基于Pyrosim 的高校办公楼火灾模拟仿真研究

高嘉璐

(辽宁工程技术大学，辽宁 阜新 123000)

根据调查，我国2021 年火灾大约74.8 万起，共死亡约1987 人，受伤约2225 人。在高校中，办公楼是除学生宿舍外另一密集的场所，人员年龄段分布广，流动性大，存在较大安全隐患。马锐[1]通过对近12 年全国发生的110 起群死群伤特大火灾情况的收集和整理，分别对群死群伤火灾总体情况发生年度、月份、省份、原因人员、死亡原因、死亡人员性别及特殊年龄阶段死亡人员身份发生火灾区域行业类别经济类型建筑性质等做出了总结。陈思奇[2]运用PyroSim火灾仿真模拟软件对棉花露天仓储火灾进行了数值模拟，根据计算结果对场内火焰、烟气蔓延情形、下游堆垛的温度场和露天仓库整体的温度场以及不同风速下热释放速率曲线进行了分析。吕希奎等[3]基于BIM 的二次开发技术，实现了对BIM 中材质信息的有效、快速、准确的提取，解决了BIM 和Pyrosim 软件间的数据传输关键问题。在此基础上，将BIM 集成在Pyrosim 软件，实现了基于BIM 的火灾模拟，得到了火灾模拟信息和以及关键位置的可用安全疏散时间。

1 火灾燃烧理论及影响因素

火灾燃烧的条件是火源、可燃物和助燃物，三个条件缺一不可。火灾燃烧分为六个阶段，分别为：吸热阶段、热解阶段、发烟阶段、轰然阶段、全燃阶段和衰减阶段。火灾中主要影响因素分别是温度、一氧化碳浓度、能见度，因此本文主要对其三项进行模拟。若建筑物发生火灾将产生强烈的烟囱效应，极大的加速烟气体传播有害物质的速度，烟气体中的有害物质如：一氧化碳、二氧化硫等有害成分均会对人体及视线等造成不同程度的损伤，增加火场复杂程度及其疏散时间。

2 高校办公楼火灾仿真模拟

2.1 Pyrosim 及模拟对象简介

FDS 软件是一款计算火灾动力学的软件，依据守恒定律，设置燃烧材料导热参数、温度、能见度，模拟烟气变化规律并通过SmokeView 来查看模拟结果。Pyrosim 是FDS 的预设软件，在众多火灾模拟软件中，Pyrosim 以其快速的模型建立、方便的着火材料及位置确定，在火灾模拟中应用广泛。因此，本次进行火灾模拟的软件选择的是Pyrosim，利用Pyrosim 建立本次模拟的模型，再运行FDS 软件，对模型进行模拟。

图1 为辽宁工程技术大学北校区高校办公楼BIM 模型图。建筑一共4 层，建筑总高度20.6m，建筑面积为4492.14m2。

图1 辽宁工程技术大学办公楼BIM 模型图

2.2 模型建立

本研究通过Revit 软件对辽宁工程技术大学办公楼进行模型的建立，再导入Pyrosim 中，得到火灾模拟模型。在FDS 中按照1:1 设定仿真模型，建筑物长宽高为87m、24m、20.6m，坐标取（0，0，0），为保证模型的火灾模拟的准确性，采取网格尺寸为1m×1m×1m，总网格数为49140 个，选取网格数量为90×26×21。

2.3 火灾有害因素分析及其危险性判定

在火灾发生时，影响的因素有烟气温度、烟气高度、烟气能见度和有害气体。通过对这些因素分析来进行危险性判定。

2.3.1 烟气温度

图2 Pyrosim 模型图

过高的烟气温度会导致人的皮肤被灼烧，在火灾中温度急速上升一定程度，使人体快速脱水、烧伤等产生生理性的影响，在进行火灾危险性判定时，需要确定人体的临界温度，根据研究，本次研究选取的人的耐受的临界温度为60℃。人体对辐射热强度为2.5KW/m2。[4]

2.3.2 烟气高度

火灾燃烧产生的大量烟气，烟气密度小所以漂浮在建筑顶部，随着烟气的聚集，烟气高度降低，达到一定程度时会对人的疏散速度造成极大的影响。选取其中一个判定公式作为本文章的判定条件：

式中：HS-清晰高度（m）；HC-危险临界高（m）；HP-平均高度（m），一般取1.6m；HB-建筑内高度（m）。本研究的高校办公楼层高为4.2m，根据式（1）能得出：HC=1.6+0.1×4.2=2.02（m）因此本次研究选取烟气高度为2m 处，视为危险临界高度。

2.3.3 烟气能见度

能见度是指正常视力的人能将目标物从背景中识别出来的最大距离，在火灾发生时，烟气的不透光性会遮挡大部分视线，而且烟气刺激人眼，会使人在火灾中视力下降。在一些专家研究中给出了对烟气的能见度的临界指标，在小空间中能见度临界值为5m，在大空间中临界值为10m。

2.3.4 有害气体

在建筑火灾中，烟气中主要的有害气体为CO，是火灾中导致死亡原因之一。常用的建筑材料燃烧所产生CO 的浓度高达2.5%，而CO 浓度达到0.1%时，已经使人们产生头晕恶心，中毒的现象，所以本文确定临界CO 浓度危险值为0.1%。

2.4 着火点位置选取及着火点的火灾场景设置

2.4.1 着火点位置的选取

一个火灾模拟中，最重要的是着火点位置选取。本次研究着火点位置选取采用最不利原则，使得出的模拟结果更接近最差的情况，就能在现实应用中挽救更多人的生命。在选取着火点位置时，遵循以下几种原则:（1）贴近真实火灾情况。在研究中选择现实中容易着火的材料、空间。（2）聚集人多且不容易疏散的空间。选择不利于人们疏散的空间来贴近真实火灾场景。（3）考虑周围空间环境。周围环境的明与暗，距离疏散远与近都会影响着火点位置是否切近真实火灾场景。根据上诉原则，本文选择一层大厅为着火源。如果一层大厅着火，烟气会更大面积对两侧房间照成影响，更贴近火灾真实情况；空间上，常驻人和流动人员（学生请假和取体育用品学生等）众多，熟悉场地环境和不熟悉场地环境的人在此处频繁交集。在周围环境方面，通过一层出口的人会更易被火灾产生的各种有害因素所影响，所以此着火点位置更能模拟火灾场景中火灾蔓延最差情况。

2.4.2 火灾场景的设置

模拟初始火灾场景的环境温度为20℃，压强为标准大气压101.325KPa。室内风为静态，不考虑室外的风对室内烟气的影响。本文研究的是高校的办公楼，取此次最大热释放率为6000KW，火源的热释放速率模型设置为t2，本文选择快速生长火，所以α=0.046890。根据公式Q=αt2可得，t=357.71s。即火源达到稳定热释放速率的时间为357.71s。在距离每一层地面2m 高度处的两个疏散楼梯口处和走廊中间分别设置温度传感器烟气、烟气高度传感器、烟气能见度传感器和CO 浓度传感器。

3 最不利着火点的模拟结果分析

3.1 烟气弥漫过程分析

图3 表示烟气弥漫过程，图（a）-（d）分别展示了30s、90s、270s、360s、的建筑立面图的烟气弥漫程度。在30s 时，在火源点产生少量烟气，尚未充满整个大厅；90s 时烟气已经不均匀充满一层大厅且蔓延至两侧走廊，有大量烟气通过一层大厅的楼梯蔓延至二层；270s 时，一层二层走廊已经基本被烟气填满，烟气沿着北侧的两个疏散楼梯已经少量蔓延至三层的走廊中，四层有极少量烟气进入走廊中；600s模拟结束时，一层二层完全被烟气填满，三层走廊被填满，房间内聚集的烟气增多，四层走廊被烟气填满且开始蔓延至房间。中能见度降低至10m 时，对人员疏散逃生和火灾扑灭造成巨大的影响。根据探测器的数据绘制的能见度曲线变化图和切片（图5），在77s 时，各个探测器的能见度无变化都是30m，说明把握好火灾初期的时间，能极大程度的减少烟气能见度的影响。探测器4 和5 位于大空间处，能见度最快降低至10m 以下，探测器4 和5 分别在97s 和95s 时，二楼中间的楼梯丧失疏散能力。靠近一层大厅主入口的探测器0在140s 时，烟气能见度降低至10m。位于二层北侧两个疏散楼梯的探测器6（西侧）和7（东侧）分别在178s 和177s烟气能见度降低至5m。三层在290s 时烟气能见度降低至5m。四层在367s 时烟气能见度降低至5m。

图3 办公楼内部烟气蔓延图

图5 能见度变化曲线图

3.2 烟气温度分析

从温度变化曲线（图4）中可以看出14 个探测器的曲线变化趋势相接近，靠近火源处的探测器0 在272s 时达到人体的耐受的临界温度60℃，靠近南侧的主入口探测器3 在268s 时人体的耐受的临界温度60℃，即第268s 时，南侧主入口丧失疏散功能。二层楼梯东侧的探测器5 温度最高，温度上升最快，在244s 的时候达到60℃，位于大厅中间的楼梯丧失疏散功能。通过对比一层和二层的探测器发现，二层的烟气温度都大于一层的烟气温度，而位于三四层的探测器的数据全部没有超过60℃，说明温度变化对三四层人员逃生没有影响。

图4 温度变化曲线图

3.3 烟气能见度分析

由前文2.3 可知，在小空间中能见度降低至5m、大空间

3.4 有害气体CO 浓度分析

根据前文表2.3.2CO 浓度值为0.1%时，人们会出现头晕恶心，中毒症状，严重影响人员疏散速度危害人们的生命。根据探测器的数据绘制的CO 浓度曲线变化（图6）发现，位于二楼东侧楼梯口的探测器5CO 浓度值最快达到0.1%，在317s 时，不适合人疏散逃生。探测器4 虽然前期上升CO 浓度值没有探测器4 快，但是最终的CO 浓度值达到的最高，为0.22%。位于一层北侧两个疏散楼梯的探测器1（西侧）和2（东侧）分别在448s 和450s 时CO 浓度值达到0.1%。位于二层在410s 时CO 浓度值达到0.1%。位于三、四层在模拟结束时CO 浓度值均未达到0.1%。与前文温度和能见度变化曲线作比较，发现达到温度和能见度临界值的时间较比于达到CO 浓度的临界时间短。

图6 CO 浓度值变化曲线图

4 优化

根据火灾模拟结果分析，在温度、能见度和CO 浓度影响因素中，影响最大的是能见度，在190s 时，三个出口的能见度已经降低至5m，使还未疏散的人们不能找到疏散出口，最后导致逃生失败，所以为了延长疏散时间，就要增加人们在火灾中的能见度，主要方法为增加光源。通过缩小安全指示灯的间隔距离，增加应急灯的数量及光的强度，每层疏散楼梯口的防烟防火门，来降低能见度对人们疏散的影响，从而减少人们疏散时间，使更多的人逃生成功。

5 结论

在本次火灾疏散模拟中，烟气最先充斥一楼二楼的大厅，再向走廊蔓延。位于二楼大厅的楼梯处在244s 的时候最先达到人体耐受温度达到60℃，并发现所有位于二层疏散口烟气温度都要高于其它层烟气温度。发现所有位于二层疏散口CO 浓度值都要高于其它层CO 浓度值。能见度在火灾疏散中影响最大，应重视安全指示灯的间隔距离，增加应急灯的数量及光的强度；在每层疏散楼梯间设置防烟防火门，以阻隔烟气聚集逃生通道，降低能见度对人员疏散的影响。