陳益迪，趙雋妍，陳錦川，任興月

（1.海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，海南 海口 570228；2.中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

老舊活動中心由于建筑使用年限長，缺乏現(xiàn)代化的管理人員，建筑內(nèi)配備的消防設(shè)施不足、水電設(shè)備線路老化，火情發(fā)生時產(chǎn)生的高溫和濃煙將嚴(yán)重危害人們的生命財產(chǎn)安全［1-3］.這些老舊建筑樓由于人員密度大，缺乏現(xiàn)代化的消防設(shè)備，火災(zāi)發(fā)生時人員的安全疏散也存在困難［4］.近年來，老舊建筑火災(zāi)引起的人員傷亡率不斷上升，火災(zāi)引發(fā)的人身財產(chǎn)損失金額持續(xù)走高，發(fā)生火情時建筑內(nèi)人員的應(yīng)急、疏散逃生問題成為重點(diǎn)難題［5-6］.因此，對老舊建筑火災(zāi)展開研究，對消防救援的有效開展具有重要的意義.

建筑信息模型技術(shù)（Building Information Modeling，BIM）是近年來出現(xiàn)并引領(lǐng)建筑數(shù)字技術(shù)走向更高層次的一項(xiàng)新技術(shù)，它已經(jīng)成為工程建設(shè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)［7］.BIM 技術(shù)能夠在災(zāi)害突發(fā)時快速建立建筑模型并與其他數(shù)值模擬軟件進(jìn)行協(xié)同應(yīng)用，其中基于BIM 技術(shù)的火災(zāi)數(shù)值模擬受到研究者們高度重視，如蔣科明［8］在進(jìn)行火災(zāi)煙氣數(shù)值模擬時，首次將FDS 軟件應(yīng)用于大邱地鐵站的全尺寸數(shù)值模擬，明晰樓梯間煙氣分布及其溫度特征，并提出地鐵火災(zāi)人員安全疏散的優(yōu)化方案；劉芳等［9］利用FDS 軟件對木結(jié)構(gòu)古建筑進(jìn)行火災(zāi)數(shù)值模擬，通過比對古建筑在不同著火情況下煙氣流動狀態(tài)、火災(zāi)蔓延情況、影響因素強(qiáng)弱來研究古建筑的火災(zāi)蔓延規(guī)律并預(yù)測木結(jié)構(gòu)古建筑的著火變化特征；邢志祥等［10］研究建筑不同高度起火對人員逃生疏散的影響，得到起火樓層位置越低則人員疏散效率越低，傷亡越大；Tsukahara 等［11］用FDS 軟件對地鐵車站建立模型，模擬火災(zāi)煙氣對地鐵車站疏散造成的影響；韓朱旸等［12］利用FDS 軟件對城市高層建筑進(jìn)行火災(zāi)模擬，提出一種實(shí)時定量評估法，減少人員傷害且提供應(yīng)急救援方案；肖游等［13］通過FDS建立池火災(zāi)燃燒模型，計(jì)算不同位置的溫度作為邊界條件運(yùn)用于計(jì)算流體動力學(xué)中，提升了模擬研究效率，得到了快速烤燃特性；袁莎莎［14］等使用FDS軟件對機(jī)場多功能區(qū)域進(jìn)行全尺寸建模與數(shù)值模擬，分析研究火災(zāi)發(fā)生時的火災(zāi)荷載、溫度變化、熱釋放速率等影響火情蔓延因素的變化情況；李世峰等［15］利用火災(zāi)動力學(xué)軟件FDS對某城市道路隧道中三出口分流匝道路段內(nèi)部發(fā)生的影響.劉新蕾等［16］以哈爾濱新第一百貨中庭商廈為研究對象，運(yùn)用FDS 軟件分析了天窗開閉時中庭火災(zāi)和挑臺火災(zāi)的煙氣擴(kuò)散規(guī)律，得到了煙氣在各個方向的擴(kuò)散速率、上述研究提供了火災(zāi)仿真模擬分析的理念和想法，并在模擬火場中進(jìn)行充分應(yīng)用.

由上述文獻(xiàn)可知，研究人員在模擬過程中觀察火災(zāi)參數(shù)變化及火情蔓延演化，進(jìn)而評估建筑物發(fā)生火災(zāi)的危險性，從而提高安全疏散可行性［17］，并保證室內(nèi)人員的安全［18］.但研究人員在FDS軟件研究領(lǐng)域所針對的建筑往往屬于簡單結(jié)構(gòu)，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建筑空間體缺乏關(guān)注；BIM-FDS 協(xié)同研究領(lǐng)域內(nèi)容缺失，尤其針對易燃、老舊建筑研究匱乏的情況，此研究對于該領(lǐng)域火災(zāi)防災(zāi)顯得尤其必要.通過對老舊活動中心的3種火災(zāi)工況開展數(shù)值模擬計(jì)算，獲取活動中心火災(zāi)過程中關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為災(zāi)害預(yù)防與火災(zāi)救援提供數(shù)據(jù)來源與理論支持，提高救援逃生的可行性、實(shí)用性.

1 老舊活動中心FDS火災(zāi)模型

1.1 火災(zāi)煙氣模型控制方程老舊活動中心內(nèi)火災(zāi)發(fā)生時煙氣的流動情況屬于湍流流動，采用FDS 軟件Pyrosim來模擬該湍流流動過程.煙氣流動特性的持續(xù)變化的控制方程組如式（1）～（4）所示

其中，ρ為氣體密度；為密度的時間變化率；u為速度矢量；?(ρu)定義了質(zhì)量對流.

動量方程

其中，g為重力加速度；f是外部矢量；τ為控制計(jì)算域內(nèi)流體上的定量粘性力.

能量方程

其中，h為顯焓；p為壓力；T為溫度；qr為熱輻射通量；q?為熱釋放速率（HRR）；Dl為第l種組分的擴(kuò)散系數(shù)；Yl為第l種組分的質(zhì)量系數(shù)；k為火災(zāi)煙氣導(dǎo)熱系數(shù).

組分方程

其中，為第l種組分的質(zhì)量生成率.

1.2 BIM 幾何模型及FDS 模型網(wǎng)格劃分研究對象是一幢6層的某老舊活動中心，由健身活動廳、乒乓球室、走廊、衛(wèi)生間、圖書閱覽室、臺球廳、樓梯間構(gòu)成，每層構(gòu)造大體相同.建立幾何模型：長×寬×高=18.8 m×13.7 m×23.9 m，通過Revit軟件建模，導(dǎo)入Pyrosim軟件，建筑模型如圖1所示.

圖1 活動中心建筑模型

在對該活動中心模型網(wǎng)格進(jìn)行劃分時，不但需要全面考慮整個老舊活動中心在不同火災(zāi)場景下的著火以及煙氣彌漫過程的隨機(jī)性情況，而且需要顧及計(jì)算結(jié)果的精度與計(jì)算機(jī)性能的計(jì)算上限.本次模擬設(shè)定該老舊活動中心與外圍空氣的網(wǎng)格為0.5 m×0.5 m×0.5 m，計(jì)算網(wǎng)格個數(shù)共計(jì)70 200 個.活動中心大氣內(nèi)外氣體壓強(qiáng)和溫度分別為101.325 kPa 和20 ℃.同時，考慮到活動中心比較老舊，不設(shè)置消防噴頭、防火卷簾等消防設(shè)施.

1.3 火災(zāi)模擬場景的設(shè)置在計(jì)算中，火災(zāi)著火點(diǎn)的平均熱釋放速率（HRRPUA）被設(shè)置為1 000 kW·m-2，初始燃燒面積為1.5 m2，根據(jù)計(jì)算工況，著火點(diǎn)設(shè)置在該建筑第三層，火災(zāi)著火點(diǎn)設(shè)置如圖2所示.為了獲得逃生路線上的火災(zāi)參數(shù)，模型在每一樓層樓梯間的門內(nèi)側(cè)，距離樓梯間地面高度1.2 m處分別設(shè)置了1個溫度監(jiān)測器，即熱電偶溫度探測器（THCP），用于測定火災(zāi)發(fā)生過程中溫度隨時間的變化情況；同時每層距樓梯間地面高度1.4 m 處各設(shè)置1 個CO 濃度監(jiān)測裝置，用于測定火災(zāi)發(fā)生過程中CO 濃度隨時間變化情況；距每層樓梯間地面高度1.5 m 處各設(shè)置1個煙霧探測器，用于測定火災(zāi)發(fā)生過程中能見度水平隨時間變化情況.

圖2 火源燃燒建筑平面圖

為了研究窗戶和門在不同的開啟與關(guān)閉條件組合情況下，建筑內(nèi)部火災(zāi)發(fā)展情況及可能造成的影響，筆者在同一樓層（第三層）設(shè)計(jì)了3個對比明顯的火災(zāi)場景，如表1 所示.即在火源位置保持不變情況下，通過設(shè)置窗戶開啟、關(guān)閉的不同狀態(tài)，并結(jié)合開啟窗戶距離逃生樓梯距離遠(yuǎn)近的差異（開啟窗戶距離火源遠(yuǎn)近的比較），觀察老舊活動中心室內(nèi)煙氣蔓延擴(kuò)散情況的差異.首先按照火災(zāi)發(fā)生時最不利原則把老舊活動中心所有內(nèi)部門窗都設(shè)置成打開狀態(tài)，使之相互連通以保證煙氣的快速擴(kuò)散并觀察過程中火災(zāi)參數(shù)的表現(xiàn).

表1 火災(zāi)計(jì)算場景描述

2 火災(zāi)模擬結(jié)果分析

2.1 火災(zāi)煙氣CO 濃度分析火災(zāi)發(fā)生時候，將迅速產(chǎn)生大量火災(zāi)煙氣，蔓延流動的煙氣中的CO 氣體是導(dǎo)致人員在火災(zāi)中缺氧而死的主要原因［19］，火場中受困人員由于吸入過量的CO氣體而窒息.

在不同樓層樓梯間的CO 濃度變化見圖3，其中火災(zāi)場景一是著火建筑內(nèi)部與室外相接窗戶A、窗戶B都關(guān)閉、火災(zāi)場景二是近火源遠(yuǎn)樓梯口窗戶A打開、火災(zāi)場景三是近樓梯口遠(yuǎn)火源窗戶B打開，通過模擬火災(zāi)燃燒，觀察樓層煙氣蔓延情況，并得出3種火災(zāi)場景下CO濃度隨時間變化情況.

圖3 CO濃度隨時間變化曲線

人員暴露在CO濃度0.64%條件下，保持1～2 min后將導(dǎo)致頭疼及頭昏眼花，保持10～15 min后將導(dǎo)致失去意識，同時面臨死亡威脅.而當(dāng)暴露在CO 濃度1.28%條件下，火場中人員將產(chǎn)生立即的生理反應(yīng)，停留1～3 min 后將迅速失去意識同時面臨死亡威脅［20］.室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后，著火點(diǎn)快速生成大量煙氣，著火層3 樓生成的煙氣涌進(jìn)臨近樓梯間內(nèi)，3 層樓梯間作為第一危險點(diǎn)處CO 濃度急劇增加，嚴(yán)重影響人員生命安全.

如圖3a 中，當(dāng)A、B窗戶都關(guān)閉時，3 層樓梯間CO 濃度在162 s 內(nèi)迅速增加，達(dá)到0.64%；由于火災(zāi)場景一屬于封閉系統(tǒng)，因此CO 無法向外疏散，該場景下火災(zāi)生成的CO 濃度最高，270 s后達(dá)到1.28%，300 s附近達(dá)到峰值最終穩(wěn)定.

如圖3b中，當(dāng)近火源窗戶A打開后，近樓梯口窗戶B關(guān)閉，3層樓梯間CO濃度在276 s內(nèi)迅速增加，達(dá)到0.64%；隨著煙氣的蔓延，著火樓層3樓以及相近的4樓、5樓、6樓樓梯間內(nèi)CO 濃度在經(jīng)歷急劇上升之后迅速下降、而后又出現(xiàn)第二次的爬升，可以看出由于近火源處窗戶A打開對遠(yuǎn)端樓梯間檢測CO 濃度產(chǎn)生影響，并且導(dǎo)致擴(kuò)散速度比火災(zāi)場景一要慢.

如圖3c，當(dāng)近火源窗戶A關(guān)閉、近樓梯口窗戶B打開時，隨著火情的發(fā)展，各層樓梯通道內(nèi)檢測的CO濃度不斷升高.其中著火樓層3 樓最高僅達(dá)到0.18%，可以看到，當(dāng)可對流的著火層窗戶處于開啟狀態(tài)時，煙氣涌向其他房間速度增加，此時伴隨熱釋放速率增加，能量不斷擴(kuò)散；與此同時，窗戶保持開啟的火場情形下，火災(zāi)進(jìn)行過程中產(chǎn)生煙氣也源源不斷通過窗戶排出室外，降低了火災(zāi)過程中不斷產(chǎn)生的有毒有害物質(zhì)濃度.由于近樓梯口窗戶B打開，導(dǎo)致室內(nèi)的CO 濃度可以在較長的時間內(nèi)維持著安全水平，使得人員逃生時間增加、減少人員傷亡.

2.2 煙氣彌漫及能見度分析老舊活動中心發(fā)生火災(zāi)時，燃燒蔓延過程中將會產(chǎn)生大量有毒有害煙氣，大量的煙氣不斷積聚，使得建筑室內(nèi)能見度迅速降低，并且對于人員逃生過程中造成諸多阻礙及嚴(yán)重的影響，并對場內(nèi)人員構(gòu)成危險.根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《建筑防火工程》中相關(guān)規(guī)定，熟悉的人群對一般建筑能見度應(yīng)至少需要達(dá)到5 m.通過能見度臨界值5 m 來判斷煙氣濃度能否干擾人員順利逃生，來判斷場內(nèi)人員是否會受到人身危害.當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，因?yàn)槔吓f活動中心空間不夠開闊，選取在1.5 m 高度可見度不低于5 m 作為測定標(biāo)準(zhǔn).

將該活動中心發(fā)生火災(zāi)允許的最小煙氣能見度設(shè)定為5 m.當(dāng)A、B窗戶都關(guān)閉，由圖4a可以看出，在該最不利情況下，第3層著火樓梯間能見度在7 s間降至5 m；相鄰的第4層樓梯間能見度在42 s降至5 m，第5 層樓梯間能見度在55 s 降至5 m，隨后第6 層、第2 層、第1 層由于煙氣擴(kuò)散能見度也逐漸降低至5 m.被強(qiáng)烈煙氣所籠罩，樓梯間能見度沒有達(dá)到最低標(biāo)準(zhǔn)煙氣能見度要求，不利于火場內(nèi)人員逃生.

圖4 能見度隨時間變化曲線

在近火源窗戶為打開狀態(tài)、近樓梯口窗戶B為關(guān)閉狀態(tài)時，如圖4b所示，第3層的著火樓梯間能見度在最初15 s 時降到5 m，而后在能見度又出現(xiàn)一個短暫的回升后又繼續(xù)降低，受著火煙氣溫度變化的影響，房間內(nèi)被煙氣籠罩，不利于室內(nèi)人員逃生，此時室內(nèi)人員應(yīng)該采取彎腰或者匍匐前進(jìn)的正確自救逃生方式；隨后第4層、第5層、第6層由于煙氣擴(kuò)散能見度也逐漸降低至5 m；第2層與第1層能見度隨著時間變化出現(xiàn)較大的反復(fù)，可以看出由于近火源處窗戶A打開對著火層下部樓層產(chǎn)生影響，使得能見度下降速度比火災(zāi)場景一要慢.

在近火源窗戶A為關(guān)閉狀態(tài)，近樓梯口窗戶B為打開狀態(tài)時，如圖4c 所示，第3 層著火樓梯間能見度在17 s后降至5 m，而后能見度出現(xiàn)較大回升后繼續(xù)降低；隨后第4層、第5層、第6層由于煙氣擴(kuò)散能見度也逐漸降低至5 m臨界值，相對于火災(zāi)場景二達(dá)到能見度5 m的時間都延長；其中第2層不出現(xiàn)反復(fù)，且第1 層在整個模擬過程中能見度并未達(dá)到設(shè)定值5 m，可以看出由于近樓梯口窗戶B打開對著火層影響最大，在較長的時間內(nèi)維持能見度較高的水平，使得人員逃生時間增加、減少人員傷亡.

2.3 火場溫度分析建筑火災(zāi)發(fā)展過程中會產(chǎn)生大量的熱輻射，使燃燒物及周邊的空氣溫度不斷上升，建筑中的可燃材料較多，若火勢無法及時得到控制，煙氣溫度可高達(dá)上百攝氏度，溫度大幅提高對人體和建筑本身都會造成不可恢復(fù)的傷害.根據(jù)相關(guān)研究，當(dāng)溫度達(dá)到35～55 ℃之間時，人體會出現(xiàn)出汗及痛感等情況；當(dāng)溫度超過65 ℃時便會造成嚴(yán)重?zé)齻?，考慮到火災(zāi)中人員的實(shí)際情況，故選擇65 ℃作為高溫的臨界值判斷標(biāo)準(zhǔn).

根據(jù)表2可知，應(yīng)選擇65 ℃作為高溫的臨界值判斷標(biāo)準(zhǔn).

表2 火場溫度耐受表

如圖5a所示，A、B窗戶都關(guān)閉，在該封閉條件下，第3層著火樓梯間溫度在68 s時達(dá)到65 ℃高溫臨界值，而后在144 s處溫度達(dá)到最高.可以看出A、B窗戶的關(guān)閉使得建筑體內(nèi)部模擬燃燒過程中沒有足夠空氣與外界交換，進(jìn)而導(dǎo)致燃燒不充分，故著火層溫度上升不明顯；相鄰的第4 層樓梯間溫度在172 s 達(dá)到65 ℃高溫臨界值.隨后第2 層、第5 層、第1 層隨著燃燒溫度也逐漸達(dá)到65 ℃.由此得到著火層安全逃生時間為1 min.

圖5 溫度隨時間變化曲線圖

如圖5b所示，近火源窗戶A打開，近樓梯口窗戶B關(guān)閉，第3層著火樓梯間溫度在250 s達(dá)到65 ℃高溫臨界值，在煙氣流動的過程中，溫度的變化出現(xiàn)了2個波峰，說明近火源窗戶A打開后，模擬火災(zāi)燃燒場景下內(nèi)外空氣進(jìn)行交換，燃燒過程相對火災(zāi)場景一充分，對于樓道間溫度變化產(chǎn)生影響.故著火層安全逃生時間不高于5 min.

如圖5c所示，近火源窗戶A關(guān)閉，近樓梯口窗戶B打開，建筑物發(fā)生火災(zāi)時，3樓著火樓梯間的溫度未達(dá)到65 ℃高溫臨界值.可以看出由于近樓梯口窗戶B打開對著火層影響最大，在較長的時間內(nèi)維持能使得溫度保持在65 ℃下方，該場景下能給處于建筑內(nèi)的人員充足的逃生時間.

3 小 結(jié)

結(jié)合BIM 技術(shù)與FDS軟件對某小區(qū)老舊活動中心建筑火災(zāi)情況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，通過對比研究了窗戶在不同開合情形條件下產(chǎn)生物對樓梯間火災(zāi)的發(fā)展變化情況造成的影響，設(shè)定3個不同的火災(zāi)場景，主要針對現(xiàn)場CO 濃度、煙氣可見度、火場溫度分布的對比結(jié)果逐項(xiàng)進(jìn)行了綜合分析，通過計(jì)算得到了以下結(jié)論并提出相應(yīng)建議.

1）通過對比3 種不同類型的火災(zāi)模擬仿真系統(tǒng)運(yùn)行的場景，對該3 種火場仿真場景顯示出數(shù)據(jù)信息進(jìn)行大量直觀清晰的圖片對比及展示，并進(jìn)行深入的數(shù)據(jù)比較及分析，火災(zāi)場景中的能見度、CO 濃度、火場溫度要素均有較明顯的改變.更直觀真實(shí)地反映了現(xiàn)實(shí)中老舊活動中心建筑的火災(zāi)的發(fā)展趨勢及變化規(guī)律.

2）通過BIM建模，結(jié)合FDS軟件，結(jié)果表明：在火源位置保持不變情況下，火災(zāi)發(fā)生時窗戶皆關(guān)閉，建筑內(nèi)逃生樓梯間CO 濃度上升越快、能見度下降越快，溫度達(dá)到人體臨界的越快，給人員逃生帶來極大威脅；火災(zāi)發(fā)生時有部分窗戶打開，該窗戶距離火源越近（距離逃生樓梯越遠(yuǎn)），建筑內(nèi)逃生樓梯間溫度、CO濃度上升相對較快，能見度下降變化不顯著.其中，窗戶開啟比窗戶關(guān)閉在火災(zāi)CO 濃度、能見度、溫度到達(dá)臨界時間至少分別降低41.3%、11.8%、16.3%.

3）通過BIM 整合FDS 軟件計(jì)算結(jié)果，為防止火災(zāi)造成嚴(yán)重的人員傷亡及財產(chǎn)損失提供支持，通過向基層政府的應(yīng)急和管理相關(guān)單位負(fù)責(zé)人提建議，要求老舊活動中心小區(qū)物業(yè)工作人員加強(qiáng)對公共消防與安全生產(chǎn)知識技能的普及和宣傳，并將消防通道、樓梯間的窗戶保持開啟狀態(tài)以確保老舊活動中心處于安全狀態(tài)；通過聯(lián)系周遭群眾定期舉辦消防演練活動，幫助小區(qū)居民建立并提高逃生防火意識.