对象，建立几何模型。该居民楼由厨房、两间卧室、卫生间、客厅、走廊、楼梯、楼梯间几部分构成;每层的楼梯间都设有通风和排烟窗口，各窗口面积为：0.3 m×0.3 m.在每层楼梯间设有楼梯间门和通往走廊的门，用于进入房间。该幢居民楼共有10层，每层构造一致。在每间卧室内有一张床，客厅里有沙发。平面布局如图1所示。

2 模型关键参数设置

将火源位置设在4层厨房内。火源大小为：0.2 m×0.2 m×0.2 m的小立方体，设定其热释放率为1 000 000 kW/m2.颜色为红色。火灾场景是对某种火灾发展全过程的一种语言描述，包括说明起火、火势增大、发展达到最大（如轰然）及逐渐熄灭等阶段的特点[4]。火灾场景设置的目的是为了获得过火面积、火焰与烟气的蔓延扩散方向、火场热释放速率、火场温度与能见度的发展变化历程[4]。居民楼火灾应该以最大损失原则去描述火灾造成最大的人员伤亡和财产损失。为了模拟火灾发生的真实性，本研究在厨房内设置了厨柜，客厅内设置沙发，卧室内设置床。假设，火灾发生时，厨房内的门、客厅的门和楼梯间的门都处于开启状态，火灾产生的烟气、CO等有毒气体会向外扩散[4]。FDS火灾模拟软件在模拟过程中，需要设定厨房周围环境温度值。设定环境的初始温度为22 ℃.

3 FDS模拟结果分析

3.1 运行过程中烟气质量的变化情况

在火灾发生过程中，会产生大量的烟气，烟气会直接影响到能见度的范围，产生的烟气越多，能见度就下降得越快，对人员逃生过程中会造成严重的影响。火灾发生的过程中烟气质量变化情況，绘制成折线图，如图2所示。

从图2可以看出，火灾开始发生时，会迅速产生烟气。火势在进入初次增长阶段，由于房间中没有烟气，烟气质量会迅速上升;在100 s时烟气质量的最大值为4.54E-02 kg;在火势进入轰然之后开始充分燃烧，在充分燃烧阶段过程中，产生的烟气质量在相对增长阶段少，所以会略有下降，但是在整个充分燃烧阶段过程中，烟气质量呈上

升趋势。最后在993 s左右烟气质量为4.61E-02 kg.

3.2 燃烧过程中CO浓度结果分析

不同CO浓度对人的生理反应不同：当CO浓度为3.2×10-3（体积分数为0.32%）时，人的生理反应是5～10 min后头疼和头昏眼花，30 min后失去意识。当CO浓度达到6.4×10-3（体积分数为0.64%）时，人的生理反应是1～2 min后头疼、头昏眼花，10～15 min后失去意识，面临死亡危险;当CO浓度为12.8×10-3（体积分数为1.28%）时，人的生理反应是立即反应，1～3 min后失去意识并面临死亡危险[6]。当CO浓度达到2.5×10-3即时，就可对人构成严重危害[7]。根据CO浓度来分析对人生理的影响，CO浓度可以直接导致人员伤亡。在火灾中被烧死的人大多数都是因为CO中毒，导致神智不清而死亡的。

火灾发生的过程中一氧化碳的质量变化情况，根据气体质量测量文件（.mass.csv）输出的数据，绘制成折线图，如图3所示。

从图3可以得出，在4层（着火层）厨房内没有CO浓度含量，其质量为0.从折线的变化斜率可以分析出，火势进入初次增长阶段，CO浓度上升得越快。在发生火灾之后112 s之后，CO浓度达到最大值为2.30E-02 kg，此浓度超过了2.5×10-3，会对人体构成伤害，此时人员应该采取逃生措施;随后火势燃烧进入充分燃烧阶段，CO浓度相对初次增长阶段的CO浓度低，而此时的增长速率会下降;持续一段时间的充分燃烧，产生的CO质量一定，会随着时间的增加而增加。在378 s时CO浓度达到最低值为1.42E-02 kg;随后又开始增加，最后CO浓度为2.26E-02 kg[7].人员在逃生过程中，做好个人防护。

3.3 模拟过程中CO浓度分布情况分析

当界面低于人眼特征高度时，还可以根据某种有害燃烧产物的临界浓度判定是否达到了危险状态。例如当CO浓度达到2.5×10-3时，就可对人构成严重危害。图4给出了

Z=3.5 m（即着火层地面高度为0.5 m）处不同时刻下CO的浓度变化。图4（a）在火灾发生66.5 s时，四层（即着火层）所有房间内的CO浓度值已超过2.5×10-3，T=66.5 s为着火层整个厨房内的CO浓度高達

5×10-3，此时火势正处于增长阶段，CO浓度上升最快。此刻，四层客厅中的CO浓度达到4.0×10-3以上，如果此时客厅内还有人员会CO中毒，应该立即采取逃生措施[7]。四层的卧室内和卫生间内的达到2.0×10-3.图4（b）火灾在发生122 s时，从图中可以清晰地看出，整个走廊内的CO浓度达到4.5×10-3以上，此时四层（着火层）的所有房间内的CO浓度在3.5×10-3以上，都超过2.5×10-3对人体构成严重危害。此时火势进入轰然阶段，整个厨房都在充分燃烧，即四层所有房间内的CO浓度达到2.5×10-3以上的最短时间为112 s.图4（c）T=196 s时，由于火势进入减弱阶段，厨房内CO浓度开始下降，烟气开始扩散到楼梯间，楼梯间的CO浓度也开始上升。图4（d）T=300 s时房间内的CO浓度开始下降，楼梯间充满烟气，走廊内和楼梯间内的CO浓度达到3.0×10-3.

3.4 模拟过程中能见度结果分析

发生火灾后，影响人员逃生的一个极为重要的因素就是能见度。根据《建筑防火工程》中规定，对建筑物不熟悉的人群能见度应达到13 m，对建筑熟悉的人群能见度也要到达5 m.判断烟气是否对人构成危险，通常以人眼特征处的烟气作为判断依据;当烟气高度低于人眼特征高度时，将会对人的呼吸和逃生带来直接不利的影响。人眼的特征高度通常为1.2～1.8 m，文中取为1.5 m;因为居民楼空间不够开阔，所以其临界危险能见度取5 m.

取着火层的0.5 m（Z=3.5 m）高度处切面在不同时刻下的能见度的变化情况如图5所示。

图5（a）中T=62 s四层（着火层）所有房间内的能见度切面，所有房间的能见度低于5 m，整个房间受烟气的影响，被烟气笼罩，不利于人员逃生，此时人员应该采取弯腰或者匍匐前进的逃生方式。图5（b）中T=118.6 s时整个四层所有房间和走廊内能见度都低于5 m，烟气从房间扩散到走廊，即四层走廊的能见度降低5 m所需的最短时间为118.6 s.图5（c）T=369 s时四层的走廊内和楼梯间内的能见度，可以很明显的看出，此时整个走廊和楼梯间的能见度已经低于5 m，此时，走廊和楼梯间内都不利于逃生，能见度极低，人员在逃生过程中因能见度很低会跌倒;但是由于火势进入减弱阶段，着火点厨房的能见度逐渐升高。图5（d）中，燃烧1 000 s结束时，四层厨房内的烟气已经扩散完了，能见度逐渐增加，上升到达27 m以上，四层所有房间的能见度在6～12 m，四层走廊和楼梯间内的能见度低于5 m，虽然各层房间内能见度还较高，但由于楼梯间是唯一的疏散通道，所以这种情况对于楼内人员逃生是很不利的[7]。

3.5 模拟过程中烟气结果分析

从烟气运动模拟过程分析可以得出，当厨房内物质燃烧引发火灾后，烟气由着火点向外蔓延，直至碰触顶棚后向四周水平扩散，在此过程中伴随着周围墙体对烟气的阻挡和冷却，逐渐沿墙体向下流动。

图6为不同时刻房间0.5 m处切面的烟气扩散分布变化，可以看出，图6（a）中烟气在75 s时基本上弥漫了整个厨房的上空，随着烟气不断产生，上部烟气层逐渐增厚，到达厨房门口以下时，通过门口向客厅和室内其他房间扩散，由于客厅内无梁和其他突出障碍物的阻碍，因此烟气沿顶棚的流动很快，图6（b）中显示在132 s时烟气开始蔓延至楼梯，图6（c）中看出447 s时烟气在着火点处厨房仍有聚集，在客厅处慢慢消散后在楼梯间慢慢聚集，而图6（d）中清楚地看到807 s时烟气在房间内的扩散程度已明显减弱，此时在楼梯间的烟气浓度已达到最高值，最后图6（e）中显示996 s时烟气已完全扩散至楼梯间内，房间内烟气已慢慢消失殆尽[7]。总结整个过程，随着火灾的发生，在房间内烟气从着火点处开始慢慢向楼梯间处扩散，扩散速度开始慢慢加快，在充分燃烧完成之后，随着火势的减弱，烟气扩散速度慢慢降低[7]。

4 结论与建议

4.1 结论

1）四层所有房间和走廊内的CO浓度超过2.5×10-3（即对人体构成伤害的浓度），即达到危险状态的最短时间为122 s;温度超过120 ℃，即达到危险状态的最短时间为144.4 s;能见度小于5 m，即达到危险状态的最短时间为118.6 s.从而可以说明在发生火灾过程中，烟气能见度对人员的伤害大于温度和CO浓度对人员的伤害;在逃生过程中，人员在118.6 s还没有撤离的话，随着CO浓度的增大，烟气温度的升高，会受到更严重的伤害。

2）在火灾发生300 s时，火灾处于轰然之后的充分燃烧阶段，此时房间内的CO浓度达到最大，房间内的人员处于最危险时期，如果在这之前房间内的人员还未逃离的话，接下来会遭受高温的伤害，就会有生命危险了;在366 s以后，四层的走廊和楼梯间内的CO浓度超过2.5×10-3，此时人员逃生到楼梯间内会造成生命危险。

3）在火灾发生118 s时，火灾处于轰然之后的充分燃烧阶段，此时四层走廊内的能见度下降到最低，小于3 m，此时，人员还未逃离的话，应该采取弯腰或者匍匐前进的逃离措施。在320 s之后，走廊和楼梯间内的能见度都小于3 m，此时楼梯间内的人员最危险，由于能见度低，在逃生过程中可能会跌倒，造成更大的意外伤害。

4）在火灾发生132 s之后，整个四层的所有房间和走廊内都布满烟气，能见度下降。此时还未扩散到楼梯间，在这之前是四层以上楼层人员的最佳逃生时间。在996 s以后，烟气主要集中在四层到七层的走廊和楼梯间内，八层也分布了一些烟气，如果在火灾发生1 000 s之后，八层以上还有人员未撤离的话，建议不要盲目采取任何逃生措施，往下逃生的危险更大。

4.2 建议

1）对政府相关部门应该提出建立以管理为纲要、技术为支撑手段，突出管理对技术的指导与协调原则的高层建筑火灾防控安全体系。对高层建筑的设计、审核、验收等流程要严肃重视，使那些存在危险有害因素的高层建筑一定不能蒙混过关，做到“严查必究、严格把关、安全建设”，从而杜绝“先天性”火灾隐患。政府消防研究的有关部门应当加强消防基础建设和消防设备的研发改进，提高消防设备的实用性和功能性，研究出专门适合高层建筑的消防设备和防火保护设施。例如：目前我国消防云梯的高度往往不能满足高层居民楼的灭火高度，应当在现实合理的情况下提高云梯高度。

2）对于高层居民楼的设计者、施工者而言，设计者应从专业角度制定符合居民楼本身特点的消防系统;施工者在施工过程应严格遵守国家相关行业标准，保质保量。

3）对于安全管理人员应熟悉消防知识，建立火灾应急预案，培养专业的知识技能，增强责任心，增强居民的自救意识;加强消防管理，落实责任制度。

4）加强对于高层居民楼居住着的火灾时应急救援和逃生的教育，相关部门组织居民进行消防演习、消防讲座，让居民能够深入了解在发生火灾时应做的事情。

参考文献（References）：

[1]

徐晓楠，吴 迪，施照成.基于FDS的壁面烟熏图痕试验及重构研究[J].安全与环境学报，2014，14（6）：102-106.

XU Xiao-nan，WU Di，SHI Zhao-cheng.Applied according to the study based on the FDS wall smoked tracking test and reconstruction[J].Journal of Safety and Environment，2014，14（6）：102-106.

[2]徐伯乐，李元洲，孙晓乾，等.排烟口设计对排烟效果影响的模拟研究[J].安全与环境学报，2009，9（5）：152-155.

XU Bo-le，LI Yuan-zhou，SUN Xiao-qian，et al.Exhaust port design and simulation study on the effects of smoke[J].Journal of Safety and Environment，2009，9（5）：152-155.

[3]廖曙江，罗启木.火灾场景的确定原则和方法[J].消防科学与技术，2004，23（3）：249-251.

LIAO Shu-jiang，LUO Qi-mu.Determines fire scenthe principles and methods[J].Fire Science and Technology，2004，23（3）：249-251.

[4]田玉敏.論“性能化”防火设计中的“设计火灾场景”[J].火灾科学，2003，12（1）：29-35.

TIAN Yu-min.On the “performance-based” fire protection design “design fire scenario”[J].Fire Science，2003，12（1）：29-35.

[5]林 霖，房玉东，翁 韬，等.细水雾与火灾烟气相互作用的实验和数值模拟研究[J].中国工程科学，2008，10（10）：72-76.

LIN Lin，FANG Yu-dong，WENG Tao，et al.Experimental and numerical simulation interaction of fire smoke and water mist[J].China Engineering Science，2008，10（10）：72-76.

[6]章涛林，方廷勇，卢 平.高层建筑火灾烟气迁移特性研究[J].安徽建筑工业学院学报，2008，16（5）：58-64.

ZHANG Tao-lin，FANG Ting-yong，LU Ping.Research on high-rise building fire smoke migration characteristics[J].Journal of Anhui Institute of Architecture，2008，16（5）：58-64.

[7]霍 然，金旭辉，梁 文.大型公用建筑火灾中人员疏散的模拟计算分析[J].火灾科学，1999，8（2）：10-15.

HUO Ran，JIN Xu-hui，LIAO Wen.Calculation simulation of large-scale public building fire evacuation[J].Fire Science，1999，8（2）：10-15.

[8]刘 艳，汪 彤，丁 辉，等.地铁车站拥挤踩踏事故风险评价DEA模型研究[J].中国安全科学学报，2013，23（10）：100-104.

LIU Yan，WANG Tong，DING Hui，et al. Research on risk assessment DEA model of crowd crushing and trampling accidents in subwaystations[J].China Safety Science Journal，2013，23（10）：100-104.

[9]Alonsogutierrezv，Cuesta A，Alveard，et al. The impact of a change on the size of the smoke compartment in the evacuation of health care facilities[J]. Fire Technology，2017，54（4）：1-20.

[10]Blancharde，Boulet P，Fromy P，et al. Experimental and numerical study of the interaction between water mist and fire in an intermediate test tunnel[J]. Fire Technology，2014，50（3）：565-587.

[11]Hul，Wu L，Lu K，et al. Optimization of emergency ventilation mode for a train on fire stopping beside platform of a metro station[J]. Building Simulation，2014，7（2）：137-146.

[12]Lui C H，Fong N K，Lorente S，et al. Constructal design of evacuation from a three-dimensional living space[J]. Physica A：Statistical Mechanics and its Applications，2015（422）：47-57.

[13]Panindre P，Mousavi Nss，Kumar S. Positive pressure ventilation for fighting wind-driven high-rise fires：Simulation-based analysis and optimization[J]. Fire Safety Journal，2017（87）：57-64.

[14]Long X，Zhang X，Lou B. Numerical simulation of dormitory building fire and personnel escape based on Pyrosim and Pathfinder[J]. Journal of the Chinese Institute of Engineers，2017，40（3）：257-266.

[15]Lei W，Li A，Gao R. Effect of varying two key parameters in simulating evacuation for a dormitory in China[J]. Physica A Statistical Mechanics & Its Applications，2013，392（1）：79-88.

[16]National Fire Protection Association. NFPA 101-2009，Life Safety Code[R].Quincy，MA：Professional Safety，2009：205-220.

[17]王彦富，李 彪，秦 桃，等.海洋钻井平台火灾疏散仿真研究[J].中国安全科学学报，2018，28（3）：68-73.

WANG Yan-fu，LI Biao，QIN Tao，et al. Simulation of evacuation from off shore drilling platform in fire[J]. China Safety Science Journal，2018，28（3）：68-73.

[18]郭海林，刘 宵，王志宁，等.楼梯间障碍物对安全疏散的影响研究[J].工业安全与环保，2014，40（12）：28-31.

GUO Hai-lin，LIU Xiao，WANG Zhi-ning，et al. Research on the effects of obstacles in staircase on the safety evacuation[J]. Industrial Safety and Environmental Protection，2014，40（12）：28-31.

[19]丁元春.高层建筑人群垂直疏散特性與疏散策略计算机仿真研究[D].合肥：中国科学技术大学，2014.

DING Yuan-chun. Research on computer simulation of characteristics and strategies for high-rising buildings occupantsevacuation[D].Hefei：University of Science and Technology of China，2014.

[20]王 群，徐 贺.不同楼梯入口设置方式下人员疏散的模拟研究[J].中国安全生产科学技术，2015，11（9）：108-112.

WANG Qun，XU He. Numerical simulation on evacuation under different settings ways of staircase entrance[J]. Journal of Safety Science and Technology，2015，11（9）：108-112.

[21]赵 哲，陈清光，王海蓉，等.基于Pathfinder的公众聚集场所的应急诱导疏散[J].消防科学与技术，2013，32（12）：1327-1330.

ZHAO Zhe，CHEN Qing-guang，WANG Hai-rong，et al.Guidance evacuation based on Pathfinder model under the emergency state in public place[J]. Fire Science and Technology，2013，32（12）：1327-1330.