某高校教学楼火灾烟气运动规律与避灾仿真研究

李莹莹 谷雷 王志帅

(1.中钢集团武汉安全环保研究院有限公司 武汉 430081； 2.华北科技学院安全工程学院 北京 065201)

0 引言

教学楼具有人员密集、人流密度大、易燃物多以及发生安全问题时疏散难度大等特点，一旦失火后果不堪设想。2003年俄罗斯人民友谊大学宿舍楼因电线短路引发火灾，由于疏散不及时造成41名学生遇难(包括中国留学生11名)、100多人受伤。近年来，为探索高校教学楼发生火灾时的烟气运动规律，为人员疏散方式及逃生时间提供理论指导，众多学者对其进行了大量研究。余明高等[1]利用流体力学软件(FDS)模拟某高校教学楼走廊火灾及烟气蔓延传播，并通过算例分析火灾发生时的相关参数，旨在得到教学楼走廊烟气的运动规律。沈斌等[2]以某校环形教学楼为例，对不同楼层进行研究分析，获得了火灾发生后各层人员的最佳疏散路径和逃生时间。马辉等[3]针对日间和夜间2种上课方式，利用Pathfinder软件分析了某高校教学楼各楼层人数、累计疏散人数与疏散时间的关系，以期为高校应急疏散演练提供依据。陈娜等[4]运用Pathfinder软件，通过合理规划疏散路线，对某高校学生公寓应急处置下的人员疏散进行了模拟和优化，为宿舍消防安全管理提供依据。目前针对高校教学楼进行火灾模拟已成为我国应急救援工作的重点之一。本文运用Pyrosim和Pathfinder软件对某高校教学楼发生火灾时烟雾扩散和人员疏散进行了数值模拟分析，以期为高校消防安全管理提供参考。

1 计算模型及场景设定

1.1 软件介绍

Thunderhead Engineering Pyrosim(简称Pyrosim)是一款专门用于火灾动态仿真模拟(Fire Dynamic Simulation，FDS)的建模软件。Pyrosim以流体动力学计算为理论支撑，通过创建火灾模型，可以准确预测火灾烟气流动、火灾温度和有毒有害气体浓度分布，用于仿真模拟预测火灾中的烟气、一氧化碳等有毒气体的流动、火灾温度以及烟气浓度的分布，应用范围很广；此外，还可直接导入FDS、DXF等格式的模型文件。

1.2模拟对象介绍

某高校教学楼共有9层，每层有12间教室，分布南北两列。共设有1个主楼梯(教学楼位置中心)和1个副楼梯(教学楼东侧)，教学楼全长99 m，宽16 m，高37 m。整栋教学楼共有3个安全出口(南门、北门和东门)。教学楼模型如图1所示。

(a)正视 (b)侧视

1.3 火灾场景及参数设置1.3.1 火灾场景设置

发生火灾时，教学楼内环境显著影响内部火势发展，因此在设置火灾场景时应依据保守和最不利原则进行设定[5]。

火灾模拟的初始环境默认为：①房间内流场状态为静止(室内无风)，温度为30 ℃，压强为一个标准大气压；②教学楼内仅设置有灭火器、烟雾报警器以及消防栓等消防设施，一楼外有挡火墙，其余楼层无挡火墙以及闭式洒水喷头；③所有房门均处于打开状态；④走廊及楼道内无大型阻挡物。因此，根据楼层高度，按照低楼层、中楼层和高楼层分别在一楼、四楼、八楼设置3个起火源，如图2所示。

1.3.2 火灾参数设置

按照王志刚等[6]的实验原理和方法，设置火灾环境的相关参数。一楼教室起火点具有木质桌凳和纸质材料等可燃物，热释放速率为2 000 kW/m2，火灾类型为超快火，增长类型为超快t2火灾模型，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、木材和纸质材料等可燃物，热释放速率为4 000 kW/m2，火灾类型为快速火，增长类型为快速t2火灾模型，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。

图2 起火源位置

表1 火灾环境相关参数

2 结果与分析

2.1 模拟烟气流动情况分析

火灾发生后教学楼烟气流动情况如图3所示。由图可知，t=30 s时，在火源燃烧初期，烟雾主要聚集在火源周围，并有开始向外扩散的趋势；t=60 s时，四楼和八楼的烟气逐渐扩散整层，并开始通过副楼梯向外扩散，一楼烟气也开始向外扩散；t=90 s时，四楼至八楼副楼梯的烟气已完全弥漫，并开始向中间楼层扩散，而一楼烟气因挡火墙的存在并无明显变化；t=120 s时，烟气开始通过主楼梯进入临近楼层，并开始向外扩散，一楼烟气开始透过挡火墙向外弥漫；t=150 s时，烟气持续扩散；t=180 s时，教学楼四楼至九楼，东半部分除五楼外全部弥漫烟气，一楼烟气因挡火墙尚未全部损毁，扩散速度较慢。

2.2 温度变化分析

发生火灾时，教学楼内各区域温度变化趋势如图4所示。由图可知，在0～30 s，燃烧器开始燃烧，火源位置温度较高，离火源越远，温度逐渐降低，其中四楼、八楼火势较小，一楼火势较大；在30～60 s，随着火势逐渐蔓延，一楼教室内温度逐渐升高，多处温度已达500 ℃以上；在60～90 s，火势继续蔓延，一楼、四楼、八楼内温度持续升高；在90～120 s，一楼火势轰燃蔓延至整个教学楼西半部分，此时一楼温度已超过人的耐受极限；在120 s以后，一楼火势达到最大，教室内温度达到最高，随着时间的推移，可燃物逐渐耗尽，火势逐渐减小，四楼、八楼火势持续蔓延。

(a)t=30 s (b)t=60 s (c)t=90 s

(d)t=120 s (e)t=150 s (f)t=180 s

(a)t=30 s (b)t=60 s (c)t=90 s

(d)t=120 s (e)t=150 s (f)t=180 s

3 火灾紧急疏散逃生

3.1 模型构建

Pathfinder是一款以人物为基础的模拟器，可提供图形用户界面的模拟设计、执行和三维可视化工具的分析结果。该软件可以计算每个人员的独立运动并给予一套独特的参数(运动速度、出口选择等)，用以实现灾难发生时人员的快速逃生路径和时间的仿真模拟。因此，本文运用Pathfinder软件对某高校办公楼进行人员疏散的仿真研究。

根据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，构建教学楼的疏散物理模型，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，结果如图5所示。

3.2人员疏散场景设定

考虑到烟雾弥漫对人员疏散造成的影响，在Pyrosim分析结果的基础上，将火灾场景的人数设置为1 082人，分布人数如表2所示。人员疏散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岁青年又可细分为青年男性和青年女性，41～60岁中年又可细分为中年男性和中年女性。考虑到现实环境的因素，按照杨雨亭[7]的分析确定疏散人员特征参数如表3所示。

图5 模型三维视图

表2 人数分布

表3 人员特征参数

3.3 人员疏散过程与应急救援

模拟人员疏散部分过程如图6所示。由图可知，90 s时，全部人员均已进入楼梯通道，教学楼东半部分人员已逃出火灾现场；150 s时，仅有部分人员滞留在主楼梯出口处。

东侧应急逃生出口是本次场景下重要的逃生出口，与 Pyrosim数值模拟的能见度结果吻合，主楼梯出口处因受一楼火灾影响造成人员疏散缓慢，严重威胁人员生命安全。因此，在真实环境中教学楼东门能否正常使用直接影响人员疏散的效率。当火灾现场出现人员滞留的情况时(无消防云梯情况)，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的用时最长，同时通过东区逃生出口的人流量较小，不易发生拥挤和不必要的人员伤亡。

(a)t=0 s (b)t=30 s (c)t=60 s

(d)t=90 s (e)t=120 s (f)t=150 s

4 结论

本文利用Pyrosim和Pathfinder软件对某高校教学楼火灾烟气运动规律和应急避灾进行了仿真研究，主要结论如下：

(1)烟雾主要通过主楼梯和副楼梯向相邻层扩散。

(2)火灾发生时火源处温度变化特征最明显，30～60 s内上升到500 ℃以上。

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