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[摘 要]随着我国国民经济的发展和科学技术的进步，地下建筑也越来越多，地下商场火灾的研究也就具有独特意义。本文通过软件模拟的方法对某具有代表性的商场火灾进行研究得出模拟场景火灾温度、烟气浓度以及最佳安全疏散时间。得出结论：右侧扶梯安全疏散时间小于60s，中央扶梯安全疏散时间为500s，安全通道安全1-4的疏散时间分别为550s，550s，450s和450s.对于实际发生火灾前的安全预评价有所指导，以及实际发生火灾后的火灾疏散有所启发。
[关键词]FDS，地下建筑，火灾
中图分类号：F615 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）05-0134-02
0 引言
随着中国经济的快速发展，城市的建筑也如雨后春笋般的林立在地面的在各个角落，当地表的可用建筑面积在急剧缩小的时候，寻求在地面以下来建筑成为了一个比较好也被广泛认可的方法。
地下商业建筑向地面开口面积小，人员密集，通常处于通风不良的状态。火灾发生时温度升高和火灾蔓延传播快，会生成大量的烟气和有毒有害气体[1]。
地下建筑火灾特点具有火场温度高，烟气大，不易散出。由于地下建筑的排烟、排热性差，发生火灾后在封闭空间内，热烟排不出去，热量聚集，散热困难，内部空间温度上升快，火灾房间温度会很快由室温上升到800～900℃，烟气温度可达600～700℃，火源温度可达1000℃以上，火区热危害严重[2]。
地下空间火灾原因主要有电气故障、违章操作、用火不慎、以及防火系统不健全等[3-4]。火灾过程中的燃烧通常是不完全燃烧，一般会产生大量的烟气，烟气在火灾中对人们的生命安全构成很大的威胁，根据统计在建筑火灾中约75%-80%的死者是由烟气导致的[5-6]。因此用计算机数值模拟由于能够在较小的代价下较好地反映火灾烟气形成、发展及运动等过程，故有着极大的应用前景[7]。
1 模型建立
1.1 研究对象简介
本研究的对象是位于上海市某地下商场的部分建筑，根据对象建筑特点，本研究抽取了基本成矩形的商铺两面共十六间商铺以及中间走廊作为研究的模拟对象，其总长为68.5m、宽为30m、高3.25m、总模拟平面面积为2055m2，总模拟体积为6678.75m3，所选取的建筑商用功能主要包括拉面馆、超市、奶茶店、书店、鞋店、数码店等商铺，根据实地调研所选取的建筑也有安全通道、消防栓、防火卷帘、喷淋和空调排风系统等消防功能。
1.2 模型构建
1.2.1 物理模型
本文利用PyroSim软件根据实际建筑对地下商场进行3D物理建模。在不影响计算模拟分析效果的前提下，建立了如图1所示的模型。本文将通过计算机数值模拟的方法对模型中左侧两处安全通道，右侧两处安全通道，中央扶梯以及右侧扶梯的做一定的研究并得出其安全疏散时间。
由于扶梯1和扶梯2的上部通向一楼，所以上部区域单独设定了网格，总模拟区域设定了三个网格，包括两扶梯上部网格。
1.2.2 测点
根据实验研究目的，在模型中放置了温度探测器（热电偶），烟气浓度探测器，CO（一氧化碳）浓度探测器。其中温度探测器放置在所在平面的上方1.1m处，主要分布在火源、逃生路徑扶梯以及安全出口处，烟气浓度探测器放置在所在平面的上方1.1m，主要分布逃生路径以及安全出口处，CO（一氧化碳）探测器放置在所在平面的上方1.1m处，主要分布在各房间、逃生路径、以及安全出口处。
1.2.3 火灾场景
根据相关资料和国际国家标准[8-9]，本文综合考虑实际工况，对实验模拟场景进行了以下（表1）设定：
2 实验模拟研究
2.1 火场温度模拟研究
地下建筑由于其独特的建筑结构，在火灾环境下会对人员产生非常严重的生理影响，表3中给出了一般高温环境中的不同空气温度和湿度对人体安全的影响[10]。认为建筑物火灾烟气热辐射达到60℃高温时，将对人员疏散产生极大影响。
2.1.1 火源温度随时间的变化规律
本文研究设定火源位置在餐桌上，距离地面高度为0.9m，为研究火源上方由于受到火源燃烧时火焰高度的影响而出现分层现象，在火源垂直上方的0.3m处、0.6m处、0.9m处各设置了一个热电偶，得到火源垂直上方不同高度处的温度随时间的变化规律如下图线（图2）。
由图2分析可得火源上方0.3m处的温度在火灾发生后短短100s内即上升到900℃，并基本维持，而火源上方0.6m处和0.9m处的温度则会随时间变化出现一定规律的波动。
2.1.2 扶梯温度随时间的变化规律
楼梯是火灾中人员疏散的重要通道，本文研究楼梯口垂直方向上温度随高度的变化规律。本文分别在两个楼梯口垂直方向设置9个热电偶，热电偶垂直间距为0.5m，研究人员在楼梯疏散移动过程中所处不同位置温度随高度的变化规律。
从图3和图4中数据可以看出两处扶梯在不同高度的温度变化趋势基本一致，都在3.5m处的高度温度达到最大值，不同的是右侧扶梯由于距离火源较近，温度也相对偏高。已知，当环境温度高于60℃时，会对人体造成伤害，因此，可将60℃作为人员的安全临界温度值。由此得出结论：火灾发生后60s，右侧的扶梯高度上升到3m左右，此时温度已经达到60℃以上，综合考虑扶梯材料多为金属合金，导热率较高，实际楼梯温度会很高，故右侧扶梯不具备疏散条件，其安全疏散时间小于60s，而距离火源处较远的中央扶梯在火灾发生后500s内，各个高度的温度均在50℃以下，对人体会造成一定伤害，认为其安全疏散时间为500s。
2.2 火场烟气浓度的模拟研究
火灾调查分析表明，据有关火灾试验表明由于地下空间火灾由于通风不足，燃烧不充分，CO、CO2及其它有毒气体浓度会迅速增加[11]。 虽然发生火灾时，高温火灾烟气包含SO2、NO2、HCN等多种有毒有害气体，但通常所含浓度不高，短时间内不会对人员身体造成伤害，而CO2虽然浓度很高，但毒性较小。通过查阅火灾统计资料，人员因CO窒息中毒死亡的人数占全部死亡人员约70%。
根据相关资料可知，CO浓度若高于0.08%，即为危险状态；若高于0.15%，则为绝对危险状态。因此，研究火灾烟气组分CO浓度的变化规律是十分必要的，本文在各安全通道以及扶梯处放置了CO浓度探测器，研究人员在疏散移动过程中所处不同位置CO浓度的变化规律，其结果也能为人员疏散研究提供参考依据。
火灾发展过程理论分析：相关结果表明：烟气从火源房间经拱腹溢出在走廊中形成受限空间的顶棚射流；门檐高度决定了CO能够在走廊中的迁移量；烟气在走廊远距离封闭端头形成上部的热烟气层，中部回流层和下层的补气层；其中中部烟气回流层的高低、流速和CO浓度是影响临近非火源房间CO浓度的重要因素[12]。火灾发展过程中，由于房间内O2不斷消耗，CO浓度也随着时间的增长而增长，并不断积累达到一定量值后，将会对人员疏散产生影响，根据已知资料，将CO浓度高于0.02%作为对人员疏散产生影响的标准。
火灾模拟结果分析：通过CO浓度变化的折线图可以分析得出，中央扶梯的CO浓度在500s时高出安全临界值，认为对人员逃生会产生一定的影响，右侧扶梯的CO浓度在700s内始终低于安全临界值，认为其安全逃生时间大于700s，安全出口3，4的安全逃生时间为500s，安全出口1，2安全逃生时间则大于700s。
3 结论
通过模拟得出以下结论：
（1）模拟场景火灾发生后火源位置处温度会迅速升高，在火源上方不同位置温度存在差异，火源上方0.3m处平均温度较高，在800℃上下波动，而火源上方0.6m、0.9m处温度在400℃与800℃之间波动。中央扶梯和右侧扶梯温度随高度的变化呈现相同的规律，即先随高度上升而温度升高，在高度为3.5m时温度达到峰值，随之温度随高度的升高呈现下降趋势，不同的是右侧扶梯最高温度在35℃到48℃之间变化，而中央扶梯最高温度在71℃与76℃之间变化，相较于右侧扶梯温度变化范围较小，但是平均温度较高。
（2）模拟场景火灾发生后短时间内CO的变化速率较慢，各个安全出口以及右侧扶梯的CO在段时间内处于安全阈值内，但是呈现出明显的加速上升趋势，尤其中央扶梯CO浓度具有指数上升趋势，对于长时间疏散逃生存在极大障碍。
（3）模拟场景火灾发生后，根据模拟数据得出最佳疏散时间如表2所示。
参考文献
[1] 刘晓洁.排烟量和送风比对地下街烟气控制的模拟研究[J].安徽理工大学学报（自然科学版），2012，32（4）：71-74.
[2] 王振群.浅谈地下建筑火灾危险性及扑救技法[J].中国应急救援，2013：16-19.
[3] 黄强.城市地下空间开发利用关键技术指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2004：197-198.
[4] 李海江.2000-2008年全国重特大火灾统计分析[J].中国公共安全（学术版），2010（1）：64-69.
[5] 许镇，唐方勤，任爱珠.建筑火灾烟气危害评价模型及应用[J].消防科学与技术，2010，29（8）：651-655.
[6] 许超.哈尔滨新纪元地下商业街火灾烟气的控制与人员疏散[D].哈尔滨工业大学硕士论文，2008：24-28.
[7] Li Xianting ， Yan Qisen. Numerical Analysis of Smoke Movement in Subway[J]. Fire Safety Science， 1993， 2（2）：6 -13.
[8] 中华人民共和国国家技术监督局.《建筑设计防火规范（GB50016-2014）》.中国标准出版社.
[9] Klem， Thomas J. Fire Investigation Report：One Meridian Plaza， Philadelphia， PA， February 23， 1991.National Fire Protection Association， Quincy， MA.
[10] Hay， Adrian. Positive Pressure Ventilation A Study of Overseas Experience， Research Report Number 8/96， Home Office Fire Research and Development Group， London， UK， 1996.
[11] 洪丽娟，刘传聚.隧道火灾研究现状综述[J].地下空间与工程学报，2005，1（1）：149-155.
[12] 赵江平.建筑火灾烟气中CO迁移规律的FDS模拟[J].中国安全科学学报，2008，18（6）：16-20.
*基金资助
上海市大学生市级创新活动计划项目（CXS201607014）。
[关键词]FDS，地下建筑，火灾
中图分类号：F615 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）05-0134-02
0 引言
随着中国经济的快速发展，城市的建筑也如雨后春笋般的林立在地面的在各个角落，当地表的可用建筑面积在急剧缩小的时候，寻求在地面以下来建筑成为了一个比较好也被广泛认可的方法。
地下商业建筑向地面开口面积小，人员密集，通常处于通风不良的状态。火灾发生时温度升高和火灾蔓延传播快，会生成大量的烟气和有毒有害气体[1]。
地下建筑火灾特点具有火场温度高，烟气大，不易散出。由于地下建筑的排烟、排热性差，发生火灾后在封闭空间内，热烟排不出去，热量聚集，散热困难，内部空间温度上升快，火灾房间温度会很快由室温上升到800～900℃，烟气温度可达600～700℃，火源温度可达1000℃以上，火区热危害严重[2]。
地下空间火灾原因主要有电气故障、违章操作、用火不慎、以及防火系统不健全等[3-4]。火灾过程中的燃烧通常是不完全燃烧，一般会产生大量的烟气，烟气在火灾中对人们的生命安全构成很大的威胁，根据统计在建筑火灾中约75%-80%的死者是由烟气导致的[5-6]。因此用计算机数值模拟由于能够在较小的代价下较好地反映火灾烟气形成、发展及运动等过程，故有着极大的应用前景[7]。
1 模型建立
1.1 研究对象简介
本研究的对象是位于上海市某地下商场的部分建筑，根据对象建筑特点，本研究抽取了基本成矩形的商铺两面共十六间商铺以及中间走廊作为研究的模拟对象，其总长为68.5m、宽为30m、高3.25m、总模拟平面面积为2055m2，总模拟体积为6678.75m3，所选取的建筑商用功能主要包括拉面馆、超市、奶茶店、书店、鞋店、数码店等商铺，根据实地调研所选取的建筑也有安全通道、消防栓、防火卷帘、喷淋和空调排风系统等消防功能。
1.2 模型构建
1.2.1 物理模型
本文利用PyroSim软件根据实际建筑对地下商场进行3D物理建模。在不影响计算模拟分析效果的前提下，建立了如图1所示的模型。本文将通过计算机数值模拟的方法对模型中左侧两处安全通道，右侧两处安全通道，中央扶梯以及右侧扶梯的做一定的研究并得出其安全疏散时间。
由于扶梯1和扶梯2的上部通向一楼，所以上部区域单独设定了网格，总模拟区域设定了三个网格，包括两扶梯上部网格。
1.2.2 测点
根据实验研究目的，在模型中放置了温度探测器（热电偶），烟气浓度探测器，CO（一氧化碳）浓度探测器。其中温度探测器放置在所在平面的上方1.1m处，主要分布在火源、逃生路徑扶梯以及安全出口处，烟气浓度探测器放置在所在平面的上方1.1m，主要分布逃生路径以及安全出口处，CO（一氧化碳）探测器放置在所在平面的上方1.1m处，主要分布在各房间、逃生路径、以及安全出口处。
1.2.3 火灾场景
根据相关资料和国际国家标准[8-9]，本文综合考虑实际工况，对实验模拟场景进行了以下（表1）设定：
2 实验模拟研究
2.1 火场温度模拟研究
地下建筑由于其独特的建筑结构，在火灾环境下会对人员产生非常严重的生理影响，表3中给出了一般高温环境中的不同空气温度和湿度对人体安全的影响[10]。认为建筑物火灾烟气热辐射达到60℃高温时，将对人员疏散产生极大影响。
2.1.1 火源温度随时间的变化规律
本文研究设定火源位置在餐桌上，距离地面高度为0.9m，为研究火源上方由于受到火源燃烧时火焰高度的影响而出现分层现象，在火源垂直上方的0.3m处、0.6m处、0.9m处各设置了一个热电偶，得到火源垂直上方不同高度处的温度随时间的变化规律如下图线（图2）。
由图2分析可得火源上方0.3m处的温度在火灾发生后短短100s内即上升到900℃，并基本维持，而火源上方0.6m处和0.9m处的温度则会随时间变化出现一定规律的波动。
2.1.2 扶梯温度随时间的变化规律
楼梯是火灾中人员疏散的重要通道，本文研究楼梯口垂直方向上温度随高度的变化规律。本文分别在两个楼梯口垂直方向设置9个热电偶，热电偶垂直间距为0.5m，研究人员在楼梯疏散移动过程中所处不同位置温度随高度的变化规律。
从图3和图4中数据可以看出两处扶梯在不同高度的温度变化趋势基本一致，都在3.5m处的高度温度达到最大值，不同的是右侧扶梯由于距离火源较近，温度也相对偏高。已知，当环境温度高于60℃时，会对人体造成伤害，因此，可将60℃作为人员的安全临界温度值。由此得出结论：火灾发生后60s，右侧的扶梯高度上升到3m左右，此时温度已经达到60℃以上，综合考虑扶梯材料多为金属合金，导热率较高，实际楼梯温度会很高，故右侧扶梯不具备疏散条件，其安全疏散时间小于60s，而距离火源处较远的中央扶梯在火灾发生后500s内，各个高度的温度均在50℃以下，对人体会造成一定伤害，认为其安全疏散时间为500s。
2.2 火场烟气浓度的模拟研究
火灾调查分析表明，据有关火灾试验表明由于地下空间火灾由于通风不足，燃烧不充分，CO、CO2及其它有毒气体浓度会迅速增加[11]。 虽然发生火灾时，高温火灾烟气包含SO2、NO2、HCN等多种有毒有害气体，但通常所含浓度不高，短时间内不会对人员身体造成伤害，而CO2虽然浓度很高，但毒性较小。通过查阅火灾统计资料，人员因CO窒息中毒死亡的人数占全部死亡人员约70%。
根据相关资料可知，CO浓度若高于0.08%，即为危险状态；若高于0.15%，则为绝对危险状态。因此，研究火灾烟气组分CO浓度的变化规律是十分必要的，本文在各安全通道以及扶梯处放置了CO浓度探测器，研究人员在疏散移动过程中所处不同位置CO浓度的变化规律，其结果也能为人员疏散研究提供参考依据。
火灾发展过程理论分析：相关结果表明：烟气从火源房间经拱腹溢出在走廊中形成受限空间的顶棚射流；门檐高度决定了CO能够在走廊中的迁移量；烟气在走廊远距离封闭端头形成上部的热烟气层，中部回流层和下层的补气层；其中中部烟气回流层的高低、流速和CO浓度是影响临近非火源房间CO浓度的重要因素[12]。火灾发展过程中，由于房间内O2不斷消耗，CO浓度也随着时间的增长而增长，并不断积累达到一定量值后，将会对人员疏散产生影响，根据已知资料，将CO浓度高于0.02%作为对人员疏散产生影响的标准。
火灾模拟结果分析：通过CO浓度变化的折线图可以分析得出，中央扶梯的CO浓度在500s时高出安全临界值，认为对人员逃生会产生一定的影响，右侧扶梯的CO浓度在700s内始终低于安全临界值，认为其安全逃生时间大于700s，安全出口3，4的安全逃生时间为500s，安全出口1，2安全逃生时间则大于700s。
3 结论
通过模拟得出以下结论：
（1）模拟场景火灾发生后火源位置处温度会迅速升高，在火源上方不同位置温度存在差异，火源上方0.3m处平均温度较高，在800℃上下波动，而火源上方0.6m、0.9m处温度在400℃与800℃之间波动。中央扶梯和右侧扶梯温度随高度的变化呈现相同的规律，即先随高度上升而温度升高，在高度为3.5m时温度达到峰值，随之温度随高度的升高呈现下降趋势，不同的是右侧扶梯最高温度在35℃到48℃之间变化，而中央扶梯最高温度在71℃与76℃之间变化，相较于右侧扶梯温度变化范围较小，但是平均温度较高。
（2）模拟场景火灾发生后短时间内CO的变化速率较慢，各个安全出口以及右侧扶梯的CO在段时间内处于安全阈值内，但是呈现出明显的加速上升趋势，尤其中央扶梯CO浓度具有指数上升趋势，对于长时间疏散逃生存在极大障碍。
（3）模拟场景火灾发生后，根据模拟数据得出最佳疏散时间如表2所示。
参考文献
[1] 刘晓洁.排烟量和送风比对地下街烟气控制的模拟研究[J].安徽理工大学学报（自然科学版），2012，32（4）：71-74.
[2] 王振群.浅谈地下建筑火灾危险性及扑救技法[J].中国应急救援，2013：16-19.
[3] 黄强.城市地下空间开发利用关键技术指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2004：197-198.
[4] 李海江.2000-2008年全国重特大火灾统计分析[J].中国公共安全（学术版），2010（1）：64-69.
[5] 许镇，唐方勤，任爱珠.建筑火灾烟气危害评价模型及应用[J].消防科学与技术，2010，29（8）：651-655.
[6] 许超.哈尔滨新纪元地下商业街火灾烟气的控制与人员疏散[D].哈尔滨工业大学硕士论文，2008：24-28.
[7] Li Xianting ， Yan Qisen. Numerical Analysis of Smoke Movement in Subway[J]. Fire Safety Science， 1993， 2（2）：6 -13.
[8] 中华人民共和国国家技术监督局.《建筑设计防火规范（GB50016-2014）》.中国标准出版社.
[9] Klem， Thomas J. Fire Investigation Report：One Meridian Plaza， Philadelphia， PA， February 23， 1991.National Fire Protection Association， Quincy， MA.
[10] Hay， Adrian. Positive Pressure Ventilation A Study of Overseas Experience， Research Report Number 8/96， Home Office Fire Research and Development Group， London， UK， 1996.
[11] 洪丽娟，刘传聚.隧道火灾研究现状综述[J].地下空间与工程学报，2005，1（1）：149-155.
[12] 赵江平.建筑火灾烟气中CO迁移规律的FDS模拟[J].中国安全科学学报，2008，18（6）：16-20.
*基金资助
上海市大学生市级创新活动计划项目（CXS201607014）。