葉 建，李艷偉

(沈陽航空航天大學(xué)安全工程學(xué)院，沈陽110136)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全國各地大型、超大型建筑不斷增多，各類結(jié)構(gòu)新穎的體育館類建筑不斷涌現(xiàn)。由于現(xiàn)代建筑技術(shù)的不斷發(fā)展以及廣大人民對(duì)體育熱情的不斷高漲，現(xiàn)代體育館建筑與以往體育館類建筑主要存在兩方面變化，一是規(guī)模日趨增大。體育場館要舉辦體育賽事，由于其功能需要，現(xiàn)代體育館往往是大跨度、大空間形式;二是功能多樣化。隨著人民生活水平的不斷提高，現(xiàn)代體育館除了正常的體育賽事在體育館館內(nèi)舉行之外，一些較大型的展覽及文藝演出等活動(dòng)也經(jīng)常在體育館內(nèi)舉行［1］。但由于各種因素的制約，這些文體娛樂活動(dòng)的舉辦在消防安全上不同程度地存在著火災(zāi)隱患和不安全問題。如2010年杭州黃龍?bào)w育館在舉辦演唱會(huì)過程中，因用電超負(fù)荷，導(dǎo)致空調(diào)過熱引燃電器發(fā)生火災(zāi)［2］。

體育場館類建筑屬于人員密集的大型公共場所，其潛在火災(zāi)隱患較多，一旦發(fā)生火災(zāi)，將可能造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此，分析體育場館的火災(zāi)危險(xiǎn)性，合理確定火災(zāi)類型以及火災(zāi)荷載，分析和模擬火災(zāi)發(fā)生后對(duì)建筑、人員等各方面的影響，研究人員在該類建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)的安全性，確保建筑結(jié)構(gòu)的安全性，具有十分重要的意義［3］。

1 工程概況

某體育館共設(shè)置5800多座椅，包括固定座椅3500座、活動(dòng)座椅2300座、貴賓席以及殘疾人座椅。體育館建筑高度為32.5m，大空間跨度為77.10m，屋頂鋼結(jié)構(gòu)采用空間桁架與網(wǎng)架混合體系。體育館設(shè)計(jì)耐火等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為50年，為乙級(jí)體育館。

該體育館比賽大廳、觀眾區(qū)劃分成一個(gè)防火分區(qū)，面積約7100平方米。《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB50016 －2006)第5.1.7 條規(guī)定:當(dāng)建筑耐火等級(jí)為一、二級(jí)時(shí)，且設(shè)置自動(dòng)滅火系統(tǒng)時(shí)，防火分區(qū)最大允許面積為5000平方米［4］。雖然規(guī)范中說明體育館防火分區(qū)可以適當(dāng)放寬，但規(guī)范中未明確給出允許放寬的幅度和條件，這給設(shè)計(jì)帶來了困難。

2 建筑火災(zāi)煙氣模擬

該體育館比賽大廳、觀眾席從空間上構(gòu)成了一個(gè)連續(xù)的整體，從煙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，采用分區(qū)排煙是最有效的;考慮到觀眾視線、結(jié)構(gòu)美觀等因素，整個(gè)共享空間難以分隔，這樣只能對(duì)整個(gè)大空間作為一個(gè)整體考慮，進(jìn)行排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)。然而，該共享空間的體積達(dá)到了170000m3，如果按《高層民用建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于中庭的要求，其需要的排煙量為680000m3/h。如此巨大的排煙量，給設(shè)計(jì)和施工都帶來一定困難，且其成本較高，加之該體育館屋頂蓄煙能力較強(qiáng)，因此針對(duì)本體育館排煙系統(tǒng)采用性能化設(shè)計(jì)，以提供一個(gè)切實(shí)可行的排煙方案。

2.1 火災(zāi)場景設(shè)計(jì)

體育館屬于公共場所，參考《上海市建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定，無噴淋的公共場所火源熱釋放速率為8MW，考慮“可信最不利”情況，假設(shè)體育館大空間自動(dòng)滅火系統(tǒng)失效，設(shè)定比賽場地中央為8MW的快速火。根據(jù)煙氣理論，火源底部與煙氣層的距離越大煙氣卷吸越大，比賽場地是整個(gè)區(qū)域最低處，故比賽大廳中央的煙氣卷吸量最大。綜上，以發(fā)生在比賽大廳中央的8MW快速火作為排煙設(shè)計(jì)方案之一。

根據(jù)NFPA101，清晰高度定為比觀眾所能夠停留的最高位置高2m［5］。體育館內(nèi)觀眾停留的最高點(diǎn)為看臺(tái)最高處座椅在16.5m，則清晰高度為18.5m。參考 NFPA92B計(jì)算的排煙量為588800m3/h［6］。

對(duì)防火分區(qū)面積超規(guī)問題，分別在觀眾座椅區(qū)和首層賽場中心部位設(shè)置了3個(gè)火災(zāi)場景，以考察該位置發(fā)生火災(zāi)時(shí)，建筑內(nèi)火災(zāi)及煙氣蔓延規(guī)律，同時(shí)分析發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員的安全逃生概率。其中對(duì)比賽大廳發(fā)生火災(zāi)的場景分別采用不同排煙量進(jìn)行模擬分析，確定可接受的排煙方案，火災(zāi)場景方案如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)火災(zāi)場景

2.2 火災(zāi)煙氣模擬與分析

該案例中采用pyrosim軟件針對(duì)不同火災(zāi)場景建立模型，然后采用常用的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)場模擬軟件Fire Dynamic Simulator(FDS)對(duì)設(shè)定的火災(zāi)場景進(jìn)行火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)模擬計(jì)算。主要分析各場景中熱煙氣溫度、有毒氣體濃度以及火場能見度等參數(shù)，為判定人員疏散安全性提供依據(jù)。

2.2.1 煙氣蔓延危害性分析

工況一、工況二、工況三主要研究不同排煙量情況下的排煙效率，期望在滿足消防安全目標(biāo)的前提下盡可能的減小排煙量，來降低工程成本。表2分別為在3個(gè)工況下300s和600s時(shí)煙氣分布情況。

圖1 體育館FDS模型

從表2中可看出，在300s時(shí)，3個(gè)工況中煙氣層底部距最高點(diǎn)座椅距離較大，不會(huì)影響到最高層看臺(tái)觀眾人員疏散。由于除排煙量外的其他邊界條件一致，火源功率都為8MW，火場的前期發(fā)展勢(shì)態(tài)基本相同，由于前期火災(zāi)處于發(fā)展階段，煙氣產(chǎn)生量較小;且該體育館屋頂最高達(dá)32m，而排煙設(shè)施設(shè)置在22m高度處，導(dǎo)致頂部聚集的煙氣不能完全排出。在600s時(shí)，由于工況一和工況二排煙量相差不大，導(dǎo)致2個(gè)工況煙氣層厚度沒明顯區(qū)別，前2個(gè)工況排煙量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工況三的排煙量，故工況三煙氣層下降較快，在600s時(shí)，工況三的煙氣層下降到最高座椅以下，這可能危害到人員疏散。

表2 3個(gè)工況300s和600s煙氣分布情況

2.2.2 體育館能見度、熱煙氣溫度、有毒氣體濃度危害性分析

該體育館觀眾席和比賽場地為一個(gè)整體的共享空間，發(fā)生火災(zāi)后，煙氣迅速向上蔓延，達(dá)到頂棚后再向下沉降，故該體育館最危險(xiǎn)位置為觀眾席最高位置的座椅，考慮最不利情況，認(rèn)為煙氣危害到最高座椅處人員時(shí)間為疏散可用時(shí)間。所以本案例中在最高處座椅相對(duì)高度2m處設(shè)置測點(diǎn)，圖2～圖4為3個(gè)工況測點(diǎn)位置溫度、能見度以及CO濃度的變化曲線。

圖2 最高位置座椅相對(duì)高度2m處溫度變化曲線

圖3 最高位置座椅相對(duì)高度2m處能見度變化曲線

圖4 最高位置座椅相對(duì)高度2m處CO變化曲線

從圖2～圖4可看出，工況一和工況二中監(jiān)測點(diǎn)溫度、能見度以及CO濃度變化趨勢(shì)基本一致，只是在后期有所差異，兩工況溫度、能見度及CO濃度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于危險(xiǎn)臨界值。這不會(huì)對(duì)人員疏散造成影響。工況三相對(duì)前兩個(gè)工況有較大差別，其測點(diǎn)溫度在350s后開始上升，但在整個(gè)模擬的700s內(nèi)未超過危險(xiǎn)臨界值。工況三由于后期排煙量較小，其煙氣層下降較快，圖3也顯示出工況三測點(diǎn)能見度在550s后急劇下降，在600s時(shí)，其能見度低于10m，超過危險(xiǎn)臨界值，這會(huì)危害到人員疏散。圖4表明工況三的CO濃度雖明顯高于前2個(gè)工況，但未超過危險(xiǎn)臨界值。

2.2.3 可用疏散時(shí)間確定

人員安全疏散的判定準(zhǔn)則是從火災(zāi)發(fā)生到危險(xiǎn)狀態(tài)的時(shí)間(ASET)是否大于從火災(zāi)發(fā)生到建筑物內(nèi)人員全部疏散完畢的時(shí)間(RSET)，對(duì)于人員可用安全疏散時(shí)間(ASET)，主要通過對(duì)人員對(duì)煙氣層高度、溫度、空間能見度等耐受性指標(biāo)隨火災(zāi)發(fā)展的空間、時(shí)間變化情況決定［7］。

該案例中各場景的可用疏散時(shí)間(ASET)如下表所示。

表3 可用疏散時(shí)間(ASET)

3 人員疏散模擬分析

該體育館共設(shè)置5800座椅，分為3個(gè)部分，包括上層固定座椅、下層固定座椅和下層活動(dòng)座椅，坐席沿比賽場地四面均勻布置。為了研究體育館人員疏散安全性問題，通過分析體育館的總體建筑特點(diǎn)、人員數(shù)量及其分布特色，重點(diǎn)評(píng)估坐席區(qū)的人員安全疏散，考察在突發(fā)情況下，其疏散設(shè)施能否滿足人員安全疏散目標(biāo)。

初始設(shè)計(jì)中，體育館采用上層看臺(tái)下行疏散方式，下層固定座椅區(qū)和活動(dòng)座椅區(qū)采用上行疏散方式，觀眾通過12個(gè)樓梯口疏散至5.4m標(biāo)高的觀眾休息大廳，然后疏散至室外安全區(qū)域，如圖5所示。

圖5 原疏散方案

通過分析體育館的然人員分布狀況、疏散出口位置、疏散出口寬度等參數(shù)得到原疏散方案中由于人員全部通過二層平臺(tái)疏散至室外，可能導(dǎo)致人員在二層疏散出口發(fā)生擁堵，延長整體疏散時(shí)間，人員危險(xiǎn)性增大。

為了達(dá)到消防安全目標(biāo)，我們對(duì)原設(shè)計(jì)方案中的下層活動(dòng)座椅的人員疏散采用通過一層比賽大廳疏散至室外，減少二層疏散人數(shù)，縮短整體疏散時(shí)間。優(yōu)化疏散方案如圖6所示。

圖6 優(yōu)化疏散方案

由于體育館內(nèi)空間相對(duì)較大，人員視野較為開闊，且一般處于清醒狀態(tài)，因此，將火災(zāi)報(bào)警時(shí)間設(shè)為60s，人員響應(yīng)時(shí)間設(shè)為60s。案例中的人員疏散時(shí)間采用pathfinder疏散軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，其模型如下。

圖7 體育館疏散模型

通過疏散軟件pathfinder對(duì)兩個(gè)場景分別模擬分析，由于模擬是建立在一系列假設(shè)條件下，這與實(shí)際發(fā)生火災(zāi)時(shí)的情況有一定差距。因此，在計(jì)算疏散行動(dòng)時(shí)間時(shí)考慮了一定的安全系數(shù)(安全系數(shù)取1.5)［8］，以彌補(bǔ)這些不確定性因素所帶來的影響，其疏散時(shí)間如表4所示。

從表4中可看出，原設(shè)計(jì)的疏散方案，其疏散所需時(shí)間大大長于優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案，且優(yōu)化后的疏散方案能保證3個(gè)火災(zāi)場景安全疏散至室外，故建議該體育館采用方案二進(jìn)行人員疏散。

4 排煙系統(tǒng)及人員疏散方案確定

由于該體育館為高大空間結(jié)構(gòu)，其高大的頂棚提供了較長的煙氣蓄積時(shí)間，從而使得其煙氣層在短時(shí)間內(nèi)難以下降至危險(xiǎn)高度，提供了充分的人員逃生時(shí)間。經(jīng)CFD模擬驗(yàn)證，該體育館觀眾席及比賽大廳采用一體排煙系統(tǒng)，在22m處桁架上均勻設(shè)置16個(gè)排煙口，總排煙量為300000m3/h，當(dāng)采用優(yōu)化疏散方案S2時(shí)，該排煙量能達(dá)到其消防安全目標(biāo)，保證人員的安全疏散。

表4 各場景ASET與RSET對(duì)比

5 結(jié)論

(1)由于現(xiàn)代體育館空間體積增加，大空間屋頂蓄煙能力較強(qiáng)，降低了對(duì)排煙系統(tǒng)要求，也減小了煙氣對(duì)人員安全疏散危害的影響;

(2)針對(duì)防火分區(qū)擴(kuò)大問題，通過CFD模擬，分析熱煙氣對(duì)人員疏散的危害性，結(jié)合人員疏散模擬，確定合理可行的排煙方案;

(3)通過計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化疏散方案，加之適當(dāng)?shù)氖枭⒅甘炯耙龑?dǎo)，在發(fā)生火災(zāi)后，可以有效縮短必要疏散時(shí)間，能確保人員及時(shí)疏散至安全區(qū)域。

［1］王國文.體育館疏散模擬優(yōu)化研究［D］.沈陽:沈陽航空航天大學(xué)，2011.

［2］王冬，王愛平，周冬林.從大型體育場館的建筑特點(diǎn)探討其火災(zāi)危險(xiǎn)性及防范對(duì)策［J］.消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2003(11):7－8.

［3］羅暉.大型體育館消防安全設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用［J］.消防技術(shù)及科學(xué)，2011，9(30):786 －790.

［4］GB50016－2006，建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范［S］.

［5］NFPA.NFPA 101 － 2006.Life Safety Code.National Fire Protection Association.

［6］NFPA.NFPA92B Guide for smoke management systems in malls，atria，and large areas［S］.USA:National Fire Protection Association，2000.

［7］李引擎.建筑性能化防火設(shè)計(jì)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版，2005.

［8］張鶯.體育場館建筑設(shè)計(jì)中的疏散設(shè)計(jì)研究［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2007.