基于BIM模型与FDS的老旧活动中心火灾数值模拟.pdf
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1、引用格式:陈益迪,赵隽妍,陈锦川,等基于BIM模型与FDS的老旧活动中心火灾数值模拟 J.海南大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 1(2):2 1 1-2 1 7.Citation:Chen Yidi,Zhao Junyan,Chen Jinchuan,et al.Fire simulation of old activity center based on BIMmodel and FDSJ.Natural Science Journal of Hainan University,2023,41(2):211-217.Jun.2023Vol.41No.2第4 1 卷第2 期2023年
2、6 月海南大学学报自然科学版NATURALSCIENCEJOURNALOFHAINANUNIVERSITYDOl:10.15886/ki.hdxbzkb.2023.0023基于BIM模型与FDS的老旧活动中心火灾数值模拟陈益迪,赵隽妍,陈锦川,任兴月1(1.海南大学土木建筑工程学院,海南海口57 0 2 2 8;2.中国矿业大学力学与土木工程学院,江苏徐州2 2 1 1 1 6)摘要:为探究火灾发生时CO浓度、能见度、火场温度等火灾参数的时变特性.以某老旧活动中心为例,通过Revit软件构筑该建筑物理模型,利用火灾动力学(FireDynamics Simulator,FDS)软件Pyrosim
3、对3种火灾工况开展数值模拟计算.研究结果表明:窗户开启比窗户关闭在火灾CO浓度、能见度、温度到达临界时间至少分别降低4 1.3%、1 1.8%、1 6.3%;打开楼梯间附近窗户比打开火源处窗户能有效降低危害,该研究成果可为后续火情预防应急管理提供相应的防范措施及对策建议.关键词:建筑火灾;FDS模拟;BIM技术;老旧建筑中图分类号:X932文献标志码:A文章编号:1 0 0 4-1 7 2 9(2 0 2 3)0 2-0 2 1 1-0 7老旧活动中心由于建筑使用年限长,缺乏现代化的管理人员,建筑内配备的消防设施不足、水电设备线路老化,火情发生时产生的高温和浓烟将严重危害人们的生命财产安全1-
4、3.这些老旧建筑楼由于人员密度大,缺乏现代化的消防设备,火灾发生时人员的安全疏散也存在困难 4 ,近年来,老旧建筑火灾引起的人员伤亡率不断上升,火灾引发的人身财产损失金额持续走高,发生火情时建筑内人员的应急、疏散逃生问题成为重点难题 5-6 .因此,对老旧建筑火灾展开研究,对消防救援的有效开展具有重要的意义.建筑信息模型技术(BuildingInformationModeling,BIM)是近年来出现并引领建筑数字技术走向更高层次的一项新技术,它已经成为工程建设领域的热点 7 .BIM技术能够在灾害突发时快速建立建筑模型并与其他数值模拟软件进行协同应用,其中基于BIM技术的火灾数值模拟受到研究
5、者们高度重视,如蒋科明1 8 1 在进行火灾烟气数值模拟时,首次将FDS软件应用于大邱地铁站的全尺寸数值模拟,明晰楼梯间烟气分布及其温度特征,并提出地铁火灾人员安全疏散的优化方案;刘芳等 9 利用FDS软件对木结构古建筑进行火灾数值模拟,通过比对古建筑在不同着火情况下烟气流动状态、火灾蔓延情况、影响因素强弱来研究古建筑的火灾蔓延规律并预测木结构古建筑的着火变化特征;邢志祥等 1 0 研究建筑不同高度起火对人员逃生疏散的影响,得到起火楼层位置越低则人员疏散效率越低,伤亡越大;Tsukahara等 用FDS软件对地铁车站建立模型,模拟火灾烟气对地铁车站疏散造成的影响;韩朱旸等 1 2 利用FDS软
6、件对城市高层建筑进行火灾模拟,提出一种实时定量评估法,减少人员伤害且提供应急救援方案;肖游等 1 3 通过FDS建立池火灾燃烧模型,计算不同位置的温度作为边界条件运用于计算流体动力学中,提升了模拟研究效率,得到了快速烤燃特性;袁莎莎 1 4 等使用FDS软件对机场多功能区域进行全尺寸建模与数值模拟,分析研究火灾发生时的火灾荷载、温度变化、热释放速率等影响火情蔓延因素的变化情况;李世峰等 1 5 利用火收日期:2 0 2 2-0 7-0 8基金项目:海南省研究生创新科研课题(Hys2020-205)作者简介:陈益迪(1 9 9 5一),男,海南海口人,海南大学2 0 2 0 级土木工程专业硕士研
7、究生,研究方向:防灾减灾,E-mail:通信作者:任兴月(1 9 8 3一),男,山东德州人,博士,教授,研究方向:计算流体力学,E-mail:r e n x n y 1 2 6.c o m2122023年海南大学学报自然科学版灾动力学软件FDS对某城市道路隧道中三出口分流匝道路段内部发生的影响.刘新蕾等 1 6 以哈尔滨新第一百货中庭商厦为研究对象,运用FDS软件分析了天窗开闭时中庭火灾和挑台火灾的烟气扩散规律,得到了烟气在各个方向的扩散速率、上述研究提供了火灾仿真模拟分析的理念和想法,并在模拟火场中进行充分应用由上述文献可知,研究人员在模拟过程中观察火灾参数变化及火情蔓延演化,进而评估建筑
8、物发生火灾的危险性,从而提高安全疏散可行性 1 7 并保证室内人员的安全【1 8 .但研究人员在FDS软件研究领域所针对的建筑往往属于简单结构,对于复杂结构的建筑空间体缺乏关注;BIM-FDS协同研究领域内容缺失,尤其针对易燃、老旧建筑研究匮乏的情况,此研究对于该领域火灾防灾显得尤其必要.通过对老旧活动中心的3种火灾工况开展数值模拟计算,获取活动中心火灾过程中关键数据,为灾害预防与火灾救援提供数据来源与理论支持,提高救援逃生的可行性、实用性。1老旧活动中心FDS火灾模型1.1火灾烟气模型控制方程老旧活动中心内火灾发生时烟气的流动情况属于瑞流流动,采用FDS软件Pyrosim来模拟该瑞流流动过程
9、.烟气流动特性的持续变化的控制方程组如式(1)(4)所示op+V(pu)=0,(1)atp其中,p为气体密度为密度的时间变化率;u为速度量;V(pu)定义了质量对流.at动量方程动量方程QuPV)u+Vp=pg+f+Vt,(2)其中,g为重力加速度;f是外部矢量;t为控制计算域内流体上的定量粘性力.能量方程p(ph)+V(phu)-+uVp=q-Vq,+(kVT)+V(Zh,(pD,)VY),(3)at其中,h为显恰;p为压力;T为温度;q,为热辐射通量;q为热释放速率(HRR);D,为第1 种组分的扩散系数;Y为第1 种组分的质量系数;k为火灾烟气导热系数.组分方程(pY)+V(pD,)VY
10、u=V(pD,)VY,+W,(4)其中,W为第1 种组分的质量生成率.1.2BIM几何模型及FDS模型网格划分研究对象是一幢6 层的某老旧活动中心,由健身活动厅、乒乓球室、走廊、卫生间、图书阅览室、台球厅、楼梯间构成,每层构造大体相同.建立几何模型:长宽高=18.8mx13.7m23.9m,通过Revit软件建模,导人Pyrosim软件,建筑模型如图1 所示图1活动中心建筑模型213陈益迪等:基于BIM模型与FDS的老旧活动中火灾数值模拟第2 期在对该活动中心模型网格进行划分时,不但需要全面考虑整个老旧活动中心在不同火灾场景下的着火以及烟气弥漫过程的随机性情况,而且需要顾及计算结果的精度与计算
11、机性能的计算上限.本次模拟设定该老旧活动中心与外围空气的网格为0.5mx0.5mx0.5m,计算网格个数共计7 0 2 0 0 个.活动中心大气内外气体压强和温度分别为1 0 1.32 5kPa和2 0.同时,考虑到活动中心比较老旧,不设置消防喷头、防火卷帘等消防设施.1.3火灾模拟场景的设置在计算中,火灾着火点的平均热释放速率(HRRPUA)被设置为1 0 0 0 kWm,初始燃烧面积为1.5m,根据计算工况,着火点设置在该建筑第三层,火灾着火点设置如图2 所示.为了获得逃生路线上的火灾参数,模型在每一楼层楼梯间的门内侧,距离楼梯间地面高度1.2 m处分别设置了1 个温度监测器,即热电偶温度
12、探测器(THCP),用于测定火灾发生过程中温度随时间的变化情况;同时每层距楼梯间地面高度1.4 m处各设置1 个CO浓度监测装置,用于测定火灾发生过程中CO浓度随时间变化情况;距每层楼梯间地面高度1.5m处各设置1 个烟雾探测器,用于测定火灾发生过程中能见度水平随时间变化情况.向向国国门口火源图2火源燃烧建筑平面图为了研究窗户和门在不同的开启与关闭条件组合情况下,建筑内部火灾发展情况及可能造成的影响,笔者在同一楼层(第三层)设计了3个对比明显的火灾场景,如表1 所示.即在火源位置保持不变情况下,通过设置窗户开启、关闭的不同状态,并结合开启窗户距离逃生楼梯距离远近的差异(开启窗户距离火源远近的比
13、较),观察老旧活动中心室内烟气蔓延扩散情况的差异.首先按照火灾发生时最不利原则把老旧活动中心所有内部门窗都设置成打开状态,使之相互连通以保证烟气的快速扩散并观察过程中火灾参数的表现.表1火灾计算场景描述火灾场景名称描述火灾场景一火源位置在第3层,与室外相接A、B窗户都关闭火灾场景二火源位置在第3层,近火源窗户A打开,近楼梯口窗户B关闭火灾场景三火源位置在第3层,近火源窗户A关闭,近楼梯口窗户B打开2火灾模拟结果分析2.1火灾烟气CO浓度分析火灾发生时候,将迅速产生大量火灾烟气,蔓延流动的烟气中的CO气体是导致人员在火灾中缺氧而死的主要原因1 9 ,火场中受困人员由于吸人过量的CO气体而室息。在
14、不同楼层楼梯间的CO浓度变化见图3,其中火灾场景一是着火建筑内部与室外相接窗户A、窗户B都关闭、火灾场景二是近火源远楼梯口窗户A打开、火灾场景三是近楼梯口远火源窗户B打开,通过模拟20233年214海南大学学报自然科学版火灾燃烧,观察楼层烟气蔓延情况,并得出3种火灾场景下CO浓度随时间变化情况.0.0160.014二0.0100.002.0-o.o)/o0.0120.010(i-ol0.008_ou0.00150.008o)/o0.006ou0.00100.0060.0040.0040.00050.0020.0020.0000.000-0.0020100 2003004005006000100
15、2003004005006000 100200 300 400500 600t/st/st/s场景一b场景二场景三aC一楼层1 一楼层2 一楼层3楼层4一楼层5楼层6图3CO浓度随时间变化曲线人员暴露在C0浓度0.6 4%条件下,保持1 2 min后将导致头疼及头昏眼花,保持1 0 1 5min后将导致失去意识,同时面临死亡威胁.而当暴露在CO浓度1.2 8%条件下,火场中人员将产生立即的生理反应,停留1 3min后将迅速失去意识同时面临死亡威胁 2 0 1 .室内发生火灾后,着火点快速生成大量烟气,着火层3楼生成的烟气涌进临近楼梯间内,3层楼梯间作为第一危险点处CO浓度急剧增加,严重影响人员
16、生命安全.如图3a中,当A、B窗户都关闭时,3层楼梯间CO浓度在1 6 2 s内迅速增加,达到0.6 4%;由于火灾场景一属于封闭系统,因此CO无法向外疏散,该场景下火灾生成的CO浓度最高,2 7 0 s后达到1.2 8%,30 0 s附近达到峰值最终稳定.如图3b中,当近火源窗户A打开后,近楼梯口窗户B关闭,3层楼梯间CO浓度在2 7 6 s内迅速增加,达到0.6 4%;随着烟气的蔓延,着火楼层3楼以及相近的4 楼、5楼、6 楼楼梯间内CO浓度在经历急剧上升之后迅速下降、而后又出现第二次的爬升,可以看出由于近火源处窗户A打开对远端楼梯间检测CO浓度产生影响,并且导致扩散速度比火灾场景一要慢如
17、图3c,当近火源窗户A关闭、近楼梯口窗户B打开时,随着火情的发展,各层楼梯通道内检测的CO浓度不断升高.其中着火楼层3楼最高仅达到0.1 8%,可以看到,当可对流的着火层窗户处于开启状态时,烟气涌向其他房间速度增加,此时伴随热释放速率增加,能量不断扩散;与此同时,窗户保持开启的火场情形下,火灾进行过程中产生烟气也源源不断通过窗户排出室外,降低了火灾过程中不断产生的有毒有害物质浓度.由于近楼梯口窗户B打开,导致室内的CO浓度可以在较长的时间内维持着安全水平,使得人员逃生时间增加、减少人员伤亡。2.2火烟气弥漫及能见度分析老旧活动中心发生火灾时,燃烧蔓延过程中将会产生大量有毒有害烟气,大量的烟气不
18、断积聚,使得建筑室内能见度迅速降低,并且对于人员逃生过程中造成诸多阻碍及严重的影响,并对场内人员构成危险.根据标准建筑防火工程中相关规定,熟悉的人群对一般建筑能见度应至少需要达到5m.通过能见度临界值5m来判断烟气浓度能否干扰人员顺利逃生,来判断场内人员是否会受到人身危害.当火灾发生时,因为老旧活动中心空间不够开阔,选取在1.5m高度可见度不低于5m作为测定标准。将该活动中心发生火灾允许的最小烟气能见度设定为5m.当A、B窗户都关闭,由图4 a可以看出,在该最不利情况下,第3层着火楼梯间能见度在7 s间降至5m;相邻的第4 层楼梯间能见度在4 2 s降至5m,第5层楼梯间能见度在55s降至5m
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