摘要：2004年12月30日14时14分，广州城建开发伟城实业有限公司城总大楼发生重大火灾事故，过火面积约2500平方米，直接财产损失估算80万元左右，无人员伤亡。本文通过在已知火灾事故原因和火灾蔓延的情况下，通过FDS程序，对起火部位房间内的火灾蔓延情况进行数值模拟，最终反过来验证此次重大火灾事故的原因。
关键词：数值模拟 原因认定
2004年12月30日14时许，广州城建开发伟城实业有限公司城总大楼发生重大火灾事故，过火面积约2500平方米，主要烧毁工业用传动皮带一批及部分办公用品，直接财产损失估算80万元左右，无人员伤亡。事故发生后，省市领导立即赶赴现场，成立火灾事故扑救和事故原因调查组，开展处理工作。
1、火灾事故发生经过
2004年12月30日14时许，位于广州市东山区八旗二马路42号的广州城建开发伟城实业有限公司城总大楼二楼208室发生火灾，14时14分，广州市公安消防支队119指挥中心接到报警后，先后调出4个大队、15个中队增援力量，共35台车（船）赶赴现场增援，经过13个小时战斗，31日凌晨3时许大火基本扑灭。
由于此次火灾蔓延迅速，烧毁了城总大楼第二层、第九层、第十层、第三层部分办公室及其他各层围绕中庭的走道，其它楼层基本完好，过火面积约2500平方米，主要烧毁工业用传动皮带一批及部分办公用品，直接财产损失估算80万元左右。
2、城总大楼基本情况
该城总大楼位于广州市东山区八旗二马路42号，东面是9层的人寿保险公司大楼，西面是30层的广东航运大厦，南面是八旗二马路，北面是居民住宅。城总大楼高35米，地上10层（包括夹层），总建筑面积6492平方米，钢筋混凝土结构。首层为大堂和车库，夹层、二层至十层为办公室及仓库，夹层至十层设置中庭。
起火部位的208室为汇进机械设备有限公司的工业传动皮带仓库，位于建筑二层东北角。208室长6.4米，宽3.6米，高2.4米。门宽0.8米，高2.0米。在208室的北侧及东侧外墙有高为1.2m的长度贯通（承重梁位置无）的铝合金窗户，窗宽0.6米。室内存放角钢货架上铺有氯丁橡胶传动带，货架从底层开始，每隔0.6米为一层，共3层，高为1.8米。
3、“12•30”重大火灾事故原因
经过综合现场勘查，人员调查取证，起火部位残留物的检测出有汽油成份等情况，经综合分析，本次火灾起火部位为208室，起火原因为纵火，即泼洒并被点燃液体助燃剂（汽油）引燃橡胶工业传动带导致的大火。
4、城总物流中心大楼“12•30”重大火灾过程的数值模拟验证
随着计算机科学技术的不断发展，计算机模拟和可视化技术在火灾科学研究的各个方面都得到了广泛的应用。包括在建筑物消防工程安全设计及评价，建筑火灾事故过程的模拟及分析，尤其是在进行真实全尺寸实验条件受到限制的情况下，可以利用计算机模拟和可视化技术进行数值实验，直观的再现真实火灾某些层次或某些方面的属性，并与实验室尺度下以及真实火灾现场的得到的数据进行相互补充和验证。这些新技术的应用为推进火灾安全科学的发展和提高人类抗御火灾等灾害的能力起到了非常重要的作用。
4.1数值实验概述
在火灾研究中，数值实验是指利用先进成熟的计算机软件对复杂火灾现象进行数值模拟，得到直观、仿真的结果，实现对真实火灾场景某些层次或某些方面属性的模拟或复现。通过数值实验，可以在一定程度上代替实际操作比较困难的全尺度实验，或者与实验室条件进行的小尺度或中等尺度实验相互补充，从而对火灾安全工程计算和实验结果真实表现，为安全工程设计、规划及验证提供直观依据，使事故分析评价、安全管理决策具备充分的理论支持。
进行数值实验，关键是使用合适的火灾模拟工具，考虑工作环境、硬件条件及实际场景需要，有目的的解决实际问题。前些年进行的一次国际范围调查表明，有36种火灾模型已发展到较成熟的程度。其中20种可计算火灾产生的环境，主要是温度随时间的变化；10种可计算火灾中的烟气运动；6种可计算火灾的发展速率；4种可计算材料的耐火性；4种涉及到火灾探测器和水喷淋器；2种可计算火灾中人员疏散的时间。多数火灾模型是根据质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本物理定律建立的。为了形成可使用的模拟工具，还需进行一些必要的简化和假设，或使用不甚准确的测量数据。因此数值实验的结果只能是实际火灾的一定程度的近似。在区域模拟中，通常把房间分成两个控制体，即上部烟气层与下部冷空气层。这与真实实验的观察非常近似，因此，这样的近似可以认为非常接近真实情况，但无法给出研究对象某些局部的状况变化。网络模型把整个建筑物作为一个系统，而其中的每个房间作为一个控制体，计算结果也比较粗糙。场模拟则把一个房间划为几百甚至上千个控制体，因而可以给出对象比较细致的变化情况。而对建筑火灾烟气流动规律的数值实验，基本上都是采用CFD（computational fluid dynamics）软件，这些主要是基于场模拟的思想，如FDS、CFAX，Phoenics、Fluent等。
本文，数值实验采用的是美国NIST开发的FDS（Fire Dynamics Simulator）软件。FDS（Fire Dynamics Simulator）是一个计算火灾驱动流体流动的计算流体动力学（Computational Fluid dynamics）模型，由Baum和他的合作者建立并不断发展完善的。模型的重点在于火灾引起的烟气和热量的传输，因此从低速、热动力流动的Navier-Stokes方程出发，得到方程的数值解。并利用与之相应的可视化工具Smokeview直观显示FDS的模拟结果。目前最高版本为FDS4.0。FDS从气相流动的基本方程出发，建立低马赫数条件下的质量、组分、动量和能量守恒方程(见附件1)。
其中，ρ、u、Z和T分别是指密度、速度矢量、混合组分和温度，D是扩散率， 是摄动压力，τ为粘性应力，k为导热系数。分别为与化学反应和热辐射有关的源项。除了这些方程，再加上状态方程(见附件2)作为补充。
其中，压力用一个平均压力p0作为代替，R为理想气体常数，Yi和Mi分别为组分浓度和摩尔质量。模型中最重要的近似是动量方程(见附件3)代替。
流场的湍流效应利用大涡模拟（Large Eddy Simulation，LES）计算。燃烧模型基于燃烧是混合控制这一假设。辐射传热利用分离坐标法（Discrete Ordinate Method，DOM）模拟。
4.2 利用FDS对城总物流中心大楼及其仓库“12.30”重大火灾的数值模拟
4.2.1火灾场景的设置
为了科学的分析总结“12.30”重大火灾事故的原因以及火灾发生发展蔓延的过程，除了进行燃烧特性数据的搜集以外，还必须通过必要的数值模拟手段，设定符合现场情况的火灾场景，进行火灾的模拟重现，这样才能结合数值模拟和火场调查的结果，对物流中心仓库火灾的灾害过程进行详细的分析，找出导致本次火灾燃烧猛烈和扑救时间较长的科学原因。
根据火灾现场的调查可得到发生火灾前城总大楼的建筑情况及208、209室等具体尺寸的情况。作为对事故本质的分析，并不失普遍性，可以近似的按照单室火灾和楼层火灾的普遍特点，并结合城总大楼的一些基本情况，设定本次数值实验模拟的基本场景。并根据城总大楼的空间尺寸，共划分383904个网格。
根据火灾原因调查与火灾过程分析表明起火原因系液体助燃剂引燃仓库货架的橡胶传动带所致。该起火灾的起火点位于起火点位于208室仓库南部第一通道北侧东西向摆放的东侧金属货架处。所以本文数值模拟中起火点的设定与实际场景中起火点一致。
4.5.2 火灾增长过程
对火灾的增长过程进行数值模拟可得,此次火灾事故的燃烧始于208室仓库南部第一通道北侧东西向摆放的东侧金属货架处，火灾也是从此处开始蔓延的，由于存在易燃的汽油，数值模拟表明到15s时，208室内火苗已经沿着被点燃的货架蔓延到室内其他货架床上，此后火灾迅速蔓延，到20s时，已经蔓延到与208室相同的209室，到35s时火灾已经蔓延二楼仓库的外面了，沿着城总大楼内部回廊向其他楼层蔓延。从火灾增长的过程可以大致看出火势蔓延的方向，主要是从起火点沿东西向在208室内蔓延，沿北南方向向209室蔓延，从仓库内向仓库外蔓延，从起火点楼层向其他楼层蔓延，这与事后火灾现场调查的结果基本符合。
由可燃物燃烧速率可以看出仓库内可燃物燃烧速率的分布随时间的变化,火灾刚发生时,主要的燃烧集中在208室内靠东南方向的第一个货架上的液体燃料和橡胶传动带上;随着火灾的蔓延,到16s时,相邻两个货架的可燃物的燃烧速率也增大,最后到28s时,几乎整个208室的货架都在燃烧,随后火灾向209室蔓延，到48s时，209室北部的大部分货架的燃烧速率也大大增加，表明这个仓库内的货架也开始燃烧，这与实际情况相符。
由火灾调查的结果可知，仓库外的门和墙壁烧毁严重。因此本次数值模拟也模拟了208室南侧靠大楼内部回廊方向一侧墙和门的壁面温度。
由实验可以看出，随着火势的蔓延，208室南侧墙壁和门的温度也是自东向西逐渐升高，到56s室，门框上部出现了局部高温，72s时，208室南墙上部也出现了局部高温，而且这些高温分布还有一个特点就是维持时间较长，至600s仍然保持着局部高温，这主要的原因是，208室外南墙和门靠近中庭回廊，这个位置即使208室内燃烧所需氧气的必经指出，同时又是208室火灾向外蔓延的首先经过的地方，所以此处燃烧比较剧烈，温度也较高，这与火灾后发现仓库的双扇木制门扇和门框从上向下完全烧失，仓库南墙东侧墙皮局部被烧向外膨胀脱离的现象是相符的。
综合208室外墙壁及门温度变化可以看出从208室内南侧第一个货架出现明火到二楼仓库货架上传动带其其他可燃物都发生燃烧，只需要120s左右时间，火灾最初只在208室内局部货架附近燃烧，随着时间的推移才逐渐向周围货架和仓库蔓延，但是发现在60s以前，燃烧主要集中208室及209室中部，从燃烧速率分布图也可以得出同样的结论。到80s时，实际上208室及209室的大部分可燃物品已经烧完，所以在可燃物的燃烧速率较低，此后实际上火灾已向室外和其他楼层蔓延了，这可以从下面的烟气填充过程发现同样的结果。
4.2.3 物流中心火灾烟气蔓延的数值模拟
仓库内的可燃物燃烧产生的烟气对人体是非常有害的，为了得到烟气在室内的变化规律，利用FDS对物流中心火灾烟气蔓延过程进行了数值模拟。
从楼内烟气填充变化分别显示了208室、209室以及城总大楼内部的烟气填充过程。从图可以看出，由于发生燃烧的是橡胶类工业用传动带，发烟量巨大。因此208室内和209室内的烟气填充特别快，40s内烟气都填充完了整个仓库空间。幸运的是由于两个房间是存储物资的仓库，而不是有人的写字间，否则将会造成重大的人员伤亡。
在建筑火灾中，烟气可以由起火区向非着火区蔓延，与起火区相连的走廊，楼梯等处都将回充入烟气，这将严重妨碍人员逃生和灭火。从楼内烟气填充变化的数值模拟可以看出，在模拟至70s时，城总大楼烟气填充已满，造成烟气迅速填充的原因主要有两个，首先是发生火灾的二楼仓库内橡胶传动带是高发烟性物品，燃烧能够产生大量黑烟，而且由于城总大楼特殊的中庭回廊结构，其结构内的空气密度大于发生火灾的各个仓库内的空气密度，由此产生的烟囱效应，使得从仓库蔓延出的烟气沿中庭回廊的上升运动十分显著，导致大量黑烟蔓延到楼内其他层，大大提高了消防队员灭火的困难。
5、结论
5．1 通过计算机模拟，重现火灾过程中的蔓延和烟气运动现象，更直观深入的研究本次物流中心仓库火灾的一些特点。同时，对火灾事故原因的认定提供了另外的科学依据。
5．2 根据燃烧数据调查和数值模拟结果，对本次火灾事故进行安全分析，提供对火灾防治、扑救及人员疏散有益的策略。
