「建築物火災模擬工具之應用參考指南」草案及模擬範例

火災模擬程式驗證分為兩類，第一類驗證為 Validation，其主要驗證為驗證 模擬程式之正確性，確認程式可合理預測火災情境，進行方式為比較模擬結果與 實驗量測值；而第二類驗證為 Verification，其主要驗證為是否正確地使用模擬程 式，驗證分析項目包含格點尺寸、大渦流模擬參數、輻射參數及固體燃料的熱物 理性質等。本研究考量國內建築防火設計之能量及現況，「建築物火災模擬工具 之應用參考指南」將表列可接受的模擬程式，即不需強調模擬程式的驗證

（Validation）及確認（Verification），但詳加規範如何正確使用模擬程式，目前 研擬「建築物火災模擬工具之應用參考指南」草案，本草案經兩次專家座談會議 討論，專家學者建議火源設置位置應詳加說明，其設置位置應包含兩點，(1)設 置於最影響人員避難之處，(2)設置於距離排煙口最遠之處，詳細草案內容如下：

第一章 火災模擬簡介 1.1 背景與目的

火災數值模擬分析可用於分析探討複雜的火災現象，彌補無法一一 進行火災實驗之不足，尤其在大規模場所更顯價值。本指南提供常用 火災模擬程式之選用及基本限制說明、火源及邊界條件設定原則、格 點之選用與檢核方式等，並編寫案例供設計者參考，亦供審查者於審 核時進行初步分析比較之用，以俾利建築物火災模擬程式使用之準確 性。

1.2 模擬程式使用者資格

本指南應做為火災模擬程式、火災動力學書籍及相關技術參考文件 之補充資料，而非用來取代模擬程式使用手冊。本指南主要功用為當 選定一火場情境後，協助火災模擬使用者選擇適當的模擬程式、模擬 參數，並正確的驗證分析火災模擬程序及結果，因此，模擬程式使用 者應具備下列能力。

 室內火災行為之基本概念。

 基本工程原理，如：熱力學、熱傳學及流體力學。

1.3 火災模擬理論

當可燃物被引燃後，將產生火羽流（fire plume）及煙流，煙流隨 浮力上升的過程中將混入空氣，使煙的溫度下降，而煙的濃度亦被稀 釋，且煙擴散範圍隨著高度的增加而增加（如圖 1-1 所示）。當煙流接 觸天花板時，將形成天花板噴流（ceiling jet），煙流在天花板下方水平 移動，而水平移動的煙流會隨著擴散距離逐漸冷卻。侷限空間中的煙 流不斷在天花板下方累積，形成熱氣層（hot gas layer，HGL），而熱氣 層輻射熱將加熱其他未引燃的可燃物，另外可燃物亦受火源產生之輻 射熱影響，上述輻射熱皆使可燃物溫度上升，當其溫度達燃點時，便 會引燃可燃物。

圖 1-1 居室火災現象示意圖

因此在火災模擬程式中探討之目標物隨位置、高度不同而有不同受 熱影響情形，如：目標物位於熱氣層中將受熱氣層對流熱影響、目標 物位於熱氣層外將受熱氣層輻射熱影響等。上述項目則需依下列五項 性質而定：

 煙的產生速率

 蓄煙速率

 天花板噴流

 熱氣層溫度

 目標物對輻射或對流熱的反應

83

1.4 火災模擬工具分類

火災模擬程式可分為區域模式及場模式二類。

1.4.1 區域模式

區域模式（zone model）之模擬係以控制體積（control volume）

進行環境變數計算，圖 1-2 顯示區域模式一般分為上、下兩區域，

分別為高溫熱層及低溫冷層，假設每個區域內物理性質和化學性質 皆為均勻狀態。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（ordinary differential equation，ODE），而彼此上 下層能量、質量會因為火源所產生的火羽流（fire plume）進行交 換。

區域模式可分析單一居室或與居室相鄰空間之火場情況，亦可 模擬自然通風與機械通風之情境，此模式常用於計算熱氣層溫度、

熱氣層組成成份及目標物之熱通量。此模式無法準確模擬具複雜天 花板形狀之居室或多居室之空間。

多數的區域模式模擬程式皆有預設參數，但評估並調整適合模 擬情境之參數可取得較準確的模擬結果，因此，模擬使用者須了解 各項參數對模擬之影響。

圖 1-2 居室火災之兩層區域示意圖

1.4.2 場模式

場模式（field model）為計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD） 模式，可對簡單及複雜之空間進行詳細分析，

此模式將計算空間劃分成眾多細小格點，且利用數值分析方法將描 述火災現象的動量、質量、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。

場模式通常用於下列情況：

 需詳細了解空間內各處之各項變數分佈情形。

 居室具有複雜之幾何形狀、通風管道或天花板下方具有許 多障礙物。

 具有較多居室之場所，評估火災對每個居室造成之影響。

格點尺寸越小時，將能越詳細分析空間內各項變數之變化情形，

但需要較長的模擬運算時間；格點尺寸越大時，分析結果將較不精 確，但模擬運算時間較短。

計算流體力學模式能對空間進行詳細分析，但其前處理建構階 段需花費較多時間，使用者須了解模擬程式之語法、限制條件及運 算方式。雖然多數的計算流體力學模式具有各項變數之預設值，但 為使模擬結果準確，使用者應確認或調整各項輸入之參數，以符合 欲模擬之情境。

85

第二章 火災模擬程序

本章說明火災模擬的六個步驟，流程圖如圖 2-1 所示。

1. 定義火災模擬目的及具體檢核項目 2. 火災情境特徵

3. 選擇火災模擬程式 4. 計算火災成長情況

5. 進行靈敏度及不確定度分析 6. 模擬結果紀錄分析

圖 2-1 火災模擬程序

No No No

No Yes

定義火災模擬 目的及具體檢

核項目

火災情境特徵

模擬結果 紀錄分析 其他分析方法

選擇火災 模擬程式

進行靈敏度及 不確定度分析 計算火災成長

情況

是否達到 目標及目的?

Yes Yes

模擬程式 是否適合?

其他程式 是否適合?

是否重新定義 問題?

2.1 第一步：定義火災模擬目的及具體檢核項目

火災模擬分析第一步係確認並說明模擬目的，並確認模擬分析結果 可否幫助解決問題，或可作為風險評估之依據。明確說明模擬的重點 以選擇適當的火災情境十分重要，為利於訂定目的，應先了解相關性 能式基準，例如：人員避難時受到之溫度、熱通量等。而模擬目的包 含下列各項，但不限於下列項目：

1. 評估火焰穿過防火區劃之可能性。

2. 評估探測器及撒水器作動情形。

3. 評估火災區域延燒至第二可燃物之可能性。

4. 評估火災是否會損壞單一或多個構件或構造。

5. 評估火災對結構之影響。

火災模擬目的決定後需進一步提出具體檢核項目，其評估之參數，

如下：

1. 可接受的最大表面溫度，其項目包含組件、第二可燃物、結構組 件或防火結構。

2. 可接受的最大入射熱通量，其項目包含組件、結構組件或第二可 燃物。

3. 可接受的最大曝露溫度，其項目包含組件、結構組件或第二可燃 物。

4. 可接受的空間或結構組件溫度。

5. 最大煙濃度及最小能見度。

6. 一種或多種氣體的最大或最小濃度，如：一氧化碳、氧、氰化氫 等。

87

我國現今人員安全標準為建築物內之逃生人員在安全狀態下具有 足夠時間逃離火災現場，生命安全性能基準如表 2-1 所示。

表 2-1 生命安全性能基準¹²

目標 目的 性能基準

生命安全 人 員 在 無 煙 阻 礙 視線下順利疏散

溫度＜60℃（H=1.8 m）

輻射熱＜2.5 kW/m²

CO 濃度＜1500 ppm（H=1.8 m）

能見度＞10 m（H=1.8 m）

2.2 第二步：火災情境特徵

火災模擬程序中第二步為火災模擬情境特徵說明，火災情境應考量 多種方案以解決各種目標，在一般的情況下，至少要設置單一火源之 情境，而火災模擬情境需由一系列參數進行說明，並為火災模擬輸入 之項目，使用者應熟悉模擬程式所需輸入之參數項目，其內容包含下 列各項：

1. 空間詳細資訊 2. 火源及位置 3. 第二可燃物

4. 主動式及被動式防火作為 5. 通風情況

6. 目標物位置

12 SFPE, 「SFPE Handbook of Fire Protection Engineering」, 4th Edition, Natl Fire Protection Assn, 2008.

2.2.1 空間詳細資訊

空間資訊包含模擬空間之尺寸及邊界材料性質，而火災模擬空 間取決於火災模擬之目標、特殊性及空間連接性，例如多個空間將 有氣流之交互作用（自然通風或機械通風），而各空間之氣流將影 響模擬結果，因此應審慎考量火災對鄰近區域造成之影響，在許多 情況下，暖氣、通風及空調（Heating, Ventilation, and Air

Conditioning，HVAC）再循環系統將影響目標區域火勢發展。

模擬輸入空間尺寸及邊界材料前，應先選定一火災模擬程式，

因模擬輸入變數、輸入格式差異相當大。下列將依模擬空間尺寸及 邊界材料性質進行說明：

1. 模擬空間尺寸

空間尺寸即為空間之長、寬、高。建立火災模型時應詳細描述 各空間之尺寸及各項物質之尺寸。。

2. 邊界材料性質

邊界材料性質為各項熱物理性質，例如密度、比熱及熱傳係數。

建立火災模型時應針對設置之各項物質進行說明，包含牆壁、

天花板、地板及空間內各項物質等，其參數可查詢 SFPE Handbook 或相關文獻資料。

2.2.2 火源及位置

火源是火災情境中非常重要的項目，火源的特性將直接影響所 有後續火災效應，因此需非常小心設定。火源多以熱釋放率（heat

火源是火災情境中非常重要的項目，火源的特性將直接影響所 有後續火災效應，因此需非常小心設定。火源多以熱釋放率（heat