崔楊楊， 呂 品,2

(1.安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院， 安徽淮南232001； 2.煤礦安全高效開(kāi)采省部共建教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室 ，安徽淮南232001)

基于FDS和Pathfinder對(duì)人員安全疏散的研究

崔楊楊1， 呂 品1,2

(1.安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院， 安徽淮南232001； 2.煤礦安全高效開(kāi)采省部共建教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室 ，安徽淮南232001)

為了確定淮南市某綜合樓指定防火分區(qū)的人員是否能夠在可用安全疏散時(shí)間內(nèi)疏散完畢，基于人員安全疏散的重要性，結(jié)合該建筑的實(shí)際工況，通過(guò)采用FDS模擬軟件得出發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員疏散的可用疏散時(shí)間。在使用疏散軟件Pathfinder模擬指定火災(zāi)場(chǎng)景下的人員疏散實(shí)際情況，得出人員全部安全疏散所需要的時(shí)間，再和模擬所得出的可用疏散時(shí)間作比較。結(jié)果表明，人員安全疏散所需要的時(shí)間大于可利用的時(shí)間，人員不能夠全部安全疏散完畢。

防火分區(qū)； 人員疏散； FDS； Pathfinder

隨著人們對(duì)工作場(chǎng)所以及休閑娛樂(lè)場(chǎng)所環(huán)境的要求越來(lái)越高，這就使得現(xiàn)在的綜合建筑大都盲目追求華麗的裝飾，然而這些裝修材料采用的卻都是些可燃易燃的物品，并且在這些綜合樓內(nèi)部也充斥著大量的可燃易燃物，這些物品在發(fā)生火災(zāi)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的有毒有害氣體，對(duì)人員的安全疏散會(huì)產(chǎn)生較大的威脅。

在火災(zāi)場(chǎng)景中，現(xiàn)場(chǎng)人員能否安全疏散關(guān)系到他們每個(gè)人的生命安全，如何有效減少，甚至杜絕人員傷亡已經(jīng)成為建筑安全中的研究重點(diǎn)[1]。人員疏散研究的主要內(nèi)容是對(duì)人員疏散可用時(shí)間和人員疏散所需時(shí)間的比較分析，在滿足規(guī)范的情況下最大可能的延長(zhǎng)人員疏散的可用時(shí)間[2]。

1 人員安全疏散的基本條件

建筑物發(fā)生火災(zāi)后，現(xiàn)場(chǎng)人員能否全部進(jìn)行安全疏散主要取決于兩個(gè)特征時(shí)間，一個(gè)是從火災(zāi)開(kāi)始到人員完全疏散至安全場(chǎng)所所需的時(shí)間，即所需安全疏散時(shí)間(RSET)，它指的是火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣、毒氣、高溫等不利環(huán)境威脅到待疏散人員的這段時(shí)間；另一個(gè)是火災(zāi)發(fā)展到能夠?qū)θ藛T產(chǎn)生危險(xiǎn)的時(shí)間，即可用安全疏散時(shí)間(ASET)，它包括火災(zāi)的探測(cè)時(shí)間、報(bào)警時(shí)間、人對(duì)火災(zāi)的確認(rèn)時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間以及疏散行動(dòng)時(shí)間。很明顯，要想使得人員能夠安全疏散，人員安全疏散所需的時(shí)間必須小于火災(zāi)發(fā)展到危險(xiǎn)狀態(tài)的時(shí)間[3]。所以，能夠保證人員安全疏散的最基本條件即是ASET>RSET。可用疏散時(shí)間使用FDS軟件模擬得出，所需疏散時(shí)間利用Pathfinder軟件來(lái)確定。

2 實(shí)例概況

某建筑是一商業(yè)綜合樓，地下一層，地上五層，均做商業(yè)營(yíng)業(yè)廳使用(圖1)。建筑總長(zhǎng)度為226.4 m，寬度為77.1 m,高度為20 m。該建筑設(shè)置了比較完善的機(jī)械加壓送風(fēng)防煙系統(tǒng)以及機(jī)械排煙系統(tǒng)，故可認(rèn)為人員疏散到防煙樓梯間即認(rèn)為到達(dá)安全的場(chǎng)所。為了方便模擬研究，此次模擬的對(duì)象取建筑三層的最右側(cè)的防火分區(qū)，該防火分區(qū)總面積2 997 m2，其中營(yíng)業(yè)廳面積為2 397 m2。

3 火源的確定

有資料表明，不同場(chǎng)所的不同部位發(fā)生火災(zāi)，它的熱釋放速率是不一樣的。熱釋放速率的取值可以參考表1。

表1 部分典型場(chǎng)所的熱釋放速率

由于該研究對(duì)象是一所大型商業(yè)建筑，而且是作為營(yíng)業(yè)廳使用，參照表1該火災(zāi)場(chǎng)景下的火源熱釋放速率取5 MW。

大量實(shí)驗(yàn)表明，多數(shù)火災(zāi)從點(diǎn)燃到發(fā)展再到充分燃燒階段，火災(zāi)中的熱釋放速率大體上按照時(shí)間的平方的關(guān)系增長(zhǎng)，只是增長(zhǎng)的速度有快有慢，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中人們常常采用這一種稱為“t平方火”的火災(zāi)增長(zhǎng)模型對(duì)實(shí)際火災(zāi)進(jìn)行模擬[4]?；馂?zāi)的增長(zhǎng)規(guī)律可用式(1)描述：

Q=αt2

(1)

式中：Q為熱釋放速率(kW)；α為火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)(kW/s2)；t為時(shí)間(s)。

t平方火的增長(zhǎng)速度一般分為慢速、中速、快速、超快速4種類型(表2)。

圖1 該商業(yè)綜合樓的平面

表2 “t平方火”的對(duì)比情況

我們知道，該火災(zāi)發(fā)生在某一商業(yè)營(yíng)業(yè)廳之內(nèi)，所以火災(zāi)的類型可選擇為快速。由上文我們知道火源的熱釋放速率為5 MW，所以根據(jù)火災(zāi)的增長(zhǎng)規(guī)律方程可以知道火源熱釋放速率達(dá)到5 MW時(shí)所需的時(shí)間為327 s。

4 FDS模型的建立與結(jié)果分析

有資料表明自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)會(huì)對(duì)煙氣層的變化產(chǎn)生一定的影響[5]，但這種影響相對(duì)比較小，在這里就不做考慮了[6]，單單只需要考慮機(jī)械排煙設(shè)施對(duì)煙氣層的影響。根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》，我們可以知道在設(shè)置機(jī)械排煙設(shè)施時(shí)防火分區(qū)內(nèi)任意一點(diǎn)至排煙口的距離都不應(yīng)大于30 m[7]，所以結(jié)合建筑實(shí)際情況設(shè)置了4個(gè)排煙口。《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中又規(guī)定排煙口的風(fēng)速不應(yīng)大于10 m/s，這里取值為4 m/s(圖2～圖5)。

圖2 一號(hào)測(cè)試點(diǎn)煙氣層的變化

圖3 二號(hào)測(cè)試點(diǎn)煙氣層的變化

圖4 三號(hào)測(cè)試點(diǎn)煙氣層的變化

圖5 1.8 m處的溫度顯示

大量的火災(zāi)實(shí)例告訴我們，火災(zāi)對(duì)人員的危害主要來(lái)源于火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣，主要表現(xiàn)在煙氣的熱作用和毒性方面，另外對(duì)于疏散而言，煙氣的能見(jiàn)度也是一個(gè)重要的影響因素[8]。所以在分析火災(zāi)對(duì)疏散的影響時(shí)，一般從溫度、毒性氣體的濃度、能見(jiàn)度等方面進(jìn)行討論。通常情況下人員疏散安全判據(jù)見(jiàn)表3。

由以上各圖可知，一號(hào)測(cè)試點(diǎn)由于位于火源附近，煙氣層下降速率比較快，結(jié)合表3安全判據(jù)綜合分析可知該疏散區(qū)域的可用疏散時(shí)間大約為100 s。

5 疏散模型的建立

Pathfinder (連續(xù)型)是由美國(guó)Thunderhead Engineering公司開(kāi)發(fā)的，軟件中人員的運(yùn)動(dòng)模式包括SFPE模式和Steering模式。SFPE模式以人員流量為基礎(chǔ)，人員會(huì)自動(dòng)地轉(zhuǎn)移到最近的出口，人員之間不會(huì)產(chǎn)生相互影響，但列隊(duì)需要符合

表3 人員疏散安全判據(jù)

SFPE假設(shè)(避免與其他人員產(chǎn)生碰撞)；Steering模式是路徑規(guī)劃、指導(dǎo)機(jī)制、碰撞處理相結(jié)合控制人員運(yùn)動(dòng)，如果人員之間的距離或最近點(diǎn)的路徑超過(guò)某一閾值，可以再生新的路徑，以適應(yīng)新的形式。由此可知Steering模式更為接近現(xiàn)實(shí)情況，所以本文便采用這種模式來(lái)進(jìn)行模擬分析[9]。又由設(shè)計(jì)圖紙可知該防火分區(qū)共設(shè)置了4個(gè)疏散出口。根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》的要求，取該防火分區(qū)內(nèi)的人員密度為0.45 人/m2，由此可得出該防火分區(qū)的總?cè)藬?shù)為1 080 人(圖6)。

圖6 Pathfinder疏散模擬

6 疏散結(jié)果的分析

大量的研究資料表明，在遇到緊急情況時(shí)比如火災(zāi)，人員的實(shí)際移動(dòng)速度往往要小于他們的期望速度，這是由于在這種環(huán)境之下人員的恐懼心理導(dǎo)致了行為的盲目性，特別是在疏散口處，往往會(huì)形成“瓶頸”現(xiàn)象，給人一種“快即是慢”的感覺(jué)[10]。在人員都到達(dá)疏散口時(shí)形成的明顯的拱形形狀(圖7)。

在164 s時(shí)，疏散區(qū)域內(nèi)人員的占據(jù)數(shù)量為0，這也就是說(shuō)明在該防火分區(qū)內(nèi)人員完全疏散所需要的時(shí)間為164 s(圖8)。

圖8 疏散區(qū)域內(nèi)人員占據(jù)情況示意

7 結(jié)論

(1)由上文我們可以知道，該防火分區(qū)的可用疏散時(shí)間為100 s，人員安全疏散所需要的時(shí)間為164 s?？捎檬枭r(shí)間小于所需安全疏散時(shí)間,這就會(huì)使人員在疏散的過(guò)程中受到一定程度的傷害，甚至窒息死亡。

(2)通過(guò)模擬分析我們可以知道，該防火分區(qū)疏散出口的寬度不能滿足在可用時(shí)間內(nèi)使得全部人員完全疏散的要求，在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)時(shí)可以在控制經(jīng)濟(jì)成本的情況下適當(dāng)?shù)脑黾痈鱾€(gè)疏散出口的寬度，以期更快地疏散人員。

(3)該防火分區(qū)內(nèi)設(shè)置了4個(gè)排煙口，設(shè)定風(fēng)速為4 m/s。模擬分析我們知道煙氣層下降速度明顯大于可接受范圍，《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》要求排煙口風(fēng)速不得大于10 m/s，所以可以通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)排煙風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速提高排煙口處的風(fēng)速，減緩煙氣層下降的速度。

[1] 陳文濤，謝妉，齊茁.大型購(gòu)物中心疏散時(shí)間預(yù)測(cè)方法的對(duì)比研究[J].沈陽(yáng)航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(4).

[2] 霍然.性能化建筑防火分析與設(shè)計(jì)[M].合肥：安徽科學(xué)技術(shù)出版社， 2003:216-222.

[3] 張潔，劉曉娟.基于FDS的某超市火災(zāi)時(shí)人員疏散的數(shù)值模擬[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2011(5):53-55.

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[5] M. L. Bullen. The effect of a sprinkler on the stability of a smoke layer beneath a ceiling[J]. Fire Technology, 1977(1):21-34.

[6] 李開(kāi)源，霍然，孫曉乾, 等.衰減火源條件下噴淋煙氣沉降特性模擬研究[J].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(2)：221-224.

[7] GB 50016-2014 建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].

[8] 趙江平,馮文興,武來(lái)喜.建筑火災(zāi)煙氣中CO遷移規(guī)律的FDS模擬[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào), 2008 (6).

[9] 徐艷秋,王振東.基于Pathfinder和FDS的火場(chǎng)下人員疏散研究[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2012 (2).

[10] 于彥飛.人員疏散的多作用力元胞自動(dòng)機(jī)模型研究[D].合肥: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2008.

崔楊楊(1991～)，女，碩士研究生,研究方向?yàn)榻ㄖ馂?zāi)中的人員疏散分析。

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[定稿日期]2016-08-14