基于BIM模型与FDS的老旧活动中心火灾数值模拟

陈益迪，赵隽妍，陈锦川，任兴月

（1.海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口 570228；2.中国矿业大学 力学与土木工程学院，江苏 徐州 221116）

老旧活动中心由于建筑使用年限长，缺乏现代化的管理人员，建筑内配备的消防设施不足、水电设备线路老化，火情发生时产生的高温和浓烟将严重危害人们的生命财产安全［1-3］.这些老旧建筑楼由于人员密度大，缺乏现代化的消防设备，火灾发生时人员的安全疏散也存在困难［4］.近年来，老旧建筑火灾引起的人员伤亡率不断上升，火灾引发的人身财产损失金额持续走高，发生火情时建筑内人员的应急、疏散逃生问题成为重点难题［5-6］.因此，对老旧建筑火灾展开研究，对消防救援的有效开展具有重要的意义.

建筑信息模型技术（Building Information Modeling，BIM）是近年来出现并引领建筑数字技术走向更高层次的一项新技术，它已经成为工程建设领域的热点［7］.BIM 技术能够在灾害突发时快速建立建筑模型并与其他数值模拟软件进行协同应用，其中基于BIM 技术的火灾数值模拟受到研究者们高度重视，如蒋科明［8］在进行火灾烟气数值模拟时，首次将FDS 软件应用于大邱地铁站的全尺寸数值模拟，明晰楼梯间烟气分布及其温度特征，并提出地铁火灾人员安全疏散的优化方案；刘芳等［9］利用FDS 软件对木结构古建筑进行火灾数值模拟，通过比对古建筑在不同着火情况下烟气流动状态、火灾蔓延情况、影响因素强弱来研究古建筑的火灾蔓延规律并预测木结构古建筑的着火变化特征；邢志祥等［10］研究建筑不同高度起火对人员逃生疏散的影响，得到起火楼层位置越低则人员疏散效率越低，伤亡越大；Tsukahara 等［11］用FDS 软件对地铁车站建立模型，模拟火灾烟气对地铁车站疏散造成的影响；韩朱旸等［12］利用FDS 软件对城市高层建筑进行火灾模拟，提出一种实时定量评估法，减少人员伤害且提供应急救援方案；肖游等［13］通过FDS建立池火灾燃烧模型，计算不同位置的温度作为边界条件运用于计算流体动力学中，提升了模拟研究效率，得到了快速烤燃特性；袁莎莎［14］等使用FDS软件对机场多功能区域进行全尺寸建模与数值模拟，分析研究火灾发生时的火灾荷载、温度变化、热释放速率等影响火情蔓延因素的变化情况；李世峰等［15］利用火灾动力学软件FDS对某城市道路隧道中三出口分流匝道路段内部发生的影响.刘新蕾等［16］以哈尔滨新第一百货中庭商厦为研究对象，运用FDS 软件分析了天窗开闭时中庭火灾和挑台火灾的烟气扩散规律，得到了烟气在各个方向的扩散速率、上述研究提供了火灾仿真模拟分析的理念和想法，并在模拟火场中进行充分应用.

由上述文献可知，研究人员在模拟过程中观察火灾参数变化及火情蔓延演化，进而评估建筑物发生火灾的危险性，从而提高安全疏散可行性［17］，并保证室内人员的安全［18］.但研究人员在FDS软件研究领域所针对的建筑往往属于简单结构，对于复杂结构的建筑空间体缺乏关注；BIM-FDS 协同研究领域内容缺失，尤其针对易燃、老旧建筑研究匮乏的情况，此研究对于该领域火灾防灾显得尤其必要.通过对老旧活动中心的3种火灾工况开展数值模拟计算，获取活动中心火灾过程中关键数据，为灾害预防与火灾救援提供数据来源与理论支持，提高救援逃生的可行性、实用性.

1 老旧活动中心FDS火灾模型

1.1 火灾烟气模型控制方程老旧活动中心内火灾发生时烟气的流动情况属于湍流流动，采用FDS 软件Pyrosim来模拟该湍流流动过程.烟气流动特性的持续变化的控制方程组如式（1）～（4）所示

其中，ρ为气体密度；为密度的时间变化率；u为速度矢量；∇(ρu)定义了质量对流.

动量方程

其中，g为重力加速度；f是外部矢量；τ为控制计算域内流体上的定量粘性力.

能量方程

其中，h为显焓；p为压力；T为温度；qr为热辐射通量；q‴为热释放速率（HRR）；Dl为第l种组分的扩散系数；Yl为第l种组分的质量系数；k为火灾烟气导热系数.

组分方程

其中，为第l种组分的质量生成率.

1.2 BIM 几何模型及FDS 模型网格划分研究对象是一幢6层的某老旧活动中心，由健身活动厅、乒乓球室、走廊、卫生间、图书阅览室、台球厅、楼梯间构成，每层构造大体相同.建立几何模型：长×宽×高=18.8 m×13.7 m×23.9 m，通过Revit软件建模，导入Pyrosim软件，建筑模型如图1所示.

图1 活动中心建筑模型

在对该活动中心模型网格进行划分时，不但需要全面考虑整个老旧活动中心在不同火灾场景下的着火以及烟气弥漫过程的随机性情况，而且需要顾及计算结果的精度与计算机性能的计算上限.本次模拟设定该老旧活动中心与外围空气的网格为0.5 m×0.5 m×0.5 m，计算网格个数共计70 200 个.活动中心大气内外气体压强和温度分别为101.325 kPa 和20 ℃.同时，考虑到活动中心比较老旧，不设置消防喷头、防火卷帘等消防设施.

1.3 火灾模拟场景的设置在计算中，火灾着火点的平均热释放速率（HRRPUA）被设置为1 000 kW·m-2，初始燃烧面积为1.5 m2，根据计算工况，着火点设置在该建筑第三层，火灾着火点设置如图2所示.为了获得逃生路线上的火灾参数，模型在每一楼层楼梯间的门内侧，距离楼梯间地面高度1.2 m处分别设置了1个温度监测器，即热电偶温度探测器（THCP），用于测定火灾发生过程中温度随时间的变化情况；同时每层距楼梯间地面高度1.4 m 处各设置1 个CO 浓度监测装置，用于测定火灾发生过程中CO 浓度随时间变化情况；距每层楼梯间地面高度1.5 m 处各设置1个烟雾探测器，用于测定火灾发生过程中能见度水平随时间变化情况.

图2 火源燃烧建筑平面图

为了研究窗户和门在不同的开启与关闭条件组合情况下，建筑内部火灾发展情况及可能造成的影响，笔者在同一楼层（第三层）设计了3个对比明显的火灾场景，如表1 所示.即在火源位置保持不变情况下，通过设置窗户开启、关闭的不同状态，并结合开启窗户距离逃生楼梯距离远近的差异（开启窗户距离火源远近的比较），观察老旧活动中心室内烟气蔓延扩散情况的差异.首先按照火灾发生时最不利原则把老旧活动中心所有内部门窗都设置成打开状态，使之相互连通以保证烟气的快速扩散并观察过程中火灾参数的表现.

表1 火灾计算场景描述

2 火灾模拟结果分析

2.1 火灾烟气CO 浓度分析火灾发生时候，将迅速产生大量火灾烟气，蔓延流动的烟气中的CO 气体是导致人员在火灾中缺氧而死的主要原因［19］，火场中受困人员由于吸入过量的CO气体而窒息.

在不同楼层楼梯间的CO 浓度变化见图3，其中火灾场景一是着火建筑内部与室外相接窗户A、窗户B都关闭、火灾场景二是近火源远楼梯口窗户A打开、火灾场景三是近楼梯口远火源窗户B打开，通过模拟火灾燃烧，观察楼层烟气蔓延情况，并得出3种火灾场景下CO浓度随时间变化情况.

图3 CO浓度随时间变化曲线

人员暴露在CO浓度0.64%条件下，保持1～2 min后将导致头疼及头昏眼花，保持10～15 min后将导致失去意识，同时面临死亡威胁.而当暴露在CO 浓度1.28%条件下，火场中人员将产生立即的生理反应，停留1～3 min 后将迅速失去意识同时面临死亡威胁［20］.室内发生火灾后，着火点快速生成大量烟气，着火层3 楼生成的烟气涌进临近楼梯间内，3 层楼梯间作为第一危险点处CO 浓度急剧增加，严重影响人员生命安全.

如图3a 中，当A、B窗户都关闭时，3 层楼梯间CO 浓度在162 s 内迅速增加，达到0.64%；由于火灾场景一属于封闭系统，因此CO 无法向外疏散，该场景下火灾生成的CO 浓度最高，270 s后达到1.28%，300 s附近达到峰值最终稳定.

如图3b中，当近火源窗户A打开后，近楼梯口窗户B关闭，3层楼梯间CO浓度在276 s内迅速增加，达到0.64%；随着烟气的蔓延，着火楼层3楼以及相近的4楼、5楼、6楼楼梯间内CO 浓度在经历急剧上升之后迅速下降、而后又出现第二次的爬升，可以看出由于近火源处窗户A打开对远端楼梯间检测CO 浓度产生影响，并且导致扩散速度比火灾场景一要慢.

如图3c，当近火源窗户A关闭、近楼梯口窗户B打开时，随着火情的发展，各层楼梯通道内检测的CO浓度不断升高.其中着火楼层3 楼最高仅达到0.18%，可以看到，当可对流的着火层窗户处于开启状态时，烟气涌向其他房间速度增加，此时伴随热释放速率增加，能量不断扩散；与此同时，窗户保持开启的火场情形下，火灾进行过程中产生烟气也源源不断通过窗户排出室外，降低了火灾过程中不断产生的有毒有害物质浓度.由于近楼梯口窗户B打开，导致室内的CO 浓度可以在较长的时间内维持着安全水平，使得人员逃生时间增加、减少人员伤亡.

2.2 烟气弥漫及能见度分析老旧活动中心发生火灾时，燃烧蔓延过程中将会产生大量有毒有害烟气，大量的烟气不断积聚，使得建筑室内能见度迅速降低，并且对于人员逃生过程中造成诸多阻碍及严重的影响，并对场内人员构成危险.根据标准《建筑防火工程》中相关规定，熟悉的人群对一般建筑能见度应至少需要达到5 m.通过能见度临界值5 m 来判断烟气浓度能否干扰人员顺利逃生，来判断场内人员是否会受到人身危害.当火灾发生时，因为老旧活动中心空间不够开阔，选取在1.5 m 高度可见度不低于5 m 作为测定标准.

将该活动中心发生火灾允许的最小烟气能见度设定为5 m.当A、B窗户都关闭，由图4a可以看出，在该最不利情况下，第3层着火楼梯间能见度在7 s间降至5 m；相邻的第4层楼梯间能见度在42 s降至5 m，第5 层楼梯间能见度在55 s 降至5 m，随后第6 层、第2 层、第1 层由于烟气扩散能见度也逐渐降低至5 m.被强烈烟气所笼罩，楼梯间能见度没有达到最低标准烟气能见度要求，不利于火场内人员逃生.

图4 能见度随时间变化曲线

在近火源窗户为打开状态、近楼梯口窗户B为关闭状态时，如图4b所示，第3层的着火楼梯间能见度在最初15 s 时降到5 m，而后在能见度又出现一个短暂的回升后又继续降低，受着火烟气温度变化的影响，房间内被烟气笼罩，不利于室内人员逃生，此时室内人员应该采取弯腰或者匍匐前进的正确自救逃生方式；随后第4层、第5层、第6层由于烟气扩散能见度也逐渐降低至5 m；第2层与第1层能见度随着时间变化出现较大的反复，可以看出由于近火源处窗户A打开对着火层下部楼层产生影响，使得能见度下降速度比火灾场景一要慢.

在近火源窗户A为关闭状态，近楼梯口窗户B为打开状态时，如图4c 所示，第3 层着火楼梯间能见度在17 s后降至5 m，而后能见度出现较大回升后继续降低；随后第4层、第5层、第6层由于烟气扩散能见度也逐渐降低至5 m临界值，相对于火灾场景二达到能见度5 m的时间都延长；其中第2层不出现反复，且第1 层在整个模拟过程中能见度并未达到设定值5 m，可以看出由于近楼梯口窗户B打开对着火层影响最大，在较长的时间内维持能见度较高的水平，使得人员逃生时间增加、减少人员伤亡.

2.3 火场温度分析建筑火灾发展过程中会产生大量的热辐射，使燃烧物及周边的空气温度不断上升，建筑中的可燃材料较多，若火势无法及时得到控制，烟气温度可高达上百摄氏度，温度大幅提高对人体和建筑本身都会造成不可恢复的伤害.根据相关研究，当温度达到35～55 ℃之间时，人体会出现出汗及痛感等情况；当温度超过65 ℃时便会造成严重烧伤，考虑到火灾中人员的实际情况，故选择65 ℃作为高温的临界值判断标准.

根据表2可知，应选择65 ℃作为高温的临界值判断标准.

表2 火场温度耐受表

如图5a所示，A、B窗户都关闭，在该封闭条件下，第3层着火楼梯间温度在68 s时达到65 ℃高温临界值，而后在144 s处温度达到最高.可以看出A、B窗户的关闭使得建筑体内部模拟燃烧过程中没有足够空气与外界交换，进而导致燃烧不充分，故着火层温度上升不明显；相邻的第4 层楼梯间温度在172 s 达到65 ℃高温临界值.随后第2 层、第5 层、第1 层随着燃烧温度也逐渐达到65 ℃.由此得到着火层安全逃生时间为1 min.

图5 温度随时间变化曲线图

如图5b所示，近火源窗户A打开，近楼梯口窗户B关闭，第3层着火楼梯间温度在250 s达到65 ℃高温临界值，在烟气流动的过程中，温度的变化出现了2个波峰，说明近火源窗户A打开后，模拟火灾燃烧场景下内外空气进行交换，燃烧过程相对火灾场景一充分，对于楼道间温度变化产生影响.故着火层安全逃生时间不高于5 min.

如图5c所示，近火源窗户A关闭，近楼梯口窗户B打开，建筑物发生火灾时，3楼着火楼梯间的温度未达到65 ℃高温临界值.可以看出由于近楼梯口窗户B打开对着火层影响最大，在较长的时间内维持能使得温度保持在65 ℃下方，该场景下能给处于建筑内的人员充足的逃生时间.

3 小 结

结合BIM 技术与FDS软件对某小区老旧活动中心建筑火灾情况进行数值模拟计算，通过对比研究了窗户在不同开合情形条件下产生物对楼梯间火灾的发展变化情况造成的影响，设定3个不同的火灾场景，主要针对现场CO 浓度、烟气可见度、火场温度分布的对比结果逐项进行了综合分析，通过计算得到了以下结论并提出相应建议.

1）通过对比3 种不同类型的火灾模拟仿真系统运行的场景，对该3 种火场仿真场景显示出数据信息进行大量直观清晰的图片对比及展示，并进行深入的数据比较及分析，火灾场景中的能见度、CO 浓度、火场温度要素均有较明显的改变.更直观真实地反映了现实中老旧活动中心建筑的火灾的发展趋势及变化规律.

2）通过BIM建模，结合FDS软件，结果表明：在火源位置保持不变情况下，火灾发生时窗户皆关闭，建筑内逃生楼梯间CO 浓度上升越快、能见度下降越快，温度达到人体临界的越快，给人员逃生带来极大威胁；火灾发生时有部分窗户打开，该窗户距离火源越近（距离逃生楼梯越远），建筑内逃生楼梯间温度、CO浓度上升相对较快，能见度下降变化不显著.其中，窗户开启比窗户关闭在火灾CO 浓度、能见度、温度到达临界时间至少分别降低41.3%、11.8%、16.3%.

3）通过BIM 整合FDS 软件计算结果，为防止火灾造成严重的人员伤亡及财产损失提供支持，通过向基层政府的应急和管理相关单位负责人提建议，要求老旧活动中心小区物业工作人员加强对公共消防与安全生产知识技能的普及和宣传，并将消防通道、楼梯间的窗户保持开启状态以确保老旧活动中心处于安全状态；通过联系周遭群众定期举办消防演练活动，帮助小区居民建立并提高逃生防火意识.