Модуль 1. Теоретическая часть
Тема 3. Программные реализации математических моделей динамики опасных факторов пожара
Введение
В данном обзоре приведены краткое описание, возможности, ограничения наиболее распространенных программ, реализующих математические модели динамики опасных факторов пожара (ОФП). Ссылки сайты программ приведены в списке литературы.
Методике определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и пожарных отсеках различных классов функциональной пожарной опасности, утвержденной приказом МЧС России от 30.06.09г. №382 (с изменениями, внесенными приказом МЧС России от 02.12.2015 г. № 632),
а также Методике определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах, утвержденной приказом МЧС РФ от 10.07.09г. №404 (с изменениями, внесенными приказом МЧС России от 14.12.10 № 649) в части расчета ОФП в помещении/здании.
3.1 Ситис Блок [5]
Программа предназначена для создания компьютерной модели здания и моделирования динамики опасных факторов пожара зонным (зональным) методом.
Комплектации:
ИСМ - интегрированная среда моделирования;
ПРО - профессиональная, дополнительные возможности:
o вывод результатов в файлы CSV и JSON;
o запуск из командной строки (возможность встраивания в программные комплексы).
Программа «Ситис: Блок 4.00» позволяет выполнять:
расчет динамики опасных факторов пожара по двухзонной модели;
определение критического времени пожара, времени блокирования ОФП путей эвакуации.
Импорт чертежей в формате DXF, а также импорт файлов изображений для использования их в качестве подложки для рисования. При использовании подложки в формате DXF отображаются только объекты типов LINE, POLYLINE, CIRCLE.
2D/3D анимация распространения опасных факторов пожара с возможностью пошагового просмотра.
Построение графиков динамики опасных факторов пожара с указанием предельных значений.
Формирование отчета, включающего исходные данные, таблицу времени наступления критических значений ОФП для каждой расчетной точки, графики.
Отчет может быть сохранен в редактируемом формате RTF для последующей доработки в текстовых редакторах.
Ограничения программы:
В модели программы «СИТИС: Блок» может содержаться в сумме не более 30-ти помещений, коридоров и рамп.
Т.к. в программе используется расчетный модуль CFAST [6], то его ограничения также справедливы и для «СИТИС: Блок»:
Время расчета - 24 часа
Максимальное количество помещений - 30 (в версии 7 - 100)
Максимальное количество источников горения - 31
Максимальное количество источников горения в базе данных - 30
Максимальное количество точек в описании источника горения - 21
Максимальное количество материалов в базе данных - 125
Максимальное число слоев в одном материале в базе данных - 3
Максимальное количество выходов механической вентиляции - 60
Максимальное количество соединений между отсеками и отверстий механической вентиляции - 62
Максимальное количество независимых систем механической вентиляции - 15
Максимальное количество расчетных точек в выходном табличном файле - 900
Максимальная мощность источника пожара - 1 МВт/м3
Максимальное значение отношения площади вентиляционных отверстий в помещении к объему помещения - 2 м-1.
3.2 Z-Model [7]
Возможности программы:
Ввод исходных данных для расчета с помощью графического редактора с возможностью использовать в качестве подложки планы этажей здания (возможные форматы файлов подложки - .jpeg, .mng, .png, .bmp, .tiff).
Расчет динамики опасных факторов пожара по двухзонной модели.
Автоматический расчет площади помещений на основе одного масштабного участка.
Расчет для помещений неправильной геометрической конфигурации.
Создание схемы более чем для одного этажа.
Расстановка расчетных точек в пределах одного помещения с разной высотой рабочей зоны.
Моделирование противопожарных дверей.
Встроенная база данных, содержащая параметры горючих нагрузок.
Импорт схемы для каждого этажа.
Результат в виде отчета в редактируемом текстовом формате (.rtf).
Формирование отчета, включающего исходные данные, графики и таблицы, с результатами расчетов в виде, заданном пользователем.
Нет возможности рисовать наклонные полы.
Нет 3D режима отображения модели объекта.
3.3 Risk Manager [7]
Программа предназначена для создания компьютерной модели здания и моделирования динамики опасных факторов пожара зонным (зональным) методом. Данная программа разработана на основе программ Z-Model и Greenline (моделирование эвакуации по упрощенно-аналитической модели) и сочетает в себе как достоинства этих программ, так и новые функции.
Редактирование, замена, перемещение и масштабирование подложки в любой момент работы с моделью.
Работа с несколькими сценариями в одном проекте.
Расчет времени транспортировки немобильных людей.
Инструмент полуавтоматической установки длины и ширины участка эвакуационной схемы.
Детальная настройка структуры отчета.
Отсутствует руководство пользователя (доступны видеоуроки).
3.4 Fenix+ [8]
Программа предназначена для создания компьютерной модели здания, моделирования динамики опасных факторов пожара полевым методом и расчета индивидуального пожарного риска на объектах классов функциональной пожарной опасности Ф1.1-Ф4.4. Расчет производится при помощи программы Fire Dynamics Simulator (FDS) [11].
Встроенный инструмент для запуска процесса выполнения расчета FDS и просмотра результатов.
Построение чертежа осуществляется базовыми примитивами, такими как полилиния, окружность, дуга, полигон, сфера, цилиндр, что позволяет очень точно передать структуру объекта практически любой сложности.
Автоматическая проверка сценария на наличие ошибок.
Поддерживается импорт готовых чертежей в форматах DXF и DWG, а также импорт файлов изображений для использования их в качестве подложки для рисования. Возможность настройки импорта по слоям, с изменением высоты и цвета слоя, отключение и включение отдельных видов геометрических примитивов, таких как дуги, окружности, эллипсы, линии, полилинии, 3D объекты.
Импорт чертежей в формате .dxf (а также в виде изображения, которое можно использовать в качестве подложки для рисования топологии).
Широкий набор инструментов позволяет создавать и редактировать сложные сцены (например, винтовые лестницы, двери с регистраторами, выноски и линейные размеры объектов, надписи). Сложная сцена позволяет произвести моделирование процессов эвакуации наиболее точно, что напрямую влияет на качество расчета.
Поиск объектов на сцене.
Экспликация помещений (указание площади).
Настройка структуры отчета:
o Сценарии для вывода в отчет - здесь можно определить, какие сценарии, а также при необходимости какие части сценариев будут представлены в отчете.
o Методика расчета - позволяет включить в отчет разделы методики.
o Заключение - позволяет включить в отчет раздел заключение.
o Список литературы - позволяет включить в отчет раздел Список литературы.
o Приложение 1 - позволяет включить в отчет раздел Результаты моделирования процесса эвакуации с детализированными данными по каждому человеку в сценарии.
o Приложение 2 - позволяет включить в отчет раздел Результаты моделирования процесса развития пожара с графиками зависимости значений ОФП от времени.
o Приложение 3 - позволяет включить в отчет раздел «Параметры эвакуационных путей». Если этот раздел включается в отчёт, то все двери, лестницы и пандусы будут сгруппированы по типу. На изображениях в отчете (если установлен флажок для параметра Показывать на изображениях) они будут подписаны в соответствии с типом, к которому они принадлежат, а в самом приложении будет представлено описание типов в табличной форме.
o Приложение 4 - позволяет включить в отчет раздел Статистические данные о частоте возникновения пожара в зданиях (совпадает с приложением 1 к методике).
o Приложение 5 - позволяет включить в отчет данные для определения времени начала эвакуации (таблица П5.1 из приложения 5 к методике).
o Приложение 6 - позволяет включить в отчет раздел Контингенты людей, используемые в проекте, который содержит все параметры контингентов людей (см. раздел Редактор контингентов людей), использованных во всех сценариях проекта.
o Приложение 7 - позволяет включить в отчет раздел Схемы эвакуации (BETA). Для каждого этажа формируется схема эвакуации. Эта функциональность находится на этапе BETA-тестирования.
Размер очага пожара не должен быть меньше размеров ячейки области расчета.
Не русифицирован интерфейс SmokeView.
Отменить возможно 10 последних действий.
Размеры прямоугольного параллелепипеда расчетной сетки - целое число.
3.5 Fenix+ 2 [8]
Программа предназначена для создания компьютерной модели здания, моделирования динамики опасных факторов пожара полевым методом и расчета пожарного риска на производственных объектах. Расчет производится при помощи программы Fire Dynamics Simulator (FDS) [11].
Те же, что и Fenix+.
Расчет индивидуального пожарного риска для производственных объектов (модуль встроен в программу).
С программами Fenix+ и Fenix+ 2 интегрируется Fenix Server, что позволяет:
работать одновременно с несколькими проектами (моделирование нескольких и редактирование одного проекта);
автоматизировать загрузку сервера;
использовать Fenix Server без Fenix+ / Fenix+ 2;
получать доступ к результатам моделирования в любом месте и в любое время;
подключать клиентские ПК по локальной сети или через интернет;
передать самую тяжелую часть работы над проектом моделирование пожара и эвакуации) на сервер и не загружать компьютер пользователя.
Случаи взрыва, разгерметизации, утечки, факельного горения и др. не рассматриваются.
3.6 Fenix+ 3 [8]
Программа предназначена для создания компьютерной модели здания, моделирования динамики опасных факторов пожара полевым методом и расчета индивидуального пожарного риска на объектах классов функциональной пожарной опасности Ф1.1-Ф4.4, а также на производственных объектах. Расчет производится при помощи программы Fire Dynamics Simulator (FDS) [11]. В данной программе объединены функции программ Fenix+ и Fenix+ 2 и добавлены новые функции:
Класс функциональной пожарной опасности задается для здания, этажа или отдельного помещения.
Учет влияния ветра и утечек через неплотности в дверных и оконных проемах.
Расчет противопожарных расстояний - расчет падающего теплового потока от пламени пожара для любых конфигураций зданий и строений (производится в отдельном проекте).
Те же, что и Fenix+ 2.
Прекращена поддержка Windows XP и 32-х разрядных операционных систем.
Расчет величин индивидуального пожарного риска на производственных объектах, а также величины противопожарного расстояния доступен только в версии программы Ultimate.
3.7 Pyrosim [9, 10]
Программа предназначена для создания компьютерной модели здания и моделирования динамики опасных факторов пожара полевым методом. Расчет производится при помощи программы Fire Dynamics Simulator (FDS) [11].
Встроенный инструмент для запуска расчета в FDS и просмотра результатов.
Импорт из AutoCAD файлов в форматах DXF и DWG. При импорте 3D-грани преобразуются в препятствия, а остальные данные (линии, кривые и т.д) – в независимые CAD-объекты. Также PyroSim позволяет загружать изображения в формате GIF, JPG или PNG в качестве подложек, помогая быстро создавать объекты на их основе.
Инструменты помогающие создавать и синхронизировать несколько сеток. Несколько сеток в модели позволяют использовать параллельные вычисления для ускорения расчетов, упрощать геометрию для уменьшения количества ячеек сетки в модели (уменьшая этим время расчета), изменять разрешение в разных частях модели.
Запуск параллельных вычислений с использованием MPI. На одном компьютере с несколькими ядрами или процессорами параллельные расчеты запускаются просто через команду меню.
Запуск расчета на сетевом кластере из нескольких компьютеров. В этом случае сначала необходимо установить программу кластера на каждый компьютер, и затем на них можно запускать расчеты.
Работа с системой HVAC (отопление, вентиляция и кондиционирование), появившейся в версии FDS 6. Система HVAC позволяет передавать газы и тепло по зданию. Систему можно описать с помощью нескольких простых компонентов: воздуховоды, узлы, вентиляторы, теплообменники и фильтры. Система HVAC позволяет моделировать воздушные потоки без учета пожара, а также может служить частью противопожарной системы здания (противодымная вентиляция, подпор воздуха в лестницы).
Создание и использование библиотеки свойств для различных объектов (реакции, поверхности, материалы и т.д.). Это ускоряет создание модели и уменьшает вероятность возникновения ошибок.
Интерактивный просмотр и редактирование свойств объектов в модели. Такая визуальная обратная связь ускоряет создание модели и уменьшает вероятность ошибок.
Импорт/экспорт файла в формате *.fds - функция предназначена для удобства переноса проектов созданных в других программах, например FireGuide , Fenix+ и др.
Редактирование файла *.fds при построении модели (добавление записей).
Работа со сценариями (возможность блокировать отдельные элементы модели для сценария).
Нет встроенного модуля для расчета пожарного риска.
Нет функции создания отчета.
Нет встроенной базы данных типовых горючих нагрузок (может быть скачана и добавлена дополнительно [10]).
Количество функций (и, как следствие, сложность интерфейса) значительно превышает таковые в Fenix+, FireGuide, Urban, Fogard.
3.8 FireGuide [12]
Создание нескольких моделей зданий в одном проекте, с указанием участков горючей нагрузки в помещениях и учет взаимного расположения участков и предельных расстояний.
Подготовка нескольких сценариев в одном проекте.
Добавление собственных материалов и редактирование их свойств.
Импорт содержимого окна AutoCad.
Распознавание на чертеже, импортированном из AutoCad, дверных проемов, полостей стен и помещений. После анализа чертежа производится автоматическое построение трехмерной модели из двумерного чертежа и расстановка датчиков в каждый проем.
Для каждого этажа может быть загружено несколько подложек.
Редактирование параметров спринклеров.
Встроенная база данных типовых горючих нагрузок.
Импорт/экспорт файла в формате *.fds - функция предназначена для удобства переноса проектов, созданных в других программах, например Pyrosim, Fenix+ и др.
Просмотр исходного кода fds при построении модели.§ Полуавтоматический режим создания отчета о расчете индивидуального пожарного риска для объектов Ф1.1-Ф4.4.
3.9 Urban [13]
Программа предназначена для создания компьютерной модели здания, моделирования динамики опасных факторов пожара полевым методом и расчета индивидуального пожарного риска на объектах классов функциональной пожарной опасности Ф1.1-Ф4.4, а также на производственных объектах. Расчет производится при помощи программы Fire Dynamics Simulator (FDS) [11].
Автоматическое масштабирование подложек любого количества этажей по одной отмасштабированной.
После построения «сложной комнаты» нельзя изменить количество вершин помещения - возможно лишь изменение размеров в рамках изначально заданных вершин.
Нет отмены действий.
Невозможно задать свойства горючей нагрузки вручную. Список горючих нагрузок состоит из 33 позиций.
Не русифицирован интерфейс SmokeView (в руководстве пользователя приведен перевод основных фраз).
3.10 Фогард [14]
Программа предназначена для создания компьютерной модели здания, моделирования динамики опасных факторов пожара полевым методом и расчета индивидуального пожарного риска на объектах классов функциональной пожарной опасности Ф1.1-Ф4.4, а также производственных. Расчет производится как при помощи программы Fire Dynamics Simulator (FDS) [11] так и собственной программы, разработанной совместно с Объединенным институтом высоких температур Российской Академии наук.
Работа с программным комплексом осуществляется с помощью приложения (клиента), на компьютере пользователя распаковывается архив, установка не требуется. Расчет производится на удаленном сервере разработчика программы. Дополнительно, данное приложение позволяет подготовить модель объекта для расчета интегральным и зонным методами.
Расчет индивидуального пожарного риска для производственных объектов, в т.ч. с учетом воздействия таких факторов как:
o тепловое излучение при факельном горении, пожарах проливов горючих веществ на поверхность и огненных шарах;
o избыточное давление и импульс волны давления при сгорании газопаровоздушной смеси в открытом пространстве;
o избыточное давление и импульс волны давления при разрыве сосуда (резервуара) в результате воздействия на него очага пожара;
o избыточное давление при сгорании газопаровоздушной смеси в помещении;
o расширяющиеся продукты сгорания при реализации пожара-вспышки.
Экспорт полевой модели в файл .fds.
Настройка отчета (выслать на email уведомление, отчет, уведомление+отчет).
Уменьшение линейной скорости распространения пламени в 2 раза в первые 10-ти минут пожара.
Закрытие дверей по условию выхода за пределы помещения последнего человека.
Объем объекта, над которым будет работать программа, не должен быть более 3 млн. м3.
Для успешного экспорта вспомогательных таблиц на компьютере должен быть установлен пакет Microsoft Office.
Для модели FDS размер очага пожара не должен быть меньше размеров ячейки области расчета.
Для зонной модели нет возможности рисовать помещения по подложке. Иллюстрация помещений в здании в виде схемы.
3.11 Сигма ПБ [15]
Программа предназначена для создания компьютерной модели здания, моделирования динамики опасных факторов пожара полевым методом и расчета индивидуального пожарного риска на объектах классов функциональной пожарной опасности Ф1.1-Ф4.4. Для расчета распространения опасных факторов пожара используется вычислительное ядро отечественной программы SigmaFire©[16].
Импорт модели из Autodesk Revit.
Визуализация распространения ОФП (с изменением позиции наблюдателя.
По ходу визуализации расчета сценария имеется возможность менять позицию наблюдателя, «скрывать» этажи здания, активизировать визуализацию полей ОФП, плотности потока людей, в интерактивном режиме запрашивать текущую отчетную информацию, получить финальный отчет о результатах эвакуации с этажей и здания в целом, временах блокирования путей эвакуации опасными факторами пожара, вероятности эвакуации в соответствии с действующей редакцией Методики расчетов пожарного риска.
Размеры файлов с изображением планов этажей не должны превышать 7Мб, в противном случае подложка может не отображаться.
«Следует регулярно выполнять операцию «Поиск блоков», удачное завершение которой гарантирует, что построенный на текущий момент каркас содержит правильные объемы».
Импорт подложки только в формате .jpg.
Библиотека свойств типовой горючей нагрузки представлена в программе в отсканированном виде (в параметры расчета необходимо вводить вручную).
Координаты очага пожара из модуля Подготовка здания в параметры расчета необходимо вводить вручную.
Подготовка нескольких сценариев осуществляется путем создания копии всего проекта (папки, содержащей проект), т.е. один проект = один сценарий.
Заключение
Рассмотрены программы, реализующие зонную математическую модель пожара: Ситис Блок, RiskManager, Z-Model, Fogard, а также программы для работы с полевыми моделями пожара: Fenix+, Pyrosim, FireGuide, Urban, Fogard, Сигма ПБ.
Индивидуальный пожарный риск на объектах Ф1.1-Ф4.3 позволяют рассчитывать:
Ситис Спринт [5] (для Ситис Блок),
RiskManager,
FireRisk [18] (для Pyrosim),
Fogard,
Fenix+,
FireGuide,
Urban,
СигмаПБ.
Индивидуальный пожарный риск на производственных объектах позволяют рассчитывать:
PromRisk [19] (для Pyrosim),
Fenix+ 2,
Fenix+ 3,
Из всех рассмотренных программ только Fogard и PromRisk позволяют рассчитывать величину индивидуального пожарного риска для производственных объектов с учетом воздействия всех опасных факторов в соответствии с Приказом [3].
Программы Z-Model, Сигма ПБ и Фогард (в части полевой модели собственной разработки) полностью отечественное программное обеспечение.
Литература
1. Федеральный закон Российской Федерации от 22.07.2008 г. № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» // Российская газета - Федеральный выпуск №4720 от 01.08.2008.
2. Приказ МЧС России от 30.06.2009 г. № 382 «Об утверждении методики определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности».
3. Приказ МЧС России от 10.07.2009 г. N 404 «Об утверждении методики определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах».
4. Кошмаров Ю.А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении: учебное пособие / Ю.А. Кошмаров. Академия ГПС МВД России. Москва, 2000. 118 с.
5. Ситис Блок 4.13 [сайт] / URL: http://sitis.ru/655z114.
6. CFAST, Fire Growth and Smoke Transport Modeling [сайт] / URL: https://pages.nist.gov/cfast/index.html.
7. Risk Manager [сайт] / URL: https://nordsoftware.ru/programms/riskmanager/.
8. Fenix+ 3 [сайт] / URL: https://mst.su/fenix3/.
9. PyroSim [сайт] / URL: https://www.thunderheadeng.com/pyrosim/.
10. PyroSim - полевая модель пожара [сайт] / URL: https://pyrosim.ru/polevaya-model-pozhara.
11. FDS, Fire Dynamics Simulator [сайт] / URL: https://pages.nist.gov/fds-smv/.
12. FireGuide [сайт] / URL: http://fireguide.ru/.
13. Urban [сайт] / URL: https://urbanpo.ru/.
14. Fogard [сайт] / URL: http://fogard.ru/.
15. Сигма ПБ [сайт] / URL: https://3ksigma.ru/.
16. Свидетельство о госрегистрации программы для ЭВМ No2010613073. Литвинцев К.Ю., АмельчуговС.П., Гаврилов А.А., Дектерев А.А., Негин В.А., Харламов Е.Б. «Программный комплекс для численного моделирования динамики пожаров (σFire)», регистр. 11 мая 2010 г.
17. Свидетельство о госрегистрации программы для ЭВМ No2013610824. Кирик Е.С., Малышев А.В. «Программа по расчету времени эвакуации из многоэтажных зданий и сооружений моделью идивидуально поточного типа (SigmaEva)», 9 января 2013 г.
18. FireRisk - расчет риска на производственных объектах [сайт] / URL: https://pyrosim.ru/raschet-pozharnogo-riska/.
19. PromRisk - расчет риска на производственных объектах [сайт] / URL: https://pyrosim.ru/promrisk/.
Расчет категорий по взрывопожарной и пожарной опасности
Калькуляторы расчета пожарного риска для общественных зданий
Калькуляторы расчета пожарного риска для производственных объектов
Проверочные листы МЧС с комментариями эксперта
Организации в области Пожарной безопасности
Системы противопожарной защиты
Первичные средства пожаротушения
Источники наружного противопожарного водоснабжения
Требования к зданиям
Выбор системы противопожарной защиты для зданий
Выбор системы противопожарной защиты для сооружений
Определение требуемого типа СОУЭ
Выбор системы противопожарной защиты для оборудования
Определение необходимого уровня звука СОУЭ