某酒吧特大火灾场景的数值重构＊

陈 南

（中国人民武装警察部队学院，河北 廊坊，065000）

某酒吧特大火灾场景的数值重构＊

陈 南

（中国人民武装警察部队学院，河北 廊坊，065000）

基于FDS对某酒吧特大火灾事故进行数值重构研究，再现了火灾发生、发展的全过程，并与火灾现场勘查报告、现场照片比对；与此同时，详细地分析和研究了火场中典型部位的温度、CO浓度及FED指数等细节性参数的发展变化趋势，结果表明，模拟中的火灾蔓延过程、烟气填充过程、热释放速率、温度等参数与火灾现场勘查笔录和电子物证基本吻合，可与火灾调查其它证据相佐证，完善火灾调查结论，为进一步研究和改善此类场所的防火措施和灭火救援方案提供了依据。

数值重构；火灾调查；酒吧火灾

0 引言

火灾数值重构，即根据物理和化学的基本定律以及一些合理的简化假设，通过归纳反映火灾过程机理和规律的参数变化趋势和数学表达式，用语言图表或数学公式，构造描述火灾现象和过程的数学模型，然后借助计算机定量算出火灾发生及发展过程［1］。随着人们对火灾调查结论的科学性的要求不断提高，火灾数值重构技术逐渐运用到火灾调查工作中，并成为重要的辅助工具之一［2］。对火灾场景进行数值重构，不仅可以得到火灾发展过程中热、烟、毒等相关数据信息，而且还能够提高从事火灾相关工作人员对火灾的感性认识和理性认识［3］。Daniel Madrzykowski［4］等人利用 FDS软件对1999年12月22日发生在爱荷华州某二层复式结构建筑火灾进行了事后计算，较好地重现了该火灾中重要的火焰面快速蔓延过程，但指出，鉴于“正向”模拟，许多输入参数不确定，因而需要进行多次模拟，反复与痕迹物证和证人证言对比。Robert L.Vettori［5］等人对2000年2月14日发生在美国得克萨斯州的某单层饭店火灾进行重构，再现了火灾由办公区域蔓延至顶棚天花板的全过程，计算出火场温度、氧浓度等参数的变化过程。此外，重构结果还表明消防队员在饭店门口使用的正压送风机并未对火势的控制产生显著作用。

1 火灾基本情况

2009年1月31日23时55分许，某酒吧发生特大火灾，造成15人死亡，22人受伤，过火面积30m2，烧毁电视机、音像设备、灯光设备、装修装饰物等物品，火灾直接财产损失109702元［6］。

起火建筑原为办公室和车库用房，2008年5月业主将其擅自改造装修成酒吧。酒吧为一层，建筑面积为229m2，层高约5.3m，内部周边设有类似“凹”型夹层，夹层面积为84m2。酒吧一层中部为“回”形吧台，周边设有卡座，酒吧四周围墙边设软包。该酒吧分别在中部东侧（前门）和西南角（后门）开设出口，如图1所示。火灾系酒吧内前10号桌顾客燃放烟花引燃顶棚处的吸音棉所致，酒吧天花板顶部全部过火，均有浓重的烟熏痕迹，一层中部东侧门斗、前10、前9、前8、前7、前6、前5及“回”形吧台东侧过火，一层其它部位及夹层未过火或仅有烟熏或较轻的火烤痕迹。

图1 酒吧平面图Fig.1 Plane graph of the bar

2 火灾场景设置

2.1 FDS模拟软件

FDS（Fire Dynamics Simulator）是美国国家标准技术研究所NIST的建筑火灾研究实验室BFRL研发的模拟火灾中流体运动的计算流体动力学软件。该软件采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的N-S（Navis Stokes）方程，重点计算火灾过程中的烟气和热传递过程［7－10］。

本文利用FDS软件对该起火灾进行数值重构，分析火灾的发展与蔓延情况。

2.2 模型概况

根据火灾现场勘查报告和火灾现场照片利用Pyrosim软件建立三维模型。隐藏吊顶后的实体模型如图2所示。

图2 起火酒吧实体模型Fig.2 The model of bar

其中，顶棚以及四周墙壁的上部材料为聚氨酯泡沫，外墙材料为石膏，夹层地板、楼梯、栏杆、酒桌以及包厢隔墙材料为木材，“回”形吧台外表面以及椅子面为软包，饮水机以及“回”形吧台前的卡座材料为塑料。酒吧内可燃材料以聚氨酯泡沫为主。材料的热物性参数参照NIST发布的典型材料热物性参数进行设置。

2.3 网格划分与模型初始设定

模型计算区域为20.0m×15m×6.0m，网格区域划分比例为1∶5。初始环境温度为20℃。根据火场实际情况设定边界条件共划分100×75×30＝225000个网格。经过网格独立性测试及时间步长的调整，该网格方案能够保证计算效率和精度，适合该案例。火灾勘查结果指出，该酒吧除前后门外，没有窗户；根据监控录像显示，将前门开启时间设为模拟开始后34s；考虑到后门距起火点稍远，应有所延迟，故后门开启时间为模拟开始后39s。

3 数值模拟结果及分析

3.1 火灾蔓延过程

数值重构结果表明，如图3所示，从模拟开始后21s时顶棚处的火焰呈环状；影像资料显示，在此时顾客发现火灾。证明重构结果与实际情况较为接近，并且火焰形状与酒吧歌手贾龙飞等人的证词相符。火灾发展到32.4s左右，顶棚处的吸音棉燃烧现象明显，影像资料也显示在23h55m20s出现滴落物，与此同时顾客开始疏散。34s时前门的开启以及39s时后门的开启加速了火势的蔓延，火苗从起火点向四周扩散燃烧，随着被引燃的吸音棉的面积的增加，火势越来越猛。到52.8s时引燃前9号、前10号桌子，重构结果与影像资料记录结果相符。到57.6s时，酒吧内顶棚以及四周墙壁上的吸音棉达到猛烈燃烧，与消防部门做出的火灾勘查结论“该起火灾从起火到顶棚、墙面吸音棉猛烈燃烧（轰燃）的时间仅64s”接近。通常在一个通风良好、有家具陈设的房间内，没有加速的火灾发展过程中，从起火到发生轰燃大概需要10min，此时热烟气层达到600℃的临界温度。而该酒吧顶棚及四周墙壁大量铺设吸音棉，这种材料的火焰温度高达1300℃，着火后，产生的高温烟气直接积聚在顶棚，因此在极短时间内，使顶棚的温度超过聚氨酯泡沫的燃点，导致全面发生轰燃。

3.2 烟气填充过程

图4重现了火灾蔓延过程中烟气在酒吧内填充的过程。由图可以看出，烟气在酒吧内的填充速度非常快，到54s时，烟气已经由顶棚开始向下蔓延，并且主要集中在前9号和前10号桌上方；到66s时，烟气将前5至前10桌全部吞噬；到79.2s时，烟气已经将酒吧内完全填充。从烟气的填充过程可以看出，在短短80s时间内，烟气已经下降到酒吧内地面，酒吧内能见度几乎为零，这为抢救酒吧内人员造成了很大困难。

3.3 热释放速率

图3 火势发展图片集Fig.3 Schematic diagrams of fire development

图4 烟气填充过程Fig.4 Process of somke movement

热释放速率是衡量火灾规模的指标［11］，酒吧火灾的热释放速率随时间发展的情况如图5所示。由图可知，热释放速率前期增长迅速，酒吧顶棚处的吸音棉被烟花引燃后，在70.8s时，热释放速率达到峰值55.9MW。热释放速率在32s时间内由1MW增长到峰值，其增长速率高达1.7MW／s。随着火势的发展，火灾在后期转为通风控制燃烧，其热释放速率最终维持在16.5MW左右。

3.4 温度

当烟气高度低于人眼特征高度（1.2m～1.8m）时将会对人的呼吸和逃生带来直接不利的影响，因此本文将对人体造成直接伤害的烟气的临界温度定为120℃［12－16］，对酒吧内距地高度1.6m 以及4.4m处的温度场以及逃生出口和通道处的温度变化趋势进行分析。

3.4.1 1.6m以及4.4m 处的温度场

由图6可知，距地面1.6m高度处，在55.2s时只有前7、8、9、10桌局部温度超过120℃；5s后高温区域逐渐扩大，覆盖了酒吧的东南角；到74.4s时，酒吧内1.6m处的温度高达570℃；随着火势发展到平稳阶段，温度维持在200℃左右。

图5 热释放速率随时间变化曲线Fig.5 Heat release rate versus time

图6 Z＝1.6m处平切面的温度分布Fig.6 The slice z＝1.6mof temperature distribution

由于起火点位于顶棚，因此距地面4.4m处温度比1.6m处温度上升快，如图7所示，在31.2s时，在起火点附近温度已超过120℃；随着火势的蔓延，高温区域向四周蔓延，到50.4s时，夹层内除北侧包厢外，其他各处温度均已超过120℃，而且在木质斗门上方南侧出现超过580℃的高温；到86.4s时，夹层内温度上升至500℃以上；最后下降到230℃左右维持稳定。

3.4.2 前门、后门及楼梯口的温度变化

在前门、后门及楼梯口距地1.6m处各设置一个测点，观察其温度变化趋势，如图8所示。

根据温度－时间曲线，在酒吧内的三个逃生通道中，后门距离起火点最远，其温度也是相对最低的，意味着后门应该是发生火灾时酒吧内最有利的疏散出口。但是影像资料（图9）显示，在火灾发生后，绝大部分顾客从酒吧东侧的正大门逃生，而忽视了酒吧西南角的另一个安全出口；只有一些熟悉环境的员工在第一时间内经后门顺利逃生。尽管后门温度较低，但是在120℃也仅维持了66s，这就要求发生火灾后人员要迅速撤离，但影像资料显示，火灾初期，场内顾客或观望或收拾个人物品，有的甚至仍然进行娱乐，在火势已较大的情况下才开始逃生，贻误了最佳的逃生时机。这也说明消费者应提高安全意识，进入公共娱乐场所应该首先观察了解场所的疏散出口，在发生险情时，要保持清醒的头脑，冷静迅 速地选择逃生通道，把握最佳逃生时机。

图7 Z＝4.4m处平切面的温度分布Fig.7 The slice z＝4.4mof temperature distribution

图8 前门、后门及楼梯口的温度随时间的曲线Fig.8 The temperature of front door，back door，stair versus time

图9 影像资料Fig.9 video data

4 结论

（1）案例数值重构结果与火灾现场勘查笔录和电子物证基本吻合，进而验证了火灾数值重构技术的合理性和有效性，说明利用数值模拟手段进行火灾重构具有一定的可行性，相比全尺度实验，具有周期短、成本低、可重复性强等优点，是火灾调查的有效补充手段，对提升火灾调查工作水平有重要意义。

（2）通过再现火灾发生、发展的全过程，可视化地反映了该起火灾的特点——火势猛烈、蔓延迅速。由此可见，在加强高层、地下等场所防灭火研究的同时，还要持续关注诸如该酒吧之类，一旦发生火灾容易在短时间造成大伤亡的“九小”场所的防灭火工作，深入思考并逐步完善“快速火”灭火理念。

（3）通过数值重构，清晰生动地再现了该起火灾过程，使消防工作人员对火灾过程有更直观的认识，帮助灭火救援人员积累经验、提高心理素质，以便在日后类似的火场救援过程中临危不惧、从容镇定，更好更快的完成救援任务。

数值重构技术发展成熟后可在火灾现场作为第一手资料提供直接理论依据，为推算起火时间、判断起火原因提供技术支持，与其他人证、物证相结合，形成相互佐证的证据链，完善火灾调查平台。

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［5］Vettori RL，Madrzykowski D.，Walton W.D..Simulation of the Dynamics of a Fire in a One-Story Restaurant，Texas，February 14，2000［DB／OL］.http：／／fire.nist.gov／bfrlpubs／fire01／art068.html，2005-12-25.

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Numerical simulation on a large fire accident in a bar

CHEN Nan

（Chinese People’s Armed Police Force Academy，Langfang Hebei 065000，China）

In this paper a fire accident which ever occurred in a bar is simulated by FDS.The results show that the parameters related to the processes of fire propagation and smoke filling，including heat release rate and temperature，are consistent with the electronic evidence and fire scene investigation.This indicates that the FDS simulation can be combined with other fire investigation evidences to reinforce the investigation conclusions.

Numerical simulation；Fire investigation；Bar fire

X928.7；X932

A

1004-5309（2012）-0045-06

2011-10-17；修改日期：2011-12-19

公安部应用科技创新计划项目（2011YYCXWJXY134）

陈 南（1960-），男，浙江丽水人，中国人民武装警察部队学院教授，主要从事火灾监控与电气防火技术研究。