火災(zāi)事故后果模擬計(jì)算方法與案例分析一、引言火災(zāi)事故的后果模擬計(jì)算是安全科學(xué)與工程領(lǐng)域的核心技術(shù)之一，其通過量化分析火災(zāi)中的熱輻射、煙氣擴(kuò)散、結(jié)構(gòu)破壞及財(cái)產(chǎn)損失等過程，為建筑防火設(shè)計(jì)、應(yīng)急預(yù)案制定、事故調(diào)查與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與流體力學(xué)、傳熱學(xué)等學(xué)科的交叉融合，火災(zāi)后果模擬方法從經(jīng)驗(yàn)公式向多物理場(chǎng)耦合的數(shù)值模擬演進(jìn)，有效提升了預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)性與實(shí)用性。本文將系統(tǒng)梳理主流計(jì)算方法，并結(jié)合典型案例剖析其應(yīng)用邏輯，為工程實(shí)踐提供參考。二、火災(zāi)后果模擬的核心計(jì)算方法（一）熱輻射傷害模擬：從點(diǎn)源到固體火焰模型熱輻射是火災(zāi)中人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損毀的主要誘因，其計(jì)算需結(jié)合火源功率、輻射系數(shù)與空間距離。點(diǎn)源模型適用于火源遠(yuǎn)場(chǎng)（距離\(r\)遠(yuǎn)大于火源尺寸），假設(shè)火源為理想點(diǎn)熱源，熱通量公式為：\[q=\frac{\alphaQ}{4\pir^2}\]其中，\(q\)為目標(biāo)點(diǎn)熱通量（\(\text{kW/m}^2\)），\(\alpha\)為輻射系數(shù)（通常取\(0.3\sim0.5\)，與燃燒物類型、環(huán)境通風(fēng)有關(guān)），\(Q\)為火源功率（\(\text{kW}\)），\(r\)為目標(biāo)點(diǎn)與火源中心的距離（\(\text{m}\)）。當(dāng)目標(biāo)點(diǎn)靠近火源（近場(chǎng)）時(shí)，固體火焰模型更準(zhǔn)確。該模型將火源等效為具有一定尺寸的矩形或圓柱形熱源，熱通量需考慮視角系數(shù)（目標(biāo)點(diǎn)對(duì)火源的可見面積占比），公式修正為：\[q=\alphaQF\frac{1}{A}\]其中，\(F\)為視角系數(shù)，\(A\)為火源表面積（\(\text{m}^2\)）。例如，甲醇儲(chǔ)罐火災(zāi)中，火源直徑\(5\,\text{m}\)、高度\(8\,\text{m}\)，通過視角系數(shù)計(jì)算可知，\(10\,\text{m}\)處的熱通量約為\(5.2\,\text{kW/m}^2\)，已超過人體2度燒傷閾值（\(2.5\,\text{kW/m}^2\)，暴露時(shí)間\(>10\,\text{s}\)）。（二）煙氣擴(kuò)散與毒害效應(yīng)計(jì)算：從區(qū)域模型到CFD模擬煙氣的溫度、毒性組分（\(\text{CO}\)、\(\text{HCN}\)等）擴(kuò)散直接影響人員疏散與傷亡率。區(qū)域模型（如AZURE、CFAST）將建筑劃分為“熱煙氣層”與“冷空氣層”，通過質(zhì)量守恒、能量守恒方程計(jì)算層內(nèi)溫度、濃度隨時(shí)間的變化，公式簡(jiǎn)化為：\[\frac{dC}{dt}=\frac{\dot{m}_sC_s+\dot{m}_iC_i-\dot{m}_oC}{\rhoV}\]其中，\(C\)為區(qū)域內(nèi)毒性氣體濃度（\(\text{ppm}\)），\(\dot{m}_s\)為煙氣生成速率（\(\text{kg/s}\)），\(C_s\)為煙氣中毒性組分濃度（\(\text{ppm}\)），\(\dot{m}_i/\dot{m}_o\)為空氣流入/流出速率（\(\text{kg/s}\)），\(\rho\)為氣體密度（\(\text{kg/m}^3\)），\(V\)為區(qū)域體積（\(\text{m}^3\)）。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬（如FDS、FLACS）則通過求解Navier-Stokes方程，精細(xì)化模擬煙氣的湍流擴(kuò)散、熱傳遞與化學(xué)反應(yīng)。以某商業(yè)建筑火災(zāi)為例，F(xiàn)DS模擬顯示，火災(zāi)發(fā)生后\(300\,\text{s}\)，中庭頂部煙氣溫度達(dá)\(600^\circ\text{C}\)，\(\text{CO}\)濃度在疏散通道入口處升至\(500\,\text{ppm}\)，人員暴露\(2\,\text{min}\)將出現(xiàn)昏迷（\(\text{LC}_{50}\)閾值約\(1500\,\text{ppm·min}\)）。（三）結(jié)構(gòu)破壞模擬：從經(jīng)驗(yàn)公式到有限元分析火災(zāi)中建筑結(jié)構(gòu)的承載能力隨溫度升高而下降，經(jīng)驗(yàn)公式常用于快速評(píng)估，如鋼結(jié)構(gòu)臨界溫度（強(qiáng)度下降\(50\%\)）約為\(500^\circ\text{C}\)，混凝土構(gòu)件臨界溫度（抗拉強(qiáng)度下降\(50\%\)）約為\(300^\circ\text{C}\)。鋼梁的剩余強(qiáng)度可通過公式估算：\[\sigma_r=\sigma_y\cdotf(T)\]其中，\(\sigma_r\)為剩余屈服強(qiáng)度（\(\text{MPa}\)），\(\sigma_y\)為常溫屈服強(qiáng)度（\(\text{MPa}\)），\(f(T)\)為溫度修正系數(shù)（如ISO834曲線中，\(T=500^\circ\text{C}\)時(shí)\(f(T)=0.5\)）。有限元分析（FEA）（如ANSYS、ABAQUS）可更精準(zhǔn)模擬結(jié)構(gòu)的熱-力耦合過程。某高層住宅火災(zāi)案例中，F(xiàn)EA模擬顯示，剪力墻受火\(120\,\text{min}\)后，溫度梯度導(dǎo)致的熱應(yīng)力使墻體出現(xiàn)\(0.3\,\text{mm}\)裂縫，需結(jié)合防火涂料厚度（如\(3\,\text{mm}\)厚涂料可使升溫速率降低\(60\%\)）優(yōu)化設(shè)計(jì)。（四）財(cái)產(chǎn)損失估算：燃燒速率與價(jià)值評(píng)估結(jié)合財(cái)產(chǎn)損失分為直接損失（燃燒損毀）與間接損失（停產(chǎn)、商譽(yù)等）。直接損失計(jì)算需結(jié)合燃燒速率與物品價(jià)值，公式為：\[L_d=\sum(m_i\cdotv_i\cdot\eta_i)\]其中，\(m_i\)為第\(i\)類物品質(zhì)量（\(\text{kg}\)），\(v_i\)為單位質(zhì)量?jī)r(jià)值（\(\text{元/kg}\)），\(\eta_i\)為燃燒損毀率（與燃燒時(shí)間、滅火效率有關(guān)）。例如，某倉庫中\(zhòng)(10\,\text{t}\)紙張（\(v=10\,\text{元/kg}\)）燃燒\(30\,\text{min}\)，損毀率\(\eta=0.8\)，則直接損失\(L_d=10^4\,\text{kg}\times10\,\text{元/kg}\times0.8=8\times10^4\,\text{元}\)。間接損失需結(jié)合行業(yè)停產(chǎn)損失率（如制造業(yè)約為日產(chǎn)值的\(2\sim5\)倍）與停產(chǎn)時(shí)間估算，公式為：\[L_i=R_d\cdott\cdot\beta\]其中，\(R_d\)為日產(chǎn)值（\(\text{元/天}\)），\(t\)為停產(chǎn)時(shí)間（天），\(\beta\)為損失系數(shù)（含商譽(yù)、訂單違約等，通常取\(1.5\sim3\)）。三、案例分析：某化工倉庫火災(zāi)后果模擬（一）案例背景某化工倉庫存儲(chǔ)甲醇（儲(chǔ)量\(50\,\text{m}^3\)）、聚乙烯顆粒（儲(chǔ)量\(20\,\text{t}\)），建筑為單層鋼結(jié)構(gòu)，建筑面積\(1000\,\text{m}^2\)，耐火等級(jí)二級(jí)。202X年X月X日，甲醇儲(chǔ)罐泄漏引發(fā)火災(zāi)，需模擬熱輻射、煙氣、結(jié)構(gòu)及損失后果。（二）計(jì)算過程與結(jié)果1.火源功率與熱輻射模擬甲醇燃燒熱值\(H=22.7\,\text{MJ/kg}\)，密度\(\rho=792\,\text{kg/m}^3\)，泄漏速率\(0.5\,\text{m}^3/\text{min}\)，則火源功率：\[Q=\rho\cdotV\cdotH/t=792\,\text{kg/m}^3\times0.5\,\text{m}^3/\text{min}\times22.7\,\text{MJ/kg}/60\,\text{s}\approx1.5\times10^3\,\text{kW}\]采用固體火焰模型（火源尺寸：直徑\(5\,\text{m}\)，高度\(8\,\text{m}\)，\(\alpha=0.4\)），計(jì)算不同距離熱通量：\(10\,\text{m}\)處：\(q=0.4\times1.5\times10^3\,\text{kW}\times0.3\)（視角系數(shù)）\(/(\pi\times5^2\,\text{m}^2)\approx2.3\,\text{kW/m}^2\)（接近2度燒傷閾值）；\(20\,\text{m}\)處：\(q=0.8\,\text{kW/m}^2\)（無燒傷風(fēng)險(xiǎn)，但需防護(hù)熱輻射）。2.煙氣擴(kuò)散與毒害模擬采用FDS模擬，設(shè)置網(wǎng)格尺寸\(0.5\,\text{m}\times0.5\,\text{m}\times0.5\,\text{m}\)，邊界條件為自然通風(fēng)（門窗開啟）。結(jié)果顯示：火災(zāi)\(180\,\text{s}\)時(shí)，倉庫內(nèi)煙氣層（高度\(>3\,\text{m}\)）溫度達(dá)\(500^\circ\text{C}\)，\(\text{CO}\)濃度升至\(800\,\text{ppm}\)；疏散通道（長度\(20\,\text{m}\)，寬度\(2\,\text{m}\)）內(nèi)，火災(zāi)\(300\,\text{s}\)時(shí)\(\text{CO}\)濃度達(dá)\(400\,\text{ppm}\)，人員暴露時(shí)間需\(<2\,\text{min}\)（否則昏迷）。3.結(jié)構(gòu)破壞模擬鋼梁（Q345鋼，截面\(\text{H}300\times150\times6\times8\)）受火，采用ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，計(jì)算\(120\,\text{min}\)后溫度分布：鋼梁表面溫度達(dá)\(550^\circ\text{C}\)，剩余屈服強(qiáng)度\(\sigma_r=345\,\text{MPa}\times0.45=155\,\text{MPa}\)（原強(qiáng)度的\(45\%\)）；結(jié)合柱腳約束條件，有限元分析顯示鋼梁撓度達(dá)\(L/200\)（\(L\)為跨度，\(10\,\text{m}\)），需立即加固（臨界撓度為\(L/150\)）。4.財(cái)產(chǎn)損失估算直接損失：甲醇全損（\(50\,\text{m}^3\times792\,\text{kg/m}^3\times5\,\text{元/kg}=19.8\,\text{萬元}\)），聚乙烯燃燒\(50\%\)（\(20\,\text{t}\times50\%\times10\,\text{元/kg}=10\,\text{萬元}\)），建筑修復(fù)（鋼結(jié)構(gòu)防腐、墻體粉刷）約\(8\,\text{萬元}\)，總計(jì)\(37.8\,\text{萬元}\)；間接損失：倉庫停產(chǎn)\(15\,\text{天}\)，日產(chǎn)值\(5\,\text{萬元}\)，損失系數(shù)\(\beta=2\)，則\(L_i=5\,\text{萬元/天}\times15\,\text{天}\times2=150\,\text{萬元}\)；總損失約\(187.8\,\text{萬元}\)。（三）驗(yàn)證與改進(jìn)實(shí)際事故中，熱輻射影響范圍與模擬一致（\(10\,\text{m}\)內(nèi)有燒傷痕跡），煙氣濃度與人員疏散時(shí)間（實(shí)際疏散\(2.5\,\text{min}\)，模擬建議\(<2\,\text{min}\)）驗(yàn)證了模型的有效性。改進(jìn)方向：引入機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化火源功率預(yù)測(cè)（結(jié)合泄漏速率、環(huán)境風(fēng)速），提升模擬精度。四、應(yīng)用場(chǎng)景與優(yōu)化建議（一）工程應(yīng)用場(chǎng)景1.建筑防火設(shè)計(jì)：通過熱輻射模擬優(yōu)化防火間距（如甲類倉庫與民用建筑間距需\(>25\,\text{m}\)，結(jié)合模擬可調(diào)整為\(20\,\text{m}+\)防火屏障）；2.應(yīng)急預(yù)案制定：煙氣擴(kuò)散模擬指導(dǎo)疏散路線（如案例中疏散通道需增設(shè)\(\text{CO}\)傳感器與應(yīng)急照明）；3.事故調(diào)查與理賠：財(cái)產(chǎn)損失模型為保險(xiǎn)定損提供量化依據(jù)（如案例中直接損失與保險(xiǎn)公司定損偏差\(<5\%\)）。（二）方法優(yōu)化建議1.多物理場(chǎng)耦合：結(jié)合熱輻射、煙氣、結(jié)構(gòu)的耦合模型（如FDS+ANSYS），更真實(shí)模擬火災(zāi)演化；2.參數(shù)化分析：通過敏感性分析（如輻射系數(shù)、燃燒速率