第四節 軟件選取

一、火災模擬

(一)概述

火災數值模擬是火災研究的重要內容之一，但由于火災現象的復雜性，近幾十年來才建立起描述火災現象的實用數學模型。火災模型主要分為確定性模型和隨機性模型。

火災數值模型主要有專家系統(Expert System)、區域模型(Zone Model)、場模型(Field Model)、網絡模型(Network Model)和混合模型(Hybrid Model)。場模型也即CFD(計算流體動力學)模型，主要是指利用計算流體動力學技術對火災進行模擬的模型，由于CFD模型可以得到比較詳細的物理量時空分布，能精細地體現火災現象，加之高速、大容量計算機的發展，使得CFD模型得到了越來越廣泛的應用。

目前用于火災模擬的CFD模型主要有FDS、PHOENICS、FLUENT等。FDS是專門針對火災模擬而開發的CFD軟件，簡單易用。因此，它在火災模擬中的應用最為廣泛。而PHOENICS和FLUENT是計算流體力學的通用軟件，將其用于火災模擬需要有較強的流體力學背景，因此，應用較少。目前，國內外對FDS的研究比較多，而對于PHOENICS和FLUENT在火災模擬方面的應用研究較少，對各個軟件的對比研究則更少。

在火災模擬中，怎樣才能使模擬結果更加準確、可信是一個急需解決的問題。驗證與確認是評價數值解精度和可信度的主要手段。長期以來，CFD工作者對CFD軟件的驗證與確認工作一直沒有給予足夠的重視。因此，對于計算結果的可信度，CFD研究人員并不能給出明確的回答。這使得CFD軟件的使用者對CFD也持一種矛盾的心態，既想利用CFD這種快捷經濟的設計工具，又對CFD的計算結果心存疑慮。如果有條件，可以結合數值計算和模擬實體火災的方式，進一步驗證模型的可靠性。

(二)選取

從軟件易用性來看，火災專用模擬軟件相對簡單，在應用中不需要作復雜設置，使用者只需掌握火災基本知識即可得到合理的結果，而通用CFD軟件對使用者要求較高，使用者需要對流體力學知識有深入了解，才能得到合理結果，因此，一般火災模擬選擇專用軟件為宜。

利用火災模型進行數值分析前，應著重考慮該模型對所模擬問題的適用性及預測能力，一般情況下，需要事先利用相關試驗(已有其他人員進行的試驗或自己進行相關試驗)對模型進行確認研究。從模擬結果的準確性來看，火災專用模擬軟件由于是專門針對火災開發的，在概念模型層面相對于通用軟件更接近于真實模型，其數學模型更能反映火災過程，因此，一般情況下，建議選擇火災專用軟件，除非在專用軟件無法模擬的情況下才選擇通用軟件。

使用火災專用軟件時，應著重考慮網格獨立性、邊界條件設置對模擬結果的影響，使用通用軟件時，還應考慮湍流模型、燃燒模型、輻射模型的選擇。

火災模型的驗證和確認應包含其對各類火災參數的預測能力研究，如火場溫度、熱輻射通量、反應產物的濃度變化(著重研究C0、C0，、煙密度等)、火場能見度等。

對于通用的CFD軟件，如PHOENICS、FLUENT、CFX等，由于其發展比較成熟，其程序一般能夠比較準確地反映其所確立的概念模型，因此，對這類模型可以著重于確認研究;對于專用火災模擬軟件，如FDS等，已經進行了較多的確認和驗證工作，對于比較常見的火災場景，如建筑室內火災等，可以直接用來模擬分析，而對于一些特殊的場景，如火災在狹長雙層玻璃幕墻內的蔓延模擬，還需進行進一步確認研究;對于自行編制的火災模擬程序，模型的驗證工作是至關重要的，應確保程序能夠準確反映概念模型。

利用Steckler房間火災試驗對PHOENICS和FLUENT進行確認研究，就該類實例來說，FLUENT的準確度要高于PHOENICS，但就工程應用來說，在選擇合理的湍流模型、輻射模型，并經過網格獨立性檢驗后，二者的模擬結果一般均可滿足工程需要。

火災發展具有確定性和隨機性的特點，火災試驗的影響因素較多，在選擇確認試驗時，應盡量選擇可重復性強的試驗，并應注重采用不同火災場景下的火災試驗對其進行確認研究，以便更好地檢驗模型的可信度。

二、疏散模擬

(一)概述

(二)疏散模型分類

人員疏散計算方法主要有兩種：水力疏散模型和人員行為模型。

1.水力疏散模型

水力疏散模型通常對人員疏散過程作如下保守假設：

1)疏散人員具有相同的特征，并且都具有足夠的身體條件疏散到安全地點。

2)疏散人員是清醒的，在疏散開始的時刻一起井然有序地進行疏散，且人員在疏散過程中不會中途返回選擇其他疏散路徑。

3)在疏散過程中，人流的流量與疏散通道的寬度成正比分配，即從某一出口疏散的人數按其寬度占出口總寬度的比例進行分配。

4)人員從各個疏散門疏散且所有人的疏散速度一致，保持不變。

2.人員行為模型

下面將通過分析這些人員疏散模型的功能與特點，對這些軟件進行適當分類。

(1)一般分類。疏散模型在處理疏散的一般問題時，均采用了三種不同基本方法：優化法、模擬法和風險評估法。

優化法假定人員以最有效的方式進行疏散，而不考慮外部環境的影響及非疏散行為。通常，模型認為人員選擇的疏散路線是最佳的。這一類模型適用于大量的人群或將所有人員當做一個有共同特性的群體來考慮的情況，而不考慮個體行為。

模擬法試圖表現實際的疏散行為與運動，不僅要得到準確的結果，而且要反映疏散時選擇的疏散路線及人員所做的決定。由于各個模型在考慮人員行為時的詳細程度不同，因此結果的準確度也不相同。

風險評估模型能識別出火災時與疏散有關的危險或相關事故，并能對最后的風險進行量化。通過多次重復運算，可以估算出與不同防煙分區設計或防火保護措施有關的各種重要變量的統計數據。有關模型的類別與名稱見表4-3-1。

(2)建筑空間的表示。各種疏散模型都必須對建筑空間進行描述，以模擬人員在建筑內部的疏散過程。在模型中，空間被劃分為許多小的區域，每個區域都與相鄰的區域相連。根據對空間劃分的精細程度，常將模型中的空間劃分分為兩種方法：精細網絡法和粗糙網絡法。

對于精細網絡法，整個封閉空間用覆蓋一些瓦片狀的網格來表示，各個模型中節點的網格大小與形狀都不同。例如，Exodus采用0.5m×0.5m的正方形網格節點，Simulex則采用0.2m×0.2m的正方形網格節點，而Egress則采用六邊形的網格節點，每個網格的大小足以容納一個人。這些網格節點之間的連接也不相同，在Exodus中每個網格與相鄰的八個網格節點相連，而Egress中每個網格與相鄰的

六個網格節點相連。因此，Egress的方法可以準確地表示封閉空問的幾何形狀及內部障礙物的位置，并在疏散的任意時刻都能將每個人置于準確的位置。

對于粗糙網絡法，空間的描述是按照實際建筑結構的劃分來確定的，每個網格節點表示一個房間或走廊，然后根據它們之間的實際連接關系構建其網絡模型。在這類模型中，僅能表示人員從一個建筑單元移動到另一個建筑單元，而無法描述人員在一個建筑單元內的運動，它也無法處理一些局部的現象，例如超越前方人員、避開障礙物等。有關不同空間劃分的模型分類見表4-3-2。

(3)人群分析。各類疏散模型在對人員進行分析時，采用了兩種方法：個體分析法和群體分析法。個體分析法允許用戶設定或由隨機方式確定個體特性，人員決策與運動由這些個體特性決定。需要注意的是，不能將個體的獨立決定與不能執行群體行為混為一談，定義個體時并不排斥他具有群體行為，而是先考慮每個人的個體特性，然后再為他指定一個行為，而這個行為也許就是群體行為。群體分析法將人群視為一個具有共同特性的群體。在描述疏散過程時，不針對逃生的個體，而針對大量的人群。這種方法難以模擬事件對個體的影響(例如：火災煙氣毒性的影響)，而只能對整個人群的普遍影響進行模擬。例如，它不能表示老年人或殘疾人等特殊人群的生存率，而只能表示受影響的人的比例。它的好處是模型的運算速度相對較快。有關基于人群分析的模型分類見表4-3-3。

(4)行為分析。人員在逃生時的決策過程是復雜的，疏散模型根據模擬人員決策過程時所采用的分析方法可分為以下幾類：無行為準則模型、函數模擬行為模型、復雜行為模型、基于行為準則的模型以及基于人工智能的模型。

無行為準則模型完全依賴于人群的物理運動和幾何形狀的物理表達，來影響人員的疏散，并對其進行預測判斷。

函數模擬行為模型把人員的行為用一個方程或一個方程組來描述，以此達到控制人的響應的目的。

這類模型可以將人定義為個體，但由于所有個體均受到同一函數相同的影響，且會以一定的方式對這種影響產生反作用，因此實際上削弱了個體行為。該函數或者按照現實生活中人員的行為來建立，或者引用其他從事人體行為模擬研究領域的成果(例如，磁模型的方程來源于物理學)。復雜行為模型通過復雜的物理方法來含蓄表示行為決策準則。此類模型一般基于第二手數據的應用，包括心理的或社會的影響，因而它依賴于第二手數據的準確性與有效性。基于行為準則的模型預先規定了一套人員的行為準則，然后再根據這些準則來確定疏散過程中人員的行為。例如，“假如人在一個充滿煙氣的房間里，他會通過最近的出口離開”等類似準則。但是，這種行為決策方式會導致人員在相同的環境下以某種確定的方式進行反應，從而與實際中的人員反應有所差異。

人工智能模型將個體人員設計成能對周圍環境進行智能分析的模擬人或與之相近的智能人，因此可以準確地表現其決策過程，但這會使用戶對人員行為的控制權被計算機所代替。疏散模型按人員行為分類見表4-3-4。

3.人員行為特性

火災是具有突發性的意外事件，伴有火焰、濃煙、強烈的熱輻射、噪聲和有毒氣體，常在短時間內給人以毀滅性的傷害。身處火場的人們往往需要承受巨大的心理壓力，從而表現出各種各樣的異常行為。研究發現，不同的心理素質、閱歷和經驗，會導致人在遭遇火災時，呈現不同的心理反應和行為。但是，如果在遭遇火災時，能保持良好的心理狀態，及時采取自救行動，往往能夠化險為夷，成功疏散，避免傷亡。

對于人員特性的考慮可以分為兩方面，即單個人員獨立考慮和全局考慮。大多數模型可以根據用戶要求或計算機自動設定每個人員的移動屬性(如步行速度)，并記錄每個人員在任何時刻的移動歷史軌跡。這類模型也不排除群集行為特性，但它是按單個人員檢查和分配各自的移動特性的，它需要較多的計算機容量，程序處理的難度也稍大。另一類是按群集方式來考慮人員的移動特性，它將一群或一組人群按同一特性考慮，即將一群人按同一移動速度考慮，認為他們同時到達或離開建筑物的某個網格節點，它具體計算建筑內人員疏散成功率，其操作簡單，使用方便，運行速度也較快。

4.軟件介紹

(1)STEPS。該模型可用于模擬在正常或緊急情況下，人員在不同類型建筑物中的疏散情況。

模型是一個由一系列的網格單元組成的網格系統，在網格系統中，一個人只能占有一個單元。網格單元的默認尺寸是0.Sm×0.5m。另一個細網格選型可適用于多人占有一個網格單元，但仍處于測試階段。

(2)Simulex。該模型是一個能夠模擬人群從復雜建筑物中疏散的模型。該模型采用一個連續的空間體系，各層的平面圖和樓梯都劃分成一個個0.2m×0.2m的塊或網格。該模型包含一個算法，它能夠計算出每個網格到最近安全出口的距離，并將這些信息標注在一個距離圖表上。

(3)SGEM。該空間網格疏散模型可利用CAD平面圖生成復雜建筑的疏散圖案，比較后得出最佳疏散設計路線。這個模型已經用于一些咨詢項目。

模型的結構基本上是細網格模型。最初，此模型將建筑物分成一些節點，這些節點代表建筑物的空間或區域(不受保護、部分保護和全部保護)，其中區域之間至少有一個弧形口連接，由此形成一個粗的網格。然后，將每個粗的網格單元再分成有限的網格，每個網格的大小是0.4m×0.4m，一個人占據一個網格。此外，同一時間內一個人只能占據一個網格單元。

(4)buildingExODus。該模型可用于模擬疏散大量被很多障礙圍困的人。模型由airEXODUS、

buildingExODus、maritimeEXODUS、railEXODUS、vrEXODUS六個部分組成。buildingEx0Dus試圖考慮人與人、人與火災以及人與建筑物之間的相互作用。該模型包括6個在模擬疏散方面相互聯系、相互傳遞信息的子模型，即人員、運動、行為、毒性、危險性和幾何學子模型。

該模型是一種行為模式模型，是一個細網格系統。其利用二維空間網格繪制出幾何結構、位置、障礙物等。這種網格由“節點”和“弧”組成。每個節點都代表了建筑平面圖上的小空間，而弧在建筑平面圖上把這些節點連接在一起。人們通過利用這些弧從建筑物的一個節點到另一個節點。這些信息存儲在幾何子模型中。同時，在整個模擬過程中，每個節點都有毒氣等級、煙氣溫度和濃度等與其相關的動態環境。

5.軟件選用

疏散軟件能夠人為設置出口障礙，通過對建筑平面信息的識別，可以在某些安全出口受阻的情況下創建另一個替代的有效距離地圖來引導人員疏散，從而得出建筑物的最優化疏散設計方案。人員的行為特性具有不確定性，無論是采用函數型行為模式，還是采用規則決定方法，都無法絕對準確地模擬出火災時人員疏散的真實情況，在今后的軟件后續開發中可以增加更多的實際因素參數，以修正模擬疏散結果。

疏散軟件基本可以定義個體人員的基本行為特性，模擬出一定的心理反應，能夠有條件地尋找出有效的疏散路徑。國際上人員疏散軟件的開發已經積累了一定的經驗，并且經過了相當數量的工程實踐檢驗，但畢竟國外的人員疏散行為、習慣，心理反應等與我國居民有很大差異，一些軟件還不能簡單地直接拿來應用，需結合我國的建筑特點和疏散演習等進行校正和應用。一般情況下，當建筑的結構簡單、布局規則、疏散路徑容易辨別、建筑的功能較為單一且人員密度較大時，適合采用水力疏散模型來進行人員疏散的計算，而其他情況則適于采用人員行為模型。原因是：前一種情況下發生火災，人員可以較為快速準確地獲取關鍵信息并采取疏散行動，人員疏散通常很快由個體行為轉化為群體行為，符合水力疏散模型的適用條件。而其他情況下，人員獲取信息的渠道相對較少，從接到報警信號到識別火災以及疏散過程中尋找合適的疏散路徑都在很大程度上依賴于個體的判斷。因此，人員疏散由個體行為轉化為群體行為的時間非常長，有時候可能自始至終都是個體行為，這種情況下選用人員行為模型顯然更合適。如果有條件，可以結合數值計算和建筑疏散演習等方式，進一步驗證模型的可靠性。

三、模型評價

下面針對建筑消防性能化設計計算方法的確定性模型需要重點評價的幾個方法進行論述。

(一)計算模型的適用性

以火災動力學軟件FDS為例，它可用來模擬火災熱和燃燒產物的運輸、氣體和固體表面之間的輻射和對流傳熱、熱解、火災蔓延與增長、噴淋等。對于開放空間或燃料控制的火災，FDS能相對準確地進行模擬。但FDS的局限性在于其限于低速流動模擬;通過分解壓力項，處理狀態方程，從而濾除聲波的影響。針對相對封閉房間內氧控制的火災場景，有可能會發生爆燃現象，在此過程中壓力波對火焰的傳播起著較大的影響。在模擬此類火災場景時，盡管FDS能模擬并有可能獲得看似正確的計算結果，但從模型基本理論上已不再適用。因此，針對計算模型的適用性問題，不僅要從計算結果進行考慮，還要從模型的自身假設進行分析。計算軟件為了能夠模擬更多的問題，往往采用普適性的算法，對于有些根本不滿足計算模型理論的場景，計算結果也可能會與實驗結果偏差不大，這樣的結果不能輕易相信，且也不能說明類似這樣的場景就可以采用這樣的方法來計算。在計算模型理論都無法滿足的情況下，根本就不允許采用這樣的模型來進行計算。

(二)計算的收斂性

在數值方法中，需要對連續性的數學模型進行離散化后再求解，也就是用一個離散的數值模型來近似模擬。時間和空間都需要離散化。一個連續性的數學模型有很多不同的離散方法，形成很多不同的離散模型。為了獲得一個好的近似解，要求離散模型能夠模擬連續模型的性質和行為。這就要求離散方法采用高階精度的格式，同時要保證其不會帶來計算結果的非物理振蕩，能更好地收斂于真實解。

對于定常模擬來說，只需要求最終的計算結果逼近真實解。但對于非定常模擬來說，則要求每一計算時間步內的結果也要收斂，且要達到能接受的計算精度。如果模型沒有發生時間步的截斷而且能保持長的時間步，那表明該模型沒有收斂性問題，反之如果經常發生時間步截斷，那模型計算將很慢，收斂性差。時間步的大小主要取決于非線性迭代次數。如果模型只進行一次非線性迭代計算就可以收斂，那么表明模型很容易收斂;如果需要2～3次非線性迭代計算，則模型較易收斂，如果需要4～9次非線性迭代計算，則模型不易收斂，大于10次的模型可能有問題。

影響計算收斂性的因素很多，如網格尺度、計算格式精度、初始流場參數、化學反應的剛度、計算模型等。

(三)網格尺度的合理性

對于建筑火災場模擬計算，首先應該考慮網格尺度的合理性問題，而這一問題也是場模擬計算中非常重要的問題。網格尺度的合理性問題直接影響計算結果的誤差，甚至影響計算結果是否定性合理。

網格尺度的合理性一方面是計算結果不依賴于網格尺度的變化，即網格的獨立性;另一方面，在保證網格獨立性的同時，應考慮計算資源的能力，盡可能減少計算量，提高計算網格的經濟性。在場模擬計算中，如何做到這兩點呢?

1.網格獨立性

通常的做法是，下一次要考慮的網格尺度一般為前一次網格尺度的1/2，即網格加密一倍。如果加密一倍的計算結果與該次加密前的計算結果之間的誤差在可接受的范圍內，網格不再加密，即可采用該次加密前的網格尺度的計算結果作為最終結果來進行分析評判。如果加密一倍的計算結果與該次加密前的網格尺度的計算結果之間的誤差不在可接受的范圍內，應進一步進行加密。當然，加密的起點也應有一定的基礎，可以基于計算者的經驗、基于模型分析、基于計算問題的分析、基于前人或公開發表類似問題的經驗等。基于這樣的基礎，可以加密，也可以加粗網格。總之，針對具體的問題，也不一定遵循前述加密原則，可適當增大加密強度。

2.網格經濟性

一般，加密一倍網格，計算量增大8倍，計算時間可能增大幾十倍，甚至上百倍。一方面要保證一定的計算精度，另一方面要考慮合適的計算量。因此，采用能滿足該精度的最粗網格，也可以采用局部加密技術，在高密度梯度區(如火源)、壁面附近等加密網格，在低密度梯度區或影響相對較小的區域加粗網格。

(四)時間步長的合理性

在求解微分方程時，必須注意時間步長的選擇。首先應考慮系統的穩定性。在分析和求解瞬態算法時，為了解的收斂，必須考慮穩定性。對時間步長進行限制的算法，稱為有條件穩定。未對時間步長進行限制的算法稱為無條件穩定。在求解連續性問題0DE的解析解時，穩定積分能給出衰減解。對于某些時間步長，不穩定方法會產生無界或快速振蕩的數值解。要意識到即使是穩定連續性模型，數值模型也有可能不穩定。因此，原連續性模型不穩定時，任何數值模型都得不到精確解。相反，在條件不穩定的情況下，無條件穩定的算法也能夠得到穩定的數值模型。這意味著無條件穩定的算法不能考慮快速增長的現象。

在建筑性能化設計計算的火災場景模擬中，時間步通常是條件穩定。時間步過大，會出現數值振蕩，進而導致不收斂，計算不能進展下去。時間步一般滿足流動的CFL條件，如FDS中的時間步dt=5