第二章 國外火災模擬發展現況及相關驗證及確認標準
第一節 各國火災模擬程式發展現況
早期防火研究大多以實驗為主，需耗費大量實驗時間及成本。隨著電腦運算 能力之增強，電腦模擬之應用也倍受重視且模擬具有節省實驗成本及時間之優點，
已成為建築防火研究的重要工具之一。此外，順應各式新式建築物的需求及經濟 成本上之考量，電腦模擬亦為未來防火研究之趨勢，目前主要可分為區域模式及 場模式進行評估：
一、區域模式（Zone model）
區域模式係由許多空間組合起來，一般分為上、下兩區域，假設每個區域內 物理性質和化學性質皆為均勻狀態，上下區域分別為高溫熱層及低溫冷層，由理 想氣體和質量、動量與能量守恆方程式推導出一組常微分方程（ODE），而彼此 上下層能量、質量會因為火源所產生的氣柱進行交換。其優點為模式建立簡便，
計算所得到的結果為區域內變化的平均值，各區域間能量的傳送是以控制容積
（Control volume）來計算，所以只能得知區域與區域之間能量進出的情形，無 法得知區域內部的詳細變化。由於區域模式已簡化許多參數，因此需要大量實驗 數據輔助，而計算方式較簡單，所需模疑時間較短，對於一般初步評估可節省很 多時間，所得之結果可做為預測火場內部能量變動之參考。另現行區域模式模擬 程式如表 2-1 所示，下列將說明較常使用之 CFAST 及 BRI 2002 模擬程式。
表 2-1 各國區域模式之模擬程式
模擬程式 國籍 適用條件
空間特性 特殊條件
ARGOS DENMARK 多居室空間
ASET US 單一居室空間 無法模擬通風情境
ASET-B US 單一居室空間
BRANZFIRE NEW ZEALAND 多居室空間
火焰延燒、多火源火 災及機械通風之情 境
BRI-2 JAPAN/US 多樓層及多居室空
間 針對煙控模擬
BRI 2002 JAPAN 多樓層及多居室空 間
CALTECH US 閃燃前之情境
CCFM.VENTS US 多居室空間 適用於通風情境 CFAST/FAST US 多居室空間
CFIRE-X GERMANY 居室空間 液態油盤火災
CiFi FRANCE 多居室空間
COMPBRN-III US 居室空間
COMF2 US 單一居室空間， 閃燃後之情境
DACFIR-3 US 飛機機艙空間 DSLAYV SWEDEN 單一居室空間
FASTLITE US 多居室空間
FFM US 閃燃前之情境
FIGARO-II GERMANY
FIRAC US 複雜的開口情境
FireMD US 單一居室空間
FIREWIND AUSTRALIA 多居室空間
FIRIN US 多居室空間 針對管道、風機、過
濾器之情況
FIRM US 單一居室空間
FIRST US 單一居室空間 適用於通風情境
FMD US 中庭空間
HarvardMarkVI US 單一居室空間
HEMFAST US 單一居室空間 家俱火災之情境
HYSLAV SWEDEN 閃燃前之情境
IMFE POLAND 單一居室空間 適用多開口之情境
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MAGIC FRANCE 核電廠
MRFC GERMANY 多居室空間 煙的流動及溫度對
結構體之影響
NAT FRANCE 單一居室空間 結構的影響
NBS US 閃燃前之情境
NRCC1 CANADA 單一居室空間 NRCC2 CANADA 大型辦公空間
OSU US 單一居室空間
Ozone BELGIUM 結構的影響
POGAR RUSSIA 單一居室空間
RADISM UK 天花板噴流之情境
RFIRES US 閃燃前之情境
R-VENT NORWAY 單一居室空間 排煙通風之情境
SFIRE-4 SWEDEN 閃燃後之情境
SICOM FRANCE 單一居室空間
SMKFLW JAPAN 單一樓層 煙流之情形
SmokePro AUSTRALIA 單一居室空間 煙層位置
SP UK 閃燃前之情境
WPI-2 US 單一居室空間
WPIFIRE US 多居室空間
ZMFE POLAND 單一居室空間
（資料來源：An Updated International Survey of Computer Models for Fire and Smoke
3及本研究自行整理）
(一) CFAST
CFAST 為美國國家標準暨技術研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）所發展之區域模式模擬程式，CFAST 能預測多居室空間
（multi-compartment）火災發生時的物理現象與化學現象，並可有效的描述煙層 分佈與毒氣擴散。此軟體係利用許多區間將建築物空間劃分成若干區域進行模擬，
藉由輸入經實驗所得燃料質量損失率或熱釋放率，以及區間尺寸和通風條件等，
可以得知在每個區間隨時間變化之煙層厚度、煙的流量、熱層溫度和冷層溫度等，
並可設定水平與垂直開口，垂直開口可作為門、窗開關之情形，而其天花板、地 板、牆等材質可隨著不同區域而改變，室內空調、排煙、消防設備（如：自動撒
3 S.M. Olenick and D.J. Carpenter, 「An Updated International Survey of Computer Models for Fire and Smoke」, Journal of Fire Protection Engineering, 2003.
水設備、偵熱探測器、煙探測器）等軟體內均有提供設定項目，軟體內建 31 種 材質之火源及 22 種材質之易燃物，亦可自行建立火場易燃物資料庫，另軟體提 供數種迅速的預測工具，如逃生時間、自動撒水設備和探測器的反應時間、天花 板噴流溫度等。對於外界環境可設定溫度、壓力、濕度等。可計算參數相當多，
如上下層溫度、煙層高度、壓力、各種氣體濃度（CO，CO2，O2，HCl …等）、
開口間的質量流率等。
1. 使用限制 (1) 空間
本模擬程式限制空間容積為上下兩區域，此限制條件主要針對空間進行初步 估算使用，若要運算非矩形空間，並探討流場之變化情形，如：走廊流體流 動情形、探測器作動情形或固體材料熱傳情形，則需使用計算流體力學（CFD）
模擬。
(2) 煙氣層
空間內將分為上下區域，上區域為高溫熱層、下區域為為低溫冷層，現實情 況下，兩層間約有 10%居室高度的過渡區，但此模擬假設兩層之間並無過渡 區。
(3) 熱釋放率
本模擬無法預測可燃物的火災成長情況，模擬設定之熱釋放率係由使用自行 設定，但一般熱釋放速率設定皆不超過 1 MW/m3，此限制主要考量氣流與 熱傳（傳導、對流、輻射）至邊界之情況。
(4) 輻射
火源之輻射情況假設為一點源，此假設將限制火源周圍輻射熱之準確性，同 時，居室間的輻射熱交換情況亦無法模擬。
(5) 通風及洩漏
在單一居室空間連結至另一空間時，其居室空間體積與開口面積之比例不超 過 2m，主要原因為假設開口為活塞流之情況。
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(二) BRI 2002
BRI 2002 為日本建築火災研究院（Japan at the Building Fire Research
Laboratory）所發展之區域模式模擬程式，BRI 2002 能預測多樓層、多居室空間
（multi-compartment）火災發生時的煙流情形，而模擬之火源僅可於單一空間內
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(4) 理想氣體方程式
二、場模式（Field model）
場模式為計算流體力學（Computational Fluid Dynamics） 模式，係將計算 空間劃分成眾多細小格點，且利用數值方法將描述火災現象的動量、質量及組成 成份，紊流參數等非線性偏微分方程式離散化成代數方程式，代入輸入條件，重 複迭代計算模擬空間中格點之物理特性，預測火災發生過程中每個格點的氣流速 度、壓力、溫度、濃度值。然而火災進行過程中氣流通常呈紊流狀態，因此場模 式需要不同之物理化學模式（如流體動力學模式、燃燒模式及熱輻射模式等）， 以模擬火場中各種物理化學過程。與區域模式比較而言，所需假設較少，因此場 模式會有較仔細、正確的描述結果，缺點為計算時間較長。以往的電腦模擬因受 限於電腦的運算能力，故早期電腦模擬均以區域模式為主。隨著電腦硬體設備及 運算能力之提升，使得場模式模擬逐漸成為研究與驗證主流。另現行場模式模擬 程式如表 2-2 所示，下列將說明較常使用之 FDS 模擬程式。
表 2-2 各國場模式之模擬程式
模擬程式 國籍 適用條件
ALOFT-FT US 大型戶外火災煙流情形
CFX UK 火災及爆炸之情形
FDS US 低馬赫數之火災情境
FIRE AUSTRALIA 預測撒水對固/液相燃料之 燃燒速率及抑制之情形 FLUENT US
JASMINE UK 預估設計問題造成火災之
後果
KAMELEON FireEx NORWAY 預測結構受熱之影響 KOBRA-3D GERMANY 複雜的空間之煙流擴散與
熱傳之情境
MEFE PORTUGAL 單一或雙居室空間，室內溫 度之變化情形
M RT
P
表 2-2 各國場模式之模擬程式(續)
模擬程式 國籍 適用條件
PHOENICS UK 多功能之模擬程式
RMFIRE CANADA 居室空間內煙流之情形
SMARTFIRE UK
SOFIE UK/SWEDEN
SOLVENT US 隧道內煙流及熱傳之情形
SPLASH UK 自動滅火設備與火場煙流
之情境 STAR-CD UK
UNDSAFE US/JPAN 開放空間或居室空間
（資料來源：An Updated International Survey of Computer Models for Fire and Smoke）
(一) FDS（Fire Dynamics Simulator）
FDS（Fire Dynamics Simulator）為美國國家標準暨技術研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）所發展之場模式模擬程式，專門模 擬受火災浮力驅動氣流流動的三維數值計算之流體力學軟體。FDS 為計算流體力 學（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟體，採用大渦流模擬（Large Eddy Simulation，LES）解控制方程式，軟體的核心為 Navier-Stoke 方程組，適用的範 圍為低馬赫數的流場分析，亦即火場中由熱驅動的低速流場，著重在煙流及熱傳 遞的現象，可預測模擬空間之多種火場資訊，目前已成為分析火災現象之最主要 軟體。
FDS 運算結果的後處理，是由 Smokeview 軟體進行，Smokeview 可將火災 運算結果繪製成火場佈置圖、格點圖、粒子圖、向量圖、等位面圖、切面圖等。
將模擬結果圖面化、色彩化、立體化，並可輸出動畫，如：氣流方向圖、氣流速 度圖、溫度分佈圖，使使用者快速的建立火場影像，更可快速的掌握火場資訊，
進一步對模擬結果進行分析。
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1. 使用限制 (1) 假設低流速
FDS 僅可用於低流速之情況，如煙的流動或熱傳等現象，此模擬並不適用於 流速接近音速之情境，如爆炸、爆轟等。
(2) 直線幾何圖形
FDS 以直線網格進行區域劃分，如正方形或長方形。
(3) 火災成長及延燒
當未指定火場熱釋放率時，模擬將有較大的不確定性，有三個主要原因，(1) 真實的材料或燃料特性參數不易取得，(2)燃燒、輻射及固相熱傳的物理過程 比 FDS 數值計算更為複雜，(3)計算結果的靈敏度取決於數值模擬及物理參數 間。
(4) 燃燒
假設燃料和氧的反應是無限快，且反應過程與溫度無關，對於大尺度空間，
此假設是一個良好的假設，但此假設並不適用於通風不良之空間。
(5) 輻射
輻射熱傳是由輻射傳導方程式（RTE）解析，而輻射傳導方程式（RTE）相 似於熱傳導的有限體積法（FVM），另某些限制案例可使用寬帶模式（wide band model）。
2. 格點分析
FDS 用於模擬火場狀況，將目標空間切割成多個細小格點，利用數值方式不 斷計算各個格點之各種物理量，預估火場中的溫度、氣流流速、熱煙流的流動狀 況。而 FDS 格點設計須兼顧效率及準確性，當格點尺寸越小其模擬結果越精準，
FDS 用於模擬火場狀況，將目標空間切割成多個細小格點，利用數值方式不 斷計算各個格點之各種物理量，預估火場中的溫度、氣流流速、熱煙流的流動狀 況。而 FDS 格點設計須兼顧效率及準確性，當格點尺寸越小其模擬結果越精準，