苏萦-
调研报告
一、课题的来源及意义
根据结构形式，大空间建筑大体可分为三类：（1）占地面积较大但并不很高的建筑，其典型代表是大型商场。许多商场的面积经常有成千上万平米，而高度一般在6米以下。
（2）占地面积相当大同时具有一定高度的建筑。如大会堂、展览馆、体育馆、候机(车)厅、大型仓库、大型车间等。它们的面积往往有数百、上千平米，高度约为10—20米。
（3）具有一定的平面面积但却有相当高度的建筑。其代表为高层建筑的中庭，其平面面积为几十到上百平米，高度大多为几十米[1]。
大空间建筑具有结构简单、不分隔、空间统、使用自由等优点，在当前经济迅速发展的今天更加受到各类企业的青睐，以广泛应用于现代工业厂房、企业原料成品仓库、大型物流仓库等生产储存类建筑中。由于其建筑结构特点及生产储存物质的特殊性，一旦发生火灾，极易产生蓄烟及烟层下降，若排烟不利极易造成重大的人员伤亡和财产损失，且其灭火救援难度大、技战术要求高。因此，加强大空间建筑火灾扑救技战术研究已成为一个紧迫而现实的课题。
近年我国发生的多起重大、特大火灾，大部分与大空间建筑有关，如洛阳东都商厦、克拉玛依友谊馆、湖南铁合金集团公司化学危险品仓库、墨市龙泉镇青岛正大有限公司熟食加工厂等多起大空间建筑火灾，造成重大的人员伤亡和财产损失。从公安部消防局网站查询的其他国内外大空间火灾事故见表1。
表1 国内外事故
从以上事故中可以看出，在大空间建筑火灾事故中，由于电气故障和其他原因造成的火灾，是造成伤亡最大，损失最为严重的火灾事故。可见在大空间建筑火灾事故中，对完善大空间建筑电气线路的研究具有重要的理论及实际意义。
根据中华人民共和国统计局的数据统计，得到2011-2012年全国共发生277,574起火灾，其中重大火灾9起，较大火灾140起，一般火灾277,425起，全部火灾造成人员2136人，受伤1146人，直接财产损失423,459.7万元。其中一般火灾造成的伤亡和财产损失最多，由此可知，有效的防治一般火灾因作为火灾防治工作的重点工作之一。
事实上，社会越进步，城市越发展，火灾所造成的间接损失将会十倍甚至百倍于其直接损失。为此人类对火灾发生、发展的规律，以及需采取的相应防范措施进行了长年的、不懈的科学研究。
当前对火灾的研究已经进入到了：以现代科学为基础，借助于先进的计算和实验手段，进行多层次的“火灾摸化”探索火灾的机理和规律，制定火灾预测模型，建立防火的新方法、新措施，以推动工程应用研究和技术开发。美国哈佛大学的艾蒙斯（H.W.Emmons）教授提出了火灾模化的理论，为火灾科学的建立奠定了基础。英国的爱丁堡大学庄斯戴尔（D.Drysdate）出版了专著《火灾动力学》，对火灾科学的理论体系进行了系统的阐述，并促进了消防新技术、新产品的研究与开发。1956年，美国马里兰大学设立世界上第一个“消防工程”（Department
of Fire Protection
Engineering），从此，消防工程作为一门独立的专业进入高等学府的知识殿堂。
2008年1月，根据《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》、《国务院关于进一步加强消防工作的意见》和《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006－2020年）》，结合公安消防工作实际，我国制定了公安消防科学技术“十一五”发展规划。以围绕增强社会预防与抗御火灾整体能力，提高消防部队消防监督和灭火救援的科技含量，加强消防科技工作，为全面推进“三基”工程建设和消防工作的跨越式发展提供科技支撑为指导方针。其中对大空间工业建筑火灾的主要研究课题有：大跨度空间钢结构建筑火灾升温模型与抗火设计方法研究、火灾风险评估与性能化防火设计基础数据研究、建筑性能化防火设计的工程分析软件研制、高净空民用建筑场所及高架仓库自动喷水灭火系统性能参数的研究、典型建筑构件热烟气沉积和侵蚀痕迹多维数值模拟研究、典型灾害灭火救援现场指挥计算机模拟训练系统开发与应用示范、建筑火灾虚拟现实和仿真技术应用研究、特殊场所与工业火灾防治新技术等。
《国务院关于坚持科学发展安全发展促进安全生产形势持续稳定好转的意见》（国发〔2011〕40号）第二十一条要求加强消防、冶金等其他行业领域的安全监管。要求地方各级人民政府要把消防规划纳入当地城乡规划，切实加强公共消防设施建设。大力实施社会消防安全“防火墙”工程，落实建设项目消防安全设计审核、验收和备案抽查制度，严禁使用不符合消防安全要求的装修装饰材料和建筑外保温材料。
此外，《消防法》第二十三条规定：“储存可燃物资仓库的管理，必须执行消防技术标准和管理规定”。为填补这方面标准空白，系统、科学规范仓储场所的消防安全管理
大连交通大学2014届本科毕业生论文调研报告
工作，最大限度预防和减少仓储场所火灾危害，编制了《仓储场所消防安全管理通则》。这对加强和规范仓储场所消防安全管理工作，有效预防和避免仓储场所火灾事故的发生，减少火灾危害具有重要意义。
二、国内外研究状况
2.1、国外研究状况
随着科技的进步和计算机的出现，火灾计算机模拟技术为人们深入认识火灾发生、发展的过程和规律提供了一种新的方法。目前对于工业建筑火灾的研究主要集中于火灾机理、火灾数值模拟、火灾防治技术等领域。
在火灾机理研究方面的主要研究有：
美国的Haejun
Park[2]等通过分析研究建筑消防安全性能评价模型“软”“硬”的特点，了解到通用的火灾响应模型和集成特性的交互模型，已经发展到代表整体建筑的消防安全性能考虑软硬兼备特性的影响。在这些模型中，建筑物，人员和防火特性之间的各种因果关系是确定在不同的细节层次上的。概念模型中，基本上是一个定量的模型利用参数排序法和加权求和法，作为常见的层次分析法，用来作为一种工具来帮助评估建筑消防安全性能，并协助发展中国家消防安全的决策过程设计解决方案。
在火灾数值模拟方面的主要研究成果有：
美国NIST（National Institute of Standarads and
Technology）于2002年11月发布的专用于模拟建筑火灾场景的计算程序FDS场模拟程序[3]。它是以火灾中流体运动为主要模拟对象的计算流体动力学软件。该软件采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的N-S方程，重点计算火灾中烟气和热传递过程。该模拟可以得到比较详细的物理的时空分布，能精细地体现火灾现象，加之高速、大容量计算机的发展，且FDS程序是开放的，使得场模拟得到了越来越广泛的应用。
Hskestad[4]通过实验的方法，对火羽流、火焰高度、羽流的空气卷席、羽流温度和速度一系列问题进行了讨论，并对理想羽流模型作了改进，建立了Hskestad模型。（1）用虚拟点火源概念代替理想羽流模型中的点源，并给出了点火源距燃料表面的计算式：
（该公式适用于池火燃烧）；（2）用Gaussian分布假设代
替了帽型分布假设，并引入了羽流中心线速度和羽流中心线温升T0。（3）考虑了羽流密度和环境密度的差异，去掉了Boussinesq假设，且强调该模型在平均火焰高度以上区域(
z> L) 运用较为准确。
比利时根特大学的Bart Merci
[5]等运用两区域模拟计算和场模型模拟计算的方法，对一个屋顶自然通风条件下全封闭小隔间室内火灾的数值模拟。根据记录，绘制不同结构的平均温度值和温度幅值的分布曲线。详细的分析房间内平均流场和温度场，得出房间内夹带处烟流的混合现象和规律，总的火灾热释放速率值对热烟气层平均温度上升的影响最大，而火源面积和屋顶开口部分的面积的影响较小。热烟气层的厚度由室内平均温度决定，几乎不受总的火灾的热释放速率大小的影响。屋顶开口部分的面积的影响只
大连交通大学2014届本科毕业生论文调研报告
有在适度的范围内考虑。而火源面积对热烟气层厚度最大的影响是其面积伴随着热烟气层厚度的增加而增大。
英国的Wickstrom[6]等采用FDS（Version
5.3.0）模拟分析了区域火灾火源附近裸露钢梁和铁柱的升温计算问题，提出了绝对表面温度（Adiabatic Surface
Temperature简称AST）原理，解决了求解区域火灾中受影响钢结构表面的入射热量的困难问题。
在火灾防治领域的研究有：
韩国的Gyu-Yeob Jeon
[7]等通过研究烟雾影响疏散能见度的实验，分析了人的行为特征和疏散特点的变化。研究得出烟雾可以影响能见度的变化，并对人员疏散距离以及移动速度有着显著的影响。
美国的Gregory R. Istre
[8]等，通过从消防部门获取的所有房屋火灾记录（不包括公寓火灾和移动房屋火灾），被救护车运送的病人记录，医院登记和法医的致命伤害报告，建立了1991年到1997年，达拉斯的火灾数据，分析基于人群监测的数据，定义与房屋火灾及相关伤害的有关因素。分析得到，在老年人，少数民族，低收入人群及没有有效的烟雾报警功能的房屋中，房屋火灾的受伤率最高。为预防房屋火灾伤亡的措施提供依据。
2.2、国内研究状况
我国针对火灾事故安全管理颁布了以下法律法规：《中华人民共和国消防法》、《中华人民共和国安全生产法》、《火灾事故调查规定(公安部令第108号)》、《消防监督检查规定（公安部令第107号）》、《建设工程消防监督管理规定》、《火灾事故调查规定》、《消防监督检查规定》、《社会消防技术服务管理规定（公安部令第129号）》、《消防产品监督管理规定（公安部令第122号）》等。此外，20世纪70年代初，我国开始开展数值模拟的研究工作。目前已有很多学者运用FDS方法对大空间建筑火灾的发生、发展过程进行数值模拟研究。
张培红[9-10]等以沈阳地区某高大工业厂房为研究对象，采用CFD数值模拟的方法，模拟自然通风条件下，室外风速对厂房火灾温度分布和烟气蔓延的影响。得到不同室外风速下截面温度及CO2质量分数分布图。分析和比较模拟结果，得出当这种高大工业厂房发生火灾时，单纯依靠自然通风排烟不能达到有效防止火灾烟气蔓延的效果。这为工业企业加强消防安全提供理论依据。此外，使用标准k-E湍流模型和非预混燃烧模型，将室外风速从0.1m/s逐渐增加到4.5m/s,
对工业建筑物室内燃气泄漏火灾的蔓延情况进行数值模拟。选取距地面2m水平截面的中心点和在房间中面对房间出口门框右上角一点作为测点，得到了不同边界条件下火场内两测点的温度及烟气组分浓度的实时曲线，对比和分析模拟结果，得到对于有室外风流参与的工业燃气泄漏火灾，风速越大，室内温度及CO2量提升的也就越快，火灾烟气蔓延将呈现特殊的规律性，对火灾中人员生命安全造成很大的威胁。这为人们在火灾发生时的灭火救援、逃生及应急疏散奠定了理论基础。
殷德山[11]等人利用CFD数值模拟的方法对理想单室燃气泄漏火灾的传热传质过程进行了计算机数值模拟，得到了火场中各物理量场的分布，为定量研究火灾烟气流动规律以及对工业建筑燃气火灾危险性评价提供了理论依据和技术支持。
张超[12]利用火灾动力学模拟软件FDS模拟了大空间火灾作用下裸露钢梁及钢柱的升温情况。通过FDS模拟得到的钢构件不同位置处的绝缘表面温度与周围气体温度的比较，显示了大空间火灾中火焰辐射对钢构件不同部位温升计算的影响，并根据此对大空间火灾作用下钢构件升温计算中入射热的计算问题给出了建议。
杜咏采[13]用基于场模型的FDS模拟手段，通过进行多系列的火灾场景数值实验，
对大空间建筑火灾空气升温过程的参数作定性的分析。得出：（1）火源功率增长系数不影响升温幅度，但影响升温速度；（2）火源功率与空气升温具有强相关性；（3）当建筑面积≤
3 000 m2，建筑面积与空气升温有强相关性，当建筑面积>3 000 m2，建筑面积对空气升温影响很小；（4）建筑空间高度与空气升温有强相关性。
莫善军[14]等人应用FDS+EVAC结合中庭式建筑工程算例，计算得出建筑物空间发生火灾后的空气流速、烟雾运动、温度场等情况，通过Smokeview展示火灾的动态发展过程；针对人员安全疏散相关控制指标进行讨论，着重分析应急演练过程中人员疏散可能出现的问题。探讨基于人员疏散计算机书中模拟技术科学合理组织和规划消防应急预演练的技术方法，为应急消防演练的决策提供理论依据。
白音[15-16]等通过建立典型尺寸的网架及网壳结构模型，并对火源所处位置加以变化，比较分析结构的位移随时间和温度的变化关系。并结合结构自身的受力特点，得到了此类结构火灾升温作用下的整体力学性能特点以及火源影响的最不利位置。此外，还利用流体动力学计算软件FLUENT对不同火灾曲线和火源功率下，典型尺寸模型的温度场随时间与空间的分布情况进行了计算模拟，并与我国
《钢结构防火技术规程》中近似公式计算结果相对比，讨论了规范中未规定的火源功率可否使用已知值采用线性插值方法求解，且深入分析了此简化计算公式存在的局限性。完善了我国原有防火规范大空间结构防火设计的需要，保证了结构内部温度场的准确计算，促使防火研究领域向性能化设计的趋势发展。
周榕[17]等对某大型储物仓库运用火灾场模拟软件FDS，并采用大涡模拟方法对火灾场景进行数值模拟研究，通过比较分析烟气蔓延及烟气温度分布情况，对该仓库的排烟系统进行了评估。明确了FDS软件能够较好地预测大空间火灾的热流场分布及烟气蔓延情况，可以用于大空间火灾的模拟研究。对于大空间场所，由于烟气温度较低，自动喷水系统有时不能正常工作，因此在设定火灾场景时对自动喷水灭火系统失效的情况应予以考虑。另外，还需要考察大空间火灾其他的参数，如能见度等。
孙占辉[18]等采用数值模拟的方法，对大空间中庭结构内火灾及周边房间火灾烟气及热羽流对上层房间的影响和烟气在中庭顶部的积聚和沉降情况进行分析。分析结果表明，在大空间内合理设置排烟系统对保证其消防安全至关重要；在大空间中庭内部排烟
充分的情况下，可将大空间中庭作为与之相通的建筑结构的蓄烟空间和排烟途径，在其消防设计中可对中庭设置普通开口而不设置机械排烟系统。为大空间中庭及其周边房间的消防安全设计与评估提供参考。
李国强[19]等采用以双区域模拟为基础的修正方法，对大空间建筑火灾进行计算，分析比较室内烟气下降和温度与时间的关系，得出烟气下降的速度随着失火空间的增大而减小，随火源功率的增大而增大，随平稳段火源功率的增大而增大，但不受火源增长的速度影响。为大空间建筑火灾逃生提供指导依据。
三、本课题的研究目标、研究内容、研究方法、研究手段
3.1、研究目标
在前面学者研究的基础上，运用FDS软件对大空间工业建筑火灾进行数值模拟，通过大空间层高及通风口高度对于温度、CO浓度、烟气层高度等参数模拟结果的对比与分析，提出有效控制烟气的措施，并对此类建筑风险剖析，为今后单层联合厂房类大空间工业建筑的设计与火灾风险管理提供一定的参考。
3.2、研究内容
本课题的研究内容为：
1）了解大空间建筑火灾数值模拟的注意事项；
2）分析机械行业火灾事故的发生原因；
3）提出大空间工业建筑火灾数值模拟方案；
4）用Pyrosim软件模拟大空间工业建筑火灾参数。
3.3、研究方法和手段
采用FDS方法对大空间工业建筑火灾进行数值模拟。通过分析机械行业可能存在的火灾事故及其原因，通过数值模拟技术，采用实例对机械行业单层联合厂房类大空间建筑进行火灾模拟，分析烟气层高度、火场温度、CO浓度、能见度等相关火灾参数。
四、进度安排
根据学校的毕业设计时间安排，安排进度如下：
第1周 选择研究课题，熟悉题目，对其进行调研工作，广泛查阅资料，接收任务书。
第2周 制定计划并填写进度计划表，继续查阅与题目相关的国内外资料，开始书写调研报告。
第3周 通过网络、本地图书馆查阅有关国内外文献，增加对题目的了解，并开始外文翻译。
第4周 根据查阅的外文文献资料，完成不少于三千字的外文翻译工作，同时完成课题调研报告。
第5周 检索国内外大空间火灾数值模拟领域的研究现状，并论述该模拟工作的意义及必要性。
第6周 根据对某地大空间工业建筑的实地调研情况，分析大空间火灾存在的主要危险有害因素，并阐述大空间工业建筑火灾数值模拟的研究思路。
第7周 学习Pyrosim的软件知识，熟悉并掌握Pyrosim程序；根据工业建筑火灾存在的有害因素，结合大空间火灾的风险因素一同进行分析。
第8周 完善大空间工业建筑火灾数值模拟的有关内容，继续学习Pyrosim 软件，并开始编制大空间工业建筑火灾数值模拟程序。
第9周 结合某一地大空间工业建筑，根据调研得到的有关数据，开始进行火灾数值模拟，得到初步的数据结果。
第10周 完善火灾数值模拟工作，将大空间工业建筑火灾计算机模拟的数据等到进一步的完善并最终形成数值模拟图及有关数据表。
第11周 根据模拟分析结果，提出有效控制烟气的措施，对此类建筑风险剖析，为今后单层联合厂房类大空间工业建筑的设计与火灾风险管理提供一定的参考。
第12周 整理资料，完成论文，进行最后的修改和核查。
第13周 修改毕业论文，接受指导教师对毕业设计论文的评阅，准备毕业答辩。 第14周 毕业论文答辩。
参考文献
[1] 霍然，范维澄，袁理明，等.大空间火灾实验厅的建造与初步试验[J].火灾科学,1998,7(1):8–13.
[2] Haejun Park, Brian J, Meacham and Nicholas. Conceptual model development
for holistic building fire
safety performance analysis [J]. Fire Technology, November 2013,1-21.
[3] J.F.Floyd,K.B.McGrattan,S.Hostikka,et .a1.CFD Fire Simulation Using
Mixture Fraction Combustion
and Finite Volume Radiative Heat Transfer[J].Journal of Fire Protection
Engineering,2003(13);11~36.
[4] Hskestad G Fire dymanics,SFPE handbook of fire protection engineering
[Z].Third Edition . Qunincy ,
MA: National Fire Protection Association , 2002.
[5] Bart Merci,Karim Van Maele ,Numerical simulations of full-scale enclosure
fire in a small compartment
with natural roof ventilation [J]. Fire Safety Journal 43 (2008) 495–511.
[6] Wickstrom U,Duthinh D,McGrattan KB, Adiabatic surface temperature for
calculating heat transfer to
fire exposed structures[C]//11th Proceedings of International Interflam
Conference, London;[sn],2007.943-953.
[7] Gyu-Yeob Jeon,Won-Hwa Hong.An experimental study on how phosphorescent
guidance equipment
influences on evacuation in impaired visibility[J].Journal of Loss Prevention
in the Process Industries,2009,22:934-942.
[8] Gregory R. Istre,M.D., Mary A.McCoy, B.S.,Linda Osborn, Jeffrey j.barnard
.Deaths and injueies from
house fires[J]. The American Public Health Association, November
16,2000,1-6.
[9] 张培红，徐硕,梁传志.自然通风条件下高大工业厂房火灾数值模拟[J].沈阳建筑大学学报:自然科
学版,2007,23 (4):620-624.
[10] 张培红. 室外风对工业建筑室内燃气泄漏火灾影响的数值模拟[J].沈阳建筑大学学报:自然科学
版,2006,22(6):951-954.
[11] 殷德山，柳静献，邓云峰.单室燃气火灾后果模拟研究[J].中国安全生产科学技
术,2006,2(1):16-20.
[12] 张超，李国强.基于FDS模拟分析的建筑大空间火灾下钢构件的升温确定方法研究[J].防灾减灾
工程学报，第32卷增刊，2012,5.
[13] 李国强，杜咏.大空间建筑顶部火灾空气升温的参数分析[J]. 消防科学与技术,2005,24(1):19- 2.
[14] 莫善军，李金汇，袁灼新.基于FDS+EVAC的应急演练过程人员疏散数值模拟[J].消防科学与技
术第31卷第4期，2012,4.
[15] 白音，石永久，王元清.火灾作用下空间网格结构的整体力学性能分析 第二届结构工程新近展
国际论坛文集2008,10（10）.
[16] 白音，石永久，王元清.火灾下大空间结构温度场的数值模拟分析[J].中国安全科学学
报,2006,16(1):34 - 38.
[17] 周榕，李树声，顾阳.FDS软件在大空间火灾风险评估中的应用[J].哈尔滨工程大学学报, 第30
卷第5期2009,5.
[18] 孙占辉，大空间中庭及周边房间烟气运动和消防设计[J]. 清华大学学报:自然科学版,2006 ,46
(9):1572 – 1576
[19] 李国强,，黄珏倩. 双区域模拟大空间火灾烟气下降和升温规律的分析[J]. 消防科学与技术, 2005,
分享好知识！