特殊消防设计解析（二）—火灾与疏散数值模拟PyroSim+Pathfinder
根据住房和城乡建设部令第58号规定，特殊建设工程应当同时提交特殊消
防设计技术资料，第十八条特殊消防设计文件应当包括特殊消防设计必要性
论证、特殊消防设计方案、火灾数值模拟分析等内容，重大工程、火灾危险等
级高的应当包括实体试验验证内容。
特殊消防设计方案应当对两种以上方案进行比选，从安全性、经济性、可
实施性等方面进行综合分析后形成。
火灾数值模拟分析应当科学设定火灾场景和模拟参数，实体试验应当与实
际场景相符。火灾数值模拟分析结论和实体试验结论应当一致。
因此，火灾数值模拟对于特殊消防设计尤为重要，主要包括火灾模拟和人
员疏散模拟两部分。其中，数值模拟应包括与工程等比例的三维模型建立，模
拟参数设置与结果可靠性验证。在开展结果可靠性验证时，网格尺寸的敏感性
分析尤为重要，然而当前较多工程实际中没有开展网格敏感性分析环节，受到
工程规模较大等因素影响，网格尺寸通常设置较大，单元格尺寸甚至达到1m
或2m，然而火源热释放速率一般较小，单元格尺寸严重跨越了结果可靠性所要
求的精度，导致模拟结果误差较大，在开展特殊消防设计火灾数值模拟时，建
议开展网格敏感性分析，因计算机算力等因素影响运行时间，可以采取分区网
格方案的形式解决计算慢的问题。
一、数值模拟：火灾科学的“数字实验室”
火灾是一个复杂的多物理场耦合过程，涉及燃烧动力学、流体力学、热传
递和毒理学等多个学科。传统的经验公式和简化模型难以准确描述火灾的动态
行为，而数值模拟通过计算流体动力学（CFD）和离散元方法（DEM），构建
了一个“数字实验室”，能够精确模拟火灾的发展全过程。
核心方程：
?Navier-Stokes方程：描述烟气流动和热量传递。
?燃烧模型：预测火焰传播和热释放速率。
?人员行为模型：模拟疏散过程中的人类行为特征。
学术价值：数值模拟不仅是工程工具，更是火灾科学研究的重要手段。它通过
大量数据积累和模型优化，推动了火灾科学的发展。
二、数值模拟的“三大核心技术”
数值模拟的核心在于其强大的软件工具和算法。以下是其“三大核心技术”：
1.火灾动力学模拟（FDS）
?理论基础：基于大涡模拟（LES）和直接数值模拟（DNS），求解
Navier-Stokes方程。
?功能：模拟火灾中的烟气流动、温度分布、热辐射和有毒气体浓度。
?学术亮点：FDS的开源特性使其成为全球火灾科学研究的标准工具。
2.人员疏散动力学模拟（Pathfinder）
?理论基础：基于社会力模型（SocialForceModel）和网格导航算法。
?功能：模拟人员在火灾中的疏散行为，评估疏散时间和拥堵风险。
?学术亮点：Pathfinder主要基于Agent-based模型求解人员疏散参数，能够模
拟复杂的人类行为，如恐慌、跟随和决策延迟。同时，在最新算法模型中还
考了和烟气毒性（FED）及温度对人员疏散行为的影响，可以耦合模拟火场
下的人员疏散行为。
3.耦合模拟技术
?理论基础：将火灾动力学与疏散动力学耦合，实现火灾与疏散的同步模拟。
?功能：评估火灾对人员疏散的影响，优化消防设计。
?学术亮点：耦合模拟技术是当前火灾科学研究的前沿方向。
三、数值模拟的“炸裂应用场景”
数值模拟在特殊消防设计中的应用不仅具有学术价值，更在实践中展现了
其强大的工程意义。以下是几个炸裂的应用场景：
1.超高层建筑：烟气的垂直蔓延与控制
?问题：超高层建筑中，烟囱效应导致烟气垂直蔓延速度极快。
?解决方案：通过数值模拟，优化防烟排烟系统，设计避难层和加压送风系
统。
?案例：某400米超高层建筑通过模拟发现，原设计的排烟系统无法有效控制
烟气蔓延，优化后烟气填充时间延长了50%。
2.地下空间：烟气的水平扩散与疏散优化
?问题：地下空间封闭，烟气扩散速度快，疏散通道有限。
?解决方案：模拟烟气流动，优化排烟口布局和疏散指示系统。
?案例：某地铁站通过模拟发现，原设计的排烟口分布不均，优化后烟气清除
效率提高了40%。
3.大跨度空间：火灾探测与灭火系统的布局优化
?问题：大跨度空间中，火灾探测和灭火系统的覆盖范围有限。
?解决方案：模拟火灾发展，优化探测器和喷头的布局。
?案例：某体育馆通过模拟发现，原