二級注冊消防工程師綜合能力：火災(zāi)模擬軟件選取

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在火災(zāi)模擬中，影響模擬結(jié)果準確性的因素比較多，如所建模型和實際對象的接近程度、網(wǎng)格的劃分方法、網(wǎng)格的數(shù)量、網(wǎng)格尺寸、湍流模型的選擇、各種計算假設(shè)等因素都會對模擬結(jié)果產(chǎn)生影響。同時，各個軟件都有自己的優(yōu)缺點和適用范圍，對某一工程設(shè)計，如性能化設(shè)計項目，選擇最合適的軟件進行火災(zāi)模擬是一比較重要的問題。

一、火災(zāi)模擬

在火災(zāi)模擬中，影響模擬結(jié)果準確性的因素比較多，如所建模型和實際對象的接近程度、網(wǎng)格的劃分方法、網(wǎng)格的數(shù)量、網(wǎng)格尺寸、湍流模型的選擇、各種計算假設(shè)等因素都會對模擬結(jié)果產(chǎn)生影響。

（一）概述

火災(zāi)數(shù)值模擬是火災(zāi)研究的重要內(nèi)容之一，但由于火災(zāi)現(xiàn)象的復(fù)雜性，近幾十年來才建立起描述火災(zāi)現(xiàn)象的實用數(shù)學模型?；馂?zāi)模型主要分為確定性模型和隨機性模型。

火災(zāi)數(shù)值模型主要有專家系統(tǒng)（Expert System）區(qū)域模型（Zone Model）場模型（Field Model）網(wǎng)絡(luò)模型（Network Model）和混合模型（Hybrid Model）。場模型也即CFD模型，主要是利用計算流體動力學（CFD）技術(shù)對火災(zāi)進行模擬的模型，由于CFD模型可以得到比較詳細的物理量的時空分布，能精細地體現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)象，加之高速、大容量計算機的發(fā)展，使得CFD模型得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

目前用于火災(zāi)模擬的CFD模型主要有：FDS、PHOENICS、FLUENT等。FDS是專門針對火災(zāi)模擬而開發(fā)的CFD軟件，簡單易用。因此，在火災(zāi)模擬中應(yīng)用最為廣泛。而PHOENICS和FLUENT是計算流體力學的通用軟件，將其用于火災(zāi)模擬需要有較強的流體力學背景。因此，應(yīng)用較少。目前，國內(nèi)外對FDS的研究比較多，而對于PHOENICS和FLUENT在火災(zāi)模擬方面的應(yīng)用研究則較少，對各個軟件的對比研究更少。

在火災(zāi)模擬中，影響模擬結(jié)果準確性的因素比較多，如所建模型和實際對象的接近程度、網(wǎng)格的劃分方法、網(wǎng)格的數(shù)量、網(wǎng)格尺寸、湍流模型的選擇、各種計算假設(shè)等因素都會對模擬結(jié)果產(chǎn)生影響，怎樣才能使模擬結(jié)果更加準確、可信是一個急需解決的問題。同時，各個軟件都有自己的優(yōu)缺點和適用范圍，對某一工程設(shè)計，如性能化設(shè)計項目，選擇最合適的軟件進行火災(zāi)模擬是一比較重要的問題。因此，為了能夠更好地利用CFD模型進行火災(zāi)模擬，有必要對他們進行系統(tǒng)研究。

驗證（veriifcation）與確認（validation）是評價數(shù)值解精度和可信度的主要手段。長期以來，CFD工作者對CFD軟件的驗證與確認工作一直沒有給予足夠的重視。因此，對于計算結(jié)果的可信度，CFD研究人員并不能給出明確的回答。這使得CFD軟件的使用者對CFD也持一種矛盾的心態(tài)，既想利用CFD這種快捷經(jīng)濟的設(shè)計工具，又對CFD的計算結(jié)果心存疑慮。如果有條件，可以結(jié)合數(shù)值計算和模擬實體火災(zāi)的方式，進一步驗證模型的可靠性。

（二）選取

從軟件易用性來看，火災(zāi)專用模擬軟件相對簡單，在應(yīng)用中不需要作復(fù)雜設(shè)置，使用者只需掌握火災(zāi)基本知識即可得到合理的結(jié)果，而通用CFD軟件對使用者要求較高，使用者需要對流體力學有深入了解，才能得到合理結(jié)果，因此，一般火災(zāi)模擬選擇專用軟件為宜。

利用火災(zāi)模型進行數(shù)值分析前，應(yīng)著重考慮該模型對所模擬問題的適用性及預(yù)測能力，一般情況下，需要事先利用相關(guān)試驗（已有其他人員進行的試驗或自己進行相關(guān)試驗）對模型進行確認研究。

從模擬準確性來看，火災(zāi)專用模擬軟件由于是專門針對火災(zāi)開發(fā)，在概念模型層面相對于通用軟件更接近于真實模型，其數(shù)學模型更能反映火災(zāi)過程，因此，一般情況下，建議選擇火災(zāi)專用軟件，除非在專用軟件無法模擬的情況下才選擇通用軟件。

使用火災(zāi)專用軟件時，應(yīng)著重考慮網(wǎng)格獨立性、邊界條件設(shè)置對模擬結(jié)果的影響，使用通用軟件時，還應(yīng)考慮湍流模型、燃燒模型、輻射模型的選擇。

火災(zāi)模型的驗證和確認應(yīng)包含其對各類火災(zāi)參數(shù)的預(yù)測能力研究，如火場溫度、熱輻射通量、反應(yīng)產(chǎn)物的濃度變化（著重研究CO、CO2、煙密度等）火場能見度等。

對于通用的CFD軟件，如PHOENICS、FLUENT、CFX等，由于其發(fā)展比較成熟，其程序一般能夠比較準確的反應(yīng)其所確立的概念模型，因此，對這類模型可以著重于確認研究；對于專用火災(zāi)模擬軟件，如FDS等，已經(jīng)進行了較多的確認和驗證工作，對于比較常見的火災(zāi)場景，如建筑室內(nèi)火災(zāi)等，可以直接用來模擬分析，而對一些特殊的場景，如火災(zāi)在狹長雙層玻璃幕墻內(nèi)的蔓延模擬，還需進行進一步確認研究；對于自行編制的火災(zāi)模擬程序，模型的驗證工作是至關(guān)重要的，應(yīng)確保程序能夠準確反映概念模型。

用Steckler房間火試驗，對PHONEICS和FLUENT進行了確認研究，就該類實例來說，F(xiàn)LUENT的準確度要高于PHENICS，但就工程應(yīng)用來說，在選擇合理的湍流模型、輻射模型，并經(jīng)過網(wǎng)格獨立性檢驗后，兩者的模擬結(jié)果一般可滿足工程需要。

火災(zāi)發(fā)展具有確定性和隨機性的特點，火災(zāi)試驗的影響因素較多，在選擇確認試驗時，應(yīng)盡量選擇可重復(fù)性強的試驗，并應(yīng)注重采用不同火災(zāi)場景下的火災(zāi)試驗對其進行確認研究，以便更好地檢驗?zāi)Ｐ偷目尚哦取?

二、疏散模擬

當前世界上開發(fā)的人員疏散軟件數(shù)目眾多，據(jù)統(tǒng)計，有文獻記載的疏散軟件有22個，其他未公開的也不在少數(shù)。所以，在選用模型時一定要結(jié)合有待解決的實際問題與模型的適用性來進行選擇。

（一）概述

建筑防火設(shè)計的主要目標之一是確保人身安全。建筑安全疏散的性能化設(shè)計，是要求所設(shè)計的疏散設(shè)施能夠保證建筑中的全部人員有足夠的時間安全疏散到安全的地方。評價指標包括建筑的安全出口、疏散樓梯的寬度、疏散距離是否滿足建筑內(nèi)使用人員的疏散需要，人員的疏散所需時間是否大于火災(zāi)條件下的可用疏散時間。

安全疏散時間判據(jù)，主要按照火災(zāi)發(fā)展與人員疏散時間為同時沿一條不可逆的時間線進行，保證建筑物內(nèi)人員安全疏散完畢所需時間必須小于火災(zāi)發(fā)展到危險狀態(tài)的時間。

火災(zāi)中人的疏散過程是在人的意識干預(yù)下，感知、認知火災(zāi)和環(huán)境信息與行為決策以及執(zhí)行決策的過程，是一種在時間壓力下的人體位移。由于人的行為受到年齡、身高、體重、敏捷度、習性、行動能力等心理與生理狀態(tài)和文化背景與受教育程度的影響，十分復(fù)雜，同時人員在建筑內(nèi)的實際狀況以及建筑空間特性，如人員的分布情形、熟悉環(huán)境的程度、人數(shù)及其組成和樓梯或出口的寬度、照明、走道寬度、數(shù)量、建筑高度等都對人員疏散結(jié)束所需時間和可用于人員疏散的時間有很大影響。

人員疏散時間為火災(zāi)探測報警時間、人員預(yù)動時間與人員疏散運動時間之和。在計算疏散運動時間時，通常采用1.5～2的安全系數(shù)來考慮設(shè)計計算中的不確定性因素。

在人員安全疏散的研究方面，由于對所采取的措施是否能達到性能化設(shè)計的預(yù)期目標，同時如何對保證人員生命安全的目標進行合理的評價都缺乏科學依據(jù)，所以全世界在這方面的研究都處于起步階段。人員疏散軟件方面，有關(guān)研究人員在不斷加大這方面軟件的研究開發(fā)力度。國外從20世紀80年代初開始就展開了人員疏散基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及疏散模擬軟件方面的研究，并把疏散研究的成果及時的應(yīng)用到了建筑性能化設(shè)計中，我國也于近年來展開了這方面的研究。

（二）疏散模型分類

人員疏散計算方法主要有兩種：水力模型和人員行為模型。

1.水力疏散模型

最常用的方法是水力疏散模型，它通過將人在疏散通道內(nèi)的走動模擬為水在管道內(nèi)的流動來進行計算。這一方法的缺點是它完全忽略掉了人的個體特性，而將人群的疏散作為一種整體運動。水力疏散模型通常對人員疏散過程作如下保守假設(shè)：

1）疏散人員具有相同的特征，并且都具有足夠的身體條件疏散到安全地點；

2）疏散人員是清醒的，在疏散開始的時刻一起井然有序地進行疏散，且人員在疏散過程中不會中途返回選擇其它疏散路徑；

3）在疏散過程中，人流的流量與疏散通道的寬度成正比分配，即從某一出口疏散的人數(shù)按其寬度占出口總寬度的比例進行分配；

4）人員從各個疏散門扇疏散且所有人的疏散速度一致，保持不變。

2.人員行為模型

人員行為模型模擬人在火災(zāi)中的行為，綜合考慮了人與人、人與建筑物以及人與環(huán)境之間的相互作用。這類模型能夠從一定程度上反映火災(zāi)時個人的特性對人員疏散的影響，但由于“火災(zāi)中人的反應(yīng)與行為”仍舊是一個較新的領(lǐng)域，對其定性研究較多，而定量的研究成果很少，因此在選用該類模型時要慎重考慮它的適用性，以經(jīng)過實際疏散實驗或演習驗證的模型為首選。

當前世界上開發(fā)的人員疏散軟件數(shù)目眾多，據(jù)統(tǒng)計，有文獻記載的疏散軟件有22個，其他未公開的也不在少數(shù)。所以，在選用模型時一定要結(jié)合有待解決的實際問題與模型的適用性來進行選擇。下面將通過分析這些人員疏散模型的功能與特點，對這些軟件進行適當分類。

1）一般分類

疏散模型在處理疏散的一般問題時，均采用了三種不同基本方法：優(yōu)化法、模擬法和風險評估法。

優(yōu)化法假定人員以最有效的方式進行疏散，而不考慮外部環(huán)境的影響及非疏散行為。通常，模型認為人員選擇的疏散路線是最佳的。這一類模型適用于大量的人群或?qū)⑺腥藛T當作一個有共同特性的群體來考慮的情況，而不考慮個體行為。

模擬法試圖表現(xiàn)實際的疏散行為與運動，不僅要得到準確的結(jié)果，而且要反映疏散時選擇的疏散路線及人員所做的決定。由于各個模型在考慮人員行為時的詳細程度不同，因此結(jié)果的準確度也不相同。