某高校办公楼火灾模拟与应急疏散仿真研究

王志帅，朱权洁，张 震，张尔辉，赵启峰，师皓宇

(1.华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201；2.华北科技学院 应急技术与管理学院，北京 东燕郊 065201)

0 引言

我国突发公共事件较多，据应急管理部消防救援局于2020年11月9日公布2020年1～10月全国火灾形势报告，数据显示全国共接报火灾19.6万起，平均每两分钟就会有一场火灾的发生，共造成1472人伤亡，造成直接经济损失25.5亿元，火灾依然是对我们的生活产生威胁最大的灾害之一。从未发生过火灾的高校较少。2020年9月上海大学宝山校区宿舍发生火灾。2020年11月湖南外国语职业学院一间女生宿舍发生火灾。由于我国高校中部分地区人员密集，火灾发生原因复杂，历来是消防安全管理的重点单位。为面对严峻的高校火灾形势，开展本次高校火灾应急人员疏散数值模拟研究。

对于楼层火灾模拟方面的研究，众多学者的研究多集中于火灾模型的建立、烟气蔓延规律、顶棚温度的分析、能见度分析、灭火系统对火势影响等方面。如邹馨捷等[1]以某高校学生宿舍楼为研究对象，运用Pyrosim软件建立火灾扩散模型，模拟分析了高校学生宿舍楼在自动喷淋灭火系统是否失效和着火房间窗户是否关闭等情况下发生火灾时，着火楼层顶棚温度和烟气层高度的变化规律，为高校学生宿舍消防安全管理提供依据；刘阳等[2]利用建模软件Pyrosim建立火灾3D物理模型，通过火灾动力学模拟分析软件FDS5.0来模拟火灾烟气的蔓延过程，研究高温烟气分布和能见度分布情况，分析得出各火灾场景的火灾危险时间为类似的建筑火灾问题提供借鉴意义；唐莉青[3]应用Pyrosim软件通过建立火灾模型，研究火灾发展过程中的烟气蔓延规律和相关规律对高层住宅建筑火灾的预防管理提出相关的对策建议措施。

楼层应急疏散方面的研究，国内外学者的研究集中于疏散场景分析、疏散效率分析、疏散设施分析、疏散人员心理状态对疏散影响等方面，并取得了优异的研究成果。如：马辉等[4]基于Pathfinder软件对某高校教学楼进行仿真研究，分析高校教学楼日间和夜间场景下各楼层人数、累计疏散人数与疏散时间的关系，为高校应急疏散演练、应急预案编制等提供依据；方潇宇等[5]应用Pathfinder软件模拟人群的应急疏散行为，对案例大楼的房间疏散、楼层疏散以及整栋楼的疏散进行了仿真研究，为高层建筑的应急疏散设计提出建议；王志涛等[6]基于Pathfinder软件以某高中教学楼为研究对象，通过变换出入口位置，改变楼梯梯段宽度等方式设计调整教学楼疏散场景，模拟了不同场景下教学楼出入口和各楼层楼梯处的人员疏散情况，根据对疏散过程及疏散时间的分析，为该类建筑紧急疏散设计提供参考；沈斌等[7]以某校环形中庭教学楼为研究对象，对该教学楼楼层的烟气扩散情况进行研究分析，获得了火灾发生后各楼层最佳疏散路径和逃生时间；Groner N.E等[8]研究一种在火灾紧急情况下管理建筑物住户移动的策略模型，该模型比通常规定的全阶段建筑疏散、部分建筑疏散、就地避难的全建筑策略更有效。

但现有的研究未考虑火灾中烟气扩散、能见度降低对人员疏散的影响；未考虑人员分布对疏散的影响；缺乏极端情况下楼房人员疏散仿真及应急救援路线确定等问题的研究。

本文以某高校办公楼为例，运用Pyrosim和Pathfinder软件进行数值模拟研究。分析高校办公楼在一楼实验室和四楼办公室同时发生火灾时，环境温度、能见度以及人员性别、年龄对疏散的影响等，为高校办公楼消防安全管理、火灾应急人员疏散和应急预案编制等提供依据。

1 数值模型的建立与火灾仿真

1.1 Pyrosim与模拟对象介绍

Pyrosim是快速准确地使用FDS模型的领先软件，可以帮助用户快速创建和管理复杂火灾模型的详细信息。同时Pyrosim还提供了可以自定义并导入当前模型中的属性库，例如：反应、热探测器、材料、颗粒、表面和其他模型参数。因其强大的功能目前被广泛应用于楼房火灾、隧道火灾、高层建筑火灾等方面的研究。因此本文运用Pyrosim软件对某高校办公楼进行火灾数值模拟研究。

该办公大楼为一栋综合性办公楼，以办公室和实验室为主。其中，一楼设置办公室、实验室、保卫科；二楼设置办公室、会议室、接待室；三楼设置办公室、会议室、接待室；四楼设置办公室、实践教室、会议室；五楼设置办公室、机房、资料室。当火灾发生将会造成重要资料受损、科研项目推迟，进而影响整个学院的正常工作进程。同时也造成巨大的经济损失，为学校带来不可逆的名誉和经济上的影响。

图1 办公大楼实景图

1.2 模型构建

以某高校办公楼为研究对象构建模型，该办公楼共五层，建筑物长83 m、宽16 m、高15 m，设有多个独立房间，主要为办公室、会议室、接待室、实验室、机房教室，办公楼东区和西区的逃生出口处于常闭状态，办公楼中区大门处于常开状态。办公楼内设有消防栓、灭火器等灭火设施，火灾报警器等报警设备。模型正视图和俯视图如图2所示，为直观地呈现楼层的相对关系，去掉模型中的部分墙体。

图2 数值模型图

1.3 火灾场景的设置

FDS数值模拟以网格作为最小计算单位，网格的划分直接影响计算结果的准确性[9]。本次模拟的网格的精确度为0.7 m×0.7 m×0.7 m，网格数量为93.5万个。模拟的初始环境：房间内流场状态为静止，温度为20℃，压强为一个标准大气压。考虑到楼房起火具有蔓延快，扑救困难，救援难度大等特点以及办公楼投入使用时间较长，虽然配有火灾报警装置，但没有自动灭火系统，没有排烟系统等实际情况，同时分析各部分的使用情况，故设置两个起火源进行数值仿真模拟研究。第一个起火点位于一楼实验室。第二个起火点位于四楼办公室。

参考王志刚等[10]的实验原理和方法，设置火灾环境的相关参数。一楼实验室起火点具有木材、泡沫、塑料、化学物品，聚酯等可燃物，释放速率为2000 kW/m2，火灾类型为超快火，增长类型为超快t2增长型，自动灭火系统失效，防火门状态失效。四楼办公室起火点具有纯棉纤维、木材等可燃物，释放速率为1000 kW/m2火灾类型为快速火，增长类型为快速t2增长型，自动灭火系统失效，防火门状态失效。具体参数如表1所示。为监测办公楼火灾的蔓延情况和逃生路线的能见度、温度变化特征，设置若干温度传感器和能见度传感器。

表1 火灾环境相关参数表

1.4 火灾模拟结果分析

1.4.1 火灾烟气蔓延分析

图3为模拟火灾发生后办公楼烟气蔓延和填充的过程的展示。从图3(a)～(f)模拟结果中可以看出，火灾发生3 s时火源燃烧初期，烟气主要聚集在火源周围；火灾发生15 s时，一楼大厅被烟气填充，烟气已经通过一楼出口扩散到办公楼以外的地方，同时大量的烟气通过楼梯快速向上蔓延；火灾发生60 s时，由一楼火源产生的烟气已蔓延至五楼，由四楼火源产生的烟气已通过西侧的逃生出口扩散到办公楼以外，此时烟气并未填充整个四楼走廊通道。随着火灾的继续发展，烟气继续扩散，烟气浓度逐渐增大；t=100 s时，烟气蔓延填充四楼西区走廊；火灾发生110 s时，一楼东区、中区和西区完全被烟气填充；火灾发生130 s后，烟气继续蔓延，一楼、四楼完全被烟气填充，整个办公楼被填充了75.13%。

图3 烟气蔓延图

1.4.2 温度变化分析

在模型中添加温度传感器(模型中用temperature表示)用于监测火灾过程温度变化特征，传感器分布于火源高1.5 m处和各个楼层的楼梯出口处，相对位置如图4所示。根据传感器得到的温度变化数据，绘制温度变化曲线，如图5所示。通过分析温度变化曲线得出以下几点：①火源处传感器所展现出来温度变化趋势大致相同，火源燃烧初始阶段温度迅速升高到达最大值后产生波动温度有所下降，但随着火势的蔓延温度在到达最低点后开始接着上升，同时随着时间的发展温度趋向于平稳状态；②火灾发生时火源处温度直线型上升，易对火源处的人员生命安全造成严重的威胁，火灾发生的第一时间逃离危险，远离火源是至关重要的；③楼梯出口处的温度变化趋势相同，温度变化较为缓慢，离火源越近，温度变化越快；④人体的环境温度极限大约为116℃，在190 s内共有6个传感器的数据超过116℃。

图4 温度传感器相对位置图

图5 温度变化曲线图

1.4.3 能见度变化分析

燃烧物在燃烧过程中会伴有大量的固态、液态微粒产生，极大的影响火灾现场的能见度，为人员的应急疏散和火灾的顺利扑灭产生极大的阻力[11]。因此在本次研究中共设置了15个能见度传感器(模型中用visibility表示)，主要布置于每层的楼梯口和应急出口处，相对位置如图6所示。根据传感器数据绘制能见度变化曲线图，如图7所示。由图7可知，火灾发生初期，楼层能见度大约为30 m，随着火势的蔓延烟气填充办公楼的能见度成指数型下降。因受一楼起火源的影响，传感器visibility12(位于办公楼正门处)的能见度下降最早，6 s时能见度已下降至5 m到达人员伤亡危险点[12]。101 s时，15个能见度传感器收集到的数据均小于5 m意味着各个逃生出口处的能见度均小于5 m，101 s之后将失去最佳的逃生时间。

图6 能见度传感器相对位置图

图7 能见度变化图

2 Pathfinder模型建立

Pathfinder是Thunderhead Engineering 公司研发的人员紧急疏散逃生评估系统软件[13]，它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；同时模型还可以计算每个人员独立运动并给予了一套独特的参数(最高速度，出口的选择等等)。Pathfinder目前已广泛应用于地铁、商场、楼层等人员密集场所人员的疏散仿真研究中，因此本文也运用Pathfinder软件对某高校办公楼进行人员疏散的仿真研究。

2.1 模型构建

本文通过对研究对象的建筑结构特征、安全逃生出口的数量和分布以及每个房间的功能来构建办公楼的疏散物理模型，同时导入Pyrosim文件，在Pyrosim模型的基础上进行房间、楼梯、逃生出口的创建，最终建模如图8、9所示：

图8 模型三维视图

2.2 人员疏散场景设定

为考虑温度、能见度对人员疏散的影响，基于前期火灾模拟结果和Pyrosim输出的FDS Data文件，将FDS Data文件导入Pathfinder。考虑到办公楼的功能和楼层的使用情况将火灾场景的人数设置为166人。一楼共有23人，办公室15人、实验室4人、保卫科4人；二楼共有33人，办公室8人、会议室17人、接待室8人；三楼共有39人，办公室16人、会议室23人、接待室0人；四楼共有20人，办公室20人、实践教室0人、会议室0人；五楼共有51人，办公室15人、机房32人、资料室4人；人数具体分布如表2所示：

图9 模型平面图

表2 人数分布表

2.3 人员参数确定

人员疏散的研究中通常将人员分为5类：12岁及以下为儿童，13～18岁为少年，19～40岁为青年，41～60岁为中年，60岁以上为老年，19～40岁青年又进一步细分为青年男性、青年女性、中年男性、中年女性。考虑到现实环境的因素，结合杨雨亭等人的研究确定疏散人员特征参数如表3所示[14]。

表3 人员特征参数表

3 人员疏散与应急救援分析

3.1 人员疏散时间分析

本次数值模拟的人员应急疏散场景共疏散人数166人，人员通过量最大的逃生出口为西区逃生出口，最小的为中区逃生出口。根据人员逃离数据绘制人员疏散曲线图，如图10所示。由图10 可得到以下几点结论：本次火灾场景分布在办公楼的人员疏散完毕耗时130 s。火灾发生后的12 s时，滞留人数曲线开始下降。疏散人数曲线具有一直上升的趋势，当70 s时人员疏散效率有所下降，原因分析，65 s时因通过五楼西区逃生出口的人员增加导致五楼楼梯出口处发生拥堵造成人员滞留。

图10 疏散人数图

3.2 人员疏散过程与应急救援

本次应急仿真人员疏散部分过程图如图11所示。从图11(a)～(f)中可以看出，t=0 s时人员疏散开始；t=15 s时，一楼西区成功疏散1人；t=55 s时，中区人员疏散接近尾声；t=70 s时，中区和东区人员都已疏散完毕，西区人员均已进入楼梯通道；t=112s时，人员均已疏散到3层楼以下；t=129 s时，最后逃离火灾人员已到达西区1楼逃生出口。在本次疏散场景中东西区应急逃生出口为重要的逃生出口，因此在真实环境中东西区逃生出口能否正常使用严重影响人员疏散的效率。当火灾现场出现人员滞留、无消防云梯等情况，最优的应急救援入口为东区逃生出口。东区逃生出口在数值模拟中能见度到达人员危险点用时最长，同时通过东区逃生出口的人流量较小，不易发生人员伤亡。

图11 人员疏散过程图

表4为疏散情况汇总表，分析表4可以得出66 s时，5楼51名人员均已离开5楼；83 s时4楼20名人员和5楼51名人员均已离开4楼；101 s时，3楼39名人员、4楼20名人员和5楼51名人员均已离开3楼；118 s时共疏散143名人员2楼及以上楼层所有人员均已离开2楼；130 s时共疏散166名人员1楼及以上所有人员均已离开1楼，人员被全部疏散。

表4 疏散情况汇总表

表5为最后离开办公楼情况汇总表，最后逃生人员7消耗时间123.3 s、路径距离75.8 m、滞留时间28.4 s、开始位置五楼办公室、滞留原因四楼西区楼梯发生拥堵；最后逃生人员6消耗时间124.4 s、路径距离39.3 m、滞留时间40.5 s、开始位置五楼办公室、滞留原因五楼西区楼梯发生拥堵；最后逃生人员5消耗时间126.5 s、路径距离70.2 m、滞留时间39.7 s、滞留原因五楼西区楼梯发生拥堵。其余人员信息见表5所示。分析表5最后离开办公楼的7名人员的开始位置均是5楼。

表5 最后离开办公楼情况汇总表

表4和表5表明，疏散时间与疏散人数呈现正相关，五楼人员疏散所需要时间最长成为疏散过程改进的重点；最后逃离火灾的7人中男女比例接近1∶1.3；疏散过程中发生人员滞留最重要的原因是发生人员的拥堵，特别是五楼西区楼梯的拥堵造成五楼76%的人员发生滞留。

4 结论

(1) 火灾发生时火源处温度变化特征最明显，10 s内上升到300℃以上；烟气通过楼梯上升至5楼是5楼中区被烟气填充的主要因素。

(2) 本次应急疏散共用时130 s；通过分析场景中的温度传感器和能见度传感器采集的数据可知，能见度是制约人员避灾疏散效率的关键因素；在101 s时高校办公楼逃生出口处的能见度已低于5 m，到达人员伤亡危险点，人员未能全部安全疏散。

(3) 基于某高校开展了火灾模拟与应急疏散仿真研究。通过深入分析可知，办公楼人员疏散效率与人员密度、人员的相对位置、疏散拥堵程度相关，办公楼五楼西区发生严重滞留拥堵是影响人员逃生效率的主要原因，应作为现实中火灾应急避灾的首要安全隐患。

(4) 能见度变化特征对人员疏散和人员救援具有引导作用，本次的数值模拟中最优的应急救援入口为东区逃生出口。

(5) 本文针对某高校办公楼，运用Pyrosim软件进行了火灾数值模拟仿真研究，指导人员疏散、逃生。研究成果证明了仿真模拟技术在高层建筑火灾模拟和人员逃生疏散的研究领域具有广阔的应用前景。然而本文针对固定起火点、火势蔓延和人员的疏散逃生进行研究，在本研究基础上，针对多起火点、资料档案保护、白天和夜间等不同研究重心下作进一步的研究与推广将会取得更显著的成果。