薛元杰 周建新

1.首都經濟貿易大學安全與環(huán)境工程學院 2.中國安全生產科學研究院

1 研究對象及場景介紹

1.1 研究對象概況

本課題選擇呼倫貝爾市阿榮旗“熙和國際”居民住宅樓作為研究對象，該住宅樓共有七層，單層高度為3m，每層兩室住戶，各層房間格局相同，住宅樓中間樓梯間為唯一的疏散通道。經過必要的近似和簡化過程，本文所建的室內模型由兩個臥室、一個廚房、一個衛(wèi)生間和一個客廳所組成。隱藏遮擋部分的單層實體模型，如圖1。

1.2 火災場景設計

圖1 起火樓層實體模型

為了使模擬結果合理、全面并能充分的體現(xiàn)居民樓火災特征，本文將著火房間設置在整棟居民樓的第三層。居民樓內最常見的起火原因是電器的老化和使用不當所致，所以本文將起火設置在廚房里側，火源起因為電線短路引燃廚房內某易燃物品起火，假設起火時所有的門均為開啟狀態(tài)，火災煙氣可以直接擴散到樓梯間和其他各房間內。為了反映現(xiàn)實場景，在室內添置了床、沙發(fā)和櫥柜，且將頂棚和外墻面設置為半透明，以便于觀察室內燃燒現(xiàn)象。

2 研究方法

本文利用Fire Dynamics Simulator（火災動力模擬，簡稱FDS)軟件對居民樓火災發(fā)展概況進行全真模擬，F(xiàn)DS由美國國家標準局建筑火災研究實驗室開發(fā)的基于場模擬的火災模擬軟件，主要目的是解決消防安全工程中的典型火災問題，在火災安全工程領域中應用十分廣泛。

本文設定模型計算區(qū)域為11.4m×12.4m×21.0m，房間內環(huán)境溫度為22℃，模擬時間為900s，可燃材料為以聚亞氨脂為主，根據(jù)火場實際情況并考慮計算的效率和精度最終劃分網格100×108×200=2160000個，網格參數(shù)，見表1。

表1 網格參數(shù)

3 居民樓數(shù)值模擬結果及分析

3.1 煙氣擴散過程

根據(jù)煙氣運動的模擬過程可以看出，廚房內物質著火后，煙氣自著火點向外蔓延，受到周圍墻體的阻擋和冷卻，逐漸沿墻向下流動。在56s時，煙氣基本上彌漫了整個廚房的上空，250s左后開始向樓梯間擴散，443.3s時煙氣已經充滿整個室內，且已開始蔓延到四層住戶的房間，900s計算結束時，煙氣已經充滿除一層外的整個樓梯間以及三層和四層的全部住戶房內。圖2可以清楚的看到各種狀態(tài)下的切面。

3.2 火災煙氣不同參數(shù)的影響分析

火災中影響人員安全疏散的定量參數(shù)包括煙氣層高度、輻射熱、對流熱、毒性和能見度等。本文主要從能見度、溫度、CO濃度這三個方面來分析居民樓火災可能造成的影響。

3.2.1 能見度分析

圖2 不同時刻不同位置的煙氣動態(tài)

根據(jù)《建筑防火工程》中規(guī)定，對建筑物不熟悉的人群能見度應達到13m，對建筑熟悉的人群能見度也要到達5m。根據(jù)模擬發(fā)現(xiàn)266s房間三層房門處的能見度切面，雖然此時兩個臥室和廚房的能見度依然高于25m，但整個客廳的能見度已經變得非常低，但為了避免吸入大量煙氣，還是需要彎腰或匍匐逃出。

3.2.2 煙氣溫度變化分析

本文將對人體造成直接傷害的煙氣的臨界溫度取為120℃，主要對房間內1.5m處的溫度變化趨勢進行分析。400s時，室內各房間出口處1.5m高度的溫度逐步逼近，基本到了逃生的最后關頭。667.8s時，廚房溫度達到最高，廚房發(fā)生轟然，整個廚房都在燃燒，此時房間內的人員是最危險的，如果在此之前沒有撤離將有生命危險。

3.2.3 煙氣中CO濃度變化分析

當界面低于人眼特征高度時, 還可以根據(jù)某種有害燃燒產物的臨界濃度判定是否達到了危險狀態(tài), 例如當CO濃度達到2500ppm即時，就可對人構成嚴重危害[2]。555.2s時整個室內各門截面和客廳的1.5m高度處的CO濃度都已達到2500ppm以上，此時如果室內還有人將有生命危險。900s計算結束時，整個室內CO濃度達到4000ppm以上，蔓延到四層的煙氣中CO濃度最高也達到了3000ppm，如果人處在這樣的環(huán)境中不能及時離開，就可能會中毒、窒息甚至死亡。

4 居民樓火災的疏散分析

在消防安全工程分析中，一般將人員的消防安全疏散過程大致分為察覺火災、疏散行為準備、逃生行動、到達安全區(qū)域等階段。而從火災發(fā)生至火災發(fā)展到對人體構成危險所需的時間大致可由可燃物被點燃以及火災發(fā)展到圖3[3]所示危險狀態(tài)的時間構成[4]。

圖3 人員疏散時間示意圖

有效安全疏散時間ASET是指從起火的時刻到火災對人構成危險的時刻的時間間隔，即危險到來時間。從起火到人員成功撤離危險區(qū)域所需的時間為必需疏散時間RSET，也即疏散時間。保證人員安全疏散的基本條件是：

受多方面因素的影響，RSET主要與火災報警時間以及火災時的人員行為等因素有關，一般由四個部分組成[6]：

式中：

tde—火災探測時間，s；

talarm—火災報警時間，s；

tpre—疏散準備時間，s；

tmove—人員運動時間，s

tb—起火到室內人員察覺時間，s；

tc—疏散準備所用時間，s；

ts—疏散到安全地帶事件，s。

對于RSET，多側重于人員運動時間的計算，研究人員在疏散路線上的運動情況[7-8]。根據(jù)本模擬的居民樓的實際情況，人員必須疏散時間的計算可簡化為：

式中：

t0—人員響應時間，s；

tmove—人員運動時間，s。

考慮到室內人員的最短逃生距離，依據(jù)人員行走速度統(tǒng)計量表，下樓梯行走時間、速度等標準參數(shù)，以及各房間內不同人員疏散的運動時間[9]，得到房間內不同人員疏散的運動時間 （s），見表2、3。

表2 各房間內不同人員疏散的運動時間（s）

表3 每個樓層不同人員的下樓時間（s）

由于三層著火房間的火災危險性最大、可逃生時間最短，以三層房間為例，由公式3最終得出保證三層房間內人員撤離所必須的疏散時間為：

在本文的模擬中，采用可見度、溫度、CO濃度作為火災到達危險狀態(tài)的判據(jù)，通過查閱大量的文獻，并考慮本文所模擬的居民樓的實際情況，設定危險來臨時刻判據(jù)指標，見表4。

表4 危險來臨時刻判據(jù)指標

在火災中，這三種危險條件哪一個先達到就采取哪一個作為判斷依據(jù)，由于三層著火房間的火災危險性最大、可逃生時間最短，所以只需要計算三層房間內人員的可用安全疏散時間。從FDS模擬的結果可以看出：房間內煙氣能見度達到危險狀態(tài)時所需的最短時間為334.8s，房間內煙氣溫度達到危險狀態(tài)時所需的最短時間為347.2s，房間內煙氣中CO濃度達到危險狀態(tài)時所需的最短時間為552.2s。

若要滿足公式1的人員安全疏散的基本條件，即ASET＞RSET，則根據(jù)公式4計算出人員響應時間不能超過201s，也就是說只有在火災發(fā)生201s內發(fā)現(xiàn)火災并開始疏散，才能保證人員的安全。

5 結論

利用FDS數(shù)值模擬的方法建立了呼倫貝爾市阿榮旗“熙和國際”居民住宅樓的火災發(fā)展模型，并對火災過程及人員疏散進行了深入的分析。最終可以得出以下結論：

（1）從計算和模擬結果來看，若不考慮特殊情況，則在居民樓火災危險狀態(tài)來臨前，居民樓內的人員可以全部安全疏散，并且從火災發(fā)生到人員撤離有201s的響應時間，在正常狀態(tài)下，足夠樓內的人員疏散到安全地點。

（2）通過對居民樓火災煙氣的模擬，可以發(fā)現(xiàn)，房間內煙氣能見度達到危險狀態(tài)時所需的最短時間為334.8s，房間內煙氣溫度達到危險狀態(tài)時所需的最短時間為347.2s，房間內煙氣中CO濃度達到危險狀態(tài)時所需的最短時間為552.2s。從而可以說明火災煙氣能見度對人員疏散的影響要大于煙氣溫度和煙氣中CO濃度對人員疏散的影響。整個過程中受到火災影響最大的是其上層房間以及隔壁房間。

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