摘要：分析高層建筑火災發(fā)生的原因，概述火災加速蔓延的影響因素，建立了火災燃燒的動力學模型。通過PyroSim軟件模擬高層建筑火災蔓延趨勢，從而提出影響高層建筑火災救援的策略。結果表明，合理有效的滅火救援策略可以在高層建筑發(fā)生火災時延緩火勢的擴散和發(fā)展，并有望在火災初期將其撲滅，降低火災產生的有毒有害氣體釋放量，減少人員傷亡。

關鍵詞：高層建筑；滅火救援策略；PyroSim軟件；火災模擬

高層住宅建筑的快速增長給人們生活帶來了巨大的便利，同時也帶來了嚴峻的消防安全風險，應引起高度重視。一直以來，由于技術、人員、管理等方面的原因，火災事件時有發(fā)生，給社會和個人帶來了巨大損失。尤其是高層住宅建筑發(fā)生火災后，由于眾多可燃物的燃燒，火場的高溫、能見度低、有毒有害氣體積聚，以及恐慌引起的二次事故等，都可能導致人員傷亡。面對這種情況，傳統(tǒng)的滅火救援方法往往力不從心，現(xiàn)有的資源配置、人員培訓和應急響應能力亟待提升。尤其是在救援過程中，復雜的建筑結構和密集的人員流動使疏散、救援工作面臨較大風險[1]。因此，在這種背景下，本文通過PyroSim軟件模擬高層建筑火災的蔓延趨勢，探索高層建筑滅火救援策略。

1 高層建筑火災原因及蔓延理論分析

1.1" 高層建筑火災發(fā)生原因

高層建筑火災發(fā)生的原因主要包括以下幾個方面：第一，電路管理不善。冰箱、空調、微波爐等大功率電器在家庭中的普及，若未及時更新老化的電力線路，可能會出現(xiàn)線路超負荷的情況，增加火災風險[2]。第二，生活用火不慎。廚房是火災高發(fā)區(qū)域，涉及液化氣和天然氣等多種火源。在烹飪過程中，操作不當或設備故障都可能引發(fā)火災。第三，吸煙習慣。有些人在床上抽煙或隨意丟棄未熄滅的煙頭，均有可能引發(fā)火災[3]。

1.2" 高層建筑加速火勢蔓延影響因素

高層建筑火勢蔓延的加速因素包括：第一，煙囪效應。高層建筑火災中，可燃物燃燒產生的煙氣因高溫影響而密度較低，并沿著電梯井、樓梯等通道向上蔓延，形成低壓區(qū)域。周圍的低溫空氣從底部進入，形成上升氣流。不僅加強了火災現(xiàn)場的熱對流，促進火勢蔓延與擴大，還由于大量新鮮空氣進入，為燃燒提供充足的氧氣，加劇了火勢[1]?？焖倭鲃拥目諝膺€會使火焰傾斜，加快火勢的傳播。第二，圍爐效應。高層建筑結構相對封閉，火源周圍的房間溫度和壓力逐漸上升，煙氣和熱量排放受阻，引發(fā)局部轟燃現(xiàn)象，促使火勢擴散。第三，火羽流。燃燒火源上部與可燃物燃燒產生的高溫煙氣被稱為火羽流，是一種極具破壞性的現(xiàn)象。在高層建筑設計中，為了降低火災破壞，必須考慮火羽流的影響。特別是頂層通道開口的大小，會影響火羽流的溫度及速度，進而影響火勢蔓延的速度和范圍。

1.3" 火災燃燒模型分析

火災動力學模擬軟件（FDS）基本控制方程主要依據(jù)動力學模型的基本方程組。包括：能量守恒方程、質量守恒方程、動量守恒方程、組分守恒方程等。FDS的開發(fā)人員在模擬計算中，根據(jù)兩種主流方法對網(wǎng)格尺寸的需求，構建燃燒模型。該模型進一步考慮了有限反應率和混合分數(shù)的影響，并采用混合分數(shù)的概念來更準確地表示不同氣體的比例，其假設燃燒氣體的比例存在分布閾值，可以通過守恒函數(shù)求解不同組分的問題。

2 基于PyroSim軟件的高層建筑火災模擬

PyroSim是一款專業(yè)的火災動力學模擬軟件，能夠準確預測火災煙氣，包含一氧化碳在內的多種毒氣的運動、火災溫度和煙氣濃度分布，該軟件由美國國家標準與技術研究院開發(fā)[2]。PyroSim是基于火災動力學仿真模擬軟件（FDS）發(fā)展而來，F(xiàn)DS在火災模擬領域具有代表性，提供了全面的模擬數(shù)據(jù)，適用于多種火災類型的研究。盡管FDS存在一些局限性，比如對計算機性能要求較高，導致模擬過程耗時較長。

2.1" 案例概述

本文以一幢集商業(yè)與居住于一體的高層建筑為研究對象，該建筑共28層，主樓與2層裙房相連。住宅部分建筑面積為11602.47m2，公共部分建筑面積為1092.22m2，總面積達12694.69m2。每層居住區(qū)域設有A、B、C、D四種三室一廳的戶型。建筑設有兩部電梯和兩部防煙樓梯間且貫通整棟建筑的疏散樓梯。建筑等級為一級，設計使用年限為50年，在耐火等級方面，高層部分為Ⅰ級，多層部分為Ⅱ級；屋面防水等級，高層部分為Ⅰ級，多層部分為Ⅱ級，框架剪力墻結構，抗震設防烈度為7度。

2.2" 火災模擬流程

PyroSim模型的構建主要分為以下幾步：第一，網(wǎng)格建立。第二，材料定義。第三，表面創(chuàng)建。第四，建筑構建。第五，火源設置及通風口的配置。通過順利完成這些步驟，可以獲得一個精確的火災模型。在模擬求解階段，可以設定模擬時間及所需輸出的結果參數(shù)，最終獲得結果文件[3]。為了對所得結果數(shù)據(jù)進行分析處理，需對三維Smokeview結果進行分析，并生成、分析時間歷史結果圖，包括時間、溫度、煙氣高度和氣體濃度等變量的變化曲線，從而更加深入理解火災事故的發(fā)展過程和影響因素。

2.3" 火災模型搭建

由于計算機性能和計算時間的限制，只能對火災的初期階段和全面發(fā)展階段進行模擬，為了提高模擬的精確性，必須考慮火災從初期階段到全面發(fā)展階段的過渡時間。

在PyroSim軟件內建立火災模型時，網(wǎng)格單元尺寸的設定是影響計算模擬精度和計算時間的主要因素，如果網(wǎng)格單元尺寸設定過大，模擬結果不夠精準；如果網(wǎng)格單元尺寸設定過小，則需要較長的運算時間。因此，應綜合考慮模型的精度和運行時間，以在合理的計算時間內獲得較好的計算結果。

2.4" 模擬結果分析

火源設定為非穩(wěn)態(tài)火災模型，熱釋放速率在大約146s時達到1MW，經(jīng)過437s后達到最大熱釋放速率8MW，并且在模擬時間900s結束時，仍保持較穩(wěn)定的熱釋放速率，說明直到模擬結束，火災并未進入衰減階段。

由于可燃物燃燒產生的高溫煙氣密度較低，以及煙囪效應的作用，高溫煙氣主要向上運動，所以在該建筑物火災情況下，著火樓層以上的區(qū)域溫度受煙氣傳播的顯著影響。在模擬時間內，2層中部位置的溫度迅速上升，在400s內超過了150℃，3～6層內的某些區(qū)域溫度也達到60℃以上。著火樓層以下區(qū)域受到的影響極小，可以忽略不計。

3 高層建筑火災救援策略方案設計

根據(jù)前文分析，火災中對人員生命安全主要威脅來自可燃物燃燒產生的煙氣在建筑物內的快速蔓延。因此，本節(jié)將重點探討高層建筑火災的救援策略。

3.1" 合理設置安全出口

作為建筑物用于疏散人員的關鍵通道，安全出口在人員疏散過程中具有重要的作用。若安全出口數(shù)量不足或者寬度不夠，可能導致人員疏散時出現(xiàn)擁堵。即便安全出口數(shù)量充足，若利用率不高也可能引發(fā)局部擁堵[4]。為確?；馂幕蚱渌o急情況下，建筑內的人員能夠迅速安全疏散，減少人員傷亡和財產損失，應在建筑設計階段依據(jù)相關防火規(guī)范合理規(guī)劃安全出口的數(shù)量、位置和寬度等參數(shù)。

3.2" 合理設計疏散樓梯

樓梯是高層住宅建筑火災及緊急情況下人員疏散的主要工具，其重要性不言而喻。為了避免因人員過多導致樓梯擁堵，其凈寬度不應小于1.1m，同時，為了提供額外的支持和安全性，樓梯應配備防護措施，這可以在一定程度上提高樓梯的疏散效率。

3.3" 優(yōu)化疏散誘導系統(tǒng)

火災產生的煙氣會阻礙疏散人員的視線并引發(fā)恐慌情緒，導致現(xiàn)場混亂。為了引導人員有序疏散，提高疏散效率，建筑物內的疏散誘導系統(tǒng)需要優(yōu)化。在疏散通道的墻壁、出入口設置醒目的熒光綠或紅色標識；在通道拐角和交界處設置指示牌，明確指示方向；在建筑設計時可以設置語音播報系統(tǒng)，引導人員向安全出口疏散。

3.4" 安全宣傳、教育、培訓和演練

通過消防安全宣傳、教育和培訓，能夠有效提高人員對消防知識的熟悉和安全防范意識。在高層住宅建筑中，應安排專人定期進行安全教育培訓工作，并組織人員進行應急疏散演練，以增強人們的火災防范和應急處理能力，確保人們在火災發(fā)生時能夠快速、有效地進行自救和逃生，最大程度減少人員傷亡[5]。

3.5" 制定安全疏散應急預案

不同類型和特點的高層建筑在火災發(fā)生時可以表現(xiàn)出不同的特征，因此，制定人員疏散應急預案應具有針對性。由物業(yè)、安保和消防等相關部門共同參與，明確疏散組織和人員分工。高層住宅建筑內的人員應根據(jù)疏散指示牌和語音播報系統(tǒng)的引導，有序疏散至安全位置。

4 結束語

本研究通過PyroSim軟件仿真模擬了高層建筑火災蔓延趨勢，并據(jù)此提出了相應的救援策略，研究得出以下結論：第一，假設火災發(fā)生時兩樓梯間的防火門均正常工作，樓梯間可供人員正常疏散，建筑物內人員疏散所需時間為200s以上。第二，針對高層住宅建筑的人員安全疏散，本研究提出一系列規(guī)劃建議，如設置合理的安全出口和疏散樓梯、優(yōu)化疏散誘導系統(tǒng)、制定安全疏散應急預案，并定期進行安全宣傳、教育培訓和演練等。這些措施提高了高層建筑對火災的應對能力，減少火災造成的人員傷亡和財產損失，并確保消防滅火救援策略的高效性和及時性。

參考文獻

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