許 銳，原興霞，鄭瑩瑩，程 輝

(1.長安大學地質(zhì)工程與測繪學院安全工程系，西安,710054；2.中國科學技術(shù)大學火災科學國家重點實驗室，合肥,230026)

0 引言

近年來，隨著部分高校招生規(guī)模的擴大，高等學校教育資源不足的趨勢日益明顯。部分高校由于校舍建設(shè)較早，配套設(shè)施難以滿足現(xiàn)有的居住需要，消防設(shè)施存在不足，加之用電負荷的增加，加速了老舊線路絕緣老化。此外，為便于宿舍管理，閉鎖安全通道的現(xiàn)象普遍存在，高校火災隱患整體呈遞增趨勢，校園火災頻繁發(fā)生[1-3]。

為了減少火災事故的傷害，除了降低高校火災發(fā)生的概率，還必須提升火災發(fā)生時的疏散效率，因此對高校宿舍樓的安全疏散研究尤為重要。現(xiàn)有研究以系統(tǒng)的安全疏散可利用時間(TASET)大于疏散完畢所需要的時間(TREST)作為系統(tǒng)安全疏散的判別標準；即認為一個合格的建筑安全疏散系統(tǒng)必須保證建筑內(nèi)的所有人員在火災危險狀態(tài)到來之前能

夠疏散到安全地帶。因此判斷建筑的安全疏散系統(tǒng)是否符合要求，必須對其火災形成、有害物質(zhì)擴散以及疏散問題進行研究。鑒于火災過程的復雜性，建筑火災研究方法主要以實驗和數(shù)值研究為主。傳統(tǒng)的實驗研究數(shù)據(jù)真實、直觀，但耗資大、周期長、重現(xiàn)性差，而且試驗過程具有相當?shù)奈ｋU性；而數(shù)值模擬方法具有投資小、周期短、能夠再現(xiàn)典型的火災現(xiàn)象等優(yōu)點[4-9]，被廣泛采用。

本文針對某高校宿舍樓，運用場模擬軟件FDS對不同樓層著火時的火災場景進行數(shù)值模擬，研究了不同火災場景下煙氣流動、煙氣層高度、能見度、溫度隨時間變化的規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，通過Pathfinder計算疏散可用時間，進而分析不同火災場景下的疏散安全性。根據(jù)分析結(jié)果及安全疏散判據(jù)，針對疏散模擬中人員逃生困難的問題，提出了相應的安全措施。

1 數(shù)值模型

1.1 幾何模型

本文選取某高校學生公寓樓為研究對象。該宿舍樓總建筑面積為2160 m2，建筑層數(shù)為6層，建筑總體尺寸為一個長58 m，寬14 m，高18 m的長方體，每層高為3 m。整個宿舍樓共有176個學生宿舍，每間宿舍居住6人，各層兩端位置各設(shè)有一間盥洗室。整棟建筑設(shè)有兩個樓梯間，樓梯出口正對宿舍樓大門，陽面宿舍設(shè)有陽臺，建筑布局整體較為對稱。

圖1 學生公寓樓模型圖Fig. 1 Student apartment model

本數(shù)值模型的設(shè)置如下：

(1)一旦產(chǎn)生煙氣，宿舍內(nèi)存在的床、桌子等構(gòu)件并不能阻礙其發(fā)展路線，所以在建模時不建立宿舍內(nèi)的物品。

(2)由于每間宿舍內(nèi)配置的窗戶均為推拉窗，這種窗構(gòu)造較為簡單且節(jié)省空間，但始終只有半幅窗戶能完全打開，且在關(guān)閉時氣密性較差。因而在本文的模擬中推拉窗只考慮窗尺寸的一半。走廊兩端以及樓梯間的窗戶均為平開窗，可以100%開啟，因而使用其實際尺寸進行模擬。

(3)模型中宿舍樓的材質(zhì)均設(shè)為混凝土材質(zhì)。

1.2 火災場景

為了研究不同火災場景下煙氣在建筑物內(nèi)的擴散趨勢，本文綜合考慮了火災可能的規(guī)模、建筑空間布局，疏散出口的分布、以及居住人員數(shù)量與分布等因素，分別模擬了一層、三層、六層著火的工況，分別記為工況CASE1、CASE2、CASE3?；鹪窗匆?guī)范選

用非穩(wěn)態(tài)2 MW火源，火源形狀設(shè)置為1 m×1 m的正方形，火源位置見圖2。按照國際標準ISO/TS16733中的相關(guān)規(guī)定[10]，可以確定高校學生宿舍的火災類型屬于快速火，由此確定火災增長系數(shù)α= 0.0469 kW/s2。

圖2 火源點位置Fig. 2 Fire source location

1.3 探測設(shè)備布置

由于本文研究的是較大空間的熱塊火，所以主要測量的量為煙氣的溫度、能見度和煙氣層高度。探測器分別布置在各樓梯間和各樓層。一樓至六樓的樓梯間的能見度探測器分別記為V1～V6，溫度探測器分別記為T1～T6。在火源發(fā)生的樓層從西側(cè)樓梯間開始向火源處每隔6.5 m布置一個探測器，分別記為A、B、C、D點，其位置如圖2所示。

2 火災模擬分析

2.1 煙氣分析

室內(nèi)火災發(fā)生后，煙氣流動一般呈現(xiàn)以下規(guī)律：在火源附近的大量的高溫煙氣隨火羽流擴散至屋頂，形成頂棚射流向周圍蔓延，由于室內(nèi)四周墻體的阻隔，煙氣層開始聚集，厚度不斷增大，但達到一定程度時，其中一小部分煙氣將穿過陽臺或窗戶向室外逸散；另外一大部分煙氣將通過宿舍門蔓延至中間走廊內(nèi)，并向走廊兩端擴散，煙氣幾乎是同時進入樓梯井，并都隨著煙囪效應在頂層聚集后蔓延至頂層走廊內(nèi)。圖3為一樓著火工況不同時刻煙氣分布圖。

圖3 一樓著火不同時刻煙氣分布圖Fig. 3 Gas distribution of first floor at different times

由于煙氣向上蔓延的煙囪效應，使得不同樓層發(fā)生火災后的差異主要出現(xiàn)在火災發(fā)生100 s后，即煙氣進入樓梯井后的時段。這個時間點后，煙氣占據(jù)了火災發(fā)生樓層，并在樓梯間蓄積，形成蓄煙池效應，堵塞疏散通道，然后逐漸發(fā)展至上部的樓層空間，這對人員安全疏散極為不利。各層著火486 s時煙氣分布如圖4所示。

圖4 各層著火486 s時煙氣分布圖Fig. 4 Gas distribution of every floor in 486 s

由圖4可知，在486 s時，一層著火后煙氣基本已經(jīng)擴散到整棟樓；三層著火時煙氣僅隨時間擴散到三層以上，而一二層沒有煙氣的擴散；而六層著火時煙氣隨時間擴散，基本集中在第六層，并未向六層以下擴散，一到五層幾乎未受影響。對比可知煙氣都是向高處蔓延，高處著火的話對底層的影響較小，故一層著火危險性相對更大。

圖5為煙氣高度隨時間分布圖，圖中LA、LB、LC分別是著火樓層樓梯井1、著火房間門口處、樓梯井2的煙氣層高度探測器。

圖5 各層著火不同時刻煙氣高度圖Fig. 5 Layer height of every floor at different times

從圖5中可以看出LB點煙氣層高度基本都是從50 s左右開始下降，迅速下降到1.6 m，隨后在1.6 m高度處上下波動，圖5三圖整體趨勢相同，圖5(a)上下波動的幅度大于其他兩種情況，是由于一層有兩個大門，通風面積大，空氣對煙氣的擾動更大，所以導致煙氣高度幅度變化很大。

LA、LC處(樓梯口處)煙氣層高度隨著樓層的升高逐漸降低?？梢钥闯鯟ASE1中A、C煙氣層高度在2 m上下，CASE2在1.8 m左右，CASE3在1.6 m左右，其原因與圖4基本一致。由于煙氣是向上擴散的，一層著火時，煙氣會擴散到上層，所以在一層的煙氣層高度會高，而相對的，六層火災時，煙氣全部聚集在六層相對封閉的空間，無法向下擴散，所以煙氣層高度就更低。

圖5(b)、圖5(c)中，A、C的煙氣層高度幾乎是重疊的，這是因為火源位置位于整層的中間宿舍，大致對稱。但圖5(a)中A、C煙氣層高度有一些差距，是由于通風面積的增加，擾動增加，煙氣層和空氣接觸后煙氣層高度變化會更為明顯。

2.2 能見度分析

能見度是影響火災逃生的重要因素，能見度越低，人員逃生難度將大大增加，存活率降低。圖6為各層著火時，各層樓梯口能見度隨時間的變化圖。

圖6 各層著火不同時刻西樓梯間能見度Fig. 6 Visibility of west stairwell at different times

由能見度的對比圖可知，越靠近著火樓層能見度被影響的程度越深，即越危險，一層著火時危險性相對較大。由于煙氣是影響能見度的最重要因素，所以能見度規(guī)律與圖5基本一致，原因也大致相同。

2.3 溫度分析

圖7為各層著火時，各樓層不同測點處溫度隨時間的變化圖，測點位置見圖2。

圖7 各層著火不同時刻溫度圖Fig. 7 Temperature of every floor at different times

由圖7可以看出，所有監(jiān)測點的溫度都隨著時間的增加而增加，但D點距火源最近，溫度上升幅度最大。A點距火源最遠，溫度上升的最少?？梢钥闯觯娇拷鸹鹪?，溫度越高，越危險。對比可知，圖7(b)、圖7(c)的各監(jiān)測點溫度高于同一位置圖7(a)的溫度，這是由于煙囪效應，熱空氣向高處運動所造成的。

3 人員疏散分析

3.1 安全疏散判斷標準

在進行疏散時，計算疏散過程所需的時間：

TRSET=TA+TR+k×TM

(1)

式中：TA為報警時間(單位：s)；TR為響應時間(單位：s)；TM為疏散行走時間(單位：s)；k為安全系數(shù)。本文參考SFPE《消防工程手冊》，將人員的水平行走速度設(shè)為1.2 m/s，下樓速度設(shè)為0.6 m/s，報警時間為30 s。然而實際上建筑物發(fā)生火災時，由于各種原因在人員疏散過程中多多少少會存在一些不確定性因素，如：人員的身體素質(zhì)、疏散引導標志和人的反應能力等都會對疏散行走時間產(chǎn)生影響?？紤]到以上諸多因素，行業(yè)內(nèi)在進行消防疏散設(shè)計時，均補償一定的安全系數(shù)在模擬計算的疏散行走時間上。根據(jù)《防火工程手冊》的推薦，采用k=1.1的安全系數(shù)。

能否成功進行安全疏散需確保：安全疏散的可利用時間TASET必須大于疏散完畢時間TREST，即：

TASET>TRSET

(2)

若上述公式成立，則表明人員能夠在火災危險狀態(tài)到達前疏散到安全位置，理論上認為該建筑安全疏散系統(tǒng)達到要求；相反，就需要對消防措施進行加強或改進，延遲火災危險狀態(tài)的到來；或者通過采取一些措施如合理設(shè)計安全出口和疏散過程來加快人員的疏散過程，縮短安全疏散必需時間TREST。

3.2 人員疏散分析

PathFinder是一款優(yōu)秀的疏散分析軟件，通過建立疏散模型，模擬建筑物內(nèi)人員的疏散過程，可以計算出人員安全疏散的行走時間，并由此得出疏散完畢時間TRSET。本文的疏散分析分為兩種情況，正常情況(CASE1)：兩個疏散樓梯正常使用所花費的時間，學生最終全部疏散完畢的模擬結(jié)果時間為486 s。特殊情況(CASE2)：高校中常見的宿舍樓男女混住工況，該工況假設(shè)三層以下樓層東側(cè)皆為男生宿舍，為達到分隔男女生空間的目的，首先封閉一到三層走廊的中間門，隔斷了兩側(cè)人員流動，其次封閉三層至四層的東側(cè)樓梯間，三層以上的女學生只能通過西側(cè)樓梯進行逃生，學生最終全部疏散完畢的模擬結(jié)果時間為743 s，時間相比與正常情況下增長了將近一倍，危險性大大增加。

一樓著火時的疏散結(jié)果如圖8所示，CASE2所需疏散時間大致為CASE1的兩倍。圖8中CASE2的斜率在166 s時開始明顯低于CASE 1。提取166 s 時CASE2實時疏散情況如圖9所示，由于三層以上的學生無法通過東側(cè)的樓梯疏散，基本開始全部堵塞在西側(cè)樓梯口處，疏散速度大大降低。所以高校中常見的男女生混住情況在防火安全上是不合理的。

圖8 疏散對比圖Fig. 8 Comparison diagram of evacuation

圖9 166 s CASE2疏散情況圖Fig. 9 Evacuation situation of case2 in 166 s

圖10 滯留人數(shù)和時間對比Fig. 10 Stranded crowd number with time

可用疏散時間TASET也叫允許疏散時間，是指在火災危險狀態(tài)來臨前，人員緊急疏散到安全場所可利用的時間。建筑火災中通常用建筑物內(nèi)安全出口處及周圍區(qū)域的危險有害因素對人員安全疏散產(chǎn)生影響所用的時間作為可用疏散時間TASET。本文采取火災高溫煙氣在距離地面2.0 m，建筑物火災煙氣熱輻射60 ℃，能見度臨界值10 m，作為可用疏散時間TASET的判斷依據(jù)，人員逃生可用安全時間TASET為80 s。以正常宿舍情況(CASE1全女生居住工況)為例，在一、三、六樓分別著火時，在80 s內(nèi)，安全疏散的人數(shù)分別為317人、467人、928人。(應該再加一個男女混住情況下80 s內(nèi)安全疏散的人數(shù))在實際宿舍樓男女混住工況(CASE2)下，在一、三、六樓分別著火時，在80 s內(nèi)，安全疏散的人數(shù)分別為197人、305人、602人。一樓著火情況下安全逃生的人數(shù)最少，六樓著火情況下安全逃生的人數(shù)最多，隨著發(fā)生火災樓層的增高，逃生的人數(shù)增加。

4 安全措施分析

根據(jù)上述分析可知，當前高校宿舍樓人員火災安全疏散的形式仍然較為嚴峻。為避免火災造成重大傷亡，需要采取可行的安全措施。

4.1 消防措施

以3.2節(jié)中正常宿舍情況(CASE1全女生居住工況)一樓著火工況為例進行比較，無噴淋狀態(tài)下人員逃生可用安全時間TASET為80 s，安全疏散的人數(shù)為317人。而在火源正上方設(shè)置水噴淋的狀態(tài)下，人員逃生可用安全時間TASET為150 s。可用安全逃生時間提高了將近一倍，通過數(shù)值模擬分析得到有480個人逃生成功。

分析原因是由于水比熱容大，冷卻效果好，降低了熱釋放速率，導致熱煙氣的產(chǎn)生減少了。除此之外，熱煙氣的溫度由于水的冷卻作用而降低，煙氣的浮力減少，煙氣上升受到抑制。因此有必要在宿舍設(shè)置一些消防保護措施如水噴淋裝置、通風系統(tǒng)等，降低火災危險。通過在適當區(qū)域設(shè)置和增加水噴淋裝置，以控制煙氣層擴散，阻止其向周圍蔓延，并降低煙氣溫度，減少高溫煙氣灼傷，從而增加人員逃生幾率。根據(jù)高校宿舍給水及消防系統(tǒng)相關(guān)論文研究[11]，考慮符合“噴規(guī)”規(guī)定、工程造價、居室使用和美觀等問題，建議在每間宿舍的居室內(nèi)設(shè)置1只水平邊墻型擴展覆蓋面噴頭，噴頭布置如圖11所示。

圖11 噴頭布置簡圖Fig. 11 Disposition of sprayers

4.2 管理措施

本文的數(shù)值模擬是以高校中最常見的六人間宿舍進行的分析。宿舍過于擁擠，導致逃生時樓梯間堵塞較為嚴重，逃生時間緩慢。如果將宿舍改成五人間，同樣情況下該宿舍樓僅能入住880人，必需疏散時間僅需420 s。而如果每個宿舍為四人間，那么該宿舍樓將會有748人，必需疏散時間僅為368 s。隨著人數(shù)的減少，疏散時間隨之減少，相對地，安全性就隨之增加?？梢姼咝Ｓ斜匾m當提高宿舍管理水平，合理安排學生入住，提高防火安全水平。

4.3 建筑措施

從模擬過程來看，由于樓梯數(shù)量有限、寬度較窄，造成人員堵塞在樓梯間，大大降低了人員疏散的速度。本文計算了宿舍樓有三個疏散樓梯的工況，即中部增設(shè)一個樓梯(工況CASE4)，用數(shù)值模擬來量化建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化對疏散結(jié)果的影響，如圖10所示。由圖10看出，新增一個樓梯可以明顯提高疏散效率，大大縮短了疏散時間，減少樓梯的疏散壓力。

5 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬手段對不同火災場景下煙氣流動、能見度、溫度隨時間變化的規(guī)律及其對人員安全疏散的影響展開了研究，得出了以下研究結(jié)論：

(1)本文進行了典型高校宿舍樓火災模擬，得到各樓層走廊和樓梯間的煙氣層高度、能見度、溫度分布規(guī)律。

(2)宿舍樓人員疏散較為集中，在室內(nèi)和走廊處的疏散速度較快，在樓梯間疏散過程較為緩慢，容易出現(xiàn)擁堵，人員火災安全疏散的形勢較為嚴峻。

(3)通過對不同火災場景的對比，將建筑火災煙氣擴散的過程與相應的人員疏散過程的進行綜合模擬分析，是一種有效實用的火災風險評估方法，建議推廣使用。

(4)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，評估噴淋、宿舍人數(shù)控制、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化等安全措施的人員疏散效果，為建筑防火設(shè)計、消防改造措施和宿舍管理優(yōu)化等提供科學依據(jù)。

[1] 吳蕾等. 高校學生宿舍火災荷載調(diào)查研究[J]. 消防科學與技術(shù), 2010, 29(1): 83-85.

[2] 翟越等. 學校宿舍樓火災煙氣流動及溫度分布規(guī)律研究[J]. 建筑科學, 2015, 31(7): 12-16.

[3] 高偉, 孫金華. 賓館與高校學生宿舍類建筑火災荷載分布規(guī)律[J]. 安全與環(huán)境學報, 2009, 9(4): 153-156.

[4] Robbins AP, Wade CA. Test method for roof panels to be used for passive fire roof venting[J]. Fire Safety Journal, 2010, 45(2): 142-148.

[5] 郭震, 袁迎曙. 住宅建筑內(nèi)火災高溫煙氣流動數(shù)學模型[J]. 土木建筑與環(huán)境工程, 2013, 35(2): 73-78.

[6] 宋艷等. 室內(nèi)火災開口流動的FDS模擬[J]. 消防科學與技術(shù), 2010, 29(11): 965-968.

[7] 張鵬等. 建筑物通道內(nèi)火災煙氣運動的數(shù)值模擬[J]. 安全與環(huán)境學報, 2007, 7(1): 137-140.

[8] 趙江平等. 建筑火災煙氣中CO遷移規(guī)律的FDS模擬[J]. 中國安全科學學報， 2008, 18(6): 16-20.

[9] Black WZ. Smoke movement in elevator shafts during a high-rise structural fire[J]. Fire Safety Journal, 2009, 44(2): 168-182.

[10] ISO/TS 16733, Fire safety engineering-selection of design fire scenarios and design fires[S], International Organisation of Standardization, 2006.

[11] 郭艷偉. 高校學生宿舍給水與消防系統(tǒng)研究[D].重慶: 重慶大學, 2013.