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        基于FDS和Pathfinder對人員安全疏散的研究

        2017-03-13 05:50:36崔楊楊
        四川建筑 2017年1期
        關(guān)鍵詞:排煙口火源分區(qū)

        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.煤礦安全高效開采省部共建教育部重點試驗室 ,安徽淮南232001)

        基于FDS和Pathfinder對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.煤礦安全高效開采省部共建教育部重點試驗室 ,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)合該建筑的實際工況,通過采用FDS模擬軟件得出發(fā)生火災(zāi)時人員疏散的可用疏散時間。在使用疏散軟件Pathfinder模擬指定火災(zāi)場景下的人員疏散實際情況,得出人員全部安全疏散所需要的時間,再和模擬所得出的可用疏散時間作比較。結(jié)果表明,人員安全疏散所需要的時間大于可利用的時間,人員不能夠全部安全疏散完畢。

        防火分區(qū); 人員疏散; FDS; Pathfinder

        隨著人們對工作場所以及休閑娛樂場所環(huán)境的要求越來越高,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)時會產(chǎn)生大量的有毒有害氣體,對人員的安全疏散會產(chǎn)生較大的威脅。

        在火災(zāi)場景中,現(xiàn)場人員能否安全疏散關(guān)系到他們每個人的生命安全,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[1]。人員疏散研究的主要內(nèi)容是對人員疏散可用時間和人員疏散所需時間的比較分析,在滿足規(guī)范的情況下最大可能的延長人員疏散的可用時間[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)場人員能否全部進(jìn)行安全疏散主要取決于兩個特征時間,一個是從火災(zāi)開始到人員完全疏散至安全場所所需的時間,即所需安全疏散時間(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間;另一個是火災(zāi)發(fā)展到能夠?qū)θ藛T產(chǎn)生危險的時間,即可用安全疏散時間(ASET),它包括火災(zāi)的探測時間、報警時間、人對火災(zāi)的確認(rèn)時間、響應(yīng)時間以及疏散行動時間。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間必須小于火災(zāi)發(fā)展到危險狀態(tài)的時間[3]。所以,能夠保證人員安全疏散的最基本條件即是ASET>RSET。可用疏散時間使用FDS軟件模擬得出,所需疏散時間利用Pathfinder軟件來確定。

        2 實例概況

        某建筑是一商業(yè)綜合樓,地下一層,地上五層,均做商業(yè)營業(yè)廳使用(圖1)。建筑總長度為226.4 m,寬度為77.1 m,高度為20 m。該建筑設(shè)置了比較完善的機械加壓送風(fēng)防煙系統(tǒng)以及機械排煙系統(tǒng),故可認(rèn)為人員疏散到防煙樓梯間即認(rèn)為到達(dá)安全的場所。為了方便模擬研究,此次模擬的對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,其中營業(yè)廳面積為2 397 m2。

        3 火源的確定

        有資料表明,不同場所的不同部位發(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 部分典型場所的熱釋放速率

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

        大量實驗表明,多數(shù)火災(zāi)從點燃到發(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間的平方的關(guān)系增長,只是增長的速度有快有慢,因此在實際設(shè)計中人們常常采用這一種稱為“t平方火”的火災(zāi)增長模型對實際火災(zāi)進(jìn)行模擬[4]?;馂?zāi)的增長規(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)增長系數(shù)(kW/s2);t為時間(s)。

        t平方火的增長速度一般分為慢速、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”的對比情況

        我們知道,該火災(zāi)發(fā)生在某一商業(yè)營業(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)的增長規(guī)律方程可以知道火源熱釋放速率達(dá)到5 MW時所需的時間為327 s。

        4 FDS模型的建立與結(jié)果分析

        有資料表明自動噴水滅火系統(tǒng)會對煙氣層的變化產(chǎn)生一定的影響[5],但這種影響相對比較小,在這里就不做考慮了[6],單單只需要考慮機械排煙設(shè)施對煙氣層的影響。根據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》,我們可以知道在設(shè)置機械排煙設(shè)施時防火分區(qū)內(nèi)任意一點至排煙口的距離都不應(yīng)大于30 m[7],所以結(jié)合建筑實際情況設(shè)置了4個排煙口。《建筑設(shè)計防火規(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 一號測試點煙氣層的變化

        圖3 二號測試點煙氣層的變化

        圖4 三號測試點煙氣層的變化

        圖5 1.8 m處的溫度顯示

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

        由以上各圖可知,一號測試點由于位于火源附近,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)域的可用疏散時間大約為100 s。

        5 疏散模型的建立

        Pathfinder (連續(xù)型)是由美國Thunderhead Engineering公司開發(fā)的,軟件中人員的運動模式包括SFPE模式和Steering模式。SFPE模式以人員流量為基礎(chǔ),人員會自動地轉(zhuǎn)移到最近的出口,人員之間不會產(chǎn)生相互影響,但列隊需要符合

        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)機制、碰撞處理相結(jié)合控制人員運動,如果人員之間的距離或最近點的路徑超過某一閾值,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)實情況,所以本文便采用這種模式來進(jìn)行模擬分析[9]。又由設(shè)計圖紙可知該防火分區(qū)共設(shè)置了4個疏散出口。根據(jù)《建筑設(shè)計防火規(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,在遇到緊急情況時比如火災(zāi),人員的實際移動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,往往會形成“瓶頸”現(xiàn)象,給人一種“快即是慢”的感覺[10]。在人員都到達(dá)疏散口時形成的明顯的拱形形狀(圖7)。

        在164 s時,疏散區(qū)域內(nèi)人員的占據(jù)數(shù)量為0,這也就是說明在該防火分區(qū)內(nèi)人員完全疏散所需要的時間為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)的可用疏散時間為100 s,人員安全疏散所需要的時間為164 s??捎檬枭r間小于所需安全疏散時間,這就會使人員在疏散的過程中受到一定程度的傷害,甚至窒息死亡。

        (2)通過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間內(nèi)使得全部人員完全疏散的要求,在圖紙設(shè)計時可以在控制經(jīng)濟成本的情況下適當(dāng)?shù)脑黾痈鱾€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,所以可以通過適當(dāng)調(diào)節(jié)排煙風(fēng)機的轉(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.大型購物中心疏散時間預(yù)測方法的對比研究[J].沈陽航空航天大學(xué)學(xué)報,2011(4).

        [2] 霍然.性能化建筑防火分析與設(shè)計[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)時人員疏散的數(shù)值模擬[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2011(5):53-55.

        [4] 李引擎.建筑防火性能化設(shè)計[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

        [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].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報,2009(2):221-224.

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

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

        [9] 徐艷秋,王振東.基于Pathfinder和FDS的火場下人員疏散研究[J].中國安全生產(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機模型研究[D].合肥: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2008.

        崔楊楊(1991~),女,碩士研究生,研究方向為建筑火災(zāi)中的人員疏散分析。

        TU234

        A

        [定稿日期]2016-08-14

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