潘長(zhǎng)城PAN Chang-cheng；郭建中GUO Jian-zhong

（首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100070）

（College of Safety and Environmental Engineering，Capital University of Economics and Business，Beijing 100070，China）

0 引言

近年來(lái)，高校學(xué)生食堂火災(zāi)時(shí)有發(fā)生，但一直都沒(méi)有引起社會(huì)的足夠重視，其中的原因可能是因?yàn)榇蠖鄶?shù)火災(zāi)發(fā)生之后處理及時(shí)，并沒(méi)有造成人員傷亡的發(fā)生。但因?yàn)槭程檬侨肆髁繕O大的區(qū)域，發(fā)生火災(zāi)后動(dòng)則上千人的大疏散，這樣不僅嚴(yán)重影響了學(xué)校師生的生活秩序、造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失，而且容易引起學(xué)生恐慌，萬(wàn)一處理不及時(shí)且人員疏散工作不到位，則易發(fā)生踩踏等事故，最終的損失不可估量。基于此，筆者認(rèn)為對(duì)學(xué)生食堂火災(zāi)及人員疏散進(jìn)行研究是很有必要的。目前，國(guó)內(nèi)外用得較為廣泛的火災(zāi)和人員逃生模擬軟件是FDS（Fire Dynamics Simulator）和Pathfinder，例如，徐艷秋等[1]利用FDS 軟件研究火場(chǎng)下的人員疏散模型，分析了不同的人員特點(diǎn)對(duì)疏散效率的影響。樂(lè)增等[2]利用FDS 與Pathfinder 對(duì)學(xué)生宿舍火災(zāi)與人員疏散進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了宿舍發(fā)生火災(zāi)時(shí)煙氣運(yùn)動(dòng)、溫度的分布和能見度的變化規(guī)律，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)消防工作具有一定的指導(dǎo)作用。根據(jù)筆者在知網(wǎng)上查詢的文獻(xiàn)顯示，在學(xué)?；馂?zāi)研究中，主要是針對(duì)學(xué)生宿舍，圖書館等區(qū)域的研究，而對(duì)學(xué)生食堂火災(zāi)的研究還鮮有文章提及。所以，筆者在查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合火災(zāi)模擬軟件FDS 和人員逃生軟件Pathfinder，建立學(xué)生食堂數(shù)值模擬模型，并對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析，以期為高校學(xué)生食堂的消防防火管理方案提供理論參考。

1 FDS 與Pathfinder 簡(jiǎn)介

FDS（Fire Dynamics Simulator）是由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局開發(fā)的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬工具，是計(jì)算流體力學(xué)的一種模型，模擬火的能量驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)。該軟件把設(shè)定空間分成多個(gè)小的三維矩形控制體或計(jì)算單元，計(jì)算每個(gè)單元內(nèi)氣體密度，速度，溫度，壓力和組分濃度用質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒的偏微分方程來(lái)近似有限差分，通過(guò)對(duì)同一網(wǎng)格使用有限體積技術(shù)來(lái)計(jì)算熱輻射、流體流動(dòng)中存在湍流現(xiàn)象，追蹤預(yù)測(cè)火災(zāi)氣體的產(chǎn)生和移動(dòng)，并結(jié)合家具、墻壁、地板和頂棚的材料特性來(lái)計(jì)算火災(zāi)的增長(zhǎng)和蔓延。

Pathfinder 是由美國(guó)Thunderhead engineering 公司開發(fā)的一個(gè)基于人員進(jìn)出和運(yùn)動(dòng)的模擬器。它提供了圖形用戶界面的模擬設(shè)計(jì)和執(zhí)行，以及三維可視化工具的分析結(jié)果。該運(yùn)動(dòng)的環(huán)境是一個(gè)完整的三維三角網(wǎng)格設(shè)計(jì)，以配合實(shí)際層面的建設(shè)模式。Pathfinder 可以導(dǎo)入FDS 模型，F(xiàn)DS 在模擬火災(zāi)的同時(shí)，可以在相同時(shí)間內(nèi)模擬人員疏散。這樣既直觀，又有可靠的數(shù)據(jù)，還可以分析出人員疏散的最佳時(shí)間，減少人員傷亡。

2 火災(zāi)與人員疏散模型建立

2.1 FDS 火災(zāi)模型建立 筆者以某高校學(xué)生食堂為對(duì)象，建立FDS 火災(zāi)模型。該學(xué)生食堂為三層建筑，層間距為5m，食堂的第一層的平面布置圖如圖1 所示。該學(xué)生食堂的每一層布置相似，為了在方便建立模型，又不影響模擬結(jié)果的條件下，筆者在原食堂CAD 圖紙的基礎(chǔ)上進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，圖中的C 區(qū)域是食堂的主餐廳，為學(xué)生、老師的集中用餐區(qū)，中間部分為取飯?zhí)帲珹 區(qū)域?yàn)閺N房（主要研究對(duì)象），D 區(qū)域?yàn)榇娣攀巢牡牡胤健３艘酝?，圖中的中上部為食堂的主樓梯，右下部為食堂的側(cè)樓梯，B 區(qū)域?yàn)槭程玫拇箝T。

圖1 食堂一層平面布置圖

在建立完幾何模型后，再進(jìn)行火源的設(shè)置。為模擬出食堂火災(zāi)最嚴(yán)重的情景，筆者將火源設(shè)置在食堂一層的廚房操作間中，這樣設(shè)置的原因如下：①在筆者查閱的近幾年食堂火災(zāi)的新聞中，幾乎都是廚房著火。②廚房的可燃物最多，操作間的廚師稍有不慎都有可能會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)的發(fā)生。③目前高校的學(xué)生食堂中，大量存在著私人承包的現(xiàn)象，而這些私人營(yíng)業(yè)者往往安全意識(shí)不足，且管理上缺乏制度的約束，這將會(huì)讓火災(zāi)發(fā)生的可能性大大增加。

2.2 Pathfinder 人員疏散模型建立 建立完FDS 火災(zāi)模型后，由于FDS 與Pathfinder 所建立的模型可以相互導(dǎo)入。所以，只要將建立完成的火災(zāi)模型導(dǎo)入到Pathfinder 中即可，對(duì)多余的摭擋物進(jìn)行刪除處理后得到人員疏散的幾何模型。然后對(duì)幾何模型中各區(qū)域進(jìn)行相關(guān)人員密度的設(shè)置，該參數(shù)可以采用Pathfinder 軟件中的推薦密度進(jìn)行設(shè)置，對(duì)于餐廳區(qū)域的人員密度采用1.39m2/人，其它區(qū)域采用5.57m2/人。

在Pathfinder 軟件中人的行為模式有兩種：Steering 模式和SFPE 模式。SEPF 模型是一個(gè)流動(dòng)模型，它的前進(jìn)速度由每個(gè)房間的人員密度決定并且通過(guò)門的流體是由門寬控制的。而Steering 指導(dǎo)模式是使用路徑規(guī)劃指導(dǎo)機(jī)制碰撞處理相結(jié)合控制人員運(yùn)動(dòng)的，因而Steering 模式更能準(zhǔn)確反應(yīng)人員逃生的具體情況。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 FDS 火災(zāi)模擬結(jié)果 在火災(zāi)模擬過(guò)程中，往往需要對(duì)煙氣高度、能見度、溫度等參數(shù)進(jìn)行著點(diǎn)分析比較。而且有研究表明，在火災(zāi)中有2/3 以上的死亡者是由煙氣所致[3]，因此對(duì)煙氣進(jìn)行分析將是研究的重點(diǎn)。圖2 為模擬所得一樓到三樓的煙氣高度的曲線圖形。

3.2 人員疏散模擬結(jié)果 在Pathfinder 中設(shè)定模擬時(shí)間為650s，并且默認(rèn)人們對(duì)所有的出口都是熟知的，速度區(qū)間設(shè)置為1.13m/s～1.26m/s，得到的模擬結(jié)果如圖3 所示。

圖2 3 個(gè)樓層煙氣高度曲線圖

圖3 第55s 時(shí)的人員疏散情況

3.3 模擬結(jié)果分析 結(jié)合FDS 與Pathfinder 的模擬結(jié)果可以看出：煙氣層的高度為決定有效安全疏散時(shí)間的最關(guān)鍵的因素。210s 時(shí)，二樓樓梯口的煙氣層高度已經(jīng)達(dá)到使逃生人員無(wú)法繼續(xù)逃生的臨界值1.5m。所以有效安全疏散時(shí)間為210s，這意味著，所有逃生人員需要在210s 之內(nèi)逃離食堂的第二層；在人員疏散過(guò)程中，每層樓的主樓梯口與側(cè)樓梯口均容易出現(xiàn)“成拱”現(xiàn)象，人與人之間相互擠壓，萬(wàn)一疏散指揮不利造成“拱塌”，則會(huì)出現(xiàn)踩踏事件，嚴(yán)重影響到師生的生命財(cái)產(chǎn)安全；通過(guò)模擬還發(fā)現(xiàn)，在火災(zāi)最嚴(yán)重的情況下，由Pathfinder 模擬出的需要安全疏散時(shí)間（613s）遠(yuǎn)大于有效安全疏散時(shí)間（210s），因此，對(duì)該食堂的火災(zāi)報(bào)警、噴淋設(shè)施進(jìn)行合理重新設(shè)置是非常有必要的，同時(shí)加裝防火樓梯也將大大縮短人員的逃生時(shí)間。

4 結(jié)論

筆者通過(guò)對(duì)某高校的學(xué)生食堂進(jìn)行火災(zāi)的數(shù)值模擬分析，可以發(fā)現(xiàn)：①該模型能有效模擬食堂火災(zāi)的實(shí)際情況，能為學(xué)生食堂的消防安全工作提供有力的數(shù)據(jù)支持。②煙氣層高度為影響人員疏散的最為關(guān)鍵的因素，因此，如果在火災(zāi)情景下減少煙氣對(duì)人員逃生的影響，有效的爭(zhēng)取到逃生時(shí)間，將是下一步研究工作的重點(diǎn)。③私人承包現(xiàn)象在大多數(shù)高校食堂中普遍存在，要解決食堂火災(zāi)的問(wèn)題，就必須從人員的管理上著手，完善私人承包制度，增強(qiáng)人員消防安全意識(shí)，規(guī)范食堂日常管理才是根本的解決之道。

[1]徐艷秋，王振東.基于Pathfinder 和FDS 的火場(chǎng)下人員疏散研究[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2012，8（2）：50-54.

[2]樂(lè)增,金潤(rùn)國(guó),毛龍等.高校宿舍火災(zāi)數(shù)值仿真模擬[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2009,5（2）:51-55.

[3]Purser D.Toxicity assessment of combustionproducts[A].P.J.DiNennoThe SFPE Handbook of fireprotectionengineering [C].Boston，1998.