0 引言

近年來(lái)，學(xué)生宿舍火災(zāi)事故屢見(jiàn)不鮮，每年發(fā)生數(shù)百起宿舍火災(zāi)事故，電器設(shè)備是引發(fā)火災(zāi)最主要的因素之一，一些學(xué)校的宿舍樓建于數(shù)十年之前，線路早已老化，完全達(dá)不到現(xiàn)在的安全評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，加之學(xué)生宿舍存在例如拖線板、熱水壺之類的設(shè)備，稍有不慎就會(huì)釀成火災(zāi)，2008年11月14日，上海某高校一女生宿舍因違規(guī)使用電熱快引發(fā)火災(zāi)，致使4人死亡[1]。此外，吸煙也是引發(fā)宿舍火災(zāi)的重要因素之一。學(xué)生宿舍樓一般為4人間或6人間，建筑結(jié)構(gòu)較為單一，單層房間數(shù)量眾多，人員密度大，消防通道不足以滿足短時(shí)間內(nèi)大量學(xué)生的疏散。同時(shí)，宿舍內(nèi)例如床單、被褥、桌椅等物品燃點(diǎn)較低，一旦發(fā)生火災(zāi)，將產(chǎn)生不可估量的損失。

對(duì)于學(xué)生宿舍的火災(zāi)研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的工作。起初，專家學(xué)者們通過(guò)創(chuàng)建實(shí)體模型來(lái)模擬火災(zāi)過(guò)程，但是該方式成本過(guò)高、試驗(yàn)可復(fù)制性不強(qiáng)、結(jié)果精確度不高。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)的出現(xiàn)極大的改善了這些問(wèn)題，借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和成像技術(shù)，使用有限元法或者有限容積分析方法，能夠有效的進(jìn)行不同工況下的火災(zāi)模擬。龍新峰等[2]應(yīng)用Pyrosim研究某六層宿舍樓發(fā)生火災(zāi)時(shí)門(mén)窗全開(kāi)和著火房間窗戶閉合、門(mén)開(kāi)啟狀態(tài)下的煙氣蔓延狀況。鄒馨捷等[3]應(yīng)用Pyrosim研究自動(dòng)噴淋滅火系統(tǒng)是否失效對(duì)火災(zāi)煙氣流動(dòng)的影響，結(jié)果表明在窗戶同時(shí)打開(kāi)的兩種工況下，噴淋系統(tǒng)開(kāi)啟狀態(tài)下煙氣濃度、溫度、能見(jiàn)度改善顯著。王麗等[4]基于FDS+EVAC對(duì)某高校一棟6層宿舍樓的疏散能力進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表明可用安全疏散時(shí)間小于必需安全疏散時(shí)間，并提出增加出口凈寬度和降低人員密度的改善建議。Teeranon Saelao等[5]基于FDS將火源設(shè)置在靠近露天樓梯的房間，研究逃生出口尺寸和是否安裝擋煙板對(duì)建筑疏散的影響，結(jié)果表明，提高門(mén)的尺寸和增加擋煙板能大幅降低疏散時(shí)間。

Pyrosim是一款由美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）研發(fā)的火災(zāi)動(dòng)態(tài)仿真模擬軟件，廣泛用于火災(zāi)發(fā)展和煙氣運(yùn)動(dòng)的研究[6]。Pyrosim在火災(zāi)仿真模擬應(yīng)用的范圍十分廣泛，并且支持FDS和DFX等格式的模型文件的導(dǎo)入，用戶在其設(shè)計(jì)界面可以自己創(chuàng)建模型，設(shè)置邊界條件、火源、著火點(diǎn)和燃燒材料，用于研究不同工況下的火災(zāi)煙氣流動(dòng)規(guī)律，并且可以對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行后處理，運(yùn)行結(jié)束后可以在可視化程序Smokeview中觀察整個(gè)火災(zāi)的各個(gè)發(fā)展階段和煙氣流動(dòng)過(guò)程，通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)置的監(jiān)測(cè)設(shè)備還能生成煙氣溫度、能見(jiàn)度、濃度等火災(zāi)指標(biāo)的變化曲線圖。

1 模型創(chuàng)建

1.1 工程概況

本文研究對(duì)象為某高校一棟男生宿舍樓，共5層，每層樓30個(gè)房間，整棟樓148間房間，其中5間洗衣房、143間學(xué)生寢室，每間房間長(zhǎng)8m，寬6.8m，面積是54.4m2，每層樓層高3m，每間房間可住4人，每層樓有2個(gè)安全出口，樓梯寬度為1.8m。該宿舍樓修建于上世紀(jì)八九十年代，房間內(nèi)電路、水管、桌椅床鋪等設(shè)施投入使用時(shí)間較長(zhǎng)，一些設(shè)備已不符合安全評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，宿舍樓內(nèi)未安裝排煙系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警裝置以及自動(dòng)噴淋滅火系統(tǒng)。

1.2 火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)置

火災(zāi)場(chǎng)景是對(duì)一場(chǎng)火災(zāi)整體發(fā)展過(guò)程的定性描述，并重點(diǎn)體現(xiàn)該次火災(zāi)的特點(diǎn)，以區(qū)別于其他可能火災(zāi)的關(guān)鍵事件[7]。宿舍樓內(nèi)由于書(shū)籍、被褥等可燃物較多，本文研究的是電器由于使用不當(dāng)點(diǎn)燃被褥、書(shū)桌而發(fā)生火災(zāi)。假設(shè)每間宿舍及可燃物布局幾乎相同，床的材質(zhì)是泡棉和紡織物，桌子的材質(zhì)是木料，地板、墻壁、樓梯都是瓷磚、鋼筋混凝土等惰性表面不參與燃燒反應(yīng)。設(shè)置火災(zāi)的類型為快速火，熱釋放速率為1500kW/m2，并設(shè)置該棟宿舍樓的模擬網(wǎng)格，由于模型較大，將網(wǎng)格分割成三部分，左右兩側(cè)的網(wǎng)格單元大小為1.0m*1.0m*1.0m，中間網(wǎng)格單元大小0.5m*0.5m*0.5m，網(wǎng)格總個(gè)數(shù)為123165個(gè)。本次模擬將火源設(shè)置在宿舍樓2F中間房間的桌子旁，模擬電器著火實(shí)驗(yàn)。在該火災(zāi)場(chǎng)景下，分別在每層樓距離樓層地面以上1.9m處設(shè)置監(jiān)測(cè)截面（2D切片），監(jiān)測(cè)煙氣可見(jiàn)度，溫度、一氧化碳、二氧化碳、氧氣等氣體擴(kuò)散情況，假設(shè)所有門(mén)窗都開(kāi)放。

2 FDS模擬結(jié)果分析

2.1 煙氣蔓延情況分析

火災(zāi)往往伴隨大量有毒黑色煙氣產(chǎn)生，一些無(wú)法被及時(shí)排出的煙氣可能會(huì)出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，致使建筑物內(nèi)部能見(jiàn)度迅速降低，人員視線受阻。本文研究火災(zāi)設(shè)置在2F中間某間宿舍內(nèi)，起火后，煙氣在房間內(nèi)迅速蔓延，短時(shí)間內(nèi)能見(jiàn)度劇烈下降。100s時(shí)，黑色煙氣已經(jīng)向相鄰房間蔓延，左右兩側(cè)四個(gè)房間內(nèi)遭到煙氣入侵，除火源附近外其他區(qū)域能見(jiàn)度良好；火災(zāi)持續(xù)到200s時(shí)，煙氣已經(jīng)蔓延至2F所有房間，能見(jiàn)到顯著降低，部分煙氣通過(guò)開(kāi)啟的窗戶排出至室外?；馂?zāi)持續(xù)到300s時(shí)，2F火災(zāi)煙氣蔓延速度降低，煙氣層開(kāi)始下降，越來(lái)越多的煙氣從窗戶排出。

2.2 能見(jiàn)度分析

能見(jiàn)度是衡量火災(zāi)發(fā)展規(guī)模的重要指標(biāo)之一，煙氣中含有大量的固態(tài)或液態(tài)的懸浮顆粒，這些懸浮顆粒對(duì)可見(jiàn)光有吸收、反射和折射作用，對(duì)室內(nèi)能見(jiàn)度產(chǎn)生巨大影響。根據(jù)澳大利亞《消防工程師指南》中的相關(guān)規(guī)定，樓層2m處取能見(jiàn)度低于5m為臨界值，能見(jiàn)度低于此臨界值就會(huì)影響人員疏散[8]。起火后，煙氣沿著中間過(guò)道向兩側(cè)流動(dòng)，大部分房間未遭到煙氣入侵，可視情況良好；64.7s時(shí)，煙氣的蔓延致使整個(gè)過(guò)道的能見(jiàn)度開(kāi)始低于5m，并開(kāi)始向疏散樓梯間入侵，此時(shí)已達(dá)到影響人員疏散的能見(jiàn)度臨界值，2樓全體人員需在此時(shí)間之前到達(dá)疏散樓梯間；火災(zāi)發(fā)展到169.6s時(shí)，整個(gè)2樓全部區(qū)域的能見(jiàn)度都低于5m，如圖1所示，人員疏散撤離時(shí)極易發(fā)生擁擠騷亂情況甚至踩踏事故。

圖1 火災(zāi)場(chǎng)景169.6s時(shí)的能見(jiàn)度5m范圍分布圖

2.3 溫度分析

溫度時(shí)衡量火災(zāi)發(fā)展規(guī)模的另一項(xiàng)重要指標(biāo)，對(duì)人員能否安全疏散至關(guān)重要。正常情況下，人體在超過(guò)80℃的環(huán)境中無(wú)法忍受1h,本文設(shè)定超過(guò)80℃即達(dá)到人類承受臨界值。溫度變化過(guò)程如圖2所示，100s時(shí)，火勢(shì)尚未完全蔓延開(kāi)來(lái)，除火源周邊區(qū)域以外，環(huán)境溫度仍然保持常規(guī)20℃，火源四周溫度上升至200℃以上，火源房間對(duì)面的過(guò)道聚集了大量熱煙氣，溫度高達(dá)620℃；火災(zāi)發(fā)展到200s時(shí)，越來(lái)越多房間涌入高溫?zé)煔?，隨著熱煙氣的擴(kuò)散流動(dòng)，中部過(guò)道區(qū)域溫度有所降低；300s時(shí)，2樓中部區(qū)域溫度穩(wěn)定在300℃左右，高溫區(qū)域面積進(jìn)一步擴(kuò)大，過(guò)道局部區(qū)域溫度達(dá)到80℃，其余大部分區(qū)域溫度無(wú)顯著變化。模擬過(guò)程中，左右兩側(cè)疏散樓梯間的溫度幾乎沒(méi)有變化，對(duì)人員疏散影響不大。

圖2 不同時(shí)刻2樓的溫度分布圖

2.4 CO濃度分析

火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣中，一氧化碳是最危險(xiǎn)的劇烈有毒氣體[9]。當(dāng)人體吸入一氧化碳后，血液中的血紅蛋白與其結(jié)合形成碳氧血紅蛋白，從而喪失運(yùn)輸氧氣的能力，造成人體內(nèi)器官缺氧中毒。不同濃度下人體可承受限度如表1所示，本文設(shè)定濃度超過(guò)1*10-3mol/mol則會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危險(xiǎn)。

表1 不同濃度一氧化碳人體可承受的時(shí)間及癥狀統(tǒng)計(jì)表

一氧化碳的濃度變化如圖3所示，起火房間一氧化碳濃度快速上升，10秒鐘就到達(dá)人體可承受一氧化碳濃度，此時(shí)若該房間內(nèi)尚有人員未及時(shí)撤離，隨著一氧化碳濃度的繼續(xù)升高，將會(huì)有生命危險(xiǎn)，最高濃度將近6*10-3mol/mol，在120s后穩(wěn)定在5*10-3mol/mol左右。65s時(shí)煙氣到達(dá)左右兩側(cè)樓梯間，隨后樓梯間CO濃度緩緩上升，左側(cè)樓梯間在165.3s時(shí)濃度達(dá)到1*10-3mol/mol，突破人體承受范圍，對(duì)未疏散人員將產(chǎn)生巨大威脅。右側(cè)樓梯間在模擬過(guò)程中CO濃度始終低于1*10-3mol/mol，在人體可承受的范圍之內(nèi)。

圖3 2樓不同位置的CO濃度變化圖

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

本文為研究學(xué)生宿舍火災(zāi)煙氣發(fā)展規(guī)律和危險(xiǎn)性，利用Pyrosim研究某學(xué)生宿舍樓2樓中間宿舍電器使用不慎起火的情況，驗(yàn)證在門(mén)窗開(kāi)啟，無(wú)防排煙、無(wú)自動(dòng)噴淋系統(tǒng)狀態(tài)下的火災(zāi)煙氣蔓延情況，通過(guò)對(duì)溫度、能見(jiàn)度、CO濃度等量設(shè)置測(cè)點(diǎn)和切片進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明溫度的變化主要發(fā)生在起火房間及相鄰房間區(qū)域內(nèi)，對(duì)于安全疏散樓梯間的影響不大。2樓整體區(qū)域能見(jiàn)度在169.6s時(shí)就降至5m，對(duì)于人員安全疏散威脅很大。起火房間的CO濃度上升極其迅速，165.3s時(shí)在左側(cè)樓梯間濃度達(dá)到危險(xiǎn)值，所以危險(xiǎn)系數(shù)較高，不符合人員疏散要求。

3.2 建議

學(xué)生宿舍作為學(xué)生日常生活和休息的重要區(qū)域，消防安全需得到更多的重視，根據(jù)本文數(shù)值模擬結(jié)果來(lái)看，該宿舍樓不符合人員疏散要求，學(xué)校應(yīng)從加強(qiáng)消防設(shè)施配備、提高消防意識(shí)、加強(qiáng)學(xué)生管理等手段作出相應(yīng)改善。一是宿舍天花板中應(yīng)添加擋煙垂壁，擋煙垂壁可以很有效的阻止煙氣在頂棚的流動(dòng)，同時(shí)還能加強(qiáng)各個(gè)分區(qū)的排煙效果，阻止火勢(shì)的進(jìn)一步擴(kuò)大；第二，疏散樓梯處應(yīng)添加防火卷簾，待各層人員全部撤離完成后將各層防火卷簾進(jìn)行閉合，從而阻擋煙氣繼續(xù)向安全疏散通道蔓延。第三，添加排煙管道，利用機(jī)械排煙設(shè)備可以快速有效的將有毒煙氣排出至室外，降低室內(nèi)煙氣濃度，保持室內(nèi)形成一個(gè)負(fù)壓環(huán)境，為人員安全逃生創(chuàng)造有利條件。最后，要提高學(xué)生的消防安全意識(shí)和自救能力，學(xué)校應(yīng)該經(jīng)常組織學(xué)生進(jìn)行防火演習(xí)，培養(yǎng)消防技能，同時(shí)加強(qiáng)消防管理，禁止在宿舍內(nèi)使用大功率電器，完善各樓層消防設(shè)備的配備。做好各方面的消防管理工作，才能盡可能避免火災(zāi)事故的發(fā)生，給學(xué)生營(yíng)造一個(gè)良好安全的生活環(huán)境。