基于FDS模拟的建筑物火灾损失量化方法研究

杨艳军

(苏州市消防支队，江苏 苏州 215500)

基于FDS模拟的建筑物火灾损失量化方法研究

杨艳军

(苏州市消防支队，江苏 苏州 215500)

基于建筑火灾损失量化理论的研究，结合火灾安全工程学方法和火灾风险评估学原理，确定了建筑火灾损失一般量化方法和计算流程。利用FDS软件对某建筑物进行了数值模拟，得出了四种典型火灾场景下财产损失的概率和后果，并通过分析、比较，验证了建筑火灾损失量化方法的科学性和可操作性。研究成果既可以为保险公司根据损失大小确定差别费率提供依据，又可以使企业明确自身消防安全状况，积极采取有效的防范措施，从而最大限度地降低火灾风险。

数值模拟；火灾损失；量化方法；火灾保险；火灾评估

0 引言

建筑火灾损失量化是政府领导部门进行科学决策和科学管理，制定消防法规和防火对策的基础性资料，是消防部门发展、规划、预防的必要条件。火灾经济损失量化评估也可为保险公司准确客观地理赔提供参考依据。国外建筑火灾损失评估方法和模型主要包括：加拿大的FiRECAMTM，该模型利用随时间变化的确定性的和概率的模型来评价选定火灾场景对生命安全、财产安全和工作中断所造成的损失；澳大利亚的CESARE-RISK模型，该模型采用了成本与效益比较模型来计算火灾对生命的风险和火灾预期损失；英国的CRISPⅡ模型，此模型是通过Monte-Carlo模拟所有的火灾场景的模型，进而计算火灾损失[1]。国内有关于建筑火灾损失的文献包括：李引擎等人基于火灾统计数据，按照建筑分类统计分析火灾财产损失[2]；褚冠全等人利用数理统计结合火灾动力学分析建筑火灾损失[3]；徐志胜等人运用灰色理论分析已有的火灾损失统计数据从而预测未来一段时期内的火灾损失[4]。

本文将火灾保险静态原则和火灾风险评估学理论结合起来，提出建筑火灾损失的量化理论，计算建筑物的财产损失。该理论主要包括五个部分：火灾损失分析方法、设计火灾场景、典型场景的发生概率、火灾模拟研究、火灾损失量化系统应用流程。

1 火灾损失分析方法

分析火灾损失需要研究四部分内容：设计火灾场景；结合灭火效应为每个确定的火灾场景设计火灾；确定场景的概率；量化每个场景的致损参数。然后将所得参数结果带入到量化模型中，计算火灾损失。由此得到建筑物火灾损失模拟计算的流程和方法，具体内容见图1。

事件树分析方法可以综合考虑不同火灾场景发生的概率和损失后果，能够将复杂对象的研究过程合理简化，比较适合应用到建筑火灾损失量化计算中。因此，本文运用事件树的方法来分析火灾损失事件和概率。

2 典型火灾场景

保险公司在承保前，首先结合风险调查表，对投保标的进行风险勘察，然后分析风险勘察得到的基本信息，进而确定承保标的各个风险单位面临的潜在损失场景的损失，为保险公司决定是否承保、如何承保提供基本依据。然而，目前我国保险部门没有专门针对火灾风险的调查表及火灾风险的潜在损失场景定义。因此，结合国外几类火灾损失场景的定义(正常预计损失NLE、可能的最大损失PML、最大可预计损失MFL、最大可能潜在损失MPL)[5]来确定潜在的火灾损失，并将这四种场景作为研究火灾损失的典型场景，详细内容见表1。

图1 建筑物火灾损失模拟计算流程

表1 典型火灾场景损失

3 火灾致损参数的计算

3.1 模拟计算的致损参数

火灾损失的大小决定于火场的过火面积、温度、烟气浓度、水渍损失。此外喷淋启动时间和消防队救援时间对修正火场热释放速率起着至关重要的作用，因此，本文结合这两种灭火效应的时间来量化致损参数。消防队的救援时间主要是通过经验公式求解。喷淋启动时间的求解思想是：首先根据所要研究的建筑物内的物体摆放特征、材料特性以及喷淋的布置，构建与实际情况等比例的小尺寸房间；其次合理设计该类建筑的火源热释放速率，然后运用FDS模拟小尺寸空间的火灾，求得灭火系统的启动时间；最后运用FDS建模，对不同场景进行模拟计算，从而求得所需的致损参数。具体流程见图2。

3.2 利用经验公式计算水渍损失

目前几种主要的救火需水量的计算方法有：美国保险事务所的计算方法、美国依阿华州计算方法、美国伊利诺州计算方法、新西兰消防工程设计指南中的计算方法、加拿大安大略湖州建筑物防火系统供水指南中的计算方法和加拿大国家研究院所采用的计算方法。本文采用加拿大国家研究院计算方法。该方法将灭火需水量划分为三部分：扑灭建筑物内火灾所需用水量、阻止相邻建筑物起火所需用水量、其它需要的用水量[6-7]。

图2 计算致损参数流程图

4 案例分析

4.1 仓库概况

某服装仓库位于城市市郊，2005年兴建并于次年投入使用，是一物流中心仓储楼，建筑设计合理使用年限为50年。该建筑为钢筋混凝土框架结构，共5层，高21.5 m，建筑总面积约10 298.4 m2，1到4层作仓储用，第5层为机房。该仓库与邻近消防队的距离约4 km；多侧消防通道及防火分区的设置符合规范要求；1至5层设置相互贯通的楼梯间，有正常的疏散设备和消防联动控制系统，但未设置机械防排烟设施；整个仓库共有手提式灭火器98具。

4.2 场景分组和概率设定

4.2.1 场景分组

重点研究典型的四种场景对应的分支路径，具体内容包括：火灾探测报警系统动作、火是否被工作人员或周围群众发现并扑灭、喷淋系统扑灭火灾、排烟系统的启动、防火分隔效果以及消防队救援。由于实例中没有机械排烟系统，结合损失事件逻辑关系图，得出如图3所示的需要研究的火灾场景分组。

4.2.2 概率分析及确定

大量的统计数据是准确得知路径事件概率的必要条件，然而国内缺乏关于起始和路径事件的概率统计数据，因此，在国外相关文献研究[8]的基础上确定各个路径事件的概率，其中包括火灾发生概率、发现火灾的概率、室内人工灭火的概率、水喷淋灭火系统成功概率、限制在起火室内的概率以及消防队灭火概率[9]。

图3 火灾场景以及后果分组图

4.3 火灾损失结果

利用FDS软件，对四种典型场景进行模拟[9-10]，可以得出建筑财产损失阈值以及致损参数的临界值，通过确定物质受损程度，最后得出四种场景下的损失情况。再结合上面的概率，从而求得各种损失场景的概率以及损失金额的区间范围，具体情况见表2。

表2 仓库火灾风险结果

5 核保建议

目前欧美各国保险公司普遍采用风险指数法评估方法来评价建筑物的火灾风险分值，最终决定核保决策以及浮动费率。表3[11]描述了建筑火灾风险分值与风险等级的对应关系。

表3 建筑火灾分值与火灾风险等级

保险公司根据表3中的评价结果，提出核保建议，并确定投保建筑的费率浮动情况。此处将表3中的每个风险分值区间按公式(1)、(2)转换为对应的损失比例区间，从而得到损失比例与核保建议之间的对应关系，见表4。

(1)

(2)

式中，Lrl为损失比例左端点；Lrr为损失比例右端点；Rmax为最大风险值，5；Rmin为最小风险值，1；Rr为风险分值右端点；Rl为风险分值左端点。

由前文可知，最危险的极端情况的发生概率较低，因此，此处由前面三个典型场景来决定核保决策和费率。由表4得，对于NLE和PML场景，风险低，可以考虑积极承保，而对于MFL场景，风险较低，保险公司则会争取承保。同时由表2可知该仓库发生NLE的概率较其他场景大很多，因此，保险公司会对该仓库进行积极承保。

6 结论与展望

通过本文的研究，得出以下结论：(1)本文研究的建筑物火灾损失量化方法是基于建筑火灾损失量化理论，并结合火灾风险评估学的方法，通过案例分析可知，该方法是比较科学合理的。(2)结合国外经验和建筑火灾发展的一般规律，四种典型火灾场景的建立是合理的。(3)在确定火灾的致损参数时，应考虑水喷淋启动时间和消防队救援时间以及水渍对火灾损失的影响。(4)基于FDS软件，可以清晰直观地分析整个火场中致损参数随空间和时间的变化，比以往单独用FDS中的Smokeview来分析参数的效果更直观，从而确定了建筑火灾财产损失模拟计算方法的可行性与可操作性，有助于财产损失量化方法的应用和推广。

今后需要对以下几个方面进一步深入研究：(1)在分析场景发生概率时，借鉴了国外相关研究统计数据，但不同国家、不同区域的研究数据差异比较大，并不完全适合我国的实际情况。因此，亟须将消防统计数据和保险部门统计数据相结合，并逐步建立保险和消防共享的基础数据库，这样有利于定量研究风险，并提高风险管理决策的效率。(2)本文采用致损阈值计算致灾因子得到物体的损坏程度，但是这些公式存在着误差。因此，很有必要研究出各种致损参数对不同种类物体的致损机理，并在做大量试验的基础上或基于保险统计数据，总结出致损参数对物体的损坏经验公式，从而提高预测的准确性。(3)今后需要研究的另一个重点问题是改进该方法的可操作性。本文研究的方法还比较烦琐，应在本文研究的基础上，更加深入地研究，为保险公司和企业提供一套更方便和快捷的方法。

[1] 范维澄,孙金华,陆守香，等.火灾风险评估方法学[M].北京:科学出版社,2004.

[2] 李引擎,季广其,邓正贤,等.建筑物火灾损失统计计算和保险费率的确定[J].建筑科学,1998,14(5):3-7.

[3] 褚冠全,孙金华.基于火灾动力学和概率统计理论耦合的建筑火灾直接损失预估[J].中国工程科学,2004,6(8)：64-68.

[4] 徐志胜,白国强,冯凯.灰色预测理论在火灾损失预测中的应用[J].湘潭矿业学院学报,2004,19(1)：24-26.

[5]THOMASF,BARRYPE.EventTreeFireLossScenarioAnalysis[EB/OL].(2003-04-19)[2014-12-10].http://www.fireriskforum.com.

[6]BENICHOUN，KASHEFA，HADJISOPHOCLEOUSG.FireDepartmentResponseModel(FDRM)andFireDepartmentEffectivenessModel(FDEM)TheoryReport,IRC-RR-842[R].FireRiskManagementProgramInstituteforResearchinConstructionNationalResearchCouncilCanada,2002.

[7]TORVID,KASHEFA,BENICHOUN,etal.FIERAsystem Water Requirements Model,IRC-RR-851[R].Fire Risk Management Program Institute for Research in Construction National Research Council Canada,2002.

[8] ENRIGHT T.Impact on Life Safety of the Type 5 Alarm[R].New Zealand Fire Service Commission,2003.

[9] Tim Porter.Determining Realistic Loss Estimates for Rack Storage Warehouse Fires[D].Christchurch,New Zealand:Canterbury,2004.

[10] 邓玲.非均匀网格法在场模拟软件FDS中的应用[J].消防科学与技术,2007,26(2):146-149.

[11] 孙金华,褚冠全,刘小勇.火灾风险与保险[M].北京:科学出版社,2008:132-155.

(责任编辑 马 龙)

A Study on Quantification Methods of Fire Losses in a Building Based on FDS Simulation

YANG Yan-jun

(SuzhouMunicipalFireBrigade,JiangsuProvince215500,China)

Based on the research of quantification theory of fire losses in a building, and the methods of safety system engineering and the principles of fire risk assessment, a systematic calculating method and procedure was established. Taking selection atypical warehouse as an example, the probability and fire losses of four typical fire scenarios were obtained by numerical simulation using FDS. Through an analysis and comparison, the quantitative method of fire losses in a building was proved to be scientific operable. The research results not only provide an assistance for an insurance company to determine differential rate according to the fire losses, but also help an enterprise to understand fire risk confronted with itself and take effective preventive measures, thereby reduce fire risk as low as possible.

numerical simulation; fire losses; quantification method; fire insurance; fire risk assessment

2015-01-21

杨艳军(1985— )，男，江苏盐城人，助理工程师。

D631.6

A

1008-2077(2015)04-0019-05