浅析FDS火灾模拟在高层办公建筑的应用

刘 富 贵

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 611130)

0 前 言

随着我国社会经济的快速发展，人民生活水平的日益提高，高层及超高层建筑急剧增多。建筑高度不断攀升，体量跨度越来越大，随之而来的火灾事故也呈高发、频发态势。作为高层建筑的典型，高层办公建筑的火灾防控成为消防管理中最为重要的工作。高层办公建筑因人员密集、可燃物种类繁多且数量大、火灾及衍生的高温气体蔓延迅速等特性，让员工如何逃离火灾危险区域成为亟待研究的重要课题[1]。因此掌握高层办公建筑火灾时烟气运动、火场能见度等规律，对于高层办公建筑内人员疏散逃生以及消防扑救等具有重要意义。

为了提高高层办公建筑火灾人员逃生虚拟演练的真实性和科学性，在做好火灾事故预防的同时，完善应急措施也是非常关键的一环。如何在火灾事故中选择逃生线路，缩短逃生时间，减小火灾事故中造成的人员伤亡和财产损失，是消防安全管理的重要目标之一。

1 模拟软件FDS应用的原因

2009年中央电视台附属文化中心起火，直接经济损失达1.6亿元，这是我国高层办公建筑火灾损失特大的一次。长期以来各种火灾事故从未停止过，国内外已经发生的“4·28灵石中凯大厦火灾事故”“4·15巴黎圣母院火灾事故”“6·14伦敦公寓楼火灾事故”等均影响巨大、损失惨重。成都周边也发生了如“3·6成都武侯区火灾事故”“7·28四川成都居民楼火灾事故”“12·18成都国税办公大楼火灾事故”等，消防安全形势严峻。

目前，人们对消防安全的认识普遍停留在灭火器材的使用和逃生注意事项层面，对高层办公建筑实景情况下可能发生火灾及其应对措施、路线选择均没有形成完整概念。影响高层办公建筑人群疏散效率的原因包括反应时间、人群密度、人群移动速度、可移动空间、流动量的大小等众多因素。大量实验结果表明，FDS软件能够对各种建筑结构火灾场景进行有效数值模拟，可以用来研究火灾特性和评估建筑物火灾安全系统的性能[2]。本文运用FDS软件对某19层办公建筑进行火灾能见度及撤离时间等模拟计算，为火灾时高层办公建筑人员撤离和应急方案的制定提供理论依据。

2 FDS模拟介绍

2.1 FDS模型简介

模拟软件FDS是美国国家标准技术局(NIST)建筑火灾研究实验室开发的火灾动力学场模拟软件。它是一种火焰驱动流体流动的计算流体动力学(CFD)模型。该模型可用数值方法求解适合低速的热驱动流的Nervier-Stokes方程，以火灾时的烟气流动和热传递为研究对象[3]。它主要利用质量守恒方程、能量守恒方程和动量守恒的偏微分方程来近似有限差分，并将空间划分为一系列网格，在单体网格内求解方程，确定火灾基本参数在空间各点上的分布及随时间发生的变化，重点适用于火灾导致的热、烟传播和蔓延的数值模拟，并得到了大型及全尺寸火灾实验的验证。随着软件的深入开发，FDS软件正致力于解决消防安全工程中的一系列实际火灾问题，成为燃烧和火灾动力学研究的有力工具。

FDS软件建立的模型能够体现火场的空间几何形状和尺寸，被模拟的建筑被划分为若干小型三维矩形控制体积或计算元胞，其中计算的参数包括密度、速度、温度、压力和气体种类及浓度。根据质量守恒、能量守恒、动量守恒和物种平衡方程，FDS可模拟火灾气体和烟气的生成及运动。具体而言，就是利用室内办公用品、地面材料、壁面材料及屋顶材料的热物理性质，FDS就可以计算火灾的发展和蔓延趋势。

2.2 安全性判定准则及判据

保证人员安全疏散是建筑防火设计中的一个重要安全指标。人员安全疏散即建筑物内发生火灾时，整个建筑系统(包括消防系统)能够为建筑中的所有人员提供足够的时间疏散到安全地点，整个疏散过程中人员不应受到火灾的危害。

建筑内的使用者撤离到安全地带所花的时间(RSET)小于火势发展到超出人体耐受极限的时间(ASET)，则表明达到人员生命安全的要求。保证安全疏散的判定准则为：

RSET+TS

(1)

式中，RSET为疏散时间；ASET为开始出现人体不可忍受情况的时间；TS为安全裕度。

疏散时间(RSET)，即建筑中人员从疏散开始至全部人员疏散到安全区域所需要的时间。疏散过程大致可分为感知火灾、疏散行动准备、疏散行动及到达安全区域等几个阶段。

危险到来时间(ASET)，即疏散人员开始出现生理或心理不可忍受情况的时间。一般情况下，火灾烟气是影响人员疏散的最主要因素，常常以烟气降至一定高度或浓度超标的时间作为危险来临时间。

安全裕度(TS)，即防火设计为疏散人员所提供的安全余量。

火灾时人员疏散过程与火灾发展过程的关系可用图1来表示。在人员疏散时间与火势蔓延时间之间引入安全系数，以解决在发生火情可能出现的不确定性问题。

图1火灾发展与人员疏散参数关系

火灾对人员的危害主要来源于火灾产生的烟气，主要表现为烟气的热作用和毒性。另外对于疏散而言，烟气的能见度也是一个重要的影响因素。所以在分析火灾对疏散的影响时，一般从温度、毒性气体的浓度、能见度等方面进行讨论。

2.2.1 疏散时间(RSET)预测

疏散时间(RSET)包括疏散开始时间(Tstart)和疏散行动时间(Taction)两部分。疏散时间预测采用以下方法：

RSET=Tstart+Taction

(2)

(1)疏散开始时间(Tstart)，即从起火到开始疏散的时间。一般而言，疏散开始时间与火灾探测系统、报警系统，起火场所、人员相对位置，疏散人员状态及状况、建筑物形状及管理状况，疏散诱导手段等因素有关。疏散开始时间(Tstart)可分为探测时间(Td)、报警时间(Ta)和人员的疏散预动时间(TprG)。

Tstart=Td+Ta+TprG

(3)

式中，①探测时间(Td)为火灾发生、发展将触发火灾探测与报警装置而发出报警信号，使人们意识到有异常情况发生，或者人员通过本身的味觉、嗅觉及视觉系统察觉到火灾征兆的时间；②报警时间(Ta)为从探测器动作或报警开始至警报系统启动的时间；③人员的疏散预动时间(TprG)，即人员的疏散预动时间为人员从接到火灾警报之后到疏散行动开始之前的这段时间间隔，包括识别时间(TrGc)和反应时间(TrGs)。

TprG=TrGc+TrGs

(4)

式中，①识别时间(TrGc)为从火灾报警或信号发出后到人员还未开始反应的这一时间段。当人员接受到火灾信息并开始作出反应时，识别阶段即结束；②反应时间(TrGs)为从人员识别报警或信号并做出反应至开始直接朝出口方向疏散之间的时间。与识别阶段类似，反应阶段的时间长短也与建筑空间的环境状况有密切关系，从数秒钟到数分钟不等。

(2)疏散行动时间(Taction)，即从疏散开始至疏散到安全地点的时间，它由疏散动态模拟模型模拟得到。疏散行动时间预测是以建筑中人员疏散有序且不发生恐慌为前提。

2.2.2 危险到来时间(ASET)的预测

危险到来时间的预测，需要分析在所设计的防排烟系统作用下，火灾产生的热烟气在高层办公建筑内的运动特性。拟采用FDS场模型进行火灾烟气运动预测分析。

2.3 FDS火灾模拟

通过FDS软件输入建筑结构的几何描述，计算元胞的尺寸，火源的位置，火源的热释放参数，室内地面、壁面、屋顶材料和办公用品的热性能参数，房室门窗的尺寸和位置以及开放状态和时间(对火灾发展和蔓延影响很大)，其中室内材料的热性能参数又包括几何厚度、点燃温度、单位面积的热释放速率、热传导系数和热发散系数，通过这些，FDS就可以计算火灾的发展和蔓延情况。

火灾产生的高温烟气会对人体造成一定程度的伤害，一般高温环境中不同空气温度和湿度对人体安全的影响时间不同。高层办公建筑烟气控制系统的消防安全设计目标是保证在人员安全疏散完毕的时间内，各区域烟气的物理特性不超过人员的耐受指标[5]，即：①清晰高度(人员活动最高区域2 m以内)以下空间内的烟气温度不超过60 ℃；②清晰高度(人员活动最高区域2 m以内)以下空间内的能见度大于10 m。

对于烟气的毒性，一般认为在可接受的能见度范围内，毒性都很低，不会对人员疏散造成影响。

火灾产生大量有害的高温烟气，烟气层必须保持在人员头部以上一定高度，才能保证火灾发生后人员高效、安全地进行疏散。

3 FDS在高层办公建筑的应用

目前，FDS软件在国内中央电视台新台址、国家体育场、奥林匹克会议中心、哈尔滨太平机场等建筑均已得到应用。

本文以某高层办公建筑为实例，建筑楼层数为19楼，层高3 m，办公人员约1 650人，平面示意如图2所示。FDS火灾模拟的火源位置设在第11层某办公室，火灾场景A相关参数见表1。

图2 火灾发生楼层平面示意

表1 火灾场景A基本参数

本文仅对火灾发生楼层和火灾发生以上楼层进行分析。因火灾发生后，火灾对发生楼层以下的楼层影响较小，暂不对其进行研究分析。

3.1 发生火灾楼层的模拟数据分析

着火房间的能见度会在70 s内下降到1 m以下，人员必须在70 s内离开着火房间，而走廊的能见度在200 s时下降到10 m以下，火灾发生楼层的人员需在200 s内撤离该楼层。

3.2 火灾发生位置以上楼层的研究分析

(1)当所有消防门、消防通道全部敞开并且排烟系统正常工作时，通过FDS模拟可以得出火灾发生位置以上楼层危险来临的时间分布，如表2所示。

表2 火灾发生楼层以上楼层危险来临时间分布

(2)当所有消防门、消防通道全部关闭并且排烟系统正常工作时，通过FDS模拟可以得出火灾发生位置以上楼层危险来临的时间分布，如表3所示。

表3 A场景各楼层能见度危险来临时间分布

4 结 语

在设定的火灾条件下，不同情况对高层办公建筑各楼层的影响不同，经过模拟分析主要有以下内容。

(1)着火房间人员必须在70 s内离开房间，火灾楼层的人员需在200 s内撤离开该楼层，火灾才不会对其造成危险。

(2)当所有消防门、消防通道全部敞开并且排烟系统正常工作的情况下，火灾发生后的第475.2 s开始，19层能见度开始存在危险，1 200 s内温度不会对人员造成危险。

(3)当所有消防门、消防通道全部关闭并且排烟系统正常工作的情况时，火灾发生后1 200 s内，12～19层距地面2.0 m高的平面上，其能见度大于10 m和温度小于60 ℃，不会对人员造成危险。