CFAST软件在某建筑火灾区域模拟中的应用摘要：本文应用区域模拟软件CFAST对某建筑进行火灾模拟，对不同位置着火房间分别进行模拟，分析烟气主要流通渠道上不同区域中上部烟气层温度、下部烟气层温度、烟气层下降高度、CO浓度、O2体积分数和CO2体积分数随时间的变化情况。
分析得出烟气下降高度变化造成的疏散时间最短，其次是上部烟气层温度变化，再次是下部烟气层温度变化，而此火灾模拟CO给疏散造成的危险程度较低。
因此要特别解决好该建筑的疏散通道防、排烟问题。
关键词：CFAST软件区域模拟火灾区域烟气层0 引言火灾造成的重大伤亡死亡案例都与人员疏散密切相关，为了充分保证人员的安全，人员疏散策略必须综合考虑紧急情况下外界环境因素和人员自身的心理行为变化[1]。
火灾的危害主要来自两个方面：其一是火焰的蔓延导致生命财产被吞噬；其二是烟气的快速、大面积扩散导致被困人员由于缺氧窒息而死。
消防部门的统计数据显示，火灾中由于窒息致死或被有毒气体毒死的死亡人数占火灾中总死亡人数的60%以上[2]。
随着火灾科学及消防工程学的发展，人们对特定火灾（如建筑火灾、森林火灾等）的定量化研究越来越深入。
火灾区域模拟是火灾模拟开展建筑性能化设计必不可少的消防工程技术手段，是定量研究建筑火灾最基本的模型，世界各国针对区域模型而开发的应用软件很多，由美国国家标准研究所（NIST）建筑火灾研究实验室（BFRL）开发的区域模型软件CFAST是其中最成熟的软件之一。
[1]该软件的计算结果能够满足一般工程设计及评估的要求。
软件对烟气扩散模拟方法的研究不但可以动态显示烟气扩散过程，还可以反映出不同区域烟气的浓度，继而为消防人员制定火灾救援预案提供依据。
1 火灾区域模拟火灾区域模拟方法通常将火灾房间分为上下两个区域，即上部的热烟气区和下部的冷空气区，并且假设两个区域内的参数是均匀的，针对两个区域分别列出质量守恒和能量守恒方程，每一个方程式都可以依据质量流量和能量流量来表达。
[3]这两个参数的变化率反映了在两区域之间由于羽流、自然和机械通风、对流、辐射、热传导等物理现象而导致的质量和热量交换。
区域之间的质量交换主要由羽流和通风口的掺混作用造成，能量交换除了由质量交换带来的能量传递外，还考虑辐射和导热的影响。
此软件主要有环境参数模块、房间参数模块、水平通风模块、垂直通风模块、机械排烟模块、火源设定模块、喷头及火灾探测器模块、目标模块和房间交界面设定模块等九个模块组成[4]，能够计算出在一个由用户设定的火灾中，火灾烟气的扩散、热烟气层温度、冷空气层温度和烟气中的有毒气体组分随着时间变化的情况，可以通过Origin8.0软件进行处理得到所需的火灾参数。
2 建筑物火灾模拟2.1 房间区域的划分图1 各区域的划分位置图综合考虑建筑物的功能及发生火灾后可能蔓延到的区域，由于发生火灾，烟气蔓延的途径与人员疏散的途径正好相同，疏散走廊是烟气最容易到达的地方，因此将走廊和楼梯前室划分了10个区域，分别是区域7、8及区域10～17。
由于只考虑着火房间的窗户及门敞开，而非着火房间门窗都处于关闭状态，因此将相邻的费着火房间合并在一起作为一个区域对待，即区域4～6。
其总共划分为17个区域。
各区域的划分设置如图1所示。
2.2 火灾模拟本文分别模拟起火房间分别位于图1中1、2和3区域处的情况。
由于模拟时不考虑外界（如风）对火灾的影响，其中区域2和3分别处于对称建筑的对角线位置，因此认为在相同条件下有相似的模拟结果。
本文只模拟分析起火区域1和区域3的火灾情况。
软件模拟设置的具体参数的情况如表1。
表1 房间结构及相关参数房间进深/m 7.2房间宽度/m 3.9房间高度/m 2.7水平开口门高度/m 2.1宽度/m 0.8窗户高度/m 1.2宽度/m 1.2垂直开口无顶棚材料石膏地板材料混凝土墙壁材料石膏环境条件内部初始温度/℃20 外部初始温度/℃20内外初始相对湿度/% 50内外初始压力/Pa 101300主要火源火焰高度/m 10燃烧热/kJ?kg-1 18100初始可燃物的温度/℃20可燃物的气化温度/℃120火焰辐射系数0.3火源位置X/m 1.65Y/m 3.6Z/m 0机械通风无喷头无模拟时只有着火区域的门窗敞开，其他房间、电梯的门窗只考虑缝隙（认为缝隙占门或窗面积的1%）。
自定义火源设置的参数如表2，热释放率随时间变化如图2。
模拟中为设置通风空调系统及喷淋系统。
表2 火源燃烧状态参数状态参数数值燃烧到1MW的时长/s 300最大热释放率/kW 2500稳定燃烧时长/s 500衰变期/s 1000图2 热释放率随时间变化图建筑物建模输出图形见图3。
图3 建筑物建模输出图3 计算结果及分析3.1 区域温度分布下面给出着火区域分别是1、2和3情况下，在起火后500s时的各区域温度场分布图。
通过观察图4中（b）和（c），可以推断在无外界影响火灾发展的情况下，处于对称建筑的对角线位置的区域2和区域3作为着火区域时，它们有相似的模拟结果。
（a）着火区域为1时的区域温度分布图（b）着火区域为2时的区域温度分布图（c）着火区域为3时的区域温度分布图图4 起火后500s时各区域温度场分布图3.2 模拟结果分析根据相关文献研究表明[5]：当烟气层面高于人眼特征高度时，若上部烟气的热辐射强度能够对人构成伤害，就可以认为达到危险；如果烟气层面低于人眼特征高度，对人的危害是直接烧伤或吸入热气体，这种危险状态的烟气温度值约为100～110℃，取上部烟气层的温度110℃，下部烟气层的温度一般取60℃；当烟气层面低于人眼特征高度时，还可以根据某种有害毒物的临界浓度判定（其中CO为2500ppm）是否达到了危险状态。
人眼特征高度为1.2～1.8m，取1.5m。
3.2.1 起火区域1的模拟结果分析根据CFAST模拟起火区域1的结果表明：（1）烟气层高度变化图5（a）所示，在疏散通道走道和楼梯间的烟气层下降速度很快，不到200s时烟气层高度就低于1.5m，特别地，起火区域在50s时就降到了1.5m。
从起火区域到楼梯间这段疏散通道在200s后直至火灾模拟结束的长时间里都充满烟气。
从烟气层高度变化情况看来，起火区域的人员疏散时间仅仅只有50s，对于该楼层的人员疏散最佳时间只有短短的200s，只有在最佳时间疏散开来，人员才能避免被高温烟气窒息而影响身体机能。
（2）上部烟气层温度变化图5（b）所示，起火区域的上部烟气层温度在120s时就串升到110℃，与起火区域1紧邻的走道区域13达到110℃发生在300s时刻。
这时从上部烟气层温度变化情况分析，起火区域的疏散时间为120s，时间要长于烟气层高度下降形成的疏散时间50s。
（3）下部烟气层温度变化图5（c）所示，起火区域的上部烟气层温度达到60℃是在280s左右，而与起火区域1紧邻的走道区域13达到60℃时发生在400s。
还可以观察到区域7、8和13的下部烟气层温度几乎同步变化，表明烟气在疏散通道的扩散速度很快，因此人必须在高温烟气到来之前撤离火灾现场。
（4）下部空间CO2体积分数变化图5（e）所示，起火区域在380s时CO2体积分数达到0.1%，疏散通道也在400s时达到此浓度。
（5）下部空间CO体积分数变化图5（f）所示，在整个模拟过程中，区域8出现CO的最高浓度是在1200s时的200ppm，但仍远低于危险状态时2500ppm的水平。
前500s 起火区域的CO浓度比疏散通道要高，而500s后却一直较低。
可能原因是处于门窗开敞区域的火源在其稳定燃烧期及衰减期，CO在热压作用下很容易就扩散到疏散通道，并在疏散通道堆积。
该结果表明在起火区域门窗敞开的情况下，CO 给疏散带来的危险较低，但同时这也形成更猛烈的火势，给建筑结构带来烧毁及坍塌的危险。
3.2.2起火区域3的模拟结果分析根据模拟起火区域3的结果表明：（1）烟气层高度变化图6（a）所示，情况和起火区域1时相似，在疏散通道走道和楼梯间的烟气层下降速度也很快，在约200s时烟气层高度就低于1.5m，而起火区域在50s 时就降到了该高度。
从起火区域到楼梯间这段疏散通道在200s后直至火灾模拟结束的长时间里都充满烟气。
并且区域7、8的烟气层高度下降速度总比区域15和17的要快。
（2）上部烟气层温度变化图6（b）所示，起火区域的上部烟气层温度在120s时就串升到110℃，与起火区域3紧邻的走道――区域17，达到110℃时发生在200s，这比起火区域1时要快100s。
同样地，情况分析可知起火区域的疏散时间为120s，时间要长于烟气层高度下降形成的疏散时间50s。
（3）下部烟气层温度变化图6（c）所示，起火区域3的上部烟气层温度达到60℃是在320s左右，而与起火区域3紧邻的走道区域17达到60℃发生时在550s。
区域3和17达到同等温度的时间要比起火区域1情况时延迟40s和150s。
还可以观察到区域7、8和15的下部烟气层温度也几乎同步变化。
（4）下部空间CO2体积分数变化图6（e）所示，和起火区域1时的情况几乎一致，起火区域在380s时CO2体积分数达到0.1%，疏散通道也在400s时达到此浓度。
（5）下部空间CO体积分数变化图6（f）所示，同样地在整个模拟过程中，区域8出现CO的最高浓度是在1200s 时的175ppm，但仍远低于危险状态时2500ppm的水平。
前600s起火区域的CO浓度比疏散通道要高，而之后却一直较低，并且在600s～1600s这段时间，疏散通道各区域（区域7、8、15和17）的CO浓度基本同步增加，而到1600s后区域17的CO浓度突然骤降。
前者可能原因是与起火区域1时的情况一样，而后者的可能原因是处于衰减期末期的火源火势减弱，此时室外空气从开场窗户涌入，稀释了起火区域及其相邻的CO浓度。
同样也要注意在起火区域门窗敞开的情况下，虽然CO给疏散带来的危险较低，但同时这也形成更猛烈的火势，给建筑结构带来烧毁及坍塌的危险。
4 结论用CFAST区域模拟软件对某对称建筑楼层房间火灾蔓延进行分区模拟，由于起火区域在区域2和3的模拟结果相似，故重点分析起火区域分别为1和3时起火区域及人员疏散经过区域的烟气层下降高度、上部烟气层温度、下部烟气层温度、CO体积分数浓度、CO2体积分数浓度和O2体积分数随时间的变化情况。
从中得出烟气下降高度变化造成的疏散时间最短，其次是上部烟气层温度变化，再次是下部烟气层温度变化，而此火灾模拟CO给疏散造成的危险程度较低。
各分析情况下的安全疏散时间见表3。
表3 安全疏散时间表分析情况安全疏散时间/s起火区域1 起火区域3（2）区域1 区域13 区域3 区域17烟气层下降高度变化50 200 50 200上部烟气层温度变化120 200 120 200下部烟气层温度变化180 400 320 550要求在实际工作中要加强对楼梯排烟设备、设施的管理和维护。
