基于FDS的金华武义“4·17”重大火灾事故数值重构分析.pdf

消防科学与技术2023年 12 月第 42 卷第 12 期应急管理研究基于 FDS的金华武义“417”重大火灾事故数值重构分析刘宏慢（衢州市消防救援支队，浙江 衢州 324000）摘要：为分析金华武义“417”重大火灾事故成因，通过对火灾场景的 FDS 重构模拟，还原了火灾的发生过程，分析了火灾温度、烟气、氧气浓度、热释放速率以及各个截面的参数情况，并结合 Pathfinder疏散模拟，对火灾事故相关致灾因素进行对比分析。结果表明：此次火灾造成重大人员伤亡的主要原因为擅自改变厂房使用性质，增加了火灾危险性，而未按新厂房性质提高消防设计，其中由于一、二层间的连通中庭及厂房两部敞开楼梯导致火灾烟气的快速蔓延扩散，是造成人员伤亡的关键致灾因素；其次，火灾发生时，现场人员未第一时间发现并疏散逃生，是造成人员伤亡的另一重要原因。关键词：火灾；起火点；FDS；重大火灾；数值重构中图分类号：X928.7；TU998.12 文献标志码：A 文章编号：1009-0029（2023）12-1733-05近年来，受经济形势影响，一些企业经营效益不佳，安全经费投入不足，导致消防管理不到位、消防设施设置不符合标准等消防安全问题。尤其是一些企业厂房擅自分隔出租、擅自改变生产性质等“厂中厂”的消防安全隐患不断凸显，造成各类企业厂房火灾事故频发。为此，对企业厂房火灾发生、发展和蔓延进行研究探讨，对于加强和改进企业消防安全工作，防范企业厂房火灾事故具有一定的指导意义。本文以金华武义“417”重大亡人火灾事故为例，利用FDS 和 Pathfinder仿真软件进行耦合模拟分析，重构了火灾事故人员伤亡过程，比较分析了其关键致灾因素，进而为防范类似火灾事故提供参考借鉴。1事故基本情况2023 年 4 月 17 日 14 时许，位于浙江省金华市武义县泉溪镇的某公司发生重大火灾事故，造成 11人死亡，过火面积约 9 000 m2，直接经济损失达 2 806.5万元。火灾发生在该公司 1#厂房，三层钢结构，设计火灾危险性为丁类，总面积为 10 018.2 m2。该厂房建成后并投入使用，未经建设施工许可，未经规划核实确认，未经消防验收备案；施工中存在楼梯间、电梯间未砌筑墙体、局部二层结构板取消等擅自变更设计。厂房一至三层出租给多家公司生产使用，多数为丙类生产，存在使用油漆等易燃易爆物品的情况。事后经调查认定，事故是因违法电焊施工引燃违规存放的拉丝调制漆，引发火灾并迅速蔓延，业主违法搭建并改变厂房使用性质，导致疏散楼梯、自动消防设施等安全条件不符合规范，企业未开展应急救援演练，导致发生人员死亡的重大生产安全责任事故。2厂房模型建立按照事故厂房 1：1 全尺寸建模，厂房长 60 m、宽 60 m、高 18 m，地上三层，层高 6 m，一、二层靠一侧外墙通过长 11 m、宽 3 m 的中庭连通。厂房两侧设有两部敞开式疏散楼梯，宽 1.4 m。通风情况，厂房各层均匀布置外窗，考虑外窗开启的随机性，各层外墙均匀设置宽 2.5 m、高1.5 m 的外窗（开放表面），间隔 11.0 m。具体布置如图 1所示。计算网格为 0.25 m0.25 m0.25 m，网格数为 4 147 200，网格尺寸与特征火焰直径的比值约为 1/10，符合网格敏感性经验取值要求。参照金华武义“417”火灾事故起火点、起火物情况，选取一层中庭位置设置火源，采用 t2非稳态火源（尺寸为2.0 m2.0 m）。事故调查显示，起火点处主要起火物为桶装稀释油漆，是易燃液体物料，火势、烟雾蔓延迅速，按超快速火进行模拟，火灾增长系数 取值为 0.187 8。事故发生厂房原设计为丁、戊类厂房，多为难燃、不燃物质。因此，本文按原设计进行对比模拟分析，采用中速火模拟，火灾增长系数 取值为 0.01 1271。参照 GB 51251-2017 建筑防烟排烟系统技术标准 相关规定，火源最大热释放速率取值为 8 MW2。为简化计算，墙壁、地面材料设定为混凝土，绝热固壁；初始条件为环境温度 20，压力为 101 325 Pa，不考虑外界风对火灾的影响。模拟运算时间为 600 s。3火灾模拟分析3.1模拟场景本文分别就现状厂房（场景 1，快速火）和原设计丁、戊类厂房（场景 2，中速火）进行对比模拟分析，火灾事故亡人主要发生在三层车间，故重点对三层车间温度、烟雾浓度、能见度等进行分析。在厂房两部疏散楼梯各层（一、二、三层）出入口处高 1.8 m 位置设置探测点，在三层图 1厂房模型示意图Fig.1Schematic diagram of factory building mode1733Fire Science and Technology,December 2023,Vol.42,No.12距楼板高 1.8 m 处设置切片，分别对能见度、温度及 CO、O2浓度等进行监测3，比较危险临界值时刻两个场景厂房的火灾危险性。相关文献研究表明，主要通过以下因素判定火灾是否对人员造成伤害：1）烟气层高温。当达到 110120 高温时，高温烟气热辐射将会对人体造成危害，并影响人员疏散。2）人眼可视范围内，烟气能见度。对大空间或不熟悉场所低于 10 m，其他空间或者较熟悉场所低于 5 m。3）烟气中的有毒气体体积分数达到 0.25%以上（通常以烟气中的 CO 体积分数作为判定条件）。4）空气中的氧气体积分数低于 15%。在致灾因素中，哪一个最先达到危险条件，即作为此次火灾可能对人员造成伤害的判定依据4。3.2模拟结果场景 1：东南侧、北侧两部楼梯口各层高 1.8 m 处探测点显示，三层最先在 t=55（前后有所跳跃）、145 s，二层约在 t=62、167 s，烟气能见度达到危险临界值，一层各点在600 s内均未达危险临界值5；烟气温度及 CO、O2浓度在600 s 内均远未达到危险临界值（600 s 内，烟气温度、CO体积分数最大或最小值均出现在东南侧二楼楼梯处）。三层距楼板高 1.8 m 处各参数切片显示，东南侧楼梯口处烟气能见度最先在 t=51.4 s 达到危险临界值（见图2），并由此向厂房内扩散；北侧楼梯口在 t=136 s 达到危险临界值（见图 3），并由此向厂房内扩散。约 t=352 s，整个三层，约 70%以上区域的烟气能见度达到危险临界值（见图 4）6；烟气温度及 CO、O2浓度同样均未达到危险临界值。30272421181512630VIS_CO.9HO.1/m图 2t=51.4 s，三层高 1.8 m 处烟气能见度切片Fig.2Smoke visibility slice at a height of 1.8 m on the third floor at t=51.4 s场景 2：东南侧、北侧两部楼梯口各层高 1.8 m 处探测点显示，三层在 t=152、285 s，二层在 t=177、309 s，烟气能见度达到危险临界值，一层各点在 600 s内均未达到危险临界值；同样，烟气温度及 CO、O2浓度在 600 s 内也未达到危险临界值。三层距楼板高 1.8 m 处各参数切片显示，东南侧楼梯口处烟气能见度最先在 t=127 s 达到危险临界值（见图5），并由此向厂房内扩散；北侧楼梯口在 t=268 s 达到危险临界值（见图 6），并由此向厂房内扩散。在 t=600 s，整个三层仅约 40%区域达到危险临界值（见图 7）；烟气温度及 CO、O2浓度同上。30272421181512630VIS_CO.9HO.1/m图 5t=127 s，三层高 1.8 m 处烟气能见度切片Fig.5Smoke visibility slice at a height of 1.8 m on the third floor at t=127 s3.3比较分析1）场景 1、场景 2 模拟显示，火灾发生后，烟雾通过中庭向上迅速扩散，最先充满二层空间；而后通过两部敞开楼梯向上迅速扩散，充满三层空间；最后一层空间，截至600 s 总体烟雾较少。以场景 1 为例，在 t=80、218 s 时烟气扩散情况如图 8、图 9所示。2）场景 1、场景 2 模拟显示，此次火灾过程对人员造成伤害的主要因素为烟气能见度、烟气温度及 CO、O2浓度，并非火灾过程致灾因素。分析原因是厂房为大空间、30272421181512630VIS_CO.9HO.1/m图 3t=150 s，三层高 1.8 m 处烟气能见度切片Fig.3Smoke visibility slice at a height of 1.8 m on the third floor at t=150 s30272421181512630VIS_CO.9HO.1/m图 4t=352 s，三层高 1.8 m 处烟气能见度切片Fig.4Smoke visibility slice at a height of 1.8 m on the third floor at t=352 s1734消防科学与技术2023年 12 月第 42 卷第 12 期大跨度厂房，层高较高，烟气上升逐步冷却，四周开窗，通风情况良好，新鲜空气不断涌入，监测点、切片位置高 1.8 m，位置相对较低。3）相较于场景 2，场景 1 火势发生、发展及烟雾蔓延远快于场景 2，二、三层楼梯口烟气能见度达到危险临界值的时间分别提前了 97、140 s和 171、142 s。场景 1约在 t=352 s 时，整个三层 70%以上区域已达到危险临界值，场景 2在 t=600 s时，仅约 40%区域达到危险临界值。4疏散模拟分析4.1模拟场景根据模拟结果，参照金华武义“417”火灾事故伤亡情况，利用 Pathfinder 软件对场景 1 进行耦合疏散模拟分析7。根据 建筑物性能化防火设计通则 相关规定，对火灾发生后人员响应时间分别为 1、3、4 min 及以上情形（即火灾发生时延时 1、3、4 min 及以上开始疏散）进行疏散模拟8，比较疏散用时，分析可能造成的伤害后果。4.2模拟结果1）单独疏散模拟。即未发生火灾情况下，三层 12 人疏散至一层室外用时 71.5 s；三层东南侧、北侧两部楼梯，最先到达、最后到达用时分别为 20.8、45.4 s和 6.1、22.5 s。对人员个体，疏散用时最短为 35.8 s，最长为 71.48 s，人员疏散未出现阻塞情况。人员疏散用时如表 1所示。2）1 min 响应耦合疏散模拟。三层 12 人全部疏散至一层室外用时 135.5 s，其中疏散用时为 75.5 s；三层东南侧、北侧两部楼梯最先到达、最后达到用时分别为 80.8、105.5 s 和 66.2、82.6 s。对人员个体，疏散用时最短为95.83 s，最长为 135.50 s，人员未出现阻塞情况。1 min 响应人员疏散用时如表 2所示。3）3 min 响应耦合疏散模拟。三层 12 人全部疏散至一层室外用时 285.5 s，其中疏散用时 105.5 s；三层东南侧、北侧两部楼梯最先到达、最后达到用时分别为 200.8、226.2 s 和 186.2、202.6 s。对人员个体，疏散用时最短为233.18 s，最长为 285.50 s，其中有 9 名人员在疏散楼梯处出现明显阻塞，最长阻塞时间为 35.53 s。3 min响应人员30272421181512630VIS_CO.9HO.1/m图 6t=268 s，三层高 1.8 m 处烟气能见度切片Fig.6Smoke visibility slice at a height of 1.8 m on the third floor at t=268 s30272421181512630VIS_CO.9HO.1/m图 7t=600 s，三层高 1.8 m 处烟气能见度切片Fig.7Smoke visibility slice at a height of 1.8 m on the third floor at t=600 s图 8t=80 s烟气扩散情况Fig.8Smoke diffusion at t=80 s图 9t=218 s烟气扩散情况Fig.9Smoke diffusion at t=218 s表 1单独疏散模拟人员疏散用时Table 1Individual evacuation simulation personnel evacuation time人员123456789101112疏散/s35.8046.7050.7354.9852.6057.3049.5071.4838.6348.4053.0042.03总阻塞/s0.2500.2500.2500.2300.2500.3300.2500.2500.2500.2500.2500.225水平阻塞/s0.250.250.250.230.250.330.250.250.250.250.250.23楼梯阻塞/s0000000000001735Fire Science and Technology,December 2023,Vol.42,No.12疏散用时如表 3所示。4）4 min 响应耦合疏散模拟。三层 12 人全部疏散至一层室外用时 353.9 s，其中疏散用时 113.9 s；三层东南侧、北侧两部楼梯最先到达、最后达到用时分别为 260.8、285.9 s 和 246.2、262.7 s。对人员个体，疏散用时最短为315.2 s，最长为 353.9 s，全部人员在疏散楼梯处出现明显阻塞，最长阻塞时间为 49.65 s。4 min响应人员疏散用时如表 4所示。4.3比较分析1）从厂房三层人员疏散情况分析，未发生火灾情况下，疏散用时仅需 71.5 s；火灾发生后，人员立即响应并疏散逃生，整体而言是相对安全的。1、3、4 min响应耦合火灾情形下，疏散用时分别为 135.5、285.5、353.9 s，大于二层、三层楼梯口火灾危险临界时间，表明火灾发生后，3种模拟情形属于不安全情形，可能会造成人员伤害。2）从两部疏散楼梯疏散情况分析，1、3、4 min 响应耦合火灾情形下，从东南侧楼梯进行疏散，最先到达三层楼梯口的用时分别为 80.8、200.8、260.8 s，已大于危险临界时间，表明人员不能安全逃生。从北侧楼梯进行疏散，最先到达三层楼梯口的用时分别为 66.2、186.2、246.2 s，最后到达的用时分别为 82.6、202.6、262.7 s。其中，1 min响应情形下，最先到达时间小于危险临界时间，最后到达时间大于危险临界时间，表明只有部分人员能成功逃生；3、4 min 响应情形下，最先到达时间均大于危险临界时间，表明人员不能安全逃生。3）从两部疏散楼梯疏散情况分析，1、3、4 min 响应耦合火灾情形下，从两部疏散楼梯最先到达、最后到达时间可知，除去延迟时间，与实际疏散时间基本一致，其原因为层高较高，t=300 s前烟雾尚未下沉至高度 1.8 m，对人员疏散并无影响9。从人员疏散阻塞时间看，受烟雾影响，疏散楼梯处存在明显阻塞，对人员造成伤害。5结 论1）火灾模拟结果显示，擅自改变厂房使用性质，增加厂房火灾危险性，但未按新厂房性质提高建筑消防设计，如未将敞开楼梯调整为封闭楼梯间，或未对一层、二层间的连通中庭进行防火分隔，导致火灾烟气从二层向三层快速蔓延扩散，使火灾危险临界时间明显提前，是造成人员伤亡的主要原因。其中，烟气能见度则是造成人员伤亡的关键致灾因素。2）疏散模拟结果显示，发生火灾后，现场人员未能及时发现，延迟疏散响应时间，以致人员不能安全疏散逃生，造成人员伤害。结果表明，发生火灾时，厂房三层人员第一时间发现火情并立即逃生，是相对安全的；1 min响应疏散的，仅从北侧楼梯疏散，部分人员安全疏散；3、4 min及以上响应疏散的，均为不安全情形。3）对类似企业厂房火灾事故的建议。厂房在建成投表 21 min响应疏散模拟人员疏散用时Table 21 min response evacuation simulation personnel evacuation time人员123456789101112疏散/s95.83108.10110.75117.70114.28120.18111.43135.5098.65108.43113.03102.05总阻塞/s0.2500.2500.2500.2300.2500.3250.2500.2500.2500.2500.2500.230水平阻塞/s0.250.250.250.230.250.330.250.250.250.250.250.23楼梯阻塞/s000000000000表 33 min响应疏散模拟人员疏散用时Table 33 min response evacuation simulation personnel evacuation time人员123456789101112疏散/s233.18252.48256.40271.88265.50277.98259.60285.50240.05250.78262.28245.35总阻塞/s0.4029.500.8545.0039.1846.3834.0537.631.081.5812.387.63水平阻塞/s0.40301.480.7312.907.7810.857.3010.200.251.432.030.90楼梯阻塞/s026.030.1332.1031.4035.5326.7527.430.830.1510.356.73表 44 min响应疏散模拟人员疏散用时Table 44 min response evacuation simulation personnel evacuation time人员123456789101112疏散/s316.15315.20344.05338.90331.00347.20324.20353.90322.48337.55347.95329.85总阻塞/s41.3534.5360.5547.2041.9550.9038.1345.0548.5559.6862.2055.95水平阻塞/s7.356.2516.6313.387.6012.939.3513.087.9015.7812.5513.73楼梯阻塞/s34.0028.2843.9333.8334.3537.9828.7831.9840.6543.9049.6542.231736消防科学与技术2023年 12 月第 42 卷第 12 期入使用后不得擅自改变使用性质，增加火灾危险性，确需调整变更的，必须严格按照消防技术标准要求提高消防设计；企业单位要加强应急逃生教育培训及疏散演练，提高员工发现火情、响应疏散的应急逃生能力。参考文献：1 GB 51251-2017,建筑防烟排烟系统技术标准S.2 刘宏慢,熊华靖.基于数值模拟的住宅简易喷淋灭火系统优化探讨J.消防科学与技术,2018,37(5):638-641.3 吕淑然,杨凯.火灾与逃生模拟仿真PyroSim+Pathfinder中文教程与工程应用M.北京:化学工业出版社,2014.4 滕立峰.PyroSim 软件在建筑性能化防火设计课程中的应用J.中国培训,2021,(9):76-78.5 耿聪,赵道亮,崔慧敏,等.基于 FDS+EVAC 的宿舍火灾和人员疏散模拟研究J.应用技术学报,2023,23(2):154-160.6 赵乾宏.基于 FDS 的高层建筑火灾数值模拟研究J.住宅与房地产,2023,(8):54-56.7 郭亮,段强领.某民房火灾场景重构及火灾调查应用J.武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2022,44(3):371-374.8 陈咪,湛莲香.基于 FDS 和 Pathfinder高校宿舍楼安全疏散仿真研究J.数字通信世界,2021,(6):10-11+16.9 张国维.高大空间钢结构建筑火灾全过程性能化防火设计方法研究D.徐州:中国矿业大学,2015.Numerical reconstruction analysis of Jinhua Wuyi 417 major fire accident based on FDSLiu Hongman(Quzhou Fire and Rescue Division,Zhejiang Quzhou 324000,China)Abstract:To make an indepth analysis on the causes of the major fire accident on“417”in Wuyi,the process of the fire was restored through FDS reconstruction simulation of the fire scene.Analyzes fire temperature,smoke,oxygen concentration,heat release rate,and parameters of different sections;and makes comparative analysis on the key disasterinducing factors of the fire accident combined with Pathfinder evacuation simulation analysis.The verification of the results showed that the fire led to heavy casualties mainly because the nature of the use of the workshop was changed without authorization,which increased the fire risk,and the corresponding fire protection design improvement was not made.Among them,the rapid spread and diffusion of fire smoke caused by the open stairway connecting the atrium and the workshop between the first and second floors were the key factors leading to the fire.Second,when the fire happened,onsite personnel failed to find it,evacuate,and escape immediately,which was another important reason for the casualties.Key words:fire;fire source;FDS;major fire;numerical reconstruction作者简介：刘宏慢（1981-），男，浙江龙港人，浙江省衢州市柯城区消防救援大队大队长，高级工程师，硕士，主要从事消防安全管理和防火监督工作，浙江省衢州市衢化路 272号，324000。收稿日期：2023-06-25（责任编辑：董 里）1737