(華東建筑集團股份有限公司，上海 200041)

1 引言

城市發(fā)展過程中，醫(yī)院在現代城市中隨處可見，一定程度上代表了城市的社會便利程度和良好形象。醫(yī)院在結構中較之普通的建筑群具有一定的復雜性，社會公眾對于醫(yī)院的安全問題高度關注。醫(yī)院人員復雜、密集化的特點為建筑增加了火災隱患，所以對于醫(yī)院建筑可能存在的消防隱患以及建立全面可靠的防火監(jiān)督很有必要[1-3]。

醫(yī)院內發(fā)生火災，危害形式集中在以下幾點：

1)火勢蔓延速度快：在醫(yī)院中關于建筑防火材料以及防火設計可能存在一定的弊端，為火災的蔓延創(chuàng)造了有力的條件。特別是像在藥物儲藏室中，室內存在大量的可燃物體，為火災的燃燒提供了物質基礎，進而加劇了火勢的蔓延；

2)人員逃生困難：發(fā)生火災時，受災人員的逃生渠道較之普通的建筑帶有一定的局限性，只有樓梯間可以快速地從火災現場中脫離出來。加之醫(yī)院人員密集，特殊人員多，一旦發(fā)生火災事故，極易對受災人員在撤離時形成巨大的阻礙；

3)火災撲救困難：現階段中關于火災消防能力遠遠不能滿足高層醫(yī)院消防的需要，即使是云梯消防車也只能達到限定的高度進行消防作業(yè)，給撲救工作帶來一定的困難。

對于大空間中庭建筑內火災煙氣運動規(guī)律的研究，通常是把實體實驗研究和物理模型計算機數值模擬技術相結合。

實體模型實驗研究方法主要包括小尺寸的物理模型實驗研究和全尺寸物理模型實驗研究。由于大空間火災場景的影響因素眾多，如可燃物品的種類、數量、位置以及分布的狀態(tài)，房間通風口的大小、位置以及高度，著火區(qū)域四周壁面的裝飾材料等等，造成火災過程的概率性很大，想要從小尺寸實驗中找出模型與實體的相似比例關系是非常困難的，而進行全尺寸模型的物理實驗費用巨大，且操作困難，于是計算數值模擬成為了更合理的選擇[4-6]?，F在已經有60多種與火災有關的成熟可靠的計算數值模擬的模型，其中有三十多種區(qū)域模型可以模擬火災場景下的火災發(fā)展趨勢和煙氣蔓延趨勢，并預測火場空間內的溫度、煙氣濃度、可見度等狀態(tài)參數； 有二十多種只能用于單室火災的模擬和預測； 十幾種可以對多室火災蔓延的場景進行模擬和預測。根據建筑特點、空間布局、材料特性等，合理使用數值仿真模型，是進行火災模擬及逃生分析設定的有效方式[7-8]。

2 技術方案

圖1為某醫(yī)院四層模型，南側為統一的手術治療室，東區(qū)為逃生樓梯，以及電機房，與西區(qū)一條走道相連，通過防火門隔離，平時為通行方便，防火門為常開狀態(tài)； 西區(qū)靠中部為電梯廳，西區(qū)盡頭為西部逃生梯以及電梯廳，西北部為常規(guī)醫(yī)療病房以及診室。樓層結構較為簡單，以通風計算結果(論文第四節(jié)詳細闡述)可知，若西北部發(fā)生火災危害性比較小，氣體需要很長時間才能蔓延到主通道； 南部手術區(qū)為重點疏散區(qū)域，沿主通道一字延伸分布，若主通道發(fā)生火災，手術室到電梯廳的通道需保持通暢。現假設中心區(qū)域電機房著火，所有防火門未關，火勢及煙霧可自由蔓延。需分析氣體的擴散速度，東側手術室有多少時間從電梯廳撤離，主通道何時被煙霧阻斷，有噴淋的情況下，對煙霧以及火勢的控制效果等內容，進而評價該樓層設計在發(fā)生火災時，人員疏散通道設計是否合理[9-11]。

圖1 醫(yī)院樓層模型

根據通用主流的建筑火災模擬分析方法，結合本醫(yī)院建筑模型特點，將本項目火災模擬及逃生分析技術路線分為三個步驟，如圖2所示。

圖2 火災模擬及逃生分析技術路線

第一階段：通風分析，選取一到兩個極端通風工況，即遠離中心通風良好區(qū)域的區(qū)域進行通風分析，旨在查看整個建筑布局在極端通風條件下的氣流流通情況，確定氣體郁結的結構點，進而論證如若發(fā)生火災，預測煙氣在通風最差的情況下的擴散方向以及程度。此外，通風分析也需要為火災分析確定火災最為危險的狀況提供數值仿真依據。

第二階段：火災分析，在通風分析的基礎上，確認發(fā)生火災最危險的位置，根據火災載荷分析，添加合適的燃燒物作為燃燒源。分析實際燃燒過程中，溫度場分布，有害氣體擴散程度，以及煙霧行走趨勢。

第三階段：疏散分析，基于火災仿真的結果，主要參考溫度場分布，劃定行人禁行區(qū)域，根據有害氣體以及煙霧擴散的趨勢，分析人員疏散的安全時間。綜合兩方面的因素，得出疏散的合理路線以及疏散的安全時間。

疏散設計的對象為醫(yī)院中的特殊緩行人群，分析這類人群在疏散過程中的最大逃生時間，與煙霧擴散速度和范圍作對比，得出最終合理安全的疏散路線。疏散設計的前提假設為，在危險發(fā)生后，眾人能按照引導員，有序地撤離建筑物，而不考慮人員在發(fā)生火災后驚慌亂行，最終導致逃生失敗。因此本項目得出的疏散結論和指導建議，旨在為醫(yī)院管理部門提供消防以及疏散建議，在合理引導的基礎上，最大程度地保全人身安全[12-14]。

3 分析軟件介紹

Kameleon FireEx(簡稱KFX)是目前在氣體擴散、消防和火災模擬方面處于國際領導地位的CFD軟件，并逐漸成為燃燒和火災領域的工業(yè)標準。其開發(fā)者ComputIT公司是一家環(huán)境和反應流領域內的專業(yè)公司。

KFX的軟件優(yōu)勢主要體現在：

1)KFX是一款三維瞬態(tài)CFD軟件，通過參數設定(如courant數等)，能得到大尺度問題每個時間節(jié)點和坐標節(jié)點的物理量(溫度、熱輻射、煙氣、能見度、燃燒產物濃度、有毒氣體等)，且基本不出現計算發(fā)散的問題。KFX對大尺度燃燒火災的模擬功能是其它軟件不能比擬的。

2)KFX可以與有限元結構響應軟件Fahts/Usfos之間具有無縫接口，從而進行動態(tài)結構響應分析，包括結構的變形及從屈服到坍塌的整個過程。基于分析結果，設計人員可以對有火災隱患的結構進行被動防護，減小災害損失。

3)KFX具有詳細的求解帶有噴水系統的火災減災措施的拉格朗日模型。水是一種清潔高效、環(huán)境友好、無毒無害的滅火介質。水噴淋滅火系統早已廣泛地應用在消防領域。其數值模擬結果對噴嘴的安裝設計有重要意義。

4)KFX具有高效的前處理和后處理能力并且界面友好。在KFX軟件中，網格可以自動與幾何模型匹配，大大節(jié)省了其它軟件所需要的幾何處理和網格劃分時間，前處理非常簡單高效。且后處理功能強大，可以直觀了解事故影響范圍和程度。

5)KFX能很好地解決消防安全中關于氣體擴散、燃燒、爆炸、結構響應、噴射滅火等問題的模擬計算。

KFX軟件計算程序經過大量實驗進行修正，能更好地滿足工程上的精度需求。工程上常用的幾種火災模擬軟件對比如表1所示[15-19]。

表1 常用火災模擬軟件對比

名稱人機界面應用范圍評 述KFX可以手工繪制3D模型,也可以導入已建立的PDMS、PDS模型導入; 有豐富后處理結果(云圖、數值、各類曲線、動畫以及自身獨有的逃生設計; 前處理簡單快捷,上手容易,網格質量要求低,條件輸入簡單,有大量的工程實測數據,簡化定義時間。氣體擴散液池擴展和蒸發(fā)爆炸燃燒水噴淋結構響應KFX火災模型計算功能非常強,這是由于KFX的火災模型是經過大量的工程與試驗數據得到,這就保證了火災模擬的準確性,可以與Flacs實現數據對接,并且可以根據火災情況模擬水噴淋以及逃生路線設計,完善了火災以及消防模擬的整個過程,真實反映現場。FLACS可以手工繪制3D模型,也可以導入已建立PDMS、PDS模型導入。氣體擴散液池擴展和蒸發(fā)爆炸燃燒 FLACS爆炸模塊功能較強,被業(yè)內廣泛認可,但其火災模型起步較晚,燃燒工程與試驗數據不足,模擬結果真實性需要驗證。FDS無標準的圖形操作界面,輸入文件需要以固定格式的文本文件以及相關命令來導入,操作不易上手。氣體擴散燃燒水噴淋FDS是美國國家標準研究所建筑火災研究實驗室開發(fā)的模擬火災中流體運動的計算流體動力學軟件,重點計算火災中的煙氣和熱傳遞過程。由于FDS是開放的源碼,在推廣使用的同時,根據使用者反饋的信息持續(xù)不斷地完善程序。因此,在火災科學領域得到了廣泛應用。

4 通風分析

通風分析，選取一到兩個極端通風工況，即遠離中心通風良好區(qū)域的區(qū)域進行通風分析，旨在查看整個建筑布局在極端通風條件下的氣流流通情況，確定氣體郁結的結構點，進而論證如若發(fā)生火災，預測煙氣在通風最差的情況下的擴散方向以及程度。

工況一：樓層平面的西北方向空間，空調風口尺寸0.2x0.2m，風向向下，風速15m/s。樓層門全開，窗口全開。圖3是速度分布云圖，在有空調的作用下，西北角房間的氣流擴散程度比較差，最多只能擴散到臨近三個房間，如果在西北角發(fā)生火災，煙氣將比較集中在西北角。西北面的窗戶保持良好的通風，將有效地控制火災煙氣對大樓內部的影響。圖4是壓力分布云圖，氣流在門口處有比較明顯的積結，考慮到火災會有大量氣流在短時間內向四面擴散，口門會有很氣流阻滯，若燃燒態(tài)勢比較劇烈，將有比較大的概率產生爆轟，造成大的危害，所以從這點分析，西北角窗口的開放也是切實必要的。

圖5是整體三維流線分布圖，相比流速分布，流線更能體現氣流發(fā)展的態(tài)勢。樓層氣流積結的點比較明顯，集中在電梯廳，東側樓梯廳。而開窗的房間，如西側，西側樓梯廳，氣流比較暢通。在逃生疏散時，如果煙氣已經擴散到全樓層，應該將逃生線路，設計在樓梯廳，以及西側樓梯廳。圖6是局部三維流線分布圖，從流線來看，在樓道中的分布，垂向分布上，比較集中在中上部，由此可以推斷，在樓道中煙氣擴散的主要速度方向也集中在中上部，結合煙氣本身密度較空氣低的物理現象，在疏散過程中應采用彎腰前行的姿勢前行。

圖3 工況一通風分析速度云圖

圖4 工況一通風分析壓力云圖

圖5 工況一整體三維流線分布

圖6 工況一局部三維流線分布

工況二：空調風口尺寸0.2×0.2m，風向向下，風速15m/s。樓層門全開，窗口全開。圖7是速度分布云圖，在有空調的作用下，東南角房間的氣流擴散程度明顯要比西北角房間擴散程度高，最遠處已經能影響到電梯間，如果在西北角發(fā)生火災，煙氣將比較快地擴散到整個東部地區(qū)。且由于東南角房間開門位置，造成氣流擴散方向使得東部走道盡頭的格柵沒有起到作用。圖8是壓力分布云圖，與西北角房間工況類似，氣流在房間四角處有比較明顯的積結，若燃燒態(tài)勢比較劇烈，將有比較大的概率產生爆轟，造成大的危害，所以從這點分析，兩邊的門都需要保持通風暢通。

圖7 工況二通風分析速度云圖

圖8 工況二通風分析壓力云圖

圖9是整體三維流線分布圖，從整體流線來看，氣流已經影響到整個東部地區(qū)，進而阻斷了東部的疏散線路。電梯廳的氣體積結大大減少，方便了人員從東部向西區(qū)擴散，西區(qū)樓梯廳仍然是主要考慮的疏散線路。圖10是局部空間速度矢量圖，在樓道中煙氣擴散的主要速度方向也集中在中上部，在疏散過程中應采用彎腰前行的姿勢前行。

圖9 工況二整體三維流線分布

圖10 工況二局部空間速度矢量圖

5 火災模擬

火災荷載直接影響到火災發(fā)展及持續(xù)時間，是影響商場火災發(fā)展很重要的因素?；馂暮奢d是指涉火空間內所有可燃物燃燒所產生的總熱量值，也可定義成與室內所有可燃物燃燒時產生相等熱量的某種可燃物的重量。即：

其中，P為火災荷載，Gi為各種可燃物的重量，ΔHi為各種可燃物的燃燒熱值，ΔHV為某種特定可燃物的燃燒熱值。本文中我們采用C6H14作為特定可燃物。

火災荷載調查是進行火災模擬的基礎。在取得真實的火災荷載數量、種類、可燃性以及分布等的基礎上，才能得到盡可能真實的火災發(fā)展模擬過程。

本文計算中，電機房火災荷載密度取為270MJ/m2，假定機電房中所有電機都發(fā)生火災，且將蔓延到整個房間，測量該面積大約為27m2，根據假設的火災荷載密度，可以得到：

總放熱量Q=270MJ/m2×27m2=7290MJ

查詢相關資料可得，C6H14液體狀態(tài)下的密度為654.8kg/m3，燃燒熱值為45.773MJ/kg。由此我們可以得到所需C6H14的質量為160kg。

火災模擬中所用參數依照第4小節(jié)通風分析的結果進行設定，根據模擬結果，機電房約在第80s時燃盡。下文針對80s內的相關數據進行分析，分析過程中選取Z=0.5m的高度平面查看隨時間推進著火空間內的溫度情況，圖11至圖16分別是5s、10s、20s、40s、60s、80s時0.5m高度處平面溫度分布云圖，從圖中溫度分布發(fā)展趨勢可知，在60s后，高溫區(qū)向電機房外部延伸，煙氣也向外擴散，所以在煙氣分析中應重點考慮50s之后的分布情況與發(fā)展趨勢。

圖11 5s時溫度分布云圖

圖12 10s時溫度分布云圖

圖13 20s時溫度分布云圖

圖14 40s時溫度分布云圖

圖15 60s時溫度分布云圖

圖16 80s時溫度分布云圖

圖17至圖20分別是50s、60s、80s、100s時1.6m高度處平面煙氣分布云圖，圖21和22分別是80s和100s時火焰及煙氣渲染圖，從圖中煙氣分布發(fā)展趨勢可知，在60s后，煙氣向通道方向開始大量擴散， 80s時已經擴散到周邊空間，此時已經對疏散人群產生較大的影響。

圖17 50s時煙氣分布云圖

圖18 60s時煙氣分布云圖

圖19 80s時煙氣分布云圖

圖20 100s時煙氣分布云圖

圖21 80s時火焰及煙氣渲染圖

通過以上分析可知，在火災開始階段，火源處溫度較高，室內氧氣足夠提供燃料燃燒。隨著火勢的發(fā)展，在第10s以后，火勢發(fā)展較快，大約30s時火災達到轟燃。轟燃之后，由于通風口處由于氧氣充足，溫度較高，而機電房附近區(qū)域由于供氧不足，溫度不高。從煙氣渲染圖上我們可以看出從20s至60s期間煙氣濃度變化較小，從70s之后煙氣迅速延伸到了主走道空間并開始向東部擴散。到100s時煙氣已經基本手術室區(qū)連接主通道的所有空間。空間溫度分布隨著時間的推進，整個空間的溫度在上升，由開始的局限于中間區(qū)域的高溫向整個空間擴散。由于中間區(qū)域的供氧量不足，最高溫度向其它地方轉移。燃燒初始階段CO2主要集中在火源附近，隨著燃燒的進行，CO2向四周進行擴散。燃燒前期由于氧氣充足，CO濃度很低，隨著燃燒的進行，空間內的氧氣減少，燃料不能充分燃燒，隨而產生了大量的CO。

6 逃生分析

根據以上模擬分析結果，我們可以看到本醫(yī)院建筑逃生通道的設置比較合理，在火災發(fā)展初期通道內基本沒有煙氣進入，溫度也相對較低。一旦發(fā)生火災，人群有相對充分的時間來進行逃生。此外，由于醫(yī)院走道有大量的排氣窗，此處與外界相連，煙氣能夠得到較為充分的擴散，空間相對較為寬廣有利于人群的疏散。

但是，由于我們采用的燃燒介質為輕質油，相對于醫(yī)院電機房具體物品來說其燃燒放熱量較大，以業(yè)內文獻中通用的火災載荷密度同比材料木材進行對比，木材的燃燒熱值為18MJ/kg，本文所用C6H14為45.8MJ/kg，假定其燃燒速度相同，則木材所耗時間為C6H14的2.54倍，即要用4min左右的時間。在實際當中，由于液體燃料的燃燒速度要大于固體燃料的燃燒速度，根據相關文獻，固體可燃物熱釋放功率大約為225～500kW/m2。實際中，我們假定為400kW/m2，總熱量7 290MJ，我們可以算出本文中的平均熱功率為：

據此我們可得兩種燃料的熱燃燒速度之比約為6。結合前面的燃燒熱量比值，在實際當中，火災發(fā)展時間要在本文結果乘上15甚至更大的一個系數。

本文中我們假定時間乘上一個系數15，則燃燒總時間約為24min，以此進行逃生方案分析。由于燃燒區(qū)域位于樓層東區(qū)，西區(qū)所受影響較小，人員有充足的時間逃生，醫(yī)院東區(qū)的逃生出口離火源較近，一旦發(fā)生火災，人員沒有充分時間逃生，因此我們主要分析這附近人員的逃生情況。假定著火區(qū)域人員密度為1人/m2，假定著火后的由于擁堵人員平均行走速度為0.5m/s。根據上文計算結果，在第40s時(乘上系數15，即實際情況在約10min左右時，以下所有時間皆為實際時間，即模擬時間乘以15)，煙氣分布即將突破電機房范圍。

如圖23所示，與電機房正對的手術室可以從南側的緊急通道可以逃生，通往西側的安全樓梯，最遠的房間距離西側樓梯口為70m，特殊人員逃生時間為350s，而煙霧擴散到距離樓梯間尚有10m距離的時候，需要1 500s，除去發(fā)現火災發(fā)生反應時間600s，留給人員逃生時間為900s，病人早已到達1樓，逃出火災大樓。

如圖24所示，位于燃燒區(qū)域右側第二手術室的人員，處于最為危險情況，其他除第二間手術室可以通過后側的通道逃生，只有第二間需要從前側主通道行走逃脫。針對該最危險工況進行分析，火焰已從電機房伸出到達主通道，隔斷了東西兩側，則第二手術室的人員只能從東側逃生通道逃走。從第二手術室的門口到東側樓梯的距離約為13m，一般人員需要26s跑到樓梯口，考慮到手術室人員行動不便，或中老年行動暖慢的因素，將特殊人員的行走速度設為0.2m/s，則特殊人群到達樓梯口的時間為75s。從分析結果知，煙霧12.5min到達第二間手術室門口， 17.5min到達樓梯間門口， 22.5min進到樓梯間。極端情況下，人員在發(fā)現著火后2.5min(150s)內必須從第二手術室逃出， 7.5(450s)min內趕到樓梯間， 12.5min(750s)內開始下樓?？紤]到人員本身行走速度比煙霧擴散速度慢，所以出于安全角度，人員需要在煙霧到達樓梯間時，已經與燃燒樓層有至少兩層的逃生距離。假設特殊人群下樓速度為0.025m/s，樓層高度為3m，則通過單層的時間為2min，從四樓下到二樓的時間為4min(240s)，加上之前通過走廊的75s，考慮之前的車里準備工作60s，總共耗時375s，小于煙霧到達樓梯口的750s。故即使在最危險的第二間房間，特殊人群仍然可以在正確疏導的前提下，成功逃生。

圖23 機電房對面手術室逃生路線圖

圖24 機電房右側第二手術室逃生路線圖

圖25 其他樓層手術室逃生線路

實際情況下，因為有其他更為靈敏的探測手段，火災反應時間是短于600s，加上樓道內其他主動消防手段啟動，如噴淋系統，煙霧到達樓梯口的時間要比1 500s長。即使火災發(fā)生在一樓，其他樓層的人員可以直接通過主通道來疏散，如圖25所示，五樓的最長逃生時間為，人員到樓梯口55m， 275s，加上下樓時間480s，一共755s，小于900s的煙霧擴散到西側樓梯口時間，全部人員可以安全撤離。

7 結論

綜上所述，本項目醫(yī)院建筑的火災模擬及逃生分析研究得到以下結論，通過項目研究可以為類似項目的分析提供技術路線借鑒：

1)通過樓層通風分析可知，如遇火災，西側樓梯為主要逃生通道；

2)日常應保持門窗通風，在極端情況下，如急速火災，可大大降低發(fā)生爆炸的危險，且有利于煙氣疏通；

3)人員在逃生時，需要彎腰，壓低身軀前行，可避免吸入過多煙氣；

4)火災發(fā)生時，即使發(fā)生在比較危險的樓層中段電機室，整個樓層仍然可以在合理疏散的前提下，安全撤離；

5)火災發(fā)生樓層，除電梯間東側第二間手術室外，都可以通過西側樓梯逃生，第二手術室可以通過東側樓梯逃生，時間充裕；

6)非火災發(fā)生樓層，皆可以通過西側樓梯逃生，時間充裕。