路莊

（寧波市消防救援支隊，浙江 寧波 315000）

0 引言

酒店作為一個高層擁擠場所，所發(fā)生的火災通常會造成巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失，而且在酒店高層發(fā)生的火災撲滅難度極大，給社會帶來非常惡劣的影響[1]。根據(jù)中國消防局統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2020年共發(fā)生6320起酒店火災，燒毀建筑14508平方米，直接財產(chǎn)損失5763.7萬元?；馂恼{查是一種確定火災原因的有效方法，它可以重建火災發(fā)展過程并判斷火災責任人?；馂娜紵囼炇悄壳白顪蚀_的火災調查方法，但該方法存在技術難度大、成本高、耗時長等缺點[2]。隨著計算機技術的發(fā)展，計算機模擬技術為研究火災發(fā)生發(fā)展過程提供了新的方法和手段，成為火災科學研究中最經(jīng)濟、最有效的工具。本文將基于理論方法的計算機模擬技術應用于酒店火災分析?；馂哪M軟件FDS（Fire Dynamics Simulator）廣泛用于計算酒店火災蔓延過程，研究火災發(fā)展、煙霧蔓延、死亡原因，同時與火災現(xiàn)場的結果進行對比研究，以驗證火災事故調查的正確性[3]。

1 FDS模擬方法概述

火災場景重建有助于調查人員識別特定空間中的火災行為。利用計算流體動力學軟件進行火災現(xiàn)場模擬，可以為火災調查提供依據(jù)。這種模擬方法可以通過描述燃料配置、通風效果、建筑物設計、手動或自動系統(tǒng)和火源的影響來再現(xiàn)火災場景、重建火災過程、解釋火災發(fā)展和演示煙霧運動[4]。將模擬結果與調查數(shù)據(jù)進行比較，可以得到更多關于火災和煙霧發(fā)展的證據(jù)。本文使用FDS模擬方法，模擬某地區(qū)的酒店火災。通過比較現(xiàn)場燃燒證據(jù)和疏散人員描述，其結果顯示了對火災發(fā)展和煙霧運動的良好預測。本文還提供了火災模擬在實際火災現(xiàn)場調查中的應用[5]。

火災動力學模擬（FDS）是一種計算流體動力學的仿真模型，用于描述火災中煙氣和熱氣的流動。它數(shù)值求解適用于低速熱驅動煙氣流動和火災熱傳輸?shù)腘avier-Stokes方程。FDS旨在解決消防工程師的實際火災問題，同時為研究基本火災動力學和燃燒提供工具。FDS中有一個顯著的特點，即K-eturbulence建模。它可以描述復雜幾何形狀的火災，并結合了各種各樣的物理現(xiàn)象。它還可以用于引入大渦動輸運系數(shù)來描述未解析的質量、動量和能量通量?，F(xiàn)在，該模型已應用于基于性能的消防安全設計、煙霧控制系統(tǒng)設計、灑水器/探測器激活研究以及住宅/工業(yè)改造。它也將成為火災調查和火災現(xiàn)場重建的有用工具。

2 火災調查對象

本論文研究的火災調查酒店為七層框架結構，建筑面積1350平方米，高度23.6米。第一層的街道部分是酒店大堂。在第一層和第二層之間設置夾層，用于員工宿舍和員工活動室。酒店共有40間客房和53張床位，從第二層到第七層布置。酒店僅有1.4米寬的室內木樓梯和0.7米寬的室外鋼樓梯。酒店的火災報警系統(tǒng)和自動噴水滅火系統(tǒng)在焊接防盜窗時被禁用?；馂陌l(fā)生后，酒店值班人員接到客人報警，未能及時進行現(xiàn)場確認和疏散?；馂陌l(fā)生于2019年10月13日凌晨，直接造成10人死亡、4人受傷，總計財產(chǎn)損失603645元。

相應的死亡點編號如下所示?？偣灿芯艂€死亡點，分別用1-9的數(shù)字來表示。死亡人員為10人，分別用A-J來表示。其中，A、B、C三個死亡人員的死亡位置為夾層中三個不同的宿舍，對應的死亡點編號分別為1、2、3；D的死亡位置為2樓走道，死亡點編號為4；E的死亡位置為2樓房間，死亡點編號為5；F的死亡位置為3樓房間，死亡點編號為6；G的死亡位置為6樓樓梯，死亡點編號為7；H和I的死亡位置在第六層的同一間客房，對應的死亡點編號為8；J的死亡位置為7樓房間，死亡點編號為9。

2.1 FDS模型建立

酒店大樓長16.6米，寬11米，部分高26米?；馂恼{查結果表明，火災發(fā)生地點在閣樓工作人員活動的室內，北側距玻璃墻2.8m，東側距鋁合金隔墻2.4m?；鹪词歉采w在電爐內的加熱被子。根據(jù)施工平面圖和事故調查數(shù)據(jù)，創(chuàng)建內部幾何空間的1:1模型。員工活動室內配備木制桌椅、高低柜和電視柜，火災現(xiàn)場模型由FDS建立，采用局部網(wǎng)格細化方法，火源位置附近網(wǎng)格單元為0.1m×0.1m×0.1m、網(wǎng)格數(shù)為200000，其他位置網(wǎng)格單元為0.2m×0.2m×0.2m、網(wǎng)格數(shù)為600000。

設定單位熱釋放率為每平方米4219KW，火災增長系數(shù)為0.01172KW/s2，熱釋放率在240秒左右達到峰值?；馂哪M過程應該遵守以下規(guī)則：火災發(fā)生在一層和二層之間的夾層上，初始溫度設定為環(huán)境溫度20℃。室外對室內流場無影響，門窗等開口的初速度為零。樓梯間的窗戶和一樓的出口被打開，而房間的窗戶被關閉。

2.2 火災發(fā)展過程模擬

結合FDS軟件的數(shù)值分析結果，通過定性和定量分析，得到災后數(shù)據(jù)和火災檢測信息。利用FDS軟件對酒店火災增長過程進行數(shù)值重建。點火后，取暖被覆蓋在電烤箱中，木椅于294秒放置在起火點的東側，一樓夾層火災于361秒達到全盛，火災于445秒蔓延至一樓和二樓之間的樓梯間。480秒時，火勢蔓延至頂樓。火災沿著樓梯蔓延，走廊與樓梯相連，房間都受到不同程度的燃燒。這與火災現(xiàn)場調查的現(xiàn)象相符。

通過FDS軟件對酒店火災煙氣蔓延過程進行數(shù)值重建。火災發(fā)生后，煙氣迅速蔓延，128秒時，煙氣蔓延至夾層和二樓樓梯間?；馂陌l(fā)生后202秒、253秒、274秒和344秒，隨著煙氣量的增加和“煙囪效應”的出現(xiàn)，煙氣逐漸擴散到三層、四層、五層和六層?；馂陌l(fā)生后478s，各樓層房間內有煙進入，煙根沉入地面，不利于人員疏散。

2.3 人員死亡原因分析

在火災事故中，導致人員死亡的原因有很多，包括高溫、窒息、中毒、燒死等。本文主要分析了一氧化碳中毒、缺氧和高溫在人員死亡過程中的主要作用。在FDS模擬結果中發(fā)現(xiàn)每層樓梯以及與樓梯間相連的通道溫度在火災后480s達到最高值。其中，樓梯間最高溫度為620℃，二樓的房間最高溫度為670℃。該溫度遠高于人類生存的臨界溫度131℃。由于在火災發(fā)生約220秒后，死亡點1、2和3上方約1.5米處的溫度達到人體的閾值溫度，因此處于第1點、第2點和第3點死亡狀態(tài)的人員最有可能是因為高溫灼傷而死亡的。

一氧化碳中毒的原因是一氧化碳與血紅蛋白結合滲透到人體內，穿透血紅蛋白后再與氧氣結合，導致人體缺氧甚至死亡。在FDS模擬結果中發(fā)現(xiàn)一氧化碳的濃度隨時間增加而增加。300秒后火災樓層中的一氧化碳濃度將超過500ppm，在這種情況下，很容易在短時間內造成人員死亡。由于在二樓走道存在死亡點4，當煙氣到達樓梯間時，二樓走道將迅速充滿煙氣。500s后二樓走道中的CO濃度將超過500ppm，人員體能將迅速下降直至導致死亡。在2樓和3樓房間內的死亡點5和6的一氧化碳濃度不會導致死亡。由于樓梯間門處有死亡點7，當煙氣在500秒后到達樓梯間時，濃度將超過1750ppm，高濃度的一氧化碳將立即導致人員死亡。在6樓和7樓房間中的死亡點8和9，煙氣將延遲到達，并且一氧化碳濃度較低。綜上所述，如果在死亡點1、2、3、4、7發(fā)生火災后500秒不及時進行救援或疏散，將因一氧化碳濃度過高而導致死亡。由于一氧化碳的影響，人員行動能力會迅速下降直至導致人員窒息死亡。

煙氣中的一氧化碳、二氧化碳、氰化氫等氣體與人體內的血紅蛋白發(fā)生強烈的絡合作用，對人體危害極大。這將使氧氣失去與血紅蛋白的絡合作用，然后導致人死于呼吸性缺氧。通過FDS模擬分析每個死亡點在同一時間氧氣濃度的變化情況。分析結果顯示，氧氣濃度越低火災持續(xù)時間越長。在250秒時，夾層中的氧氣濃度小于10%?；馂陌l(fā)生時，在夾層中的低氧氣濃度下，人員幾乎無法生存。由于該層與防火層相鄰，煙氣首先到達二層，450秒后氧氣濃度低于10%，被困人員可能在短時間內窒息死亡。死亡點7位于樓梯出口處，煙霧可立即到達，450秒后氧氣濃度低于5%。死亡點5、6、8和9位于客房，在救援人員到達之前，這四個死亡點的氧氣濃度遠高于10%，且該濃度不會導致死亡?？紤]到能見度的影響，如果不及時疏散，被困人員可能會死亡。上述分析表明，氧氣濃度受煙霧傳播的影響很大。夾層、樓梯和走道中的氧氣濃度較低。因此，被困在夾層樓梯和走道中的人員可能死于窒息。550秒后客房的氧氣濃度也很低，應及時采取救援措施。

3 結語

利用FDS仿真軟件對酒店火災現(xiàn)場進行了數(shù)值重建。結合火災調查資料，得出以下結論：第一，在酒店火災發(fā)生后361秒，層間火災達到全盛時期；酒店火災發(fā)生后478秒，每層房間都有煙霧進入，同時煙霧沉入地面。第二，處于死亡點1、2和3的被困人員可能死于火災后220秒的高溫；如果在死亡點1、2、3、4、7發(fā)生火災后500秒不及時救援或疏散，將因一氧化碳濃度高而導致死亡；被困在層間樓梯和走道中的人員可能因窒息死亡。第三，數(shù)值模擬結果包括火災的發(fā)展過程、煙氣的擴散以及各死亡點的死亡原因，與火災調查結果吻合較好，說明利用數(shù)值模擬重建火災場景是可行的、有效的。