本書結(jié)合作者多年的教學(xué)和培訓(xùn)實(shí)踐，在介紹火災(zāi)仿真軟件和人員疏散模擬軟件算法原理及參數(shù)設(shè)置影響因素的基礎(chǔ)上，全面講解了FDS、PyroSim、Pathfinder 等各類型典型消防仿真軟件的操作與應(yīng)用技術(shù)。全書內(nèi)容編排緊密結(jié)合安全工程、消防工程、建筑安全工程教學(xué)需要和特點(diǎn)，選材新穎，注重實(shí)用，循序漸進(jìn)，便于讀者學(xué)習(xí)掌握。
本書可作為高等院校安全工程、消防工程、建筑工程專業(yè)本科、研究生的教材，也可供廣大安全、消防科技工作者使用。

消防安全事關(guān)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會和諧穩(wěn)定大局,各行業(yè)對消防安全高度重視，消防安全評估常用定量方法火災(zāi)數(shù)值模擬及人員應(yīng)急逃生數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)逐漸成為既有建筑消防改造和特殊消防設(shè)計(jì)的必用手段。 《消防工程數(shù)值模擬與仿真：PyroSim+Pathfinder》在介紹火災(zāi)仿真軟件和人員疏散模擬軟件算法原理及參數(shù)設(shè)置影響因素的基礎(chǔ)上，全面講解FDS、PyroSim、Pathfinder等各類型典型消防仿真軟件的操作與應(yīng)用技術(shù)。內(nèi)容具有以下特點(diǎn)： 1 內(nèi)容覆蓋廣：全面總結(jié)了了火災(zāi)數(shù)值模擬的方法以及消防工程專業(yè)實(shí)踐中數(shù)值模擬技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用； 2 案例引導(dǎo)：結(jié)合算例與軟件應(yīng)用實(shí)例，講解如何利用FDS等進(jìn)行模擬計(jì)算, 經(jīng)過Smokeview軟件得到形象逼真的建筑內(nèi)煙氣流動(dòng)二維云圖和三維動(dòng)畫。 3 配套視頻等教學(xué)資源：軟件實(shí)操等通過視頻講解，直觀易懂。

在各種災(zāi)害中，火災(zāi)是普遍威脅公眾安全和社會發(fā)展的主要災(zāi)害之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每天發(fā)生火災(zāi)1 萬余起，日均致死2000 多人，傷3000-4000 人。經(jīng)國家消防救援局統(tǒng)計(jì)，2023 年上半年全國共接報(bào)火災(zāi)55 萬起，死亡959 人，受傷1311 人，直接財(cái)產(chǎn)損失39.4 億元。以上數(shù)據(jù)表明，火災(zāi)給國家和人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大的損失，總結(jié)以往造成群死群傷及重大經(jīng)濟(jì)損失的特大火災(zāi)教訓(xùn)，最重要的是要增強(qiáng)火災(zāi)煙氣的探測能力和提高人員火場疏散與逃生的能力。
一旦火災(zāi)發(fā)生，火場人員會因吸入火災(zāi)煙氣而窒息或中毒死亡，但只要消防系統(tǒng)設(shè)置合理，火場人員冷靜運(yùn)用火場自救知識就能順利逃生。同時(shí)，火災(zāi)發(fā)生時(shí)的逃生個(gè)體會出現(xiàn)恐慌、從眾等心理，逃生時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)一個(gè)出口擁擠不堪，而另一個(gè)出口卻無人通過的低效率現(xiàn)象。因此，利用數(shù)值模擬軟件可以得到一系列有關(guān)煙氣、溫度、毒氣等相關(guān)參數(shù)，以此為依據(jù)對實(shí)際工程進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)，以保證一旦火災(zāi)發(fā)生，熱煙氣和毒氣濃度能控制在安全范圍內(nèi)，從而避免威脅群眾生命安全。此外，還可以借助數(shù)值模擬軟件模擬應(yīng)急疏散恐慌人群行為，優(yōu)化人群逃生空間，根據(jù)工程仿真結(jié)果，設(shè)計(jì)有效的疏散和干預(yù)方法，有助于減少群體恐慌行為造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。
此外，筆者在教學(xué)和實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生及工程人員對火災(zāi)動(dòng)態(tài)仿真及人員疏散仿真學(xué)習(xí)熱情高，渴望了解火災(zāi)仿真和人員疏散仿真的理論基礎(chǔ)。為滿足安全工程、消防工程、建筑安全工程以及制定疏散應(yīng)急演練教學(xué)、科研及設(shè)計(jì)的需要，結(jié)合筆者多年教學(xué)實(shí)踐和科研工作編寫了本書。
全書內(nèi)容結(jié)合安全工程、消防工程、建筑安全工程教學(xué)需要和特點(diǎn)，介紹了火災(zāi)仿真的基本控制方法、火災(zāi)模型、消防系統(tǒng)、疏散仿真模型等基礎(chǔ)理論；書中以PyroSim 及Pathfinder 的流行版本為基礎(chǔ)，重點(diǎn)說明了PyroSim 和Pathfinder 數(shù)值模擬操作，結(jié)合火災(zāi)仿真案例對軟件應(yīng)用做了詳盡解讀。
PyroSim 是由美國Thunderhead Engineering 公司研發(fā)的火災(zāi)動(dòng)態(tài)模擬仿真程序，其計(jì)算核心為FDS （Fire Dynamic Simulation）。Pathfinder 是一套由美國Thunderhead Engineering 公司研發(fā)的簡單、直觀、易用的新型智能人員緊急疏散逃生評估系統(tǒng)，其涵蓋了SFPE 人員疏散算法和Steering 算法模式，精確每個(gè)個(gè)體特征及疏散行為。
本書可作為高等院校安全工程、消防工程、建筑工程專業(yè)本科、研究生的教材，希望本書的出版有助于我國安全工程、消防工程、建筑安全工程的人才培養(yǎng)。
本書由重慶科技大學(xué)黃有波、董炳燕，北京石油化工學(xué)院楊凱和首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)呂淑然結(jié)合多年的研究與應(yīng)用實(shí)踐撰寫而成。全書共9章，第1～6章主要由黃有波、董炳燕編寫，第7～9章主要由楊凱、呂淑然編寫。黃有波負(fù)責(zé)總體書稿編寫方案的制定和實(shí)施，劉茜、汪彬、羅成佳、廖梓富、王若彤、翟曼如、吳昊在數(shù)據(jù)處理、模型分析及具體內(nèi)容編寫等方面做了大量工作，李炎鋒教授、李嘉欣博士、許德勝博士、蘇枳鶴博士對本書的編寫提供了很多建議和幫助。此外，本書的出版還得到了北京環(huán)中睿馳科技有限公司的協(xié)助，北京環(huán)中睿馳科技有限公司提供了 PyroSim（ 2024）試用版。在此謹(jǐn)向參與此書編寫和出版工作的個(gè)人和單位表示衷心的感謝。
由于作者水平有限，書中不足之處在所難免，敬請廣大讀者批評指正。

編者

第1章 概述 001
1.1 消防工程仿真發(fā)展現(xiàn)狀 001
1.1.1 火災(zāi)煙氣模擬技術(shù) 001
1.1.2 人員疏散模擬計(jì)算 002
1.2 消防仿真理論研究現(xiàn)狀 004
1.3 消防仿真軟件概述 005
1.3.1 火災(zāi)煙氣模擬軟件 005
1.3.2 人員疏散模擬軟件 008

第2章 建筑火災(zāi)仿真基礎(chǔ)理論 011
2.1 火災(zāi)仿真基本控制方程 011
2.1.1 火災(zāi)控制方程概述 011
2.1.2 質(zhì)量傳輸與熱焓 012
2.1.3 動(dòng)量傳輸與壓力 014
2.1.4 湍流與黏性方程 015
2.2 火災(zāi)仿真基本方法 016
2.2.1 火災(zāi)仿真方法概述 017
2.2.2 區(qū)域模型 017
2.2.3 場模型 017
2.2.4 網(wǎng)絡(luò)模型 018
2.3 動(dòng)量傳輸模型 018
2.3.1 DNS 與LES 概述 019
2.3.2 DNS 動(dòng)量方程 019
2.3.3 LES 動(dòng)量方程 020
2.3.4 亞網(wǎng)格動(dòng)能 021
2.3.5 平均強(qiáng)迫速度場模型 021
2.4 湍流燃燒模型 022
2.4.1 反應(yīng)時(shí)間尺度模型 022
2.4.2 預(yù)混反應(yīng)時(shí)間積分 023
2.4.3 反應(yīng)時(shí)間步長數(shù)值解 024
2.4.4 化學(xué)反應(yīng)速率模型 025
2.4.5 熱釋放速率 026
2.4.6 熄滅模型 026
2.5 輻射模型 028
2.5.1 輻射傳播模型 028
2.5.2 數(shù)值求解方法 030
2.5.3 吸收和散射模型 033
2.6 HVAC 控制方程. 034
2.6.1 控制方程 035
2.6.2 方程求解 035
2.6.3 邊界模型 038

第3章 建筑消防系統(tǒng)基礎(chǔ) 039
3.1 消防系統(tǒng)簡介 039
3.2 火災(zāi)探測與報(bào)警系統(tǒng) 039
3.2.1 火災(zāi)探測系統(tǒng) 040
3.2.2 自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng) 042
3.3 消防給水系統(tǒng) 043
3.3.1 消防供水 043
3.3.2 消火栓系統(tǒng) 044
3.3.3 自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng) 045
3.4 防排煙系統(tǒng) 048
3.4.1 防煙系統(tǒng) 048
3.4.2 排煙系統(tǒng) 049

第4章 FDS 前處理器PyroSim 053
4.1 PyroSim 界面簡介 053
4.1.1 導(dǎo)航視圖 053
4.1.2 3D 視圖 054
4.1.3 2D 視圖 055
4.1.4 截圖 056
4.1.5 首選項(xiàng) 056
4.1.6 單位 057
4.1.7 配色方案 057
4.1.8 View 菜單 058
4.2 PyroSim 基本參數(shù)簡介 059
4.2.1 PyroSim 常用菜單與對話框操作指南 059
4.2.2 PyroSim 文件系統(tǒng)和文件操作 061
4.3 PyroSim 建?；A(chǔ) 064
4.3.1 建模造型簡介 064
4.3.2 坐標(biāo)系 064
4.3.3 創(chuàng)建樓層 064
4.3.4 3D 視圖創(chuàng)建幾何模型 066
4.3.5 2D 視圖創(chuàng)建幾何模型 071
4.3.6 創(chuàng)建復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu) 075
4.3.7 幾何對象的工作 078

第5章 消防系統(tǒng)建模 084
5.1 火災(zāi)探測設(shè)備 084
5.1.1 感煙探測設(shè)備簡介 084
5.1.2 感煙探測器模型 085
5.1.3 創(chuàng)建感煙探測設(shè)備 085
5.1.4 感溫探測設(shè)備簡介 086
5.1.5 感溫探測器模型 086
5.1.6 創(chuàng)建感溫探測設(shè)備 087
5.2 滅火系統(tǒng)建模過程 087
5.2.1 創(chuàng)建噴頭連接模型 088
5.2.2 創(chuàng)建噴頭連接 088
5.2.3 創(chuàng)建噴霧模型 089
5.2.4 創(chuàng)建干燥管 090
5.2.5 創(chuàng)建自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng) 090
5.2.6 噴嘴 091
5.3 防排煙系統(tǒng)建模過程 092
5.3.1 用HVAC 創(chuàng)建防排煙系統(tǒng) 092
5.3.2 用Supply 和Exhaust創(chuàng)建防排煙系統(tǒng) 095
5.4 聯(lián)動(dòng)控制 097
5.4.1 激活控制介紹 097
5.4.2 創(chuàng)建激活控制 098
5.5 創(chuàng)建FDS+EVAC 逃生模型 099
5.5.1 FDS+EVAC 介紹 100
5.5.2 創(chuàng)建網(wǎng)格 101
5.5.3 創(chuàng)建一個(gè)出口 101
5.5.4 添加人員 103
5.5.5 指定模擬屬性 103
5.5.6 保存模型 103
5.5.7 運(yùn)行分析 103 
5.5.8 查看結(jié)果 103

第6章 酒店火災(zāi)模擬案例 105
6.1 酒店火災(zāi)建筑模型簡介 105
6.2 酒店建筑建模過程 106
6.2.1 輸入材料與反應(yīng)數(shù)據(jù) 106
6.2.2 創(chuàng)建網(wǎng)格 106
6.2.3 指定燃燒參數(shù) 107
6.2.4 創(chuàng)建表面 107
6.2.5 導(dǎo)入CAD 圖紙 108
6.2.6 創(chuàng)建地板和墻 110
6.2.7 創(chuàng)建窗 117
6.3 添加探測系統(tǒng) 119
6.3.1 使用通風(fēng)口定義火源 119
6.3.2 定義開放邊界 120
6.3.3 設(shè)置探測器 120
6.3.4 設(shè)置水噴淋設(shè)備 122
6.3.5 設(shè)置切片 122
6.3.6 設(shè)置模擬屬性 122
6.3.7 保存并運(yùn)行 123
6.4 模擬結(jié)果 123
6.4.1 Smokeview 查看3D結(jié)果 123
6.4.2 查看時(shí)間歷史結(jié)果 125

第7章 人員疏散仿真理論基礎(chǔ) 126
7.1 疏散仿真理論模型簡介 126
7.2 元胞自動(dòng)機(jī) 128
7.2.1 元胞自動(dòng)機(jī)模型理論及建模 129
7.2.2 人員模型假設(shè) 130
7.2.3 人員疏散模型建立 130
7.3 Agent-based 模型 132
7.3.1 Agent 模型 132
7.3.2 Agent 理論的人員疏散仿真應(yīng)用 135
7.3.3 人員疏散模型 135
7.3.4 個(gè)體 136
7.3.5 路法規(guī)劃算法 137
7.4 SFPE 模式 138
7.4.1 SFPE 模式參數(shù) 138
7.4.2 速度 138
7.4.3 通過門 140
7.4.4 碰撞處理/響應(yīng) 140
7.5 Steering 模式 141
7.5.1 速度 141
7.5.2 加速度 141
7.5.3 人員密度估計(jì) 141
7.5.4 Steering 142
7.5.5 評估運(yùn)動(dòng) 145
7.5.6 人員狀態(tài) 146
7.5.7 優(yōu)先級 147
7.5.8 解決運(yùn)動(dòng)沖突 147
7.5.9 避免碰撞/響應(yīng) 148
7.5.10 穿過門 149
7.6 人員疏散模擬軟件簡介 149
7.6.1 Pathfinder 149
7.6.2 STEPS 151
7.6.3 Building EXODUS 152
7.6.4 SIMULEX 153

第8章 Pathfinder 模擬軟件 157
8.1 軟件界面 157
8.1.1 圖形用戶界面 157
8.1.2 視圖 158
8.2 建筑模擬建模 165
8.2.1 創(chuàng)造運(yùn)動(dòng)空間 165
8.2.2 導(dǎo)入文件 183
8.2.3 編輯和復(fù)制對象 200
8.3 人群建模 205
8.3.1 人員檔案 205
8.3.2 運(yùn)輸工具形狀 212
8.3.3 行為 214
8.4 疏散行為模擬 222
8.4.1 救援流程概述 222
8.4.2 準(zhǔn)備被施救者 223
8.4.3 準(zhǔn)備救援人員 223
8.4.4 準(zhǔn)備團(tuán)隊(duì) 223
8.4.5 人員分組 224
8.5 模擬與結(jié)果分析 226
8.5.1 模型分析 226
8.5.2 模擬 227
8.5.3 結(jié)果 232

第9章 酒店人員疏散模擬案例 238
9.1 模型創(chuàng)建過程 238
9.2 人員參數(shù)建模 251
9.3 模擬結(jié)果 253

參考文獻(xiàn) 255