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摘 要：以我校某男生宿舍楼为研究对象，设置六个火灾场景，运用Pyrosim对研究对象进行火灾模拟。研究结果显示：发生在走廊的火灾，相比于发生在室内火灾，其烟气蔓延速度更快;开启起火房间窗户能将烟气排出，减慢烟气蔓延速度;消防设施能有效控制火势发展和烟气蔓延，能显著提高人员安全疏散的概率。
关键词：高校学生宿舍;火灾模拟;虚拟仿真;Pyrosim
中图分类号：X928
1 绪论
根据相关统计，在各种灾害中，火灾是发生频率最高的灾害之一。根据应急管理部消防救援局发布火灾接处警数据，2020年全国接到的火灾报警为25.2万起，这些火灾共造成1183人死亡，775人受伤，直接财产损失40.09亿元[1]。
随着高校招生人数的增多，学生宿舍楼的人员密度越来越大，学生宿舍楼的火灾安全隐患较多，我国发生了多起高校学生宿舍楼火灾。
我国高校宿舍楼一般人员密度大，大多数高校的宿舍为4人间或者6人间。并且由于宿舍内存在大量服饰、被褥、书籍等易燃物，一旦发生火灾，火势将会迅速发展并蔓延，可能造成巨大的人员伤亡或者财产损失。本文选取我校某宿男生宿舍楼作为研究对象，研究宿舍火灾发展和烟气的运动规律，为高校宿舍楼的消防管理和应急疏散提供科学的参考。
2 建筑火灾理论简介
建筑火灾的发展过程大致可以分为三个阶段：初期增长阶段、充分发展阶段和减弱熄灭阶段[2]。
初期增长阶段：在这个阶段，起火房间室内外的温差很大，起火点及其附近温度很高，其他区域温度较低，此时火灾的火势不稳且发展速度慢。此阶段持续时长受多种因素的影响，例如起火位置、可燃物性质和分布等。
充分发展阶段：当起火房间的温度达到一定值时，房间内聚集的大量可燃气体和未充分燃烧物突然起火，房间由局部燃烧转为全室性燃烧，这种现象称为轰燃，若此时人员还未从火场逃出，则很难幸存。
减弱熄灭阶段：在火灾充分发展阶段的后期，可燃物不断减少，火灾燃烧速度减慢，温度逐渐下降。当室内平均温度降到室内最高温度的80%时，火灾就进入了熄灭阶段。之后，房间温度下降明显，直到房间内可燃物完全被消耗，室内外温度一致，此时，火灾结束。
烟雾是由燃烧或热解作用产生的，弥散在空氣中，烟雾实际上是由空气中的微小固体颗粒、微小液滴和水蒸气组成。据统计，火灾中，因烟雾原因致死的人数占全部死亡人数的60%，烟雾是火灾中对人员安全威胁最大的因素。
3 Pyrosim简介
Pyrosim是由美国国家标准与技术研究院研发一款火灾动态仿真模拟的软件，常被用于模拟火灾发展和烟气运动。可以设置不同的燃烧反应、建筑物材料、表面材质和消防设施等火灾模拟的要素，而且提供了用户图形界面，用户使用更加方便，Pyrosim被广泛用于建筑防火设计、消防安全模拟等[3]。
利用Pyrosim进行火灾模拟的基本过程为：模型建立、运行求解和分析处理。这三个过程的基本步骤如下：
（1）模型建立：①新建Pyrosim程序文件;②定义反应和材料数据;③创建网格;④定义和创建物体表面属性;⑤创建实体构筑物;⑥创建通风口;⑦创建各种探测设备和消防灭火设备;⑧创建各种结果记录;⑨检查模型;⑩存储模型。
（2）运行求解：①设置模拟属性;②开始模拟。
（3）分析处理：①查看分析结果;②分析处理评估结果。
4 学生宿舍火灾Pyrosim模拟
4.1 宿舍楼基本情况介绍
本文研究的宿舍楼平面布局呈半“工”字形，男生和女生宿舍在同一栋楼，男生宿舍为“7”字形，为了降低建模难度和简化模型，本文只研究男生宿舍的主楼部分。该宿舍楼主楼部分占地面积约1341m2，每层高3m，共五层，总建筑面积约为6700m2。该宿舍楼每层有两个盥洗室，分别设置在宿舍楼两端，一层设有2间会客室，2间宿舍管理员办公室和30间寝室，二至五层每层有34间寝室。宿舍楼的每个房间住6人，每个房间都有卫生间、阳台和窗户。相同楼层的每个房间由走廊连接，各楼层之间由楼梯相连，每层设有两个楼梯间，分布于楼层两侧。该宿舍楼楼梯材料为混凝土，墙壁材料为石膏，地板材料为瓷砖，均为不可燃材料。宿舍楼在一层有两个出口，假设有自动喷淋和自动排烟装置。
为了简化计算，在宿舍楼建模之前，做如下假设：
（1）建立模型时，不考虑楼梯间楼梯扶手，不考虑走廊的吊顶。
（2）建立房间模型时，房间内部的物品，如床、桌椅、箱子等不考虑具体形状，使用矩形块来代替。
（3）寝室墙壁的材料设置为石膏，不考虑贴墙纸的情况，地板的材料为瓷砖，不考虑铺设地板垫或地板贴的情况。
（4）除了火灾场景的设置要求外，假设宿舍楼所有的门窗为开启状态。
4.2 火灾模拟场景设置
本文主要研究起火房间窗户的开启状态、自动喷淋系统和自动排烟系统对宿舍楼火灾的影响。由于宿舍楼布局是左右对称的，火源位置在左侧宿舍和右侧宿舍的结果是对偶的，为了模拟多种情况，将火源位置设置为不同楼层的走廊或者寝室内。为了模拟自动喷淋系统的影响，根据《建筑防烟排烟系统技术标准》（GB 512512017），在系统有效时设置火灾规模为1.5MW，无效时设置火灾规模为3MW。
根据《建筑防烟排烟系统技术标准》（GB512512017），设置能见度临界值为5m，能见度小于5m则无法安全疏散;设置顶棚温度临界值为60℃，顶棚温度大于60℃，人员无法疏散;设置烟气层高度为临界值1.5m，烟气层高度低于15m，将严重影响人员疏散。 4.3 火灾模拟场景结果分析
下面比较详细描述场景1的模拟结果，其他场景具体描述在此省略。
（1）烟气蔓延结果分析。根据烟气模拟结果可知，当火灾发生后产生大量的烟气并迅速蔓延。火灾发生18s后，烟气充满了整个走廊;烟气充满走廊后，开始从走廊进入各个房间，火灾发生144s后，烟气蔓延到起火楼层的所有房间，距离火源最近的几个房间，由于火源产生的强烟流影响，烟气很难进入房间，所以这几个房间烟气浓度较低;火灾发生336s后，整个楼层都被高浓度烟气所笼罩;火灾发生1008s后，因可燃物将消耗殆尽且房间通风良好，起火楼层的烟气开始慢慢消散。
（2）顶棚温度结果分析。如图1所示是一层两个安全出口顶棚处的温度变化图。由于火源位置位于走廊中部，并且宿舍楼的布局是对称的，所以两个安全出口处顶棚温度的变化情况基本一致。火灾发生20s后，烟气到达安全出口处。由于高温烟气扩散，此处的温度开始升高。火灾发生262s后，两个安全出口的顶棚温度都达到了最高峰，分别为65℃和58℃。之后，由于烟气充满了整个楼梯间，烟气开始向上层运动，并且由于可燃物的减少，火势开始慢慢减弱，此时两个安全出口处的顶棚温度开始降低。在火灾发生20分钟后，两处的温度降低到30℃。
（3）能见度结果分析。如图2所示是一楼楼道中部发生火灾后的能见度分布图。由图可知，火灾发生后，烟气迅速弥漫，能见度急剧降低。大约经过116s，楼梯间能见度开始降低。火灾发生174s，两个楼梯间的能见度开始低于5m。
（4）烟气层高度结果分析。如图3所示是一层楼梯间的烟气层的高度变化。由图可知，大约20s左右，开始有烟气进入楼梯间，烟气层高度从3m下降到1.7m左右。随着烟气的不断蔓延，楼梯间的烟气越来越多，烟气层高度也在不断降低，大约69s，烟气层高度降为1.5m，之后，由于烟气向上层弥漫，同時火源不断产生烟气，烟气层高度在1.5～1.7m之间浮动。
（5）可用安全疏散时间确定。根据实验结果，得到各火灾场景下的可用安全疏散时间如下表3所示。
根据表1和表3可以得出以下结论：
（1）对比场景1和场景3的仿真结果，可以看出，发生在走廊的火灾相比于发生在寝室内部的火灾，其烟气蔓延速度更快且能量损耗更少。当走廊发生火灾时，楼梯间的顶棚温度迅速升高，能见度快速下降。为了保证宿舍楼的消防安全，宿舍楼的走廊因避免堆放杂物。
（2）对比场景2和场景3的仿真结果，可以看出，自动喷淋系统能有效控制火势，从而减缓烟气的蔓延速度，使楼梯间能见度下降速度变慢。
（3）对比场景4和场景5的仿真结果可知，自动排烟系统可见火灾产生的绝大部分烟气排出，将烟气对人员的危害降至最低，大大提升了人员安全疏散的概率。
（4）对比场景3和场景4的仿真结果可知，火灾发生时，若起火房间的窗户是开启状态，大部分烟气会从窗户排出，减慢室内的烟气蔓延速度。所以，为保证人员在火灾发生时的安全，在平时，要时常开启寝室的窗户，如有必要，可以保持寝室内的窗户的常开状态。
5 结论
本文利用建筑火灾数值模拟软件pyrosim为我校学生宿舍11号楼分别设置了六种场景进行虚拟仿真。结果发现：自动喷淋系统能有效控制火势，从而减缓烟气的蔓延速度;窗户开启能减慢室内的烟气蔓延速度，减轻人员伤亡。
参考文献：
[1]应急管理部消防救源局.2020年全国火灾及接处警情况[DB/OL].（20210201）[20210416].https：//www.119.gov.cn/article/41kpo4CAQyv.
[2]刘阳.基于FDS的建筑火灾数值模拟及安全疏散研究[D].阜新：辽宁工程技术大学，2011.
[3]钟茂华.火灾过程动力学特性分析[M].北京：科学出版社，2007.
[4]邹馨捷，萨木哈尔·波拉提，郝明，庞奇志.基于Pyrosim和Pathfinder的高校学生宿舍火灾人员疏散安全性模拟分析[J].安全与环境工程，2020，27（04）：195200.
基金项目：本文系华北科技学院2021年本科教育教学改革虚拟仿真实验：“我校学生宿舍火灾人员疏散虚拟仿真”项目（编号：HKXNJG2021129）;高教研究所“学科交叉条件下多学科互动联合模式研究”（编号：HKJYGH201817）研究成果
作者简介：谭立云（1966— ），男，汉族，硕士，教授，研究方向：复杂数据分析、虚拟仿真等;聂国亮，华北科技学院理学院2017级学生。
关键词：高校学生宿舍;火灾模拟;虚拟仿真;Pyrosim
中图分类号：X928
1 绪论
根据相关统计，在各种灾害中，火灾是发生频率最高的灾害之一。根据应急管理部消防救援局发布火灾接处警数据，2020年全国接到的火灾报警为25.2万起，这些火灾共造成1183人死亡，775人受伤，直接财产损失40.09亿元[1]。
随着高校招生人数的增多，学生宿舍楼的人员密度越来越大，学生宿舍楼的火灾安全隐患较多，我国发生了多起高校学生宿舍楼火灾。
我国高校宿舍楼一般人员密度大，大多数高校的宿舍为4人间或者6人间。并且由于宿舍内存在大量服饰、被褥、书籍等易燃物，一旦发生火灾，火势将会迅速发展并蔓延，可能造成巨大的人员伤亡或者财产损失。本文选取我校某宿男生宿舍楼作为研究对象，研究宿舍火灾发展和烟气的运动规律，为高校宿舍楼的消防管理和应急疏散提供科学的参考。
2 建筑火灾理论简介
建筑火灾的发展过程大致可以分为三个阶段：初期增长阶段、充分发展阶段和减弱熄灭阶段[2]。
初期增长阶段：在这个阶段，起火房间室内外的温差很大，起火点及其附近温度很高，其他区域温度较低，此时火灾的火势不稳且发展速度慢。此阶段持续时长受多种因素的影响，例如起火位置、可燃物性质和分布等。
充分发展阶段：当起火房间的温度达到一定值时，房间内聚集的大量可燃气体和未充分燃烧物突然起火，房间由局部燃烧转为全室性燃烧，这种现象称为轰燃，若此时人员还未从火场逃出，则很难幸存。
减弱熄灭阶段：在火灾充分发展阶段的后期，可燃物不断减少，火灾燃烧速度减慢，温度逐渐下降。当室内平均温度降到室内最高温度的80%时，火灾就进入了熄灭阶段。之后，房间温度下降明显，直到房间内可燃物完全被消耗，室内外温度一致，此时，火灾结束。
烟雾是由燃烧或热解作用产生的，弥散在空氣中，烟雾实际上是由空气中的微小固体颗粒、微小液滴和水蒸气组成。据统计，火灾中，因烟雾原因致死的人数占全部死亡人数的60%，烟雾是火灾中对人员安全威胁最大的因素。
3 Pyrosim简介
Pyrosim是由美国国家标准与技术研究院研发一款火灾动态仿真模拟的软件，常被用于模拟火灾发展和烟气运动。可以设置不同的燃烧反应、建筑物材料、表面材质和消防设施等火灾模拟的要素，而且提供了用户图形界面，用户使用更加方便，Pyrosim被广泛用于建筑防火设计、消防安全模拟等[3]。
利用Pyrosim进行火灾模拟的基本过程为：模型建立、运行求解和分析处理。这三个过程的基本步骤如下：
（1）模型建立：①新建Pyrosim程序文件;②定义反应和材料数据;③创建网格;④定义和创建物体表面属性;⑤创建实体构筑物;⑥创建通风口;⑦创建各种探测设备和消防灭火设备;⑧创建各种结果记录;⑨检查模型;⑩存储模型。
（2）运行求解：①设置模拟属性;②开始模拟。
（3）分析处理：①查看分析结果;②分析处理评估结果。
4 学生宿舍火灾Pyrosim模拟
4.1 宿舍楼基本情况介绍
本文研究的宿舍楼平面布局呈半“工”字形，男生和女生宿舍在同一栋楼，男生宿舍为“7”字形，为了降低建模难度和简化模型，本文只研究男生宿舍的主楼部分。该宿舍楼主楼部分占地面积约1341m2，每层高3m，共五层，总建筑面积约为6700m2。该宿舍楼每层有两个盥洗室，分别设置在宿舍楼两端，一层设有2间会客室，2间宿舍管理员办公室和30间寝室，二至五层每层有34间寝室。宿舍楼的每个房间住6人，每个房间都有卫生间、阳台和窗户。相同楼层的每个房间由走廊连接，各楼层之间由楼梯相连，每层设有两个楼梯间，分布于楼层两侧。该宿舍楼楼梯材料为混凝土，墙壁材料为石膏，地板材料为瓷砖，均为不可燃材料。宿舍楼在一层有两个出口，假设有自动喷淋和自动排烟装置。
为了简化计算，在宿舍楼建模之前，做如下假设：
（1）建立模型时，不考虑楼梯间楼梯扶手，不考虑走廊的吊顶。
（2）建立房间模型时，房间内部的物品，如床、桌椅、箱子等不考虑具体形状，使用矩形块来代替。
（3）寝室墙壁的材料设置为石膏，不考虑贴墙纸的情况，地板的材料为瓷砖，不考虑铺设地板垫或地板贴的情况。
（4）除了火灾场景的设置要求外，假设宿舍楼所有的门窗为开启状态。
4.2 火灾模拟场景设置
本文主要研究起火房间窗户的开启状态、自动喷淋系统和自动排烟系统对宿舍楼火灾的影响。由于宿舍楼布局是左右对称的，火源位置在左侧宿舍和右侧宿舍的结果是对偶的，为了模拟多种情况，将火源位置设置为不同楼层的走廊或者寝室内。为了模拟自动喷淋系统的影响，根据《建筑防烟排烟系统技术标准》（GB 512512017），在系统有效时设置火灾规模为1.5MW，无效时设置火灾规模为3MW。
根据《建筑防烟排烟系统技术标准》（GB512512017），设置能见度临界值为5m，能见度小于5m则无法安全疏散;设置顶棚温度临界值为60℃，顶棚温度大于60℃，人员无法疏散;设置烟气层高度为临界值1.5m，烟气层高度低于15m，将严重影响人员疏散。 4.3 火灾模拟场景结果分析
下面比较详细描述场景1的模拟结果，其他场景具体描述在此省略。
（1）烟气蔓延结果分析。根据烟气模拟结果可知，当火灾发生后产生大量的烟气并迅速蔓延。火灾发生18s后，烟气充满了整个走廊;烟气充满走廊后，开始从走廊进入各个房间，火灾发生144s后，烟气蔓延到起火楼层的所有房间，距离火源最近的几个房间，由于火源产生的强烟流影响，烟气很难进入房间，所以这几个房间烟气浓度较低;火灾发生336s后，整个楼层都被高浓度烟气所笼罩;火灾发生1008s后，因可燃物将消耗殆尽且房间通风良好，起火楼层的烟气开始慢慢消散。
（2）顶棚温度结果分析。如图1所示是一层两个安全出口顶棚处的温度变化图。由于火源位置位于走廊中部，并且宿舍楼的布局是对称的，所以两个安全出口处顶棚温度的变化情况基本一致。火灾发生20s后，烟气到达安全出口处。由于高温烟气扩散，此处的温度开始升高。火灾发生262s后，两个安全出口的顶棚温度都达到了最高峰，分别为65℃和58℃。之后，由于烟气充满了整个楼梯间，烟气开始向上层运动，并且由于可燃物的减少，火势开始慢慢减弱，此时两个安全出口处的顶棚温度开始降低。在火灾发生20分钟后，两处的温度降低到30℃。
（3）能见度结果分析。如图2所示是一楼楼道中部发生火灾后的能见度分布图。由图可知，火灾发生后，烟气迅速弥漫，能见度急剧降低。大约经过116s，楼梯间能见度开始降低。火灾发生174s，两个楼梯间的能见度开始低于5m。
（4）烟气层高度结果分析。如图3所示是一层楼梯间的烟气层的高度变化。由图可知，大约20s左右，开始有烟气进入楼梯间，烟气层高度从3m下降到1.7m左右。随着烟气的不断蔓延，楼梯间的烟气越来越多，烟气层高度也在不断降低，大约69s，烟气层高度降为1.5m，之后，由于烟气向上层弥漫，同時火源不断产生烟气，烟气层高度在1.5～1.7m之间浮动。
（5）可用安全疏散时间确定。根据实验结果，得到各火灾场景下的可用安全疏散时间如下表3所示。
根据表1和表3可以得出以下结论：
（1）对比场景1和场景3的仿真结果，可以看出，发生在走廊的火灾相比于发生在寝室内部的火灾，其烟气蔓延速度更快且能量损耗更少。当走廊发生火灾时，楼梯间的顶棚温度迅速升高，能见度快速下降。为了保证宿舍楼的消防安全，宿舍楼的走廊因避免堆放杂物。
（2）对比场景2和场景3的仿真结果，可以看出，自动喷淋系统能有效控制火势，从而减缓烟气的蔓延速度，使楼梯间能见度下降速度变慢。
（3）对比场景4和场景5的仿真结果可知，自动排烟系统可见火灾产生的绝大部分烟气排出，将烟气对人员的危害降至最低，大大提升了人员安全疏散的概率。
（4）对比场景3和场景4的仿真结果可知，火灾发生时，若起火房间的窗户是开启状态，大部分烟气会从窗户排出，减慢室内的烟气蔓延速度。所以，为保证人员在火灾发生时的安全，在平时，要时常开启寝室的窗户，如有必要，可以保持寝室内的窗户的常开状态。
5 结论
本文利用建筑火灾数值模拟软件pyrosim为我校学生宿舍11号楼分别设置了六种场景进行虚拟仿真。结果发现：自动喷淋系统能有效控制火势，从而减缓烟气的蔓延速度;窗户开启能减慢室内的烟气蔓延速度，减轻人员伤亡。
参考文献：
[1]应急管理部消防救源局.2020年全国火灾及接处警情况[DB/OL].（20210201）[20210416].https：//www.119.gov.cn/article/41kpo4CAQyv.
[2]刘阳.基于FDS的建筑火灾数值模拟及安全疏散研究[D].阜新：辽宁工程技术大学，2011.
[3]钟茂华.火灾过程动力学特性分析[M].北京：科学出版社，2007.
[4]邹馨捷，萨木哈尔·波拉提，郝明，庞奇志.基于Pyrosim和Pathfinder的高校学生宿舍火灾人员疏散安全性模拟分析[J].安全与环境工程，2020，27（04）：195200.
基金项目：本文系华北科技学院2021年本科教育教学改革虚拟仿真实验：“我校学生宿舍火灾人员疏散虚拟仿真”项目（编号：HKXNJG2021129）;高教研究所“学科交叉条件下多学科互动联合模式研究”（编号：HKJYGH201817）研究成果
作者简介：谭立云（1966— ），男，汉族，硕士，教授，研究方向：复杂数据分析、虚拟仿真等;聂国亮，华北科技学院理学院2017级学生。