當天火勢發生後冒出陣陣煙霧，所幸發現即時，火勢迅速控制，但起火處牆壁被燻黑留下明顯痕跡，水上警分局組成專案小組偵辦，當天剛好是燈會閉幕日，人潮擁擠，犯嫌步行前來，到地下停車場2號出口處，在樓梯間潑灑汽油點燃雜物，隨即消失在人群中，增加查緝難度。
在調閱相關監視器畫面仔細檢視後，總算找到線索，發現燈會期間擔任清潔工的詹姓男子涉有重嫌，警方又找到事發當天，詹男拿寶特瓶到加油站購買汽油的畫面，證據確鑿，19日晚間北上台中西屯區，將詹男拘捕到案。
警方調查，詹男在燈會期間曾借給同為清潔工的女同事300元，但對方直到燈會最後一天都沒有歸還，疑似心生不忿才縱火，但詹男對過程細節交代不清，後來又說是一時興起，家屬則稱詹男平日情緒不穩，但並未領有精神障礙手冊，警詢後依公共危險罪送辦。
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