趙文浩

(煙臺(tái)市消防支隊(duì)，山東 煙臺(tái)　264000)

?

大型地下超市人員疏散模擬研究

趙文浩

(煙臺(tái)市消防支隊(duì)，山東 煙臺(tái)264000)

運(yùn)用火災(zāi)場(chǎng)模擬軟件FDS以及疏散模擬軟件PathFinder對(duì)某大型地下超市進(jìn)行火災(zāi)情況下人員疏散模擬研究。依據(jù)相關(guān)要求設(shè)置火災(zāi)場(chǎng)景，進(jìn)行模擬，得出該超市在火災(zāi)情況下的能見(jiàn)度、溫度、CO濃度達(dá)到人體耐受極限的時(shí)間，確定可用疏散時(shí)間。在疏散模擬中，根據(jù)相關(guān)規(guī)定以及實(shí)際情況設(shè)置疏散參數(shù)，確定必需疏散時(shí)間,得出該超市在緊急情況下人員可全部安全疏散的結(jié)論，并針對(duì)該超市安全度較低的情況提出了建議。

地下超市；火災(zāi)數(shù)值模擬；人員疏散

0　引言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展進(jìn)步，大型地下超市正在逐漸興起，其具有以下特點(diǎn)：(1)多為大空間結(jié)構(gòu)，營(yíng)業(yè)部分面積大；(2)無(wú)直接對(duì)外開口；(3)節(jié)假日會(huì)出現(xiàn)購(gòu)物者高度集中的現(xiàn)象，人員密度大；(4)商品及裝飾品多數(shù)為可燃物。所以大型地下超市一旦發(fā)生火災(zāi)，極易蔓延，產(chǎn)生的煙氣會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生極大的危害，所以超市內(nèi)的人員能否在可用安全疏散時(shí)間內(nèi)疏散到安全地點(diǎn)極其重要。針對(duì)上述問(wèn)題，本文以某大型地下超市為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)相應(yīng)的火災(zāi)場(chǎng)景，運(yùn)用數(shù)值模擬方法進(jìn)行火災(zāi)情況下人員安全疏散的研究。

1　超市概況

該超市位于某大型商業(yè)綜合體建筑地下一層，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，總建筑面積9 061 m2，層高5.8 m，共劃分為7個(gè)防火分區(qū)。圖1中顯示了超市整體布局情況，包括入口位置、樓梯位置以及貨物擺放等情況。超市內(nèi)的可燃物主要包括衣服、紙類產(chǎn)品、酒類產(chǎn)品，以及貨架、容納商品的紙箱、促銷活動(dòng)時(shí)的裝飾品等。

圖1　超市平面示意圖

2　可用安全疏散時(shí)間的確定

2.1模型的建立

依據(jù)該地下超市的CAD圖紙，包括建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)、防火卷簾、防火門、排煙補(bǔ)風(fēng)口等位置，建立超市的計(jì)算模型。圖2為基于CAD圖紙?jiān)贔DS環(huán)境中建立的模型整體概況圖。

圖2　FDS模型平面圖

2.2火災(zāi)場(chǎng)景的確定

火災(zāi)場(chǎng)景為對(duì)某特定火災(zāi)類型從引燃時(shí)刻或者從某個(gè)設(shè)定狀態(tài)燃燒到火災(zāi)熱釋放速率增長(zhǎng)峰值的描述，同時(shí)還包括對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)特性及預(yù)計(jì)火災(zāi)所導(dǎo)致危害的說(shuō)明。具體火災(zāi)場(chǎng)景的確定，需要對(duì)多方面因素進(jìn)行綜合考慮，其中包括建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和平面布局、使用性質(zhì)、所包含可燃物特點(diǎn)以及安裝的消防設(shè)施情況等[1]。

2.2.1火災(zāi)增長(zhǎng)速率的確定

建筑物的火災(zāi)危險(xiǎn)性可通過(guò)火災(zāi)增長(zhǎng)速率衡量，其中纖維類火災(zāi)增長(zhǎng)曲線可用t2火模型表征。按照火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)α的數(shù)值大小，t2火可分為慢速火、中速火、快速火和超快速火。超市內(nèi)的可燃物種類多，各商品的擺放方式不一致，目前缺乏該類型場(chǎng)所的詳細(xì)火災(zāi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。根據(jù)相關(guān)研究資料，考慮到超市內(nèi)所包括的具體可燃物的燃燒特性及蔓延特性，多數(shù)商品的火災(zāi)危險(xiǎn)性不會(huì)高于服裝類商品的火災(zāi)危險(xiǎn)性，因此選取服裝為該超市典型可燃物。根據(jù)公安部天津消防科研所對(duì)服裝火災(zāi)試驗(yàn)研究結(jié)果，可認(rèn)為超市內(nèi)火災(zāi)類型為t2快速火[2]。

2.2.2火災(zāi)最大熱釋放速率的確定

確定某一特定類型火災(zāi)最大熱釋放速率的理想做法是進(jìn)行實(shí)體燃燒試驗(yàn)測(cè)定，但是成本過(guò)高，不易實(shí)現(xiàn)，一般可通過(guò)(1)式計(jì)算火災(zāi)熱釋放速率。

(1)

式中，Q為火災(zāi)熱釋放速率，kW；α為火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)，kW·s-2；t為時(shí)間，s。

該超市設(shè)有濕式自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)，火災(zāi)場(chǎng)景考慮受自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)控制的火災(zāi)。通常認(rèn)為，自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)啟動(dòng)一段時(shí)間后火災(zāi)熱釋放速率不再增加，并維持一段時(shí)間后逐漸衰減。自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的動(dòng)作時(shí)間可通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件DETACT-T2確定。所需計(jì)算參數(shù)為：火源處頂棚高度5.8 m，灑水噴頭的響應(yīng)時(shí)間指數(shù)50 (m·s)1/2，灑水噴頭動(dòng)作溫度68 ℃，噴頭距火源中軸線距離2.5 m，環(huán)境溫度20 ℃，火災(zāi)初期增長(zhǎng)系數(shù)α=0.046 89 kW·s-2。經(jīng)計(jì)算可得出噴頭啟動(dòng)時(shí)間為156 s，利用公式(1)可計(jì)算出自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的火災(zāi)熱釋放速率為1 141 kW，在此基礎(chǔ)上考慮不小于1.5倍安全系數(shù)，最終得到火災(zāi)熱釋放速率為1.8 MW。

2.2.3火源位置的確定

進(jìn)行具體火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)置時(shí)，基于建筑物空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及平面布局，考慮火災(zāi)可能規(guī)模大小、疏散出口分布情況、可燃物分布情況、煙控措施等因素，最終確定火源位置。綜合考慮以上因素，模擬中設(shè)置火源位于超市中部針織品區(qū)。

2.3火災(zāi)模擬結(jié)果分析

火災(zāi)煙氣的熱作用和毒性會(huì)對(duì)人員的生命健康產(chǎn)生危害，且煙氣聚集會(huì)造成能見(jiàn)度下降，對(duì)人員安全疏散產(chǎn)生不利影響。因此通常從火災(zāi)煙氣特性角度分析火災(zāi)時(shí)人員疏散情況，確定可用疏散時(shí)間，主要對(duì)煙氣層高度、溫度、有毒氣體濃度、能見(jiàn)度這4個(gè)因素隨時(shí)間變化情況進(jìn)行分析。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)目標(biāo)是保證危險(xiǎn)來(lái)臨時(shí)間大于人員安全疏散時(shí)間，根據(jù)《建設(shè)工程性能化消防設(shè)計(jì)與評(píng)估導(dǎo)則》中相關(guān)規(guī)定，設(shè)置危險(xiǎn)高度為2 m，安全判據(jù)為：能見(jiàn)度≥5 m，煙氣溫度≤60 ℃，CO濃度≤500 ppm，判定標(biāo)準(zhǔn)均指安全高度以下空間內(nèi)各指標(biāo)值。模擬結(jié)果顯示，該超市在危險(xiǎn)高度2 m處能見(jiàn)度下降比較迅速，在500 s時(shí)大部分區(qū)域的能見(jiàn)度可以保證在5 m以上，隨著火災(zāi)的發(fā)展蔓延，能見(jiàn)度繼續(xù)下降，在700 s時(shí)大部分區(qū)域能見(jiàn)度均小于5 m，人員無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行疏散。另外，模擬中在火源處以及各疏散樓梯處均在高度為2 m處設(shè)置溫度探測(cè)元件，對(duì)不同時(shí)刻的溫度進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)FDS模擬結(jié)果，在661 s時(shí)大部分區(qū)域以及大部分疏散出口處的溫度均大于人體耐受極限。在模擬過(guò)程中，CO濃度在安全范圍內(nèi)。根據(jù)以上分析，可用安全疏散時(shí)間為661 s。

3　人員必需疏散時(shí)間的確定

3.1疏散參數(shù)的確定

《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[3]對(duì)商店建筑疏散人數(shù)計(jì)算方法及換算系數(shù)和面積折算值的具體取值要求有詳細(xì)規(guī)定，該超市位于地下一層，按照規(guī)范要求，計(jì)算疏散人數(shù)時(shí)換算系數(shù)應(yīng)取0.6，最終計(jì)算得到疏散人數(shù)為3 365人。由于該地下超市附屬于大型商業(yè)綜合體建筑，在人員類型組成上不能只按照一般超市類建筑考慮，應(yīng)考慮大型商業(yè)綜合體建筑中人員類型情況?？紤]到建筑性質(zhì)及使用功能，可認(rèn)為人員類型主要包括成年男士、成年女士、兒童和老者。各人員類型組成數(shù)值比例可參照國(guó)際通用的一般公共娛樂(lè)建筑場(chǎng)所的推薦比例數(shù)值，其中成年男士占40%，成年女士占40%，兒童占10%，老者占10%。

疏散出口的有效寬度通過(guò)疏散出口寬度減去有效寬度折減值進(jìn)行計(jì)算。有效寬度折減值的定義是人在通過(guò)疏散走道或疏散門時(shí)與走道或者門邊緣所保持的習(xí)慣性距離?！断拦こ淌謨?cè)》中總結(jié)了常見(jiàn)通道類型的有效寬度折減值，其中樓梯、墻壁處為15 cm，扶手處為9 cm，走廊處為20 cm，大門處為15 cm?？筛鶕?jù)以上數(shù)值對(duì)各疏散出口的有效疏散寬度進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而建立人員疏散模型。該超市安全出口與疏散樓梯設(shè)置布局情況見(jiàn)圖1。

必需疏散時(shí)間為報(bào)警時(shí)間、人員響應(yīng)時(shí)間和疏散行走時(shí)間三者相加之和。該超市內(nèi)安裝有火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，可認(rèn)為報(bào)警時(shí)間為60 s。該超市內(nèi)安裝有聲音廣播系統(tǒng)，可認(rèn)為人員響應(yīng)時(shí)間為120 s。人員疏散行走時(shí)間通過(guò)設(shè)計(jì)疏散場(chǎng)景進(jìn)行數(shù)值模擬確定。

3.2疏散場(chǎng)景分析

設(shè)計(jì)疏散場(chǎng)景的原則為考慮發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員安全疏散的最不利情況，一般設(shè)計(jì)火源在某一疏散出口附近，使人員不能通過(guò)該出口進(jìn)行疏散。該超市包含多個(gè)防火分區(qū)，存在多個(gè)出口共用一部疏散樓梯的情況，即使發(fā)生火災(zāi)，其他防火分區(qū)也可利用火源附近疏散樓梯的不同出口進(jìn)行疏散，故設(shè)置為火災(zāi)時(shí)火源附近通向疏散樓梯的出口不可用。根據(jù)上文設(shè)置的火災(zāi)場(chǎng)景，在設(shè)置疏散場(chǎng)景時(shí)將疏散樓梯6與疏散樓梯7的出口封堵，不能用于人員疏散。

3.3疏散行走時(shí)間的確定

采用ThunderHead Engineering的疏散軟件PathFinder 2009.2進(jìn)行疏散模擬分析。該軟件可實(shí)現(xiàn)CAD圖紙導(dǎo)入建模，建立模型簡(jiǎn)潔直觀，可看到人員疏散過(guò)程。在PathFinder中利用該超市總平面CAD圖紙進(jìn)行基礎(chǔ)建模，并將之前確定的疏散場(chǎng)景中各項(xiàng)條件代入模型，建立疏散模型，進(jìn)行模擬分析，觀察疏散過(guò)程。圖3、圖4為模擬疏散過(guò)程中疏散總?cè)藬?shù)及疏散人流量隨時(shí)間變化情況。由圖可得，人員于報(bào)警后開始進(jìn)行疏散，疏散人流量隨時(shí)間呈上升趨勢(shì)，在150 s，人員疏散流量達(dá)到峰值，而后樓梯間入口處人員擁堵導(dǎo)致滯留，疏散過(guò)程不暢，疏散人流量呈下降趨勢(shì)，疏散時(shí)間有所延遲。

圖3　疏散總?cè)藬?shù)隨時(shí)間變化情況

圖4　疏散人流量隨時(shí)間變化情況

由于該超市所有樓梯間均為防煙樓梯間，所以在疏散過(guò)程中，人員到達(dá)樓梯間內(nèi)部即可判定為安全。通過(guò)模擬可得疏散至每個(gè)防煙樓梯間內(nèi)的人流量與時(shí)間，模擬計(jì)算得到從疏散過(guò)程開始到最后一個(gè)人進(jìn)入樓梯間所用總時(shí)間(即疏散行走時(shí)間)為462.3 s，將其與上文中確定的報(bào)警時(shí)間和人員響應(yīng)時(shí)間相加，可得出必需疏散時(shí)間為642.3 s。通過(guò)FDS模擬確定可用疏散時(shí)間為661 s，即該超市在火災(zāi)情況下必需疏散時(shí)間小于可用疏散時(shí)間，可以認(rèn)為該超市在緊急情況下能進(jìn)行安全疏散。

4　結(jié)論和建議

通過(guò)對(duì)該地下超市進(jìn)行火災(zāi)場(chǎng)景以及人員疏散情況模擬，分析模擬數(shù)據(jù)，確定該超市可用疏散時(shí)間為661 s，必需疏散時(shí)間為642.3 s，可用疏散時(shí)間大于必需疏散時(shí)間，所以認(rèn)為在緊急情況下，該超市內(nèi)人員能安全疏散完畢。

但同時(shí)也可以看出，該超市的安全度較低，針對(duì)此問(wèn)題提出以下建議：(1)安排具有職業(yè)資質(zhì)的人員進(jìn)行消防設(shè)施維護(hù)管理工作，對(duì)疏散通道、安全出口及消防設(shè)施進(jìn)行日常檢查，出現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)解決，保證安全出口處無(wú)物品堵塞，消防設(shè)施在火災(zāi)時(shí)能及時(shí)啟動(dòng)。報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)能及時(shí)探測(cè)到初期火災(zāi)發(fā)出的警報(bào)并聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)相關(guān)設(shè)施。保證噴淋系統(tǒng)管路中充滿水且能可靠啟動(dòng)，對(duì)初期火災(zāi)實(shí)施撲救。確保超市營(yíng)業(yè)區(qū)域內(nèi)防火卷簾下落處及疏散通道上無(wú)商品貨物堆積，疏散指示標(biāo)志清晰。(2)由于建筑內(nèi)電氣線路復(fù)雜，發(fā)生電氣火災(zāi)的可能性較大，為避免電氣火災(zāi)的發(fā)生，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電氣火災(zāi)隱患，建筑內(nèi)應(yīng)安裝漏電火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。(3)定期組織工作人員進(jìn)行消防培訓(xùn)，并在營(yíng)業(yè)區(qū)域安排具有專業(yè)消防知識(shí)的人員進(jìn)行日常檢查。制定合理的消防預(yù)案，定期進(jìn)行演練，使員工熟悉超市內(nèi)疏散出口位置與疏散路線，以便在發(fā)生火災(zāi)時(shí)引導(dǎo)、指揮超市內(nèi)人員迅速找到疏散出口進(jìn)行安全疏散。

[1] 蘇彩云,謝斌.FDS在性能化防火設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].內(nèi)江科技,2007(9):96,143.

[2] 王志剛,倪照鵬,王宗存，等.設(shè)計(jì)火災(zāi)時(shí)火災(zāi)熱釋放速率曲線的確定[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2004,4(S0):50-54.

[3] 中華人民共和國(guó)公安部.建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范:GB 50016—2014[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2015.

(責(zé)任編輯李蕾)

On Human Evacuation Simulation in a Large Underground Supermarket

ZHAO Wenhao

(YantaiMunicipalFireBrigade,ShandongProvince264000,China)

In this paper, Fire Dynamics Simulator and the evacuation software Path Finder were applied to simulate the human evacuation under the fire condition in a large underground supermarket. A fire scenario is set according to the relevant requirements to carry on the simulation. The time that the visibility, the temperature and the concentration of CO reaches human tolerance limit of the supermarket under fire condition determine the available safety evacuation time. In the evacuation simulation, evacuation parameters are set up according to the relevant provisions and the actual situation to obtain the required safety evacuation time. It is concluded that the supermarket in case of emergency, people can evacuate safety. The paper puts forward some suggestions to the low degree of safety of the supermarket.

underground supermarket; fire numerical simulation; personnel evacuation

2016-03-16

趙文浩(1983—)，男，山東萊西人，工程師。

TU998.1

A

1008-2077(2016)08-0052-04