肖 霞，房志明

(1.上海船舶電子設(shè)備研究所,上海 201108；2.上海市建筑科學(xué)研究院 上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200032)

基于耦合火災(zāi)影響疏散模擬的密閉艙室火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

肖 霞1，房志明2

(1.上海船舶電子設(shè)備研究所,上海 201108；2.上海市建筑科學(xué)研究院 上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200032)

密閉艙室內(nèi)一旦發(fā)生火災(zāi)，受限于防排煙條件，火災(zāi)產(chǎn)物將對(duì)人員產(chǎn)生嚴(yán)重的傷害。根據(jù)密閉艙室的結(jié)構(gòu)及人員疏散特點(diǎn)，構(gòu)建了一種耦合火災(zāi)影響的精細(xì)網(wǎng)格疏散模型，提出了基于該模型的密閉艙室火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法。針對(duì)某密閉艙室就餐環(huán)境進(jìn)行了火災(zāi)疏散模擬，預(yù)測(cè)了火災(zāi)下人員傷亡數(shù)量情況，并進(jìn)行了火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。根據(jù)模擬結(jié)果與火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果，給出了密閉艙室內(nèi)的疏散設(shè)施優(yōu)化布置建議。研究表明，所提出的模型與方法有助于驗(yàn)證并提高密閉艙室的安全疏散性能，可作為密閉艙室防火設(shè)計(jì)的輔助工具。

密閉艙室;火災(zāi);風(fēng)險(xiǎn);疏散;傷亡

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)模型已經(jīng)被廣泛用于預(yù)測(cè)人員的疏散行為及評(píng)估疏散效率，具有代表性的模型有社會(huì)力模型[1]、元胞自動(dòng)機(jī)模型[2]和場(chǎng)域模型[3]。這些模型可以在微觀及宏觀層面重現(xiàn)疏散過(guò)程中典型的行為特征。對(duì)于火災(zāi)環(huán)境下的人員疏散過(guò)程，有研究表明低能見(jiàn)度、眼睛受傷害、高溫等條件或者以上條件的組合會(huì)導(dǎo)致人員停止運(yùn)動(dòng)或改變運(yùn)動(dòng)方向[4-5]，暴露在有毒煙氣和高溫條件下，會(huì)對(duì)人員生命造成傷害[6]。所以，在模擬火災(zāi)環(huán)境下的人員疏散過(guò)程時(shí)，有必要考慮火災(zāi)產(chǎn)物對(duì)人員的影響。在火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDS[7]以及社會(huì)力模型的基礎(chǔ)上，VTT芬蘭國(guó)家技術(shù)研究中心開(kāi)發(fā)了能夠考慮火災(zāi)影響的人員疏散模型FDS+Evac[8]。在疏散模型buildingEXODUS中，也提供了與火災(zāi)模擬軟件CFAST[9]的接口，可以自動(dòng)導(dǎo)入CFAST的模擬結(jié)果[10]。國(guó)內(nèi)的學(xué)者們也嘗試在疏散模型中考慮火災(zāi)蔓延過(guò)程對(duì)人員行為的影響[11-12]。

然而，在疏散模型和火災(zāi)產(chǎn)物的結(jié)合過(guò)程中，存在不可避免的誤差。這是因?yàn)槭枭⒛Ｐ痛蠖际强臻g離散的，而火災(zāi)模型是空間連續(xù)的。因此，疏散模型的格點(diǎn)越大，誤差可能就越大。尤其對(duì)于密閉艙室空間，往往空間狹小，需要進(jìn)行較高精度的模擬計(jì)算。筆者采用精細(xì)網(wǎng)格疏散模型模擬密閉艙室人員疏散情況，并引入火災(zāi)產(chǎn)物對(duì)人員疏散過(guò)程的影響，重點(diǎn)關(guān)注火災(zāi)的典型產(chǎn)物—熱量與CO對(duì)人員的傷害，建立考慮火災(zāi)產(chǎn)物傷害影響的人員疏散模型及相應(yīng)的疏散安全評(píng)價(jià)方法。

1 耦合火災(zāi)影響的疏散模型

1.1 疏散模型

筆者研究的密閉艙室空間對(duì)象如圖1所示，為某船用密閉就餐區(qū)域，包含4個(gè)餐廳(標(biāo)記為R1～R4)，共計(jì)452個(gè)座位。R1、R2與R3各有2個(gè)疏散門，R4有一個(gè)疏散門。共有4部疏散樓梯(標(biāo)記為E1～E4)，一旦發(fā)生緊急情況，人員將通過(guò)疏散樓梯向上疏散。

圖1 某密閉艙室疏散模型

將該密閉艙室平面劃分成0.1 m×0.1 m的基礎(chǔ)格點(diǎn)，每個(gè)格點(diǎn)可以被占據(jù)(被障礙物占據(jù)或被行人占據(jù))，也可以為空(可通行)。按照該區(qū)域的座位數(shù)設(shè)置疏散人員，即共設(shè)置452個(gè)疏散人員。每個(gè)人員占據(jù)0.4 m×0.4 m格點(diǎn)大小，按照一定的疏散運(yùn)動(dòng)規(guī)則[13]向疏散樓梯進(jìn)行疏散。

1.2 火災(zāi)產(chǎn)物對(duì)生理健康的傷害

SFPE手冊(cè)中指出，火災(zāi)產(chǎn)生的熱量及有毒氣體會(huì)損害人員的生理健康。筆者重點(diǎn)關(guān)注火災(zāi)產(chǎn)生的熱量和CO對(duì)人員生理健康的損害。根據(jù)HABER的理論，有毒氣體的濃度CCO與人員在該濃度下能承受的時(shí)間tCO的乘積是一個(gè)常數(shù)，即：

WCO=CCO×tCO

(1)

有學(xué)者指出，由于人在呼吸過(guò)程中能夠吸入并吐出CO，所以當(dāng)CO濃度較低時(shí)，不滿足上述簡(jiǎn)單的關(guān)系，而是在某一CO濃度下，人員能忍受的時(shí)間大于式(1)計(jì)算得到的時(shí)間。當(dāng)CO濃度較高時(shí)，通過(guò)對(duì)靈長(zhǎng)類動(dòng)物的測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明，CO濃度與動(dòng)物能承受的時(shí)間滿足式(1)的關(guān)系，并且常數(shù)值為27 000 ppm·min。簡(jiǎn)單起見(jiàn)，認(rèn)為CO濃度與人員能夠承受的時(shí)間滿足式(1)，并且取WCO=27 000 ppm·min。

SFPE手冊(cè)中還給出了火災(zāi)產(chǎn)生的熱量(以溫度T表示)和人員能承受的時(shí)間tHEAT的關(guān)系：

tHEAT=5×107T-3.4

(2)

其中，HCO,HEAT表示人員在疏散過(guò)程中經(jīng)過(guò)熱量和CO傷害后的健康狀態(tài)，根據(jù)其計(jì)算過(guò)程可知，當(dāng)HCO,HEAT降到0時(shí)，代表達(dá)到了人員的承受極限，即人員會(huì)死亡。然而，式(3)未考慮火災(zāi)的其他產(chǎn)物對(duì)人員的傷害，簡(jiǎn)單起見(jiàn)，筆者假設(shè)式(3)中考慮的熱量和CO對(duì)人員的傷害作用占據(jù)全部火災(zāi)產(chǎn)物傷害作用的50%。因此，最終設(shè)定0.5和0.8作為死亡閾值和重傷閾值，即如果某個(gè)人的HCO,HEAT<0.5，則判定為死亡；如果0.5

1.3 模型的輸入輸出

在模擬某一空間內(nèi)的人員疏散過(guò)程時(shí)，需要以該空間發(fā)生火災(zāi)時(shí)相關(guān)火災(zāi)產(chǎn)物的數(shù)據(jù)為輸入?yún)?shù)。所以在采用上述模型模擬人員疏散過(guò)程之前，首先需要模擬計(jì)算密閉艙室內(nèi)的火災(zāi)蔓延過(guò)程。

筆者利用FDS軟件模擬密閉艙室內(nèi)火災(zāi)蔓延過(guò)程，并輸出高度為1.5 m的平面的溫度、消光系數(shù)、CO濃度等數(shù)據(jù)作為人員疏散模型的輸入?yún)?shù)。因?yàn)殡S著火災(zāi)的發(fā)展，火災(zāi)的相關(guān)產(chǎn)物濃度也在不斷變化，所以需要在疏散模型中隨著時(shí)間的延續(xù)更新火災(zāi)產(chǎn)物數(shù)據(jù)。同時(shí)，為了保證比較高的計(jì)算效率，在模型中設(shè)定每隔Δt=4 s的時(shí)間更新一次溫度、CO濃度等數(shù)據(jù)，并更新這些火災(zāi)產(chǎn)物對(duì)生理健康的影響。

2 基于耦合火災(zāi)影響疏散模擬的密閉艙室火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

筆者構(gòu)建的人員疏散模型能夠?qū)牖馂?zāi)產(chǎn)物數(shù)據(jù)，量化其對(duì)人員生理健康的傷害。模型輸出的人員生命值HCO,HEAT可以更加直觀反映火災(zāi)疏散安全性，進(jìn)而設(shè)定某項(xiàng)指示人員生理健康狀態(tài)的閾值，即可用于判斷人員疏散完成后的健康狀態(tài)，從而反映目標(biāo)建筑的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)水平。

根據(jù)《生產(chǎn)安全事故報(bào)告和調(diào)查處理?xiàng)l例》，火災(zāi)事故等級(jí)以死亡人數(shù)、重傷人數(shù)及直接財(cái)產(chǎn)損失為分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，因此，筆者結(jié)合模型的預(yù)測(cè)結(jié)果重點(diǎn)關(guān)注人員傷亡情況。根據(jù)式(3)，記火災(zāi)疏散后HCO,HEAT<0.5的死亡人數(shù)為N0.5，記0.5

表1 火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)劃分標(biāo)準(zhǔn)

因此，基于建立的耦合火災(zāi)影響的疏散模型，密閉艙室火災(zāi)疏散安全評(píng)價(jià)方法流程如圖2所示，具體步驟為：①提出密閉艙室空間布置與疏散設(shè)施的設(shè)計(jì)或更改方案；②根據(jù)設(shè)計(jì)方案，明確疏散場(chǎng)景設(shè)置，包括疏散人員、出口等，并輸入到疏散模型中；③根據(jù)設(shè)計(jì)方案，明確火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)置，包括火源與可燃物設(shè)定，用火災(zāi)模擬軟件FDS模擬火災(zāi)過(guò)程，并導(dǎo)出火災(zāi)產(chǎn)物數(shù)據(jù)至疏散模型中；④采用所提出的疏散模型模擬火災(zāi)影響下的人員疏散過(guò)程，得到疏散時(shí)間、死亡人數(shù)N0.5與重傷人數(shù)N0.8等結(jié)果；⑤根據(jù)表1給出的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)劃分標(biāo)準(zhǔn)，判定密閉艙室的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并分析疏散過(guò)程是否安全，如果“是”，則方案可接受；如果“否”，則給出改進(jìn)建議，并進(jìn)行相應(yīng)更改后重新進(jìn)行評(píng)估。

圖2 密閉艙室火災(zāi)疏散安全評(píng)價(jià)方法流程圖

3 模擬與分析

針對(duì)圖1所示密閉艙室空間，采用筆者建立的模型及方法評(píng)價(jià)火災(zāi)下的疏散過(guò)程安全性。為了研究火災(zāi)下的疏散過(guò)程，假設(shè)兩個(gè)可能的火源(標(biāo)記為F1與F2)，火源功率各為2.5 MW。在進(jìn)行火災(zāi)發(fā)展模擬的基礎(chǔ)上，采用建立的模型，針對(duì)4種疏散場(chǎng)景分別進(jìn)行了模擬計(jì)算，如表2所示。

表2 關(guān)注的4種疏散場(chǎng)景

圖3 各出口疏散人數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系

各出口疏散人數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖3所示，模擬結(jié)果表明，非火災(zāi)場(chǎng)景下，所有人員能夠在141 s內(nèi)完成疏散。但是疏散樓梯E1與每個(gè)餐廳疏散門的距離都較遠(yuǎn)，在人員選擇最短路徑的規(guī)則下，沒(méi)有人員使用E1進(jìn)行疏散，如圖3(a)所示。這表明現(xiàn)有的疏散設(shè)施布置與空間使用方案不能達(dá)到最優(yōu)的疏散效率。

3種疏散場(chǎng)景的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)如表3所示，模擬結(jié)果表明，餐廳R2內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，將造成25人死亡，47人重傷，存在重大火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)；餐廳R1內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，現(xiàn)有布置方案下，將造成37人死亡，26人重傷，存在特別重大火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。如果為餐廳R1與R4分別按照?qǐng)D1所示增設(shè)疏散門，避免兩個(gè)餐廳只有通向袋形走道的疏散門，在火源F2著火情景下，將不會(huì)造成人員死亡，有34人重傷，存在較大火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

表3 3種疏散場(chǎng)景的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)

3 結(jié)論

筆者建立了一種耦合火災(zāi)影響疏散模擬的密閉艙室火災(zāi)疏散模型，在模擬疏散過(guò)程時(shí)同步考慮火災(zāi)產(chǎn)物對(duì)人員生理健康的傷害。該模型能夠預(yù)測(cè)人員傷亡結(jié)果，基于此可評(píng)價(jià)模擬對(duì)象在各類火災(zāi)場(chǎng)景下的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

針對(duì)某密閉艙室就餐環(huán)境，采用建立的模型與方法分析了火災(zāi)發(fā)生時(shí)的疏散情況。結(jié)果表明現(xiàn)有的疏散設(shè)施布置存在兩方面問(wèn)題：①一部疏散樓梯設(shè)置較偏遠(yuǎn)，不能達(dá)到最優(yōu)的疏散效率；②兩個(gè)餐廳只有通向同一袋形走道的疏散門，一旦發(fā)生火災(zāi)，尤其是相應(yīng)的袋形走道被火災(zāi)煙氣蔓延，將造成嚴(yán)重的人員傷亡。因此，針對(duì)該研究模擬對(duì)象，提出如下建議：①改變偏遠(yuǎn)疏散樓梯的位置或重新布置餐廳與廚房空間，例如可考慮將餐廳布置為兩條橫向長(zhǎng)通道之間的上下聯(lián)通形式，將餐廳的疏散門直接通向兩條長(zhǎng)通道；②如果不能重新布置餐廳空間，需為只有通向同一袋形走道疏散門的餐廳增設(shè)其他疏散門，增加緊急情況下的疏散路徑選擇；③嚴(yán)格控制密閉空間內(nèi)的火災(zāi)荷載。

受限于當(dāng)前的研究條件，雖然筆者考慮了火災(zāi)產(chǎn)物對(duì)人員的傷害，但無(wú)法考量火災(zāi)傷害模型中人員的承受極限。簡(jiǎn)單起見(jiàn)，筆者直接假定了傷亡閾值，雖然預(yù)測(cè)的傷亡結(jié)果有一定誤差，但可反映出火災(zāi)疏散風(fēng)險(xiǎn)大小，而且基于此的安全評(píng)價(jià)結(jié)果可用于對(duì)比分析不同空間設(shè)計(jì)與疏散設(shè)施布置方案的火災(zāi)疏散安全風(fēng)險(xiǎn)性。

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RiskAssessmentofEnclosedCabinFireBasedonCoupledFireImpactEvacuationSimulation

XIAOXia,FANGZhiming

In the event of a fire in a enclosed cabin, it is subject to smoke and smoke conditions, and the fire product will cause serious injury to the person. According to the structure and the evacuation characteristics of the enclosed cabin, a fine grid evacuation model is proposed, which is based on the model. The fire risk assessment method of the enclosed chamber is proposed. A simulation of fire evacuation was carried out for a certain cabin, and the number of casualties was predicted, and the fire risk assessment was carried out. Based on the simulation results and the fire risk assessment results, the optimal arrangement of the evacuation facilities in the enclosed cabin is given. The research shows that the proposed model and method can help to verify and improve the safe evacuation performance of the enclosed cabin, and can be used as an auxiliary tool for the design of fireproof cabin in closed chamber.

enclosed cabin; fire; risk; evacuation; casualty

X932

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.05.002

2095-3852(2017)05-0511-04

A

2017-06-13.

肖霞(1985-),女,江蘇如皋人,上海船舶電子設(shè)備研究所工程師,主要研究方向?yàn)榇跋腊踩?

房志明(1986-)，男，山東武城人，上海市建筑科學(xué)研究院高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橥话l(fā)事件下人員疏散安全.

“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題基金項(xiàng)目(2016YFC0802508);上海市科委基金項(xiàng)目(16DZ1200106).

XIAOXiaEngineer; Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute, Shanghai 201108, China.