陳溢彬 許秦坤 杜佳欣 吳 丹 諸 勇 陳榮彬

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院 四川綿陽(yáng) 621010； 2.中國(guó)政法大學(xué)中歐法學(xué)院 北京 102249)

城中村是指在中心城區(qū)被城市包圍或者在城市邊緣區(qū)與城市建成區(qū)相連、全部或大部分農(nóng)用地被征用、外來(lái)常住人口聚集的村莊。城中村是城市化的產(chǎn)物，也是大量外來(lái)人口到達(dá)城市落腳的第一站[1-2]。城中村房屋的典型特點(diǎn)就是樓與樓之間間隔小，稱為“握手樓”。通常一樓都是作為商鋪進(jìn)行出租，二樓以上為租房。為了擴(kuò)大房間的面積，通常樓梯都非常窄且有各式各樣的雜物堆放，火災(zāi)隱患十分突出。一旦發(fā)生火災(zāi)會(huì)因疏散不利而導(dǎo)致煙氣窒息和中毒，發(fā)生群死群傷惡性事件。目前大多數(shù)疏散研究都集中在地鐵、超市、高校等場(chǎng)景，對(duì)安全隱患更大的城中村卻很少研究。本次實(shí)驗(yàn)運(yùn)用FDS(Fire Dynamics Simulator)對(duì)火場(chǎng)情況進(jìn)行模擬，得出火場(chǎng)溫度以及煙氣層高度對(duì)人的影響及臨界時(shí)間點(diǎn)，運(yùn)用Pathfinder對(duì)人員疏散進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，分析不同樓梯阻塞比對(duì)人員疏散的影響。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

1.1 數(shù)值模擬介紹

本文以廣東某城中村為例，通過(guò)走訪調(diào)查總結(jié)，使用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDS計(jì)算火災(zāi)中的煙氣蔓延和熱傳遞過(guò)程,研究火災(zāi)發(fā)展過(guò)程以及煙氣蔓延規(guī)律,并以此獲得人員可用安全疏散時(shí)間。本次實(shí)驗(yàn)建筑物一樓為商鋪、二樓以上為租房。如圖1所示，模型尺寸為11.4 m×12.9 m×19.6 m，單層高3 m，起火樓層位于3樓(11.4 m×12.9 m×12 m)，該樓層走廊總長(zhǎng)度為8 m，在走廊每隔1 m距離設(shè)置溫度測(cè)點(diǎn)，每隔2 m距離設(shè)置CO測(cè)點(diǎn)、能見(jiàn)度測(cè)點(diǎn)，高度均為1.6 m，測(cè)點(diǎn)布置如圖1(b)所示。Heskestad[3]指出火災(zāi)的發(fā)展過(guò)程前期遵守t2火的增長(zhǎng)，因此本文采用t2火進(jìn)行模擬，考慮最不利因素選取火源增長(zhǎng)因子α=0.046 9 kW/s2，t2火模型公式如式(1)：

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。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]選取火源功率為3 MW，計(jì)算得出熱釋放速率在253 s達(dá)到最大值，總?cè)紵龝r(shí)長(zhǎng)900 s。為了使模擬結(jié)果更加接近真實(shí)情況，本次模擬網(wǎng)格采用火災(zāi)特征直徑(D?)(Characteristic fire diameter)公式[5]來(lái)計(jì)算，如式(2)，網(wǎng)格劃分為0.1 m×0.1 m×0.1 m。

(2)

式中：D?為火災(zāi)特征直徑；g為重力加速度；Q為火源熱釋放速率，kW；ρ0為空氣密度，kg/m3；Cp為定壓比熱容，kJ/kg·K；T0為環(huán)境空氣溫度，K。

通過(guò)Pathfinder分析人員疏散過(guò)程，Pathfinder有SFPE和Steering兩種模式，前者以路徑長(zhǎng)度作為疏散選擇標(biāo)準(zhǔn)，疏散人員將根據(jù)就近原則選擇疏散出口，后者則采用路徑規(guī)劃與人員碰撞相結(jié)合制定人員疏散策略[6]，因此Steering模式更加符合現(xiàn)實(shí)中人員遇到火災(zāi)疏散的情況，所以采用后者進(jìn)行模擬。設(shè)置人員由樓梯進(jìn)行逃生，樓梯寬度為1.1 m，轉(zhuǎn)角平臺(tái)2.56 m2，踏步高度為0.2 m，每層樓隨機(jī)分布6～8位人員，總?cè)藬?shù)24人?？紤]到煙氣濃度與可見(jiàn)度會(huì)對(duì)人員行走速度產(chǎn)生影響，因此將人員行走速度設(shè)置為最小0.6 m/s，最大1.8 m/s，平均行走速度為1.2 m/s。為了研究樓梯阻塞比對(duì)人員逃生的影響，分別設(shè)置了0～20% 阻塞比?？紤]到一般農(nóng)村自建房沒(méi)有安裝煙霧探測(cè)器，根據(jù)實(shí)際燃燒情況發(fā)生火災(zāi)樓層(3樓)人員意識(shí)到火災(zāi)最先疏散，其次是四樓(煙氣在熱浮力的作用下會(huì)向四樓擴(kuò)散)，最后為2樓人員。根據(jù)文獻(xiàn)[7]選取反應(yīng)時(shí)間分別為30，35，40 s。

圖1 建筑物結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Building structure

2 結(jié)果與分析

2.1 火場(chǎng)溫度

研究表明，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，死亡案例大部分發(fā)生在鄰近的房間或更遠(yuǎn)的地方而不是起火房間之內(nèi)，而且大部分死亡人員都發(fā)生在轟燃后的階段[8]。由于人們居住的方式發(fā)生了變化，現(xiàn)代化的合成材料被廣泛應(yīng)用于家具上，阻燃成分增加，導(dǎo)致煙氣毒性增加，高溫?zé)煔馐菍?dǎo)致人員傷亡的主要原因。煙氣在火災(zāi)初期階段的水平運(yùn)行速度為0.3 m/s，轟燃前煙氣擴(kuò)散速度為0.5～0.8 m/s[9]。

圖2為著火樓層發(fā)生火災(zāi)后50，100，150 s時(shí)的煙氣蔓延情況。在發(fā)生火災(zāi)50 s后煙氣撞擊頂棚后開(kāi)始沿著天花板向整個(gè)樓層蔓延，此時(shí)溫度場(chǎng)、能見(jiàn)度對(duì)人逃生影響相對(duì)較小，屬于最佳的逃生時(shí)間段。當(dāng)燃燒達(dá)到100 s時(shí)，煙氣生成量大于逸散量，煙氣層開(kāi)始下降并逐漸達(dá)到成年人的呼吸高度，同時(shí)煙氣也開(kāi)始向樓梯間蔓延，在溫度差的作用下產(chǎn)生煙囪效應(yīng)，向樓上蔓延。當(dāng)火災(zāi)發(fā)展到150 s時(shí)，高溫?zé)煔獬錆M整個(gè)樓層，煙氣以豎向下沉為主，樓層能見(jiàn)度減低，對(duì)人員逃生影響非常大。

圖2 不同時(shí)間段煙氣蔓延情況Fig.2 Smoke spread in different time periods

霍然等[10]研究表明，人員處于65 ℃的環(huán)境中將無(wú)法呼吸，從安全角度考慮，可以把60 ℃作為溫度危險(xiǎn)臨界點(diǎn)。有關(guān)資料表明[11]，人類不能在CO體積分?jǐn)?shù)為10×10-4環(huán)境中超過(guò)30 min，故將CO體積分?jǐn)?shù)為5×10-4作為臨界值。能見(jiàn)度對(duì)火場(chǎng)逃生至關(guān)重要，可將能見(jiàn)度低于10 m的時(shí)間定義為能見(jiàn)度的特征時(shí)間，當(dāng)火場(chǎng)中達(dá)到任意一種情況都可認(rèn)定火災(zāi)達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)。走廊通道是人員逃生的必經(jīng)之路，根據(jù)所布置的測(cè)點(diǎn)繪制走廊通道的溫度圖、能見(jiàn)度圖和CO濃度圖，如圖3所示。

圖3 走廊通道火源熱釋放速率、溫度、CO濃度和能見(jiàn)度動(dòng)態(tài)圖Fig.3 Dynamic graph of heat release rate, temperature, CO concentration and visibility of fire source in the corridor

根據(jù)國(guó)家衛(wèi)健委2015年報(bào)告，我國(guó)成年人身高已經(jīng)超過(guò)1.5 m[12]，本文根據(jù)火源樓層層高選取高度1.6 m處測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析。圖3(a)為整個(gè)火場(chǎng)的火源熱釋放速率，功率在接近253 s左右達(dá)到最大值3 MW，隨后開(kāi)始下降，到400 s左右火源功率開(kāi)始趨向0，因此本文選取0～400 s進(jìn)行分析。將總長(zhǎng)為8 m的走廊通道每隔1 m位置所測(cè)的溫度數(shù)據(jù)繪制圖3(b)所示的溫度趨勢(shì)圖，可以看出走廊通道溫度隨著時(shí)間的增加而增加。越靠近火源受熱輻射影響越大，因此溫度增長(zhǎng)越快。最靠近火源位置的測(cè)點(diǎn)達(dá)到溫度臨界值的時(shí)間為100 s左右，而通道上其它地方達(dá)到臨界值的時(shí)間基本相同，為139.5 s，因此可將139.5 s作為溫度的臨界值。圖3(c)顯示了總長(zhǎng)為8 m走廊通道區(qū)域范圍內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化曲線。CO會(huì)使人產(chǎn)生頭暈等癥狀，導(dǎo)致CO中毒。由上文可知，CO體積分?jǐn)?shù)臨界點(diǎn)為5×10-4，其達(dá)到臨界值的時(shí)間為200 s。從圖3(d)可以看出，由于樓層低，能見(jiàn)度達(dá)到臨界值的時(shí)間為100 s，但不同于其他疏散研究的是，本次疏散是發(fā)生在一個(gè)熟悉的環(huán)境，且建筑物面積較小，而大多數(shù)疏散研究的是公共場(chǎng)所，在不熟悉建筑物布局的情況下，能見(jiàn)度高低對(duì)人的影響非常大。對(duì)本次人員疏散來(lái)說(shuō)能見(jiàn)度的高低影響相對(duì)較小。后文僅研究溫度、CO的臨界值對(duì)人員疏散的影響。

2.2 人員疏散分析

火災(zāi)發(fā)生后對(duì)人員是否能安全疏散主要取決于兩個(gè)特征時(shí)間[13-14]，即人員安全疏散可用時(shí)間Taset(Available Safe Egress Time)；二是人員疏散到安全場(chǎng)所所需的時(shí)間Trset(Required Safe Egress Time)。為了保證人員的安全疏散就必須滿足Taset-Trset>0，并且差值越大對(duì)人員逃生越有利。Trset通常由火災(zāi)報(bào)警時(shí)間、人員響應(yīng)時(shí)間和人員疏散時(shí)間組成，即Trset=td+tpre+tm。而Taset與火災(zāi)發(fā)展等因素有關(guān)，數(shù)值受火場(chǎng)參數(shù)影響很大，很難定量化。通過(guò)Pathfinder模擬得出不同工況Trset時(shí)間如圖4所示。

圖4 不同阻塞比疏散圖Fig.4 Evacuation charts with different blocking ratios

圖4(a)為當(dāng)樓梯無(wú)阻塞比時(shí)人員疏散到安全地方所用時(shí)間Trset=132.0 s，小于Taset=139.5 s，在此情況下人員可以安全疏散。當(dāng)阻塞比為5%～20%時(shí)，Trset大于Taset，在此情況下人員無(wú)法進(jìn)行安全撤離，可能出現(xiàn)人員傷亡的情況。當(dāng)阻塞比僅為5%時(shí)，與無(wú)阻塞相比Trset相差了11 s，足以看出障礙物對(duì)人員疏散影響非常大。圖4(b)為樓梯擁堵情況，5種工況均有出現(xiàn)，擁堵現(xiàn)象出現(xiàn)在二樓樓層時(shí)間為50 s后，且阻塞比越大擁堵情況越久、滯留人數(shù)越多，說(shuō)明疏散通道上障礙物對(duì)人安全疏散的影響非常大。5%～20% 阻塞比工況相比于無(wú)阻塞的工況疏散的必要時(shí)間Trset分別增加了8%，11%，13%和16%。詳情如表1所示。

表1 疏散結(jié)果匯總Table 1 Summary of evacuation results

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某城中村火災(zāi)過(guò)程進(jìn)行模擬，再通過(guò)設(shè)置不同障礙物對(duì)人員逃生影響進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：(1)火災(zāi)發(fā)生后的100 s左右，高溫?zé)煔饩蜁?huì)充滿整個(gè)樓層，由于樓層低，煙氣層沉降快，溫度、CO和能見(jiàn)度很快就達(dá)到臨界值，人員可用于安全疏散的時(shí)間Taset僅為139.5 s。(2)當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，對(duì)于沒(méi)有消防通道的建筑物來(lái)說(shuō)，樓梯就是生命通道。通過(guò)設(shè)置不同阻塞比的樓梯間作為比較研究，發(fā)現(xiàn)阻塞比越大，對(duì)人員疏散影響越大。當(dāng)樓梯沒(méi)有障礙物時(shí)，人員逃生時(shí)間Taset-Trset>0，在此情況下人員能夠進(jìn)行安全疏散。5%阻塞比逃生所需的Trset時(shí)間比無(wú)阻塞樓梯增加了11 s，20%阻塞比比無(wú)阻塞樓梯增加了21.5 s。由此可知，樓梯障礙物是人員逃生的主要障礙。(3)樓梯作為主要逃生通道，保證其暢通性尤為重要，很大程度上能提高建筑的疏散能力。對(duì)于一棟已經(jīng)建好的并且沒(méi)有預(yù)留相關(guān)配套設(shè)施的建筑來(lái)講，按規(guī)范要求整改成本是非常高的，在現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)保證樓梯間沒(méi)有障礙物，定期檢查以確保疏散通道暢通。相關(guān)社區(qū)也應(yīng)大力宣傳、定期檢查，提高社區(qū)居住人員的安全意識(shí)，防止危險(xiǎn)事件的發(fā)生。