某民房火灾场景重构及火灾调查应用

郭 亮，段强领

(1.湖北省武汉市消防救援局，武汉 430024；2.中国科学技术大学，合肥 230027)

火灾调查工作不仅与火灾事故原因、事故损失、事故责任的确定有关，更为火灾有关责任人刑事和民事责任的判定提供依据[1]。然而在火灾调查中，火灾事故调查人员对于火灾事故原因的认定往往比较抽象，不易被接受，基于火灾动力学理论和计算机数值模拟结合的方法，重构火灾现场并且模拟火灾发生发展过程，对于提升火灾调查的科学性和准确性有很大帮助[2]。

赵涵玺[3]对一起酒店纵火案的场景进行重构，并与实际火灾现场进行对比分析，通过模拟来完善火灾调查中的细节问题。姜蓬[4]对某大厦火灾进行重构，对两种可能的起火点建立场景模型进行模拟，并与现场勘验结果进行对比分析，找到了合理的起火点，解决了火灾调查勘验无法解决的问题。董艳磊等[5-6]把模拟仿真技术运用到电气火灾事故调查中，在模拟仿真软件中建立模型，设置不同的模块参数，模拟短路时特定参数的变化特点，为火灾调查原因认定提供帮助。一些学者[6-8]对仓库火灾场景进行重构，测量温度分布、烟气扩散行为等参数，与专家现场勘验结果进行对比分析，预测了火灾发展及烟气运动情况。邰锋等[9-13]利用经验模型和现场勘验获取到的信息，利用FDS软件构建三维空间模型，进一步验证火灾事故调查认定的准确性。

因此笔者应用FDS数值模拟软件，对火灾的发生发展过程进行还原，对火灾发展规律、温度分布以及可见度进行分析，并将数值模拟结果与现场勘验结果进行对比分析，帮助火灾调查人员确定火灾起因，为火灾调查工作提供技术支持。

1 火灾基本情况及场景描述

1.1 火灾基本情况

2021年12月19日早上9时53分左右湖北省某市一居民楼内发生火灾，造成两人死亡(姐妹两人，分别为16岁和5岁)。该居民楼建筑层数为7层，一梯两户，共2个单元，建筑高度为21米。该建筑的东、南、西三面均与其他居民区建筑接临，北邻大街。火灾发生房间位于建筑顶楼(第7层)。火灾起火点位于沙发中间，由于火灾快速蔓延至逃生出口，导致受害人第一时间无法逃离现场。火灾烧毁房间内的家用电器、家具、地板、衣服，建筑一定程度受损，过火面积约70 m2。

1.2 火灾场景信息

火灾现场位于该建筑西侧单元的第7层701室，场景描述如表1所示，可燃物信息及其分布如表2所示。

表1 场景描述

表2 可燃物信息

2 火灾场景模拟

2.1 FDS软件介绍

FDS是由美国国家标准与技术研究院(NIST)下属的建筑火灾研究实验室(BFRL)研发的一款计算火灾流体力学场模拟软件。它把限定空间划分为多个小的计算单元，计算单元中的温度、压力、气体浓度，通过有限体积技术计算热辐射以及流体流动中的湍流现象。模型主要分为两个部分：①求解微分方程的主程序，通过输入火灾场景的各个参数，计算气相和固体表面间的辐射与对流传热，火焰传播与火灾蔓延，以及水喷淋对火灾的抑制效果等；②采用Smokeview实现模拟结果的可视化输出。FDS也是火灾调查和火灾场景重构的一个重要工具[14]，该软件的计算方法包括直接数值模拟和大涡数值模拟，笔者采用大涡模拟(LES)的方法对居民房的火灾发展、温度分布、烟气蔓延以及烟气可见度进行数值模拟分析。

2.2 模型重构

根据失火房间平面布置图以1∶1比例建立模型，并且根据询问笔录记录的“在火灾刚发生时，卧室2窗口烟气较小，卧室1和客厅阳台烟雾较为浓烈”等情况，判断死者生前居住的卧室2房门处于关闭状态，根据现场勘验结果以及火灾调查专家分析，火源位置处于沙发上，据此重构火灾场景如图1所示。

图1 火灾场景模型图

在模型中设置切片可以观察到温度分布以及烟气扩散情况，根据受害者身高设置温度切片与可见度切片高度为1.5 m。

网格尺寸的设置对数值模拟的计算结果影响十分重大，网格过大或者过小均会引起较大的计算误差，在数值模拟中分别设置网格尺寸为10×10×10(cm3)和5×5×5(cm3)，网格数量分别为476 000和3 808 000。经过网格独立性测试及时间步长设置，两种尺寸网格计算结果相同，表明网格尺寸对计算结果没有影响，考虑到网格越大模拟时间越短，故选取较大的网格尺寸模拟结果进行分析。

2.3 数值模拟结果及分析

将数值模拟中火灾蔓延和烟气扩散情况与消防支队的现场勘验笔录、调查询问笔录、现场照片等证据进行比对，综合认定火灾原因。

2.3.1 火灾演化行为规律

火灾发展过程如图2所示，可知在火灾初期约80 s时，火源引燃沙发，随之引燃沙发整体，玄关鞋柜在火焰热辐射作用下被点燃，火焰在浮力作用下沿鞋柜壁向上蔓延，随之引燃整个玄关鞋柜，140 s左右，客厅发生轰燃，客厅内所有可燃物(地板、吊顶、电视柜、沙发、相框等)均被引燃。客厅轰燃发生后，产生大量热量，火灾向临近房间蔓延。

图2 火灾演化过程

卧室1中有非常多的可燃物，且通风条件良好，导致卧室1内可燃物持续燃烧，烟气通过窗户扩散至外部环境，所以现场烧损情况十分严重，从建筑外部亦可观察到卧室1窗口有大量烟气逸出。而卧室2的房门起初处于关闭状态，150 s左右卧室2的房门在火焰作用下被烧穿，然后房间内其他可燃物，如床垫、床头柜、床板、衣柜被引燃。由于卧室2的窗户开启，向房间内持续供氧，导致房间内可燃物一直持续燃烧，现场烧损情况也非常严重。卧室3在被火焰点燃其中的可燃物后，短时间内被熄灭。这主要是由于卧室3位于房屋的最里面，房间距离阳台较远且无窗户，因此该卧室通风条件较差，使得被消耗氧气无法补充支撑可燃物继续燃烧。因此，可燃物被点燃后短时间内又熄灭，燃烧程度与现场勘验结果相符(烧损较微弱)。厕所中可燃物较少，只有火焰和烟气通过的痕迹，厕所处烧损程度也较微弱，火灾产生的烟气经厕所窗户向外部环境扩散，也与实际火灾场景相符(只有过火痕迹)。以上模拟情况均与现场勘验结果相符。

2.3.2 温度变化模拟

高度1.5 m处的温度云图如图3所示，显示了火灾前中后期的温度分布情况，由图3可知在火灾前期，客厅内可燃物一直被引燃导致客厅温度持续上升，然后客厅到达轰燃条件发生轰燃，火焰向其他房间蔓延，临近房间室温上升，卧室2的房门在客厅达到轰燃后一段时间被烧穿，火焰点燃卧室2中的可燃物，卧室2中温度急剧上升。

图3 Z=1.5 m处温度云图

2.3.3 烟气扩散模拟

高度1.5 m处的可见度云图如图4所示，显示房屋内火灾发展各个阶段的可见度分布情况。由图4可知在火灾前期，沙发和鞋柜被点燃释放出浓烟，烟雾充满客厅和卧室3，可见度迅速降低，接着烟雾向卧室1和厨房厕所扩散；到火灾中期，卧室1中的可燃物被点燃释放出烟雾充满整个卧室1，部分烟雾通过窗户扩散至外部环境，随后卧室2的房门被烧穿，卧室2内可燃物被点燃释放出浓烟，烟雾迅速充满卧室2，可见度降低。

图4 Z=1.5 m处可见度云图

3 结论

(1)利用FDS对某火灾事故进行了场景重构和火灾行为演化数值模拟，通过对建筑内火灾演化过程、烟气蔓延行为以及可见度变化规律的分析，发现模拟结果与火灾现场勘查结果和物证基本吻合，进而验证了基于数值模拟的火灾场景重构技术的合理性和有效性。

(2)尽管数值模拟结果不能直接作为火灾调查证据，但可以作为验证火灾事故原因、认定准确性的有效手段，并且可以为火灾调查员推断火灾的起火原因、起火时间、起火位置提供技术支撑，也可以帮助火灾调查人员了解现场火灾蔓延和人员逃生等行为。

(3)未来将进一步开展利用数值模拟进行火灾场景重构的研究工作，将其作为火灾调查的有效补充手段，通过数值模拟火灾场景重构技术与现场物证勘查相结合，相互作证，完善火灾调查平台，进而提升火灾调查工作水平。