吳 壯 亢 永 趙孟孟 馬書業(yè)

(北京石油化工學院，北京 102617)

0 引言

近幾年，高校學生宿舍樓火災事故時有發(fā)生， 2015-2019年全國發(fā)生高校宿舍火災2314起，平均每天發(fā)生高校宿舍火災事故1.3起[1]。高校學生宿舍樓屬于人員高聚集場所，學生在宿舍內(nèi)使用違規(guī)電器、吸煙等行為都可能引起火災事故，而宿舍內(nèi)易燃物質(zhì)多，比如學生的被褥衣物及生活用品等，一旦發(fā)生火災事故，蔓延速度極快，瞬間釋放出大量黑色煙霧，嚴重影響人員疏散，極易造成不可估量的后果。

學生宿舍樓火災一直是學者研究的熱點，影響學生宿舍樓火災發(fā)展的因素有很多，鄒馨捷、龍新峰等[2-3]基于Pyrosim和Pathfinder研究學生宿舍門窗開閉狀態(tài)對宿舍火災發(fā)展規(guī)律的影響；Zhen Xu等[4]學者提出地震對學生宿舍噴淋系統(tǒng)影響的預測模型，研究噴淋系統(tǒng)對學生宿舍火災發(fā)展規(guī)律的影響；Baalisampang Til等[5]提出三角形安裝火災探測器模型，可減少探測器的激活時間，并結合機械排煙系統(tǒng)減小火災損失；唐莉青[6]基于Pyrosim研究防火門對高層建筑火災發(fā)展規(guī)律的影響。由于學生宿舍樓內(nèi)部結構較為復雜，不同著火點火災的發(fā)展規(guī)律也有所差異，張愛然等[7]模擬高校宿舍不同著火點的火災危險時間，但作者只考慮溫度和能見度對疏散的影響，對高校宿舍火災發(fā)展規(guī)律的研究還不夠全面。

由于學生宿舍樓難以以試驗方式來研究其發(fā)展規(guī)律，故一直以來學生宿舍樓火災發(fā)展規(guī)律缺少實驗數(shù)據(jù)，Pyrosim是美國國家標準與技術研究院發(fā)布的一款火災動態(tài)模擬軟件，Qi Sun等[8]以美國椰子林夜總會火災事故為已知模型，通過建筑信息模型軟件對椰子林夜總會1∶1建模，以Pyrosim模擬火災發(fā)展規(guī)律和傷亡人數(shù)得出的模擬結果與真實事故相差無幾，這從側面印證Pyrosim模擬室內(nèi)火災事故的可行性，Pyrosim可以仿真模擬火災發(fā)展的溫度、能見度、煙氣層高度、CO濃度等參數(shù)，能較全面的得出火災發(fā)展規(guī)律。本文以Pyrosim為基礎，設置4種不同工況，綜合考慮溫度、能見度、煙氣層高度、CO濃度的發(fā)展規(guī)律，全面還原不同工況下學生宿舍樓的火災發(fā)展規(guī)律，從而為人員疏散及建筑防火設計提供參考。

1 模型建立

1.1 Pyrosim火災模擬理論

Pyrosim結合四大守恒方程及氣體狀態(tài)方程來仿真模擬火災動態(tài)過程[9]：

(1)能量守恒方程：

(1)

式中：

ρ—氣體密度，kg/m3；

h—比焓，J/kg；

u—速度矢量，m/s；

p—壓力，Pa；

q″—熱通量矢量，W/m2；

q?—單位體積的熱釋放速率，W/m3；

φ—耗散函數(shù)，W/m3。

(2)動量守恒方程：

(2)

式中：

gn—重力矢量，通常為(0，0，-g)，g為重力加速度，g=9.8m/s2；

f—外部矢量，kg/(m2·s2)；

τij—牛頓流體粘性應力張量，Pa。

(3)質(zhì)量守恒方程：

(3)

(4)組分守恒方程：

(4)

式中：

Yi—組分i的質(zhì)量分數(shù)；

Di—組分i的擴散系數(shù)，m2/s；

Wi—單位體積第i種組分的質(zhì)量生成速率。

(5)氣體狀態(tài)方程：

(5)

式中：

T—氣體溫度，K；

R—氣體常數(shù)，R=8.314J/(mol·K)；

Mi—組分i的分子量。

1.2 Pyrosim模型及參數(shù)設置

模擬以安徽某高校男生學生宿舍樓為現(xiàn)實基礎，建立1∶1模型，研究高校學生宿舍樓不同著火點的火災發(fā)展規(guī)律。學生宿舍樓共6層，除1層外每層有28個房間，整棟宿舍樓共有5個安全疏散口，一個為學生宿舍樓大門供學生平常進出宿舍，其余4個只供緊急疏散使用，如圖1。首先建立一個56m×20m×23.2m的計算域，將計算域網(wǎng)格劃分成406 000個0.4m×0.4m×0.4m大小的網(wǎng)格；根據(jù)著火點的不同，將模擬工況分為4種(見表1)，火源面積設為1.5m×1.5m×1.5m的方形火源，采用快速火模型，火源熱釋放速率為1000kW/m2[10]，這是由于宿舍內(nèi)的被褥衣物、木制床板等都為極易燃物品，遇到點火源會在短時間劇烈燃燒形成一個熱源向周圍輻射熱量并伴隨大量黑色煙霧蔓延。

圖1 安徽某高校宿舍模型建立

表1 高校宿舍火災工況場景設置

2 結果分析與討論

2.1 溫度分析

溫度分布是火災發(fā)展的重要參數(shù)之一，由溫度分布規(guī)律可以得出學生宿舍樓火災的熱對流路徑，為安全疏散提供參考，也是判斷人群是否可以安全疏散的重要參數(shù)，本模擬取室內(nèi)2m高度處的溫度大于60℃為安全疏散的臨界值[11]。工況一至工況四著火點中心處的X軸溫度切片，如圖2。雖然著火點的熱釋放速率都為1 000kW/m2，但X軸切片最高溫度卻相差很多，由于工況一、三、四都是發(fā)生在房間內(nèi)的小空間火災，著火點短時間釋放大量熱量而且房間內(nèi)通風質(zhì)量不佳，導致房間內(nèi)溫度迅速上升，最高溫度超過500℃，大大超過人體所能承受的60℃；工況二對比其他工況最高溫度只有170℃，這可能是由于工況二的著火點在1層樓梯轉臺下方，不是密閉空間且靠近疏散口，火源釋放的熱量通過對流、輻射等方式傳遞至宿舍外或向高樓層蔓延造成的。

圖2 不同著火點房間X軸切片

宿舍走廊是安全疏散的必要通道，走廊通道的溫度對于安全疏散至關重要?；馂陌l(fā)生300s時4種工況條件下各樓層走廊的溫度切片，如圖3。工況一、三、四都是發(fā)生在房間內(nèi)的火災，但工況一、工況四的最高溫度都在80～90℃之間，工況三的最高溫度達到110℃，造成這一差距的原因可能是工況三的著火點在樓層中部，距樓梯道較遠，熱對流受限，導致溫度積聚；工況二走廊溫度最低，對人體傷害也最小，在300s時最高溫度為60℃，但工況二的溫度輻射范圍最廣，影響范圍最大，幾乎遍布所有樓層。

圖3 走廊處Y軸溫度切片

1層樓梯轉臺是疏散的必經(jīng)之路，轉臺溫度是否在人體可接受范圍內(nèi)是關乎安全疏散的重要參數(shù)。本模擬在各工況的1層樓梯轉臺處均設置熱電偶探測器，由于工況一、四的著火點都在2層以上的房間內(nèi)，故對1層樓梯轉臺溫度幾乎無影響，始終在可接受溫度范圍內(nèi)；工況三的著火點在1層房間內(nèi)，由于煙氣擴散伴隨著熱量輻射，造成1層樓梯轉臺溫度上升12℃左右；工況二時1層樓梯轉臺處溫度在50s時就達到60℃，100s時接近140℃，遠遠超過人體所能承受的溫度，所以在工況二情境下疏散應盡量避開著火點所在樓梯道，如圖4。

圖4 工況二、三1層樓梯轉臺處溫度

2.2 煙氣層高度分析

火災疏散的困難不只在于高溫的影響，更多的是因為可燃物不完全燃燒所產(chǎn)生的微小固體煙霧顆粒對人體的傷害，而宿舍火災產(chǎn)生的微小固體煙霧顆粒會在樓梯間形成蓄煙池效應，直接影響高層人員的疏散，這也是很多火災事故的致死原因并非高溫而是窒息[12]。劉世松[13]給出煙霧層安全高度的定義一般式：

Hs≥Hc=Hp+0.1Hb

(6)

式中：

Hs—清晰高度，m；

Hp—人員平均高度，m；

Hb—建筑內(nèi)部高度，m；

Hc—危險臨界高度，m。

本模擬為男生宿舍，人員平均高度取1.7m，建筑內(nèi)部高度為3.5m，通過式(6)計算保守選取1.9m為危險臨界高度。工況一、三、四都是室內(nèi)小空間火災，著火點房間煙氣層高度下降曲線，如圖5。由圖5可知，著火點房間煙氣層高度在火災發(fā)生5s內(nèi)就已經(jīng)下降到危險臨界高度，10s后火源產(chǎn)生煙霧的速度與煙霧擴散速度達到動態(tài)平衡，最終煙氣層高度穩(wěn)定在1.5m。

圖5 著火點房間煙氣層高度下降曲線

Pyrosim的3D Smoke可以直觀看到火災的發(fā)展情況，有利于研究煙霧的擴散規(guī)律?；馂陌l(fā)生300s時各工況火災煙霧的擴散情況，如圖6。工況一、三、四的煙霧擴散規(guī)律相似：煙霧從著火點房間向外擴散，主要沿著走廊向樓梯擴散，先在火源點近處的樓梯道上方積聚，隨著時間推移煙霧逐漸擴散至另一側樓梯道并在其上方積聚，但中間宿舍內(nèi)的煙霧濃度較低，幾乎不受影響；工況二情境下火源產(chǎn)生的煙霧順著樓梯道向頂層擴散，導致頂層各個房間均有不同程度的煙霧積聚，且2-5層房間也有少量煙霧積聚，但1層房間幾乎沒有煙霧積聚。

圖6 各工況情景下煙霧擴散積聚實況圖

2.3 能見度分析

煙霧擴散會影響宿舍內(nèi)部的能見度，根據(jù)澳大利亞《消防工程師指南》給出的能見度標準，取樓層2m處能見度低于5m為臨界值，當能見度低于臨界值時就會影響人員疏散，且能見度降低可能會引發(fā)踩踏事件，造成二次傷害。為研究上述4種工況火災下的能見度情況，在各樓層2m處設置能見度切片，并將2m處能見度小于5m區(qū)域設為危險區(qū)域。從圖7可以看出，工況一火災著火點在2層房間內(nèi)且靠近右側，火源產(chǎn)生的煙霧通過一側窗戶及時排出宿舍外，對除著火點房間以外的其他區(qū)域影響較小，各樓層走廊、房間能見度都在可接受范圍內(nèi)，但3層樓梯轉臺處能見度較低；工況二火災下，由于著火點在1層樓梯轉臺下方，形成煙囪效應，煙霧順著樓梯道向上擴散，迅速在頂層積聚大量煙霧，能見度很快降低至5m以下，并開始向走廊擴散，300s時頂層走廊能見度基本處于10m以下，靠近著火點樓梯一側的房間和走廊已經(jīng)低于可接受能見度，隨著樓層的降低不可接受能見度的覆蓋區(qū)域向樓梯道縮減，但著火點樓梯道的能見度始終處于不可接受范圍內(nèi)；工況三火災下，300s時1層著火點及樓層兩側能見度較低，其他樓層能見度基本都在可接受范圍內(nèi)；工況四火災下，1-2層的能見度幾乎不受影響，3-5層的能見度基本都在5m以上，頂層樓梯道及其附近房間受煙霧影響較大，能見度較低。

圖7 各工況下能見度分布情況

2.4 CO濃度分析

CO可與人體血液中的血紅蛋白結合，使血紅蛋白失去運送氧氣的能力，導致人體因缺氧窒息死亡，這里參考Mingxin Li等[14]所采用的人體在不同濃度CO中的傷害程度，見表2。

表2 不同濃度CO對人體傷害程度

本模擬選取的材料為尼龍材料，燃燒時產(chǎn)生大量的有毒有害混合氣體，工況一、三、四著火點附近的區(qū)域均在10s內(nèi)達到致死濃度，工況二由于煙霧擴散范圍大，產(chǎn)生的CO被及時稀釋，故CO濃度積聚相對較慢，如圖8。

圖8 各工況著火點房間內(nèi)CO濃度

3 消防安全措施建議

本模擬以安徽某大學男生宿舍樓為原型，分析不同著火點下火災溫度、煙霧、能見度、CO濃度等參數(shù)的擴散及傳播規(guī)律，以模擬火災實況圖、切片、曲線圖的形式展現(xiàn)出來，從模擬結果及數(shù)據(jù)可以得到如下消防安全措施：

(1)對比學生宿舍樓4種工況下的火災溫度與煙霧擴散圖，不難發(fā)現(xiàn)兩者的傳播擴散具有高度重合性，這也印證火災溫度主要是以煙霧為介質(zhì)向四周傳播，故及時排除火災煙霧是防火工作的重要一環(huán)。

(2)工況二情境下煙霧在樓梯道發(fā)生煙囪效應，導致煙霧順著樓梯道向上擴散，頂層快速積聚大量煙霧，煙氣層快速下降至危險高度，對頂層人員疏散極為不利，在頂層增加天井、機械排煙等措施可大大降低火災煙霧對疏散的影響。

(3)工況一、三、四情境下，由于熱氣球效應，著火點產(chǎn)生的煙霧會沿著樓層走廊天花板向兩側傳播，積聚在走廊兩側，直到煙霧層積聚到窗戶上邊框時才能排出宿舍外，若在窗戶上方主動安裝機械排風，可有效減少煙霧積聚。

(4)工況一、三、四情境下，著火點房間內(nèi)的煙霧難以及時排除，可燃物燃燒產(chǎn)生的CO積聚，快速達到致死濃度，故消防救援人員應佩戴防毒面具，以防CO中毒。

(5)4種工況下煙霧擴散都是由著火點向頂層和著火點所在樓層走廊兩側擴散，最后聚集在頂層和走廊兩側，當宿舍內(nèi)人員無法安全疏散時，應盡量在較低樓層的中部房間，并緊閉門窗，防止煙霧進入。

4 結論

本文基于Pyrosim研究學生宿舍樓不同著火點位置的火災發(fā)展規(guī)律，綜合考慮溫度、能見度、煙氣層高度、CO濃度等火災重要參數(shù)在4種工況下對人體傷害及學生疏散的影響，結果表明CO濃度可在火災發(fā)生后極短時間達到致死濃度，防范CO中毒是減少火災傷亡的重要途徑；另外本研究較全面地還原各火災工況下學生宿舍樓內(nèi)的溫度及煙霧的發(fā)展規(guī)律，為建筑防火設計及火災疏散路徑規(guī)劃提出防火設計建議。

人為干預會使火災發(fā)展規(guī)律發(fā)生變化，本研究未考慮人為干預對學生宿舍樓火災發(fā)展規(guī)律的影響，下一步還應結合人為干預因素對學生宿舍樓火災發(fā)展規(guī)律進一步探究，以得出更全面的學生宿舍樓火災發(fā)展規(guī)律。