潘长城PAN Chang-cheng；郭建中GUO Jian-zhong

（首都经济贸易大学安全与环境工程学院，北京 100070）

（College of Safety and Environmental Engineering，Capital University of Economics and Business，Beijing 100070，China）

0 引言

近年来，高校学生食堂火灾时有发生，但一直都没有引起社会的足够重视，其中的原因可能是因为大多数火灾发生之后处理及时，并没有造成人员伤亡的发生。但因为食堂是人流量极大的区域，发生火灾后动则上千人的大疏散，这样不仅严重影响了学校师生的生活秩序、造成了较大的经济损失，而且容易引起学生恐慌，万一处理不及时且人员疏散工作不到位，则易发生踩踏等事故，最终的损失不可估量。基于此，笔者认为对学生食堂火灾及人员疏散进行研究是很有必要的。目前，国内外用得较为广泛的火灾和人员逃生模拟软件是FDS（Fire Dynamics Simulator）和Pathfinder，例如，徐艳秋等[1]利用FDS 软件研究火场下的人员疏散模型，分析了不同的人员特点对疏散效率的影响。乐增等[2]利用FDS 与Pathfinder 对学生宿舍火灾与人员疏散进行了数值模拟，分析了宿舍发生火灾时烟气运动、温度的分布和能见度的变化规律，对现场消防工作具有一定的指导作用。根据笔者在知网上查询的文献显示，在学校火灾研究中，主要是针对学生宿舍，图书馆等区域的研究，而对学生食堂火灾的研究还鲜有文章提及。所以，笔者在查阅相关标准与文献的基础上，结合火灾模拟软件FDS 和人员逃生软件Pathfinder，建立学生食堂数值模拟模型，并对相关参数进行分析，以期为高校学生食堂的消防防火管理方案提供理论参考。

1 FDS 与Pathfinder 简介

FDS（Fire Dynamics Simulator）是由美国国家标准技术局开发的火灾动力学模拟工具，是计算流体力学的一种模型，模拟火的能量驱动流体流动。该软件把设定空间分成多个小的三维矩形控制体或计算单元，计算每个单元内气体密度，速度，温度，压力和组分浓度用质量守恒、动量守恒和能量守恒的偏微分方程来近似有限差分，通过对同一网格使用有限体积技术来计算热辐射、流体流动中存在湍流现象，追踪预测火灾气体的产生和移动，并结合家具、墙壁、地板和顶棚的材料特性来计算火灾的增长和蔓延。

Pathfinder 是由美国Thunderhead engineering 公司开发的一个基于人员进出和运动的模拟器。它提供了图形用户界面的模拟设计和执行，以及三维可视化工具的分析结果。该运动的环境是一个完整的三维三角网格设计，以配合实际层面的建设模式。Pathfinder 可以导入FDS 模型，FDS 在模拟火灾的同时，可以在相同时间内模拟人员疏散。这样既直观，又有可靠的数据，还可以分析出人员疏散的最佳时间，减少人员伤亡。

2 火灾与人员疏散模型建立

2.1 FDS 火灾模型建立 笔者以某高校学生食堂为对象，建立FDS 火灾模型。该学生食堂为三层建筑，层间距为5m，食堂的第一层的平面布置图如图1 所示。该学生食堂的每一层布置相似，为了在方便建立模型，又不影响模拟结果的条件下，笔者在原食堂CAD 图纸的基础上进行了简化处理，图中的C 区域是食堂的主餐厅，为学生、老师的集中用餐区，中间部分为取饭处，A 区域为厨房（主要研究对象），D 区域为存放食材的地方。除此以外，图中的中上部为食堂的主楼梯，右下部为食堂的侧楼梯，B 区域为食堂的大门。

图1 食堂一层平面布置图

在建立完几何模型后，再进行火源的设置。为模拟出食堂火灾最严重的情景，笔者将火源设置在食堂一层的厨房操作间中，这样设置的原因如下：①在笔者查阅的近几年食堂火灾的新闻中，几乎都是厨房着火。②厨房的可燃物最多，操作间的厨师稍有不慎都有可能会导致火灾的发生。③目前高校的学生食堂中，大量存在着私人承包的现象，而这些私人营业者往往安全意识不足，且管理上缺乏制度的约束，这将会让火灾发生的可能性大大增加。

2.2 Pathfinder 人员疏散模型建立 建立完FDS 火灾模型后，由于FDS 与Pathfinder 所建立的模型可以相互导入。所以，只要将建立完成的火灾模型导入到Pathfinder 中即可，对多余的摭挡物进行删除处理后得到人员疏散的几何模型。然后对几何模型中各区域进行相关人员密度的设置，该参数可以采用Pathfinder 软件中的推荐密度进行设置，对于餐厅区域的人员密度采用1.39m2/人，其它区域采用5.57m2/人。

在Pathfinder 软件中人的行为模式有两种：Steering 模式和SFPE 模式。SEPF 模型是一个流动模型，它的前进速度由每个房间的人员密度决定并且通过门的流体是由门宽控制的。而Steering 指导模式是使用路径规划指导机制碰撞处理相结合控制人员运动的，因而Steering 模式更能准确反应人员逃生的具体情况。

3 模拟结果及分析

3.1 FDS 火灾模拟结果 在火灾模拟过程中，往往需要对烟气高度、能见度、温度等参数进行着点分析比较。而且有研究表明，在火灾中有2/3 以上的死亡者是由烟气所致[3]，因此对烟气进行分析将是研究的重点。图2 为模拟所得一楼到三楼的烟气高度的曲线图形。

3.2 人员疏散模拟结果 在Pathfinder 中设定模拟时间为650s，并且默认人们对所有的出口都是熟知的，速度区间设置为1.13m/s～1.26m/s，得到的模拟结果如图3 所示。

图2 3 个楼层烟气高度曲线图

图3 第55s 时的人员疏散情况

3.3 模拟结果分析 结合FDS 与Pathfinder 的模拟结果可以看出：烟气层的高度为决定有效安全疏散时间的最关键的因素。210s 时，二楼楼梯口的烟气层高度已经达到使逃生人员无法继续逃生的临界值1.5m。所以有效安全疏散时间为210s，这意味着，所有逃生人员需要在210s 之内逃离食堂的第二层；在人员疏散过程中，每层楼的主楼梯口与侧楼梯口均容易出现“成拱”现象，人与人之间相互挤压，万一疏散指挥不利造成“拱塌”，则会出现踩踏事件，严重影响到师生的生命财产安全；通过模拟还发现，在火灾最严重的情况下，由Pathfinder 模拟出的需要安全疏散时间（613s）远大于有效安全疏散时间（210s），因此，对该食堂的火灾报警、喷淋设施进行合理重新设置是非常有必要的，同时加装防火楼梯也将大大缩短人员的逃生时间。

4 结论

笔者通过对某高校的学生食堂进行火灾的数值模拟分析，可以发现：①该模型能有效模拟食堂火灾的实际情况，能为学生食堂的消防安全工作提供有力的数据支持。②烟气层高度为影响人员疏散的最为关键的因素，因此，如果在火灾情景下减少烟气对人员逃生的影响，有效的争取到逃生时间，将是下一步研究工作的重点。③私人承包现象在大多数高校食堂中普遍存在，要解决食堂火灾的问题，就必须从人员的管理上着手，完善私人承包制度，增强人员消防安全意识，规范食堂日常管理才是根本的解决之道。

[1]徐艳秋，王振东.基于Pathfinder 和FDS 的火场下人员疏散研究[J].中国安全生产科学技术,2012，8（2）：50-54.

[2]乐增,金润国,毛龙等.高校宿舍火灾数值仿真模拟[J].中国安全生产科学技术,2009,5（2）:51-55.

[3]Purser D.Toxicity assessment of combustionproducts[A].P.J.DiNennoThe SFPE Handbook of fireprotectionengineering [C].Boston，1998.