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摘要：作为人类历史的重要承载物，木质建筑具有独特的意义。为了避免木质建筑发生火灾及引发难以估量的后果，外国火灾模拟软件FDS和人员疏散模拟软件Pathfinder将被使用，以在模型中对西江千户苗寨的木制建筑火灾进行仿真分析。将运用模拟试验的结果和数据，分析木制建筑火灾时烟气的流动、温度的分布、CO等气体浓度的变化以及能见度的情况。根据对结果的研究，该模型能够有效模拟木制建筑火灾情况。给出了针对火灾疏散的具体优化建议和火灾控制对策。

为了防止木质建筑发生火灾时的FDS火灾模拟，必须确保Pathfinder人员疏散系统的有效性。

关键词 ： 木质建筑火灾；FDS； Pathfinder；人员疏散；火灾模拟；

1 引言

以贵州省黔东南地区的农村火灾数据为例，据初步估算，该地区在过去十年（2011-2020年）内发生了1210起火灾事件。

在火灾发生的时间段内，白天早上09：00—17：00时火灾风险较高，尤其在17：00时最为突出，而凌晨02：00—07：00时火灾概率较低，这与当地村民白天进行劳动和炊事活动，凌晨则休息的生活习惯吻合。在发生火灾的地点上，83.02%的火灾发生在建筑物室内，占据了绝对主导地位，这并非偶然，因为建筑物内集中了火源和可燃物，同时木制建筑是黔东南古寨主要的建筑形式。引发火灾的原因多方，包括60%的火灾是由于用电负载过大及其他问题引起的，比如过载、短路、接触不良、线路老化等；13.47%的火灾是由生活中一些人的疏忽引起的，这两个因素是山区民居起火的主要原因。村民的生活方式不断演变，由传统逐渐转向现代化，然而在电力使用过程中出现了多种适应不良的问题。

1.建筑概况

西江苗寨位于贵州省黔东南苗族侗族自治州雷山县，南贵村，与雷山县城相距36千米，与黔东南州州府相距33千米。

西江千户苗寨的独特之处在于半山间耸立的木结构吊脚楼，这些吊脚楼随着地势起伏错落有致，层层叠叠，展现出壮观景观。西江千户苗寨的主要点有西江苗族博物馆、鼓蔵头家、活路头家、酿酒坊、刺绣坊、蜡染坊、银饰坊、观景台、噶歌古道、田园观光区等。

2 介绍2个模拟软件和开拓者

美国国家标准技术研究院（NIST）开发的FDS（Fire Dynamics Simulator）软件专门用于模拟消防动态，是建立在FDS基础之上的。它以计算流体动力学为依据，可模拟并预测火灾中烟气、等毒气的运动、温度和浓度。在该软件的基础上进行了延伸，采用了计算流体力学的原理，可以预测火灾中烟气、等有害气体的传播、温度和浓度等情况。

Pathfinder火灾模拟软件是一款由Thunderhead Engineering公司开发的人员疏散模拟工具，结合了强大的仿真技术和对群体行为的灵活控制。使用计算机图形仿真和游戏角色技术，对多个群体中的每个个体进行图形化的虚拟演练，准确确定每个个体在紧急情况下的逃生路径和时间。这种工具被广泛使用于大型设施的火灾逃生方案评估，包括体育场、医院、摩天大楼和飞机场等。

3.测试点火设置

经过对黔东南木制建筑村落及其保护范围内2011年至2020年间的超过1210起火灾进行了系统整理，结果显示火灾主要由于电器故障和用火不慎引发。由于木制建筑燃烧材料较为丰富，火灾的蔓延速度相近。这项研究针对上述一种火灾原因在西江千户苗寨的部分建筑场景进行了分析，并根据同行经验，采用了火源模型进行了火灾数值模拟。

3.1场景设置

导致一楼左侧失火的原因是房间内有人不慎使用火源。易燃的物品如家具和木质墙壁都集中在起火点周围。假设火灾源的面积是1平方米，火势蔓延时间为1秒，单位面积热释放速率为1000 千瓦/平方米。

4. FDS的模型设置

FDS软件是一种被广泛应用于评估建筑火灾风险的重要工具。此研究利用软件进行模拟，研究了在不同设定下西江千户苗寨部分建筑的火灾场景，并分析了火灾发生的不同阶段以及木制建筑对火灾的影响。

4.1.FDS模型设置

为了获得高效的模拟结果并简化建模过程，本次建模选择了统一规格的全局网格设置，考虑到模拟的建筑模型体量较大。

4.2网格分割和网格相关性检查

据文献资料显示，根据计算公式（1），特征火焰 D* 可以得出为0.91。据相关研究指出，FDS 火灾数值模拟常采用网格尺寸为特征火焰 D* 的 1 /16 ～ 1 /4，即 0.079 4 ～ 0. 318 m，最为适宜。

公式中：Q表示1000 kW火花源的热释放速率；ρ0表示所用空气密度为1.2kg/m3；cp是指使用1 kJ/（kg·K）的空气比热容；T0表示环境空气温度为293 K；G表示重力加速度为981 m/s。

针对本次模拟，已选定适当的模型网格尺寸，根据设定情景制定相应的网格尺寸，并进行必要的计算，所用时间综合记录在表1中。为保证模拟结果尽可能准确，选择了最为恰当的网格尺寸为0.2x0.2x0.64并运行18小时进行了模拟。

4.3设置边界条件

本研究情况的范围条件为：

（1）环境参数设定为夏季黔东南地区东南风为最高频率风向，平均风速为6米/秒，平均温度为20摄氏度，大气压为101.325千帕，重力加速度为9.8米/秒2。

（2）在模拟设置中，可以将着火区域的窗户打开，这样室内高温烟气就可以与室外自然空气在大气压的作用下进行对流。

（3）在高度为 3 米的位置，在起火点上方设置探测器，用于监测温度、可见度、CO和O2的数值数据；

（4）将各种模拟时间设置为200秒；

（5）鉴于木质材料具有较大的热传导系数，加之在实际情况下降雨对火灾的影响较为显著，因此本研究排除了室内其他热传导系数和降雨对实验的影响。

（6）并不考虑其他因素对火灾模拟结果的干扰。

5.火灾数字模拟结果和分析

5.1光源散热率变化情况

根据仿真结果记录的变化趋势，可观察到火源在室内燃烧开始后释放的热量明显增加。根据停止行驶的数据显示，火源点燃后10秒内达到了稳定的热释放速率，并且不再发生大幅波动，这表明此时火源正处于全面燃烧阶段。燃烧过程中，火源点燃周围可燃物，导致火势逐渐蔓延。

5.2烟气扩散情况

废气扩散场景设置。根据烟气蔓延，木制建筑发生火灾后10秒左右就开始产生浓烟，并迅速向东方扩散。在60秒内，火势蔓延到了火灾建筑的第三层，烟气已经通过敞开的窗户扩散到设定的格网顶部并布满其表面；到了110秒，烟雾已经填满了大楼的一层到三层。

5.3.火场温度变化情况

当处于着火室内 3 米处时，温度变化曲线的情况

火灾发生后，温度随时间的变化曲线可以反映出火灾现场的情况。起始温度为20℃，2秒后的测量显示温度开始升高，到了4秒时已经上升到50℃。随着时间的推移，曲线的变化趋势变得更加陡峭，在9s时，温度达到了接近100℃的水平，而在50s-200s的时间段内，温度曲线在175℃左右上下波动，逐渐趋于平稳。在时间点为160s左右，温度曲线经历了一个峰值，约为270℃，之后稳定在225℃。

根据分析，木质材料在火灾发生后的区域温度迅速攀升，到火灾爆发的第四秒时，温度已经开始剧烈波动。继续上升趋势。由于西江千户苗寨采用木制建材，且相邻建筑密集，导致温度变化剧烈。在瞬息万变的气候条件下，以火源区域为中心，经由墙壁热传导效应，持续向两侧释放热量。在这个场景中，火源上下区域紧靠墙壁的温度显著高于其他区域，上下区域和周围的木质建筑即将被引燃。

在模拟实验中，温度变化剧烈，持续时间为200秒。实际发生火灾时，由于西江千户苗寨的木质结构难以保持稳定形状，增加了逃生的危险。

5.4火灾能见度、CO和O2浓度变化情况

场景设置中3米处的能见度变化，火灾场景的能见度随着时间的推移改变曲线。通过变化曲线的分析可以得知：火灾发生后，烟气大量产生，导致火灾建筑区的能见度快速下降。t=3s时，测点能见度直线下降，t=20s时，能见度基本为0m。测点位于火灾发生地点的房间中央顶部，其所记录的能见度状况呈瞬间波动，在某一瞬间迅速下降，但很快又恢复正常。

因此，在火灾现场的能见度分析中发现，一旦西江千户苗寨的建筑发生火灾，能见度会迅速下降。为保障火灾现场的人员安全疏散，建议立即进行人员疏散，并考虑安装排烟设备以防止浓烟阻碍疏散通道。同时，在建筑周围设置清晰的疏散标识，并提供逃生指导。

氧浓度的变化，在T=3秒时氧的浓度剧烈下降。在T=10S后呈现直线下降的趋势，随着时间的变化氧的浓度将下降到不能维持人体的正常生命活动的范围，这样将会影响人们的逃生并且可能造成人员伤亡等后果。此外，随着氧浓度的降低，二氧化碳的浓度会相应增加。由于二氧化碳比氧气密度更大，导致空气中氧气浓度不足以维持人类正常生活所需。

6  Pathfinde模型设置

Pathfinder通过确定每位人员在火灾发生时的不同参数（例如人数、行走速度、距离安全出口的距离等）来模拟并预测他们独特的逃生路径和时间。在紧急情况下，该系统可以模拟人员疏散的路径和各个区域人员的疏散时间，同时允许设置人员密度、距离出口的最短距离以及走路速度等参数。

这栋房屋共有3层，设有两个紧急疏散通道，在模拟疏散过程中共有27名居民。一旦发生火灾，所有在房屋内的人员都会立即开始紧急疏散。住宅内部的所有人在疏散开始后的42.3秒全部安全脱离危险，模拟过程中考虑了人员特征，包括可能存在的年轻人、老年人以及正常人等不同群体，对他们的逃生速度进行了合理设置。

在火灾条件下（不考虑外界因素），如果火势蔓延速度超过42.3秒，那么所有居民就无法完全安全逃生；反之则能成功逃生。

7.分析结论和对策建议

7.1结论分析

在对火灾进行模拟试验后，研究人员分析了热释放速率、火势蔓延、火场温度、可见度以及烟气中的氧气、一氧化碳和二氧化碳浓度等参数的变化情况。发现以下结论：

（1）木质建筑，防火负荷非常高。木质建筑（群）的木质材料结构主导，火灾荷载等级一般为三、四级，超过了国家标准规定的负荷。

（2）木质材料，快速燃烧。根据模拟结果揭示的情况，火灾发生后短时间内温度和热量迅速上升。

根据模拟结果，在一定时间内，房间温度和有毒气体浓度将上升到超过人体安全临界值的范围。在模拟情景中，室内温度、CO浓度和CO2浓度随着时间的推移迅速攀升，超出了人体所能承受的限度。

（4）烟雾弥漫的疏散模拟结果显示，火灾发生时，很快就会弥漫大量烟气，导致视野急剧恶化。烟气对人员疏散并未造成明显障碍，但随着浓度增加，视线迅速变得模糊，给逃生行动带来了重大影响。

对于木质建筑（群）的缺乏对火灾的科学性、定量性分析。特别是在木质建筑（群）领域，尚未建立完善的火灾模型化、火灾场景化，也缺乏类似于FDS等模拟软件的有效数据模型分析。另一方面，木质建筑（群）防火方面未能制定完善的现代理论框架，缺乏相对统一的木制建筑防火标准，且不同地域的木质建筑存在较大差异。因而，木质建筑（群）防火方面短时间内将持续使用传统的消防措施，缺乏系统化、科学化、针对性强的消防方案和措施也是理所当然的。

7.2对策建议

（1）早期火灾探测的重要性日益凸显，火灾探测技术提倡大量投入，自动灭火系统的尽快完善也助力于火灾应急处置。

（2）加强木制建筑设备的管理，降低设备故障引发火灾的可能性。

（3）合理接受移动旅游的游客人数。建议对旅游参观人数进行严格控制，以确保在火灾发生后便于有效疏散。

（4）提高耐火建筑材料的应用，提高耐火性。

（5）倡导增设建筑物疏散通道和出口等设备，以确保人员能够迅速安全地疏散。

（6）使用二氧化碳灭火是一种有效的方法，因为木质建筑火灾会消耗室内氧气，随着燃烧过程进行，氧气含量逐渐减少，导致燃烧速度暂时降低。通过管道系统向房间内注入二氧化碳气体可以阻止新鲜空气进入，减少房间内氧气含量，从而延长救援时间。

（7）在木质建筑中安装自动灭火装置。考虑到木制建筑的特殊情况，应根据实际条件选择适合的自动灭火装置，而非采用水、气系统灭火装置。

参考文献：

[1] 高明明，王竹，裘知，等.山地农村火灾分布特征及村落因素的相关性分析——以黔东南为例[J].灾害学，2023，38（03）：100-104+147.

[2] 徐艳秋、王振东，基于 Pathfinder 和 FDS 的火场下人员疏散研究[J]。2012年中国安全制造科技展，8（2）：50-54

[3] 乐增、金润国、毛龙等校园住宅火灾模拟计算的研究成果发表在《中国安全生产科学技术》2009年第5期第2页上

[4] 田垚等人在2019年的一项研究中探讨了基于FDS的古建筑火灾发展过程，发表在《消防科学与技术》杂志上。

[5] 李明华，陈宇． 借助CFD对历史建筑群火灾蔓延特性的数值模拟分析[J]． 建筑安全科学学刊，2018，32（3）：45-51．

作者简介：李玉云（出生年份—1998）性别：男

民族：苗族，籍贯：贵州省毕节市纳雍县阳长镇

职务：学生，学历：在读本科，单位：贵州理工学院矿业工程学院；研究方向：安全工程