基于FDS模拟模型的酒店火灾调查研究

路庄

（宁波市消防救援支队，浙江 宁波 315000）

0 引言

酒店作为一个高层拥挤场所，所发生的火灾通常会造成巨大的人员伤亡和财产损失，而且在酒店高层发生的火灾扑灭难度极大，给社会带来非常恶劣的影响[1]。根据中国消防局统计数据显示，2020年共发生6320起酒店火灾，烧毁建筑14508平方米，直接财产损失5763.7万元。火灾调查是一种确定火灾原因的有效方法，它可以重建火灾发展过程并判断火灾责任人。火灾燃烧试验是目前最准确的火灾调查方法，但该方法存在技术难度大、成本高、耗时长等缺点[2]。随着计算机技术的发展，计算机模拟技术为研究火灾发生发展过程提供了新的方法和手段，成为火灾科学研究中最经济、最有效的工具。本文将基于理论方法的计算机模拟技术应用于酒店火灾分析。火灾模拟软件FDS（Fire Dynamics Simulator）广泛用于计算酒店火灾蔓延过程，研究火灾发展、烟雾蔓延、死亡原因，同时与火灾现场的结果进行对比研究，以验证火灾事故调查的正确性[3]。

1 FDS模拟方法概述

火灾场景重建有助于调查人员识别特定空间中的火灾行为。利用计算流体动力学软件进行火灾现场模拟，可以为火灾调查提供依据。这种模拟方法可以通过描述燃料配置、通风效果、建筑物设计、手动或自动系统和火源的影响来再现火灾场景、重建火灾过程、解释火灾发展和演示烟雾运动[4]。将模拟结果与调查数据进行比较，可以得到更多关于火灾和烟雾发展的证据。本文使用FDS模拟方法，模拟某地区的酒店火灾。通过比较现场燃烧证据和疏散人员描述，其结果显示了对火灾发展和烟雾运动的良好预测。本文还提供了火灾模拟在实际火灾现场调查中的应用[5]。

火灾动力学模拟（FDS）是一种计算流体动力学的仿真模型，用于描述火灾中烟气和热气的流动。它数值求解适用于低速热驱动烟气流动和火灾热传输的Navier-Stokes方程。FDS旨在解决消防工程师的实际火灾问题，同时为研究基本火灾动力学和燃烧提供工具。FDS中有一个显著的特点，即K-eturbulence建模。它可以描述复杂几何形状的火灾，并结合了各种各样的物理现象。它还可以用于引入大涡动输运系数来描述未解析的质量、动量和能量通量。现在，该模型已应用于基于性能的消防安全设计、烟雾控制系统设计、洒水器/探测器激活研究以及住宅/工业改造。它也将成为火灾调查和火灾现场重建的有用工具。

2 火灾调查对象

本论文研究的火灾调查酒店为七层框架结构，建筑面积1350平方米，高度23.6米。第一层的街道部分是酒店大堂。在第一层和第二层之间设置夹层，用于员工宿舍和员工活动室。酒店共有40间客房和53张床位，从第二层到第七层布置。酒店仅有1.4米宽的室内木楼梯和0.7米宽的室外钢楼梯。酒店的火灾报警系统和自动喷水灭火系统在焊接防盗窗时被禁用。火灾发生后，酒店值班人员接到客人报警，未能及时进行现场确认和疏散。火灾发生于2019年10月13日凌晨，直接造成10人死亡、4人受伤，总计财产损失603645元。

相应的死亡点编号如下所示。总共有九个死亡点，分别用1-9的数字来表示。死亡人员为10人，分别用A-J来表示。其中，A、B、C三个死亡人员的死亡位置为夹层中三个不同的宿舍，对应的死亡点编号分别为1、2、3；D的死亡位置为2楼走道，死亡点编号为4；E的死亡位置为2楼房间，死亡点编号为5；F的死亡位置为3楼房间，死亡点编号为6；G的死亡位置为6楼楼梯，死亡点编号为7；H和I的死亡位置在第六层的同一间客房，对应的死亡点编号为8；J的死亡位置为7楼房间，死亡点编号为9。

2.1 FDS模型建立

酒店大楼长16.6米，宽11米，部分高26米。火灾调查结果表明，火灾发生地点在阁楼工作人员活动的室内，北侧距玻璃墙2.8m，东侧距铝合金隔墙2.4m。火源是覆盖在电炉内的加热被子。根据施工平面图和事故调查数据，创建内部几何空间的1:1模型。员工活动室内配备木制桌椅、高低柜和电视柜，火灾现场模型由FDS建立，采用局部网格细化方法，火源位置附近网格单元为0.1m×0.1m×0.1m、网格数为200000，其他位置网格单元为0.2m×0.2m×0.2m、网格数为600000。

设定单位热释放率为每平方米4219KW，火灾增长系数为0.01172KW/s2，热释放率在240秒左右达到峰值。火灾模拟过程应该遵守以下规则：火灾发生在一层和二层之间的夹层上，初始温度设定为环境温度20℃。室外对室内流场无影响，门窗等开口的初速度为零。楼梯间的窗户和一楼的出口被打开，而房间的窗户被关闭。

2.2 火灾发展过程模拟

结合FDS软件的数值分析结果，通过定性和定量分析，得到灾后数据和火灾检测信息。利用FDS软件对酒店火灾增长过程进行数值重建。点火后，取暖被覆盖在电烤箱中，木椅于294秒放置在起火点的东侧，一楼夹层火灾于361秒达到全盛，火灾于445秒蔓延至一楼和二楼之间的楼梯间。480秒时，火势蔓延至顶楼。火灾沿着楼梯蔓延，走廊与楼梯相连，房间都受到不同程度的燃烧。这与火灾现场调查的现象相符。

通过FDS软件对酒店火灾烟气蔓延过程进行数值重建。火灾发生后，烟气迅速蔓延，128秒时，烟气蔓延至夹层和二楼楼梯间。火灾发生后202秒、253秒、274秒和344秒，随着烟气量的增加和“烟囱效应”的出现，烟气逐渐扩散到三层、四层、五层和六层。火灾发生后478s，各楼层房间内有烟进入，烟根沉入地面，不利于人员疏散。

2.3 人员死亡原因分析

在火灾事故中，导致人员死亡的原因有很多，包括高温、窒息、中毒、烧死等。本文主要分析了一氧化碳中毒、缺氧和高温在人员死亡过程中的主要作用。在FDS模拟结果中发现每层楼梯以及与楼梯间相连的通道温度在火灾后480s达到最高值。其中，楼梯间最高温度为620℃，二楼的房间最高温度为670℃。该温度远高于人类生存的临界温度131℃。由于在火灾发生约220秒后，死亡点1、2和3上方约1.5米处的温度达到人体的阈值温度，因此处于第1点、第2点和第3点死亡状态的人员最有可能是因为高温灼伤而死亡的。

一氧化碳中毒的原因是一氧化碳与血红蛋白结合渗透到人体内，穿透血红蛋白后再与氧气结合，导致人体缺氧甚至死亡。在FDS模拟结果中发现一氧化碳的浓度随时间增加而增加。300秒后火灾楼层中的一氧化碳浓度将超过500ppm，在这种情况下，很容易在短时间内造成人员死亡。由于在二楼走道存在死亡点4，当烟气到达楼梯间时，二楼走道将迅速充满烟气。500s后二楼走道中的CO浓度将超过500ppm，人员体能将迅速下降直至导致死亡。在2楼和3楼房间内的死亡点5和6的一氧化碳浓度不会导致死亡。由于楼梯间门处有死亡点7，当烟气在500秒后到达楼梯间时，浓度将超过1750ppm，高浓度的一氧化碳将立即导致人员死亡。在6楼和7楼房间中的死亡点8和9，烟气将延迟到达，并且一氧化碳浓度较低。综上所述，如果在死亡点1、2、3、4、7发生火灾后500秒不及时进行救援或疏散，将因一氧化碳浓度过高而导致死亡。由于一氧化碳的影响，人员行动能力会迅速下降直至导致人员窒息死亡。

烟气中的一氧化碳、二氧化碳、氰化氢等气体与人体内的血红蛋白发生强烈的络合作用，对人体危害极大。这将使氧气失去与血红蛋白的络合作用，然后导致人死于呼吸性缺氧。通过FDS模拟分析每个死亡点在同一时间氧气浓度的变化情况。分析结果显示，氧气浓度越低火灾持续时间越长。在250秒时，夹层中的氧气浓度小于10%。火灾发生时，在夹层中的低氧气浓度下，人员几乎无法生存。由于该层与防火层相邻，烟气首先到达二层，450秒后氧气浓度低于10%，被困人员可能在短时间内窒息死亡。死亡点7位于楼梯出口处，烟雾可立即到达，450秒后氧气浓度低于5%。死亡点5、6、8和9位于客房，在救援人员到达之前，这四个死亡点的氧气浓度远高于10%，且该浓度不会导致死亡。考虑到能见度的影响，如果不及时疏散，被困人员可能会死亡。上述分析表明，氧气浓度受烟雾传播的影响很大。夹层、楼梯和走道中的氧气浓度较低。因此，被困在夹层楼梯和走道中的人员可能死于窒息。550秒后客房的氧气浓度也很低，应及时采取救援措施。

3 结语

利用FDS仿真软件对酒店火灾现场进行了数值重建。结合火灾调查资料，得出以下结论：第一，在酒店火灾发生后361秒，层间火灾达到全盛时期；酒店火灾发生后478秒，每层房间都有烟雾进入，同时烟雾沉入地面。第二，处于死亡点1、2和3的被困人员可能死于火灾后220秒的高温；如果在死亡点1、2、3、4、7发生火灾后500秒不及时救援或疏散，将因一氧化碳浓度高而导致死亡；被困在层间楼梯和走道中的人员可能因窒息死亡。第三，数值模拟结果包括火灾的发展过程、烟气的扩散以及各死亡点的死亡原因，与火灾调查结果吻合较好，说明利用数值模拟重建火灾场景是可行的、有效的。