陳全帥, 趙光華, 張紹勛, 孫愛(ài)玲, 孟 勛, 張立鶴

(西安建筑科技大學(xué) 信控學(xué)院, 陜西 西安 710055)

?

大型綜合建筑火災(zāi)與人員疏散仿真模擬分析

陳全帥, 趙光華, 張紹勛, 孫愛(ài)玲, 孟 勛, 張立鶴

(西安建筑科技大學(xué) 信控學(xué)院, 陜西 西安 710055)

研究了某大型商場(chǎng)建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境變化對(duì)疏散人群的影響,利用火災(zāi)煙氣模擬軟件Pyrosim 2014分析火災(zāi)時(shí)火場(chǎng)溫度、CO氣體濃度以及能見(jiàn)度的變化情況,給出人員安全疏散的最佳時(shí)間。利用人員緊急疏散模擬軟件Pathfinder 2014分析了疏散人群安全疏散時(shí)間。提出將建筑火災(zāi)煙氣蔓延過(guò)程的模擬結(jié)果與人員疏散過(guò)程的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,是火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估一種有效的方法,不僅能找出建筑物存在的消防問(wèn)題,還可為建筑防火設(shè)計(jì)和消防整改提供依據(jù)。

大型綜合建筑; 火災(zāi); 煙氣模擬; 安全疏散

0 引 言

城市綜合體以建筑群為基礎(chǔ),融合商業(yè)零售、商務(wù)辦公、酒店餐飲、公寓住宅、綜合娛樂(lè)五大核心功能于一體,已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?。商?chǎng)建筑具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、建筑面積大、人群密度高等特點(diǎn),特別是為了節(jié)約地上空間而建設(shè)的地下商場(chǎng),還具有火災(zāi)荷載大、排煙散熱差、人群疏散困難等特點(diǎn)[1-2],一旦發(fā)生火災(zāi)等事故,極易造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

本文利用Pyrosim 2014 對(duì)某商場(chǎng)進(jìn)行火災(zāi)場(chǎng)景模擬,在此基礎(chǔ)上應(yīng)用Pathfinder 2014 模擬人員疏散情況,并對(duì)商場(chǎng)火災(zāi)情況下人員的逃生做了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

1 項(xiàng)目概況

某商城項(xiàng)目由1、2、3、4、5號(hào)樓及6號(hào)車庫(kù)組成,位于西安市新寺路與新醫(yī)路交口東南側(cè),北側(cè)為西安市唐都醫(yī)院和武警指揮中心,南側(cè)將建成康復(fù)路商業(yè)綜合體。本文以3號(hào)商業(yè)樓為研究對(duì)象,商業(yè)樓的大小為55.2 m×80.1 m×30.5 m(長(zhǎng)×寬×高),1F～4F為商業(yè)區(qū),5F為影城,夾層為影城放映工作層,總建筑面積為22 394.54 m2,單層建筑面積均大于3 000 m2,1F層高為5 m,2F～4F層高均為4.5 m,5F層高為4.8 m,耐火等級(jí)為一級(jí)。商城有8部樓梯用于逃生,1F建筑平面如圖1所示,1號(hào)、3號(hào)樓梯上至5F,2號(hào)、4號(hào)、5號(hào)樓梯上至4F,5號(hào)、7號(hào)、8號(hào)樓梯上至屋面層。

圖1 1F建筑平面

2 Pyrosim軟件及火災(zāi)場(chǎng)景模擬

Pyrosim是專用于火災(zāi)動(dòng)態(tài)仿真模擬(Fire Dynamic Simulation,FDS)的軟件,為火災(zāi)動(dòng)態(tài)模擬提供了圖形用戶界面,以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)為依據(jù),模擬預(yù)測(cè)火災(zāi)中的煙氣、CO 等的流動(dòng)及火場(chǎng)溫度、煙氣濃度的分布。

2.1 Pyrosim建模

網(wǎng)格的大小是FDS模型中最重要的數(shù)學(xué)參數(shù),規(guī)定了模型內(nèi)部偏微分方程在空間和時(shí)間上的精度。FDS在每個(gè)離散時(shí)間步內(nèi)計(jì)算出每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的溫度、密度、壓力、速度和化學(xué)成分等,因此良好的網(wǎng)格劃分能得到比較精確的計(jì)算結(jié)果。理論上,網(wǎng)格劃分越細(xì),計(jì)算結(jié)果越精確,而一個(gè)火災(zāi)場(chǎng)景通常有數(shù)十萬(wàn)甚至上百萬(wàn)的網(wǎng)格以及成千上萬(wàn)個(gè)時(shí)間步。因此,只能在模型精度和計(jì)算機(jī)性能之間取平衡點(diǎn),在合理的計(jì)算時(shí)間內(nèi)得到合理的計(jì)算結(jié)果。綜合考慮,本次建模的網(wǎng)格設(shè)置為1.0 m×1.0 m×0.25 m。

火災(zāi)場(chǎng)景是對(duì)某特定火災(zāi)從引燃或從設(shè)定的狀態(tài)燃燒到火災(zāi)增長(zhǎng)峰值的描述,同時(shí)火災(zāi)場(chǎng)景還涉及到建筑物的結(jié)構(gòu)特性及預(yù)計(jì)火災(zāi)所導(dǎo)致危害的說(shuō)明?；馂?zāi)場(chǎng)景的確定,須考慮建筑的結(jié)構(gòu)、功能和布局特征、可燃物的燃燒特性和通風(fēng)排煙狀態(tài)等因素?；馂?zāi)場(chǎng)景的設(shè)置是性能化防火設(shè)計(jì)定量計(jì)算的基礎(chǔ),對(duì)煙氣流動(dòng)的計(jì)算和人員疏散有重要的影響。

本文考慮各種影響因素,根據(jù)常見(jiàn)燃燒物燃燒特性,設(shè)定火源熱釋放速率為5 MW,位于6號(hào)影廳的第三排座椅上。5F建筑平面如圖2所示。模擬了6號(hào)影廳及整個(gè)影城火災(zāi)情況下的火場(chǎng)溫度、CO氣體濃度以及能見(jiàn)度的變化情況,再結(jié)合人員疏散軟件模擬人員疏散過(guò)程,從而判斷人員能否安全疏散。

圖2 5F建筑平面

2.2 模擬及結(jié)果分析

火災(zāi)情況下,煙氣是威脅人員能否安全疏散的主要因素。當(dāng)煙氣層某些參數(shù)增大到一定值時(shí),便會(huì)對(duì)人員造成傷害,影響人員安全疏散的參數(shù),如煙氣下降、煙氣濃度、能見(jiàn)度等,都是確定建筑物內(nèi)火災(zāi)發(fā)展對(duì)人員疏散構(gòu)成危險(xiǎn)的條件。在疏散過(guò)程中,煙氣層保持在人群頭部以上一定高度,使人在疏散時(shí)不必從煙氣中穿過(guò)或受到煙氣流熱輻射威脅。如果煙層下降到距離地板高度2 m以下時(shí),煙層的溫度不應(yīng)超過(guò)60 ℃,人員疏散才是安全的。

運(yùn)用Pyrosim軟件進(jìn)行模擬分析,可得5F煙氣下降情況,如圖3所示。

圖3 5F煙氣下降隨時(shí)間變化情況

由圖3可知,6號(hào)影廳大部分空間溫度達(dá)到60 ℃時(shí)的時(shí)間是326 s,500 s時(shí)整個(gè)影廳的溫度基本上都在70 ℃以上,即6號(hào)影廳人員最佳逃生時(shí)間為326 s。

當(dāng)火場(chǎng)中的煙氣降低至人員特征高度時(shí),煙氣中的有害燃燒成分便會(huì)接觸人的呼吸道,直接對(duì)人造成傷害,其中以燃燒產(chǎn)物CO為主要傷害。當(dāng)CO濃度達(dá)到500×10-6時(shí),便會(huì)對(duì)人造成嚴(yán)重傷害。CO濃度變化情況如圖4所示。由圖4可知,451 s時(shí)影廳內(nèi)開始出現(xiàn)CO濃度大于5×10-4,608 s時(shí)影廳內(nèi)大面積的CO濃度高于5×10-4。

圖4 CO濃度變化情況

火災(zāi)時(shí)不完全燃燒產(chǎn)生的固體小顆粒,使煙氣具備了折光性,這樣空間能見(jiàn)度大大降低,導(dǎo)致人員延誤逃生時(shí)機(jī)或?qū)μ由肪€判定失誤。研究表明,大空間環(huán)境能見(jiàn)度小于10 m或小空間環(huán)境能見(jiàn)度小于5 m,人員的安全疏散就會(huì)受到影響。能見(jiàn)度變化情況如圖5 所示。由圖5可見(jiàn),167 s時(shí)影廳內(nèi)大部分能見(jiàn)度小于5 m,372 s時(shí)5號(hào)樓梯疏散口附近的能見(jiàn)度降至3 m左右,416 s時(shí)3號(hào)樓梯疏散口附近的能見(jiàn)度降至3 m左右,444 s時(shí)1號(hào)樓梯疏散口附近的能見(jiàn)度降至3 m左右,533 s時(shí)7號(hào)樓梯疏散口附近的能見(jiàn)度降至3 m左右,577 s時(shí)1號(hào)樓梯疏散口附近的能見(jiàn)度降至3 m左右,682 s時(shí)整個(gè)樓層的能見(jiàn)度降至5 m以下,700 s時(shí)整個(gè)影城已變得特別危險(xiǎn)。

圖5 能見(jiàn)度變化情況

以上影響因素相互之間有關(guān)聯(lián),但是以目前的技術(shù)水平來(lái)進(jìn)行參數(shù)的確定和計(jì)算還有一些難度。因此采用哪些參數(shù)更利于簡(jiǎn)化計(jì)算,還需要進(jìn)一步研究。

3 Pathfinder模擬影城人員疏散情況

Pathfinder疏散仿真軟件的運(yùn)動(dòng)環(huán)境是完整的三維三角網(wǎng)格設(shè)計(jì)環(huán)境,可以配合建筑物實(shí)際層面的建設(shè)模式,給每個(gè)人員設(shè)定一套獨(dú)特的參數(shù)(走行速度、肩寬、出口選擇等),并分別仿真出每個(gè)人員的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)模式。本文采用的是Pathfinder 2014疏散仿真軟件。

商場(chǎng)的疏散人數(shù)應(yīng)按每層營(yíng)業(yè)廳建筑面積×面積折算值×疏散人數(shù)換算系數(shù)而定。根據(jù)GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》、JGJ 48—2014《商店建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》等[3-7],商場(chǎng)的面積折算值取0.7,1F、2F疏散人數(shù)換算系數(shù)取0.6,3F疏散人數(shù)換算值取0.5,4F及以上疏散人數(shù)換算值取0.4。1F～4F建筑面積分別為3 935、3 921、3 919、3 844 m2,由此可確定1F～4F疏散人數(shù)分別為1 651、1 644、1 373、1 076。5F影院的人數(shù)按座位上座率加適當(dāng)?shù)却藬?shù)確定,為941+500=1 441人,夾層和屋頂一般是工作人員,都設(shè)為20人,所以總疏散人數(shù)為7 225人。運(yùn)用Pathfinder 2014進(jìn)行人員疏散模擬,人員疏散情況如圖6所示。由模擬結(jié)果可知,6號(hào)影廳及1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)、7號(hào)、8號(hào)樓梯疏散口的最后一個(gè)人離開的時(shí)間分別為113.9、430.7、413.7、64.9、395.2、459.6 s 。

圖6 人員疏散情況

4 模擬結(jié)果分析

商城的樓梯間全為封閉式樓梯間,因此模擬過(guò)程中影城人員到達(dá)樓梯間內(nèi)部即視為到達(dá)安全區(qū)域。由Pyrosim 2014和Pathfinder 2014軟件的模擬結(jié)果可知,6號(hào)影廳危險(xiǎn)情況來(lái)臨時(shí)間為167 s,最后一個(gè)人員離開的時(shí)間為113.9 s,所以對(duì)于著火的6號(hào)影廳,人員可以安全地疏散。對(duì)于整個(gè)影城,1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)、7號(hào)、8號(hào)樓梯疏散口溫度和CO濃度始終沒(méi)到達(dá)到危險(xiǎn)值,能見(jiàn)度達(dá)到危險(xiǎn)值的時(shí)間分別為444、416、372、533、577 s,各個(gè)疏散樓梯口最后一個(gè)人員進(jìn)入樓梯間的時(shí)間分別為430.7、413.7、64.9、395.2、459.6 s。

對(duì)于發(fā)生火災(zāi)后人員疏散的響應(yīng)時(shí)間的判定,根據(jù)各種建筑采用不同火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)人員響應(yīng)時(shí)間的有關(guān)規(guī)定,商業(yè)樓采用現(xiàn)場(chǎng)廣播火災(zāi)報(bào)警響應(yīng)時(shí)間不得大于60 s,可得到人員疏散所需總時(shí)間小于危險(xiǎn)來(lái)臨時(shí)間682 s,所以對(duì)于整個(gè)影城,人員也可以安全地疏散,故該商城符合緊急情況下的安全疏散要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1) Pyrosim 2014軟件可以用于商場(chǎng)模型的計(jì)算,將建筑火災(zāi)煙氣蔓延過(guò)程的模擬結(jié)果與人員疏散過(guò)程的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,是火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估一種有效的方法,不僅能夠找出建筑物存在的消防問(wèn)題,還可以為建筑防火設(shè)計(jì)和消防整改提供科學(xué)依據(jù)。

(2) 建筑火災(zāi)中煙囪效應(yīng)很常見(jiàn),在發(fā)生火災(zāi)時(shí)樓梯間會(huì)聚集大量的煙氣,如果人員在樓梯間擁擠甚至不能移動(dòng),當(dāng)煙氣達(dá)到危險(xiǎn)值時(shí)就會(huì)造成人員傷亡。模擬結(jié)果顯示,個(gè)別樓梯間在一定時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)頂D甚至出現(xiàn)停滯,因此合理控制各個(gè)疏散樓梯的人員密度對(duì)于安全疏散非常重要。

(3) 由于計(jì)算機(jī)性能的限制,利用Pyrosim 2014建模時(shí)網(wǎng)格的設(shè)定不能足夠小,避免模擬結(jié)果精度不夠高或者可能出現(xiàn)一些偏差。

[1] 袁奕之.地下商場(chǎng)安全疏散設(shè)計(jì)有關(guān)問(wèn)題分析[J].消防科學(xué)與技術(shù),2009(6):412-415.

[2] 曹旭艷.超市安全疏散模擬與預(yù)案制定[J].建筑知識(shí):學(xué)術(shù)刊,2013(9):53-54.

[3] 民用建筑防排煙技術(shù)規(guī)程:DGJ 08-88—2008[S].

[4] 建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范:GB 50016—2014[S].

[5] 范維澄,孫金華,陸守香,等.火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2004.

[6] 張樹平,景亞杰.大型商場(chǎng)建筑營(yíng)業(yè)廳疏散人數(shù)的調(diào)查研究[J].消防科學(xué)與技術(shù),2004,23(2):133-136.

[7] 馬哲,孫華玲.圖書館書庫(kù)的火災(zāi)危險(xiǎn)性和安全疏散[J].消防科學(xué)與技術(shù),2006,25(4):492-494.

Simulation Analysis of Fire and Evacuation in Large Complex Building

CHEN Quanshuai, ZHAO Guanghua, ZHANG Shaoxun, SUN Ailing, MENG Xun, ZHANG lihe

(Information and Control Engineering Institute, Xi’ an University of Architecture and Technology, Xi’ an 710055,China)

This paper researched the influence of fire scene environment changes on evacuating people when a fire happens in a large complex building. The changes of fire scene temperature,CO gas concentration and visibility were simulated by using of fire smoke simulation software Pyrosim 2014,which gave the best time for people safety evacuation.The time of people safety evacuation was analyzed by using of urgent evacuation simulation software Pathfinder 2014.It is pointed out that the comparison and analysis of simulation results between fire smoke speading process and people evacuation process are an effective means of fire risk assessment,which can not only obtain the fire problems of buiding,but also provide the basis of fire protection design and fire rectification in a large complex building.

large complex building; fire; smoke simulation; safety evacuation

陳全帥(1987—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)榭刂乒こ獭?/p>

趙光華(1966—),男,副研究員,研究方向?yàn)閰^(qū)域經(jīng)濟(jì)。

張紹勛(1988—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)槌鞘邢到y(tǒng)工程。

TU 892

B

1674-8417(2016)08-0012-05

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.08.004

2015-11-02