武建力，高 抗

中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056

1 項(xiàng)目概況

華中科技大學(xué)精密重力測量山洞實(shí)驗(yàn)室作為“精密重力測量國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施”的重要組成部分，是“十二五”期間國家優(yōu)先支持的16項(xiàng)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目之一。項(xiàng)目建成運(yùn)行后，可滿足我國地球科學(xué)、資源勘探、國家安全等對重力數(shù)據(jù)和重力基準(zhǔn)的戰(zhàn)略需求，為建設(shè)國家科技創(chuàng)新中心和創(chuàng)新體系奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

山洞實(shí)驗(yàn)室位于華中科技大學(xué)校園內(nèi)的喻家山下，總體呈“L”形布置，總長525.5m，建筑面積為5943.71m2，實(shí)驗(yàn)室在隧道內(nèi)沿隧道流線并排布置，山洞實(shí)驗(yàn)室最大埋深91.3m，南側(cè)為直通室外的出入口，西側(cè)與既有山洞實(shí)驗(yàn)室銜接。

山洞實(shí)驗(yàn)室分隔為三個(gè)不同的功能區(qū)：中間為5m寬的潔凈實(shí)驗(yàn)室，右側(cè)為實(shí)驗(yàn)人員和設(shè)備日常進(jìn)出的走道，左側(cè)為火災(zāi)時(shí)安全疏散的避難走道。

2 防火設(shè)計(jì)方案研究

2.1 消防難點(diǎn)

整個(gè)山洞實(shí)驗(yàn)室呈“L”形長條狀布置，且埋深較大，消防難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

（1）防火分區(qū)面積劃分沒有明確的依據(jù)。該項(xiàng)目總面積為5943.71m2，根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50016—2014）（以下簡稱《防火規(guī)范》）要求一般地下建筑防火分區(qū)最大允許建筑面積為500m2，地下設(shè)備用房最大允許面積不大于1000m2，而對于地下營業(yè)廳、展覽廳的防火分區(qū)最大允許面積可不大于2000m2。華科山洞實(shí)驗(yàn)室內(nèi)主要物品為實(shí)驗(yàn)儀器、計(jì)算機(jī)、實(shí)驗(yàn)室臺，主要進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，沒有易燃易爆危險(xiǎn)化學(xué)品。一般情況下實(shí)驗(yàn)室內(nèi)儀器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)均為自動(dòng)上傳，無須人工干預(yù)，只有要對儀器進(jìn)行安全檢查和維護(hù)等行為時(shí)，才會(huì)安排人員進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，因此實(shí)驗(yàn)室內(nèi)日常工作人員數(shù)量很少。綜合考慮以上因素，該工程分為3個(gè)防火分區(qū)，每個(gè)防火分區(qū)面積均不超過2000m2。

（2）直通室外安全出口設(shè)置條件有限，疏散距離長。該項(xiàng)目左側(cè)沿山洞設(shè)置避難走道，避難走道一端能夠直通室外，另一端與既有山洞實(shí)驗(yàn)室連通。與高速公路隧道人行通道類似，避難走道與設(shè)備走道通過防煙前室相連，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，實(shí)驗(yàn)室人員從設(shè)備走道穿過防煙前室進(jìn)入避難走道，疏散至室外或通過防煙樓梯間直通室外。根據(jù)《防火規(guī)范》要求，避難走道直通地面的出口不應(yīng)小于2個(gè)，并應(yīng)設(shè)置在不同方向；當(dāng)避難走道僅與一個(gè)防火分區(qū)相通且該防火分區(qū)至少有1個(gè)直通室外的安全出口時(shí)，可設(shè)置1個(gè)直通地面的出口，任一防火分區(qū)通向避難走道的門至該避難走道最近直通地面的出口的距離不應(yīng)大于60m。由于山洞實(shí)驗(yàn)室呈長條狀布置，每個(gè)防火分區(qū)設(shè)置1個(gè)直通地面出口，不滿足距離不應(yīng)大于60m的要求。

2.2 方案研究

針對以上難點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)了三種方案進(jìn)行研究比較。

（1）方案一：5處豎井。此方案完全依照《防火規(guī)范》，滿足避難通道直通地面的出口的距離不應(yīng)大于60m的要求。此時(shí)避難走道上共需設(shè)置5部疏散樓梯，任意兩部疏散樓梯之間間距均不大于120m，山洞實(shí)驗(yàn)室設(shè)置5處豎井。山洞實(shí)驗(yàn)室是要求振動(dòng)、電磁干擾小，溫度恒定的場所。豎井設(shè)置過于密集，對山洞的溫度場、電磁場破壞嚴(yán)重，因此該方案可行性不大。

（2）方案二：1處豎井?？紤]到山洞實(shí)驗(yàn)室工作人員較少，人員單一，參照《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》（GB 51298—2018）中站臺任意一點(diǎn)至地面疏散時(shí)間不大于6min，在避難走道靠近既有山洞實(shí)驗(yàn)室附近設(shè)置一處豎井作為直通地面出口，此時(shí)山洞實(shí)驗(yàn)進(jìn)口和出口有兩處直通室外出口。華科山洞實(shí)驗(yàn)室全長約525.5m，從最遠(yuǎn)點(diǎn)到安全出口的距離約262.75m，每股人流按0.55m計(jì)，避難走道1.2m滿足兩股人流通行，地下室每100人疏散寬度為1.0m，頻率為1步半/s（60～100m/min、4～5km/h），正常人每分鐘步行速度約1m/s，步距約60～75cm，在緊急逃生時(shí)，逃生速度=步行+小跑速度=1.5m/s，故疏散時(shí)間共為256s+26s=282s=4.7min＜6min，滿足疏散要求。此時(shí)，雖然滿足疏散時(shí)間的要求，但是第二防火分區(qū)沒有一個(gè)直通室外的出口，火災(zāi)情況下消防與救援人員不能及時(shí)進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場，此方案可行性也不大。

（3）方案三：2處豎井。對方案一和方案二的防火設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化后，同時(shí)考慮通風(fēng)排煙需求，在洞身設(shè)置2處豎井。1#豎井作為通風(fēng)排煙豎井，2#豎井設(shè)置消防電梯，作為消防救援人員進(jìn)出通道?；馂?zāi)情況下，實(shí)驗(yàn)人員可通過避難走道從出入口直通室外，或者經(jīng)過聯(lián)絡(luò)通道逃至既有山洞實(shí)驗(yàn)室。

3 消防性能化評估

消防性能化評估是指根據(jù)項(xiàng)目的功能特點(diǎn)，以一定的消防安全目標(biāo)為要求，采用適用的計(jì)算分析工具和方法，基于綜合安全性能分析和評估后，最終確定防火設(shè)計(jì)方案的方法。

針對上述山洞實(shí)驗(yàn)室防火設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案，還需要采用煙氣模擬及人員疏散模擬的量化方法對提出的兩處豎井方案進(jìn)行評估，以驗(yàn)證方案的可行性。

此外，針對山洞實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)，消防性能化評估的首要消防安全目標(biāo)是人員安全，火災(zāi)時(shí)確保所有人員能夠安全疏散。為了實(shí)現(xiàn)人員安全疏散的評估，將通過煙氣流動(dòng)和人員疏散兩個(gè)方面的模擬，對比量化的人員安全疏散時(shí)間，最終判斷目標(biāo)是否實(shí)現(xiàn)，即從火災(zāi)發(fā)生到建筑物內(nèi)人員全部安全疏散完畢的時(shí)間小于火災(zāi)發(fā)展到人體耐受極限條件的時(shí)間，則人員的疏散過程是安全的。

3.1 火災(zāi)場景分析

（1）煙氣流動(dòng)模擬分析。該評估利用FDS軟件對火災(zāi)發(fā)展過程及煙氣控制過程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，驗(yàn)證煙氣控制系統(tǒng)是否能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)。根據(jù)山洞實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖紙以及火災(zāi)場景的設(shè)置情況，建立第二防火分區(qū)FDS模型，如圖1所示。

圖1 第二防火分區(qū)FDS模型圖

針對上述設(shè)計(jì)的火災(zāi)場景，計(jì)算并分析確定各火災(zāi)場景的煙氣危險(xiǎn)來臨時(shí)間，根據(jù)煙氣模擬結(jié)果，在采取消防措施并且排煙有效的情況下，能夠?qū)煔饪刂圃诨馂?zāi)所在區(qū)域，達(dá)到控制煙氣的目的。

（2）人員安全疏散模擬分析。山洞實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)條件與高速公路山嶺隧道類似，并且人員荷載較小，安全疏散設(shè)計(jì)參考雙孔隧道中采用人行橫通道方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。人行橫通道的間隔要能有效保證隧道內(nèi)的人員在較短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入人行橫通道。結(jié)合相關(guān)的火災(zāi)設(shè)計(jì)場景，該評估對應(yīng)設(shè)立了4個(gè)疏散場景對山洞實(shí)驗(yàn)室的疏散進(jìn)行了模擬。①疏散場景一：封堵21#實(shí)驗(yàn)室左側(cè)附近的安全出口，著火實(shí)驗(yàn)室內(nèi)無人員工作或參觀，對應(yīng)于火災(zāi)場景A。②疏散場景二：封堵21#實(shí)驗(yàn)室左側(cè)附近的安全出口，著火實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有人員工作或參觀該疏散場景對應(yīng)于火災(zāi)場景A。③疏散場景三：封堵激光測距實(shí)驗(yàn)室附近的安全出口，著火實(shí)驗(yàn)室內(nèi)無人員工作或參觀，景對應(yīng)于火災(zāi)場景B。④疏散場景四：封堵激光測距實(shí)驗(yàn)室附近的安全出口，著火實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有人員工作或參觀，對應(yīng)于火災(zāi)場景B。

3.2 評估結(jié)論

通過對設(shè)定的火災(zāi)場景進(jìn)行模擬計(jì)算，并針對各火災(zāi)場景相應(yīng)設(shè)定的4個(gè)疏散場景人員的疏散過程進(jìn)行模擬計(jì)算，可以得到危險(xiǎn)來臨時(shí)間TASET和必須疏散時(shí)間TRSET對比表。通過對比可以看出，除工況A00，即山洞實(shí)驗(yàn)室的滅火系統(tǒng)與排煙系統(tǒng)全部失效的情況下，人員疏散時(shí)間小于危險(xiǎn)來臨時(shí)間外，其他工況人員均能在可提供的安全疏散時(shí)間內(nèi)疏散完畢。

評估結(jié)果表明：在保障山洞實(shí)驗(yàn)室安全疏散設(shè)施、機(jī)械排煙系統(tǒng)、自動(dòng)滅火系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)等消防設(shè)施有效工作的情況下，火災(zāi)時(shí)山洞實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的煙氣能得到較好控制，人員能夠在危險(xiǎn)來臨前疏散到安全區(qū)域。該防火設(shè)計(jì)方案可以保障人員疏散安全，實(shí)現(xiàn)了設(shè)定的安全目標(biāo)。

4 結(jié)束語

文章通過對現(xiàn)有防火設(shè)計(jì)規(guī)程不完全適用的華中科技大學(xué)精密重力測量山洞實(shí)驗(yàn)室的防火設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較研究和性能化評估后，得到了可以滿足火災(zāi)情況下實(shí)驗(yàn)室安全運(yùn)行和人員安全疏散的防火設(shè)計(jì)方案，可為該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、審查、審批提供依據(jù)，也可為類似工程的消防安全策略提供參考。