基于计算机技术的大型建筑火灾蔓延模拟研究

贡招峰　李军

摘 要：在现代社会生活中，由于火灾现象会经常发生，但是火灾科学自身的特性可以使得建筑火灾的发展和蔓延得以控制。因此，在研究大型建筑火灾蔓延现象时，需要在收集大量的火灾数据的前提上，并且结合利用模拟研究的手段而进行科学的统计和分析。文章立足于当代社会大型建筑火灾蔓延的现象，探索和分析了火灾蔓延的相关特性和外部风险，同时利用计算机软件来深入研究了相关模型的试验和模拟情况，从中发现了计算机模拟火灾蔓延的方法，以此为大型建筑的火灾蔓延模拟研究做出了前期的准备。此外，通过实际的工程案例，做出了相关的火场分析和调查，最终实现了建筑内外的模拟场景，并且研究了火场的温度及其对建筑结构安全性的威胁。

关键词：计算机技术；大型建筑；火灾蔓延；模拟研究

中图分类号：TK121 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）05-0083-01

随着现代化社会改革的进程不断深入，使得我国的科学技术和经济总值也随之迅猛的发展，从而促进了建筑事业的蓬勃发展。然而无论是从建筑的结构上，还是功能上分析，其都在社会和经济发展中不断的发生着变化。但是，在这一变化发生的过程中，同时出现了大量的建筑耗能问题，而建筑节能问题的日益显现，使得这一问题在随着经济和社会发展的进程中也越来越受到社会和人民群众的重视。当建筑的外墙增加了外保温构造系统后，会在一定程度上降低建筑能源的损失和耗散，但由于建筑材料自身保温板的防火性能差的缘故，会给建筑本身的安全造成一定的威胁和火灾的隐患。因此，面对火灾发生时是否会给建筑结构产生影响，以及影响的程度的大小的问题，就需要利用当前计算机的火灾蔓延模拟技术来对此进行深入的研究。

1 相关理论概述

1.1 火灾蔓延

火灾蔓延是引起火灾局势变大的主要因素。这事由于当建筑物发生火灾情况时，建筑物的局部火焰会通过热传导、热对流、热辐射，以及飞火的形式来使得周边的可燃物体迅速的燃烧，甚至会造成二次燃烧的现象[1]。同时，在火灾蔓延模拟的整个过程中，也需要利用以上的四种形式来进行烟气与火的热传递，以便保持模拟的情形与实际情况一致。

1.2 火灾科学

火灾科学是指在研究火灾出现、发展、蔓延，以及控制的相关原理和规律的应用型基础科学。而其涉及到研究各类火灾现象的共性问题，主要包括火灾的发生、火灾蔓延、烟气蔓延、灭火、火灾防治，以及火灾对人的影响和危害等，同时还会在不同的火灾情形中出现一些有意义的现象。例如，油罐火灾中的扬沸、室内火灾中的轰燃、森林火灾中的火旋风等，需要更加侧重于研究它们产生的原理和对人民群众人身安全的危害程度。

1.3 火灾模型

主要是利用计算机技术来对制定的房间内的形状、地面、天花板的热导性、通风情况，以及室内的物品的易燃性，从而来对指定房间的模拟火灾的燃烧情形作出全面、综合性的分析和研究[2]。

1.4 模拟实验

模拟实验主要是指从物理、化学，以及几何的条件等角度引入的与其相类似的一类实验。同时，由于模拟实验在火灾科学的实际研究过程中占据着举足轻重的地位，其不仅可以研究现象、揭示新的机理和规律、归纳公式，而且还可以为理论研究和计算机模拟提供一系列的实验数据。

1.5 计算机模拟

计算机模拟的内容是通过利用计算机的数据库、图形、计算，以及图像等功能来进行相关的研究。在火灾的过程中，计算机模拟具备多层次和多种类的特点。具体来说，主要划分为三个层次。第一，专家系统，即经验模拟；第二，半经验半理论的模拟，即半物流模拟；第三，场模拟，即物理模拟。其中，第二、第三类的模拟情况也会经常出现在数学问题中，并且在通常情况下，是很难解答出结果的，一般是需要借助于计算机来对此进行相关的数值求解。

2 建筑火灾蔓延的规律

2.1 火灾规律的确定性和随机性

由于火灾的发生存在一定的规律性，使得其既包含确定性的一面，又包含着随机性的一面。在一般情况下，常规的工程科学顾虑只包含确定性的一面，换句话说，也就是其随机性的可能性较小，甚至是达到可以被忽略的程度[3]。但是，从火灾学以及整个“灾害学”的角度来分析，都是存在确定性和随机性两方面的规律的，单纯的忽略确定性和随机性其中的任一个都是不准确的。而这一特点便是火灾科学同常规的工程科学最大的不同之处。同时，由于火灾科学自身存在着确定性，使得其可以利用模拟研究的方法来对其进行深入的探讨，而火灾本身又存在着随机性，因此需要收集大量的火灾数据，在此基础上进行相关的数据统计和分析。

2.2 建筑火灾蔓延的基本特性

建筑火灾蔓延的发展过程主要有初期增长阶段、轰燃阶段、全盛阶段，以及衰退阶段，如图1所示。

从上图分析可知，在初期和全盛的阶段上，通常会出现一个温度陡然上升的狭窄的曲线，而这时的室内温度会促使可燃物出现大面积的燃烧，理论上称之为轰燃，此刻意味着出现好转方式质的转变。

3 计算机技术应用于火灾蔓延工程分析

在火灾发生时，其往往会给人们带来一定的危险性，而在整个火灾消防安全性的评估分析中，针对火灾蔓延烟气运动的过程，可以应用到计算机软件可以有很多种，并且不同的计算机软件适用的范围也是不同的。在本文中，主要研究的FDS（火灾动力学）模拟软件。该计算机软件中包含了许多的模型，主要有燃烧模型、热解模型、热辐射模型等[4]。而本文在分析和研究火灾蔓延的情况时，通过在起火点处设置燃火源，结合其他区域的可燃材料物的参数和外墙保温材料的可燃物的燃点、种类、热值等情况进行设置，以此来模拟火灾蔓延、温度分布、烟气流动，以及火灾规模等。

通过计算机模拟实验，可以粗略的了解到反应试验的情况，并且使之与实验的燃烧情况进行对比，发现其两者间是相吻合的。同时，通过将单位热释放速率和单位质量损失的两种模拟应用到实验中，使之进行对比，从中发现质量损失法能够有效的控制火势的蔓延情况。通常情况下，运用单位热释放速率能够更加简单、便捷的控制燃烧的速率。具体来说，在模拟开始之前，火焰迅速蔓延到模型架顶端的时间会比较短；而在模拟的过程中，会选择利用次生火源来取代熔滴火，避免其与实际试验的结果产生偏差。此外，通过试验的模拟情况来分析，得出影响的相关因素有如下几方面：①材料的厚度；②材料的燃点；③排烟口风速的大小；④网格大小的设置。然后，通过建立的相关计算机模型来选择合适的算法，实现对温度场的模拟计算，最终达到对建筑结构安全的合理评估，从而完善建筑防火性能化的设计。

4 总结与展望

综上所述，立足于现代大型建筑火灾的现状，通过使建筑火灾的研究能够更加贴近于火灾的实际情况，并且基于计算机技术的大型建筑火灾蔓延模拟的研究，在一定程度上对建筑火灾的危险性作出相应的评估和性能化的防火设计建议。本文通过构造火灾蔓延相关特性的研究框架，概括了导致火灾蔓延的原因，并且通过利用计算机模拟的方法重现了火灾蔓延的情况。同时，在进行计算机模拟时，需要注意可燃材料的属性参数设置，使之在模拟时能够得到有效的控制。另外，还需要在模型的试验和模拟的过程中，得出了模拟手段验证试验模型是可行的，而调整模拟的相关参数，也可以实现模拟和试验现象一致的情况。

参考文献：

[1] 柴盼.高层建筑火灾场景设置研究[D].重庆：重庆大学，2014.

[2] 孙敏.大型超市火灾数值模拟及人员疏散研究[D].淮南：安徽理工大

学，2014.

[3] 颜向农.基于计算机模拟的建筑物室内火灾风险评估研究[D].湘潭：湖 南科技大学，2008.

[4] 邹志翀.大型公共建筑火灾逃生环境风险测度与导航路径优化[D].哈 尔滨：哈尔滨工业大学，2009.