梁建興 許秦坤 趙祖才 劉 倩 韓 晴

(西南科技大學環(huán)境與資源學院 四川綿陽 621010)

受疫情影響，高校畢業(yè)生就業(yè)壓力增大。為緩解就業(yè)壓力，國務(wù)院常務(wù)會議決定擴大對應屆高校畢業(yè)生進行研究生招生與高校專升本擴招[1]。在校住宿學生人數(shù)增多，導致學生用房緊張，原有的男生女生分樓棟住宿情況已不能完全實現(xiàn)。因此，學校必然考慮將男生女生安排在同一棟樓進行管理。與其他宿舍樓相比，混合宿舍樓更容易發(fā)生火災，疏散情況更為復雜。陳娜等[2]指出，相同條件下男生疏散所需時間低于女生疏散所需時間；房榮雅等[3]指出，不同樓層起火位置對人員疏散有影響，并限定人員在疏散過程中疏散速度一致，這對于男女混住情況并不適用；鄒馨捷等[4]指出，消防設(shè)施無效和著火房間窗戶打開狀態(tài)對宿舍人員的疏散影響較大。本文以某高校男女混住五層單體建筑為背景，運用FDS軟件建立火災模型，模擬不同樓層發(fā)生火災后800 s內(nèi)各工況下樓梯間的溫度、CO濃度以及能見度的分布情況，得到可用安全疏散時間。在此基礎(chǔ)上，運用pathfinder軟件模擬4種同樓棟男生女生分層住宿方案在不同工況下不同速度的男女采用分階段模式進行疏散，得到各案例所需安全疏散時間。通過時間對比判斷人員能否安全疏散，為男女混住宿舍的安全消防管理策略制定提供依據(jù)。

1 實驗設(shè)置

1.1 模型軟件介紹

本文采用FDS(Fire Dynamic Simulator)[5-6]進行模擬，該軟件通過設(shè)置數(shù)據(jù)采集點對發(fā)生火災時煙氣流動、溫度以及CO氣體濃度分布等參數(shù)進行收集，為人員疏散分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。由FDS用戶指南可知，精細的網(wǎng)格劃分可使模擬結(jié)果更加準確，但對計算機性能的要求也隨之提高。權(quán)衡模型精度和計算機性能，本研究的宿舍樓尺寸為75 m×19 m×16 m，選取網(wǎng)格為0.25 m×0.25 m×0.25 m，網(wǎng)格數(shù)量為1 459 200，模擬運行時間設(shè)為800 s。文獻[7]指出，公共場合有無噴淋系統(tǒng)，火災的熱釋放速率不一致。由于本研究中噴淋系統(tǒng)失效、無機械排煙等火災防護措施及存在男女分層混住等情況，根據(jù)最不利原則選取火源功率為6 MW，宿舍樓發(fā)生火災前期符合t2模型[8]，環(huán)境溫度設(shè)為20 ℃，墻體材質(zhì)設(shè)定為絕緣材料，不傳熱。

Pathfinder軟件是以人物為基礎(chǔ)的模擬器，用于模擬人員疏散運動，有Steering和SFPE兩種運動模式，綜合考慮人員收到火災信息時的疏散行為以及建筑結(jié)構(gòu)特點，本文采用Steering模式對人員疏散進行仿真研究。

1.2 火災場景設(shè)置

以某高校男女混合宿舍樓為研究對象進行模擬仿真，該宿舍樓走廊呈一字形，Z字形樓梯，耐火等級為二級，宿舍樓共5層，每層布局大致相同，每層都設(shè)有兩個防火門，整棟樓共有198間寢室，每間寢室可住3人，房間參數(shù)為3.57 m×8.50 m×3.00 m。一樓有38間寢室，可居住114人，并設(shè)有兩位宿舍管理人員，2樓至5樓每層有40間寢室，每層住120人。由于該樓層具有特殊性，分隔層設(shè)有鐵制門，開放時間為06:20—23:10，該宿舍樓設(shè)有兩個樓梯間，平時a，b樓梯男女都能使用，為方便管理，a，b樓梯出口在夜間(23:10-06:20)為鎖死狀態(tài)。樓梯參數(shù)為1.5 m×0.3 m×0.2 m，走廊寬度為2.0 m，大門凈寬3.6 m，其余疏散門凈寬為1.5 m。圖1為宿舍樓平面圖。

圖1 宿舍樓平面圖Fig.1 Floor plan of the dormitory building

現(xiàn)實中宿舍樓起火位置具有隨機性、不確定性，為更好與真實情況吻合，為宿舍消防安全管理、人員疏散提供依據(jù)，根據(jù)最不利原則，假設(shè)火災發(fā)生在夜晚且宿舍樓窗戶都打開，只有感煙探測器、滅火器以及消防廣播等常見的消防設(shè)備。本文設(shè)置同一火源功率下7個工況：1樓右側(cè)寢室內(nèi)；2樓中部寢室內(nèi)；3樓中部寢室內(nèi)；4樓中部寢室內(nèi)；5樓左側(cè)走廊；3樓中部走廊；4樓左側(cè)走廊。發(fā)生火災后對人疏散構(gòu)成威脅的主要有溫度、CO濃度和能見度，考慮到宿舍人群疏散時行為，在每層兩樓梯口處布置溫度測點、CO測點和能見度測點，設(shè)置的測點高度分別為2.0，1.6，1.6 m，分析不同工況下各樓梯口溫度、CO體積分數(shù)以及能見度的分布規(guī)律。由于本文模擬時間在達到500 s前出現(xiàn)一定的規(guī)律，故選取0～500 s進行分析。表1為火災工況設(shè)計表。

表1 火災工況設(shè)計表Table 1 Design of fire condition

2 宿舍樓煙氣擴散模擬分析

2.1 火災危險情況設(shè)定

火災發(fā)生后，會產(chǎn)生大量的高溫、有毒有害氣體以及釋放大量的黑色煙霧，從而影響人員疏散。當高2 m處的溫度超過60 ℃時，煙氣產(chǎn)生的輻射熱會影響人員安全[9]。文獻[10]指出，火災煙霧的各種有毒有害氣體中，CO造成人員死亡率高達70%，可見CO會嚴重影響人員生命安全。文獻[11]指出，為保證人員能安全疏散，CO的體積分數(shù)必須小于5×10-4。當能見度低于某值時會延長人員疏散時間。澳大利亞《消防工程師指南》指出，小空間環(huán)境能見度的危險臨界值是5 m[12]。因此，將溫度低于60 ℃，CO體積分數(shù)低于 5×10-4和能見度低于 5 m 作為本文的安全判據(jù)。

2.2 火災擴散模擬分析

人員能否安全疏散主要取決于走廊與樓梯的溫度、CO濃度和能見度達到臨界值的時間。由于走廊和樓梯間長度與人員數(shù)量的關(guān)系，疏散時在走廊停滯時間遠低于在樓梯所用的時間，故不考慮疏散時走廊溫度、CO濃度和能見度對人員造成的影響。為了分析對比，選擇不同火源位置發(fā)生火災后各樓層樓梯口的溫度、CO濃度和能見度達到安全判據(jù)的時間并以各工況下a，b樓梯最不利的情況下進行分析，為男生女生分層混住宿舍火災防護提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。本文僅對A2工況作圖分析說明，其余工況列表進行說明。

2.2.1 溫度分析

從圖2 所示A2工況溫度變化曲線圖可以看出，除一樓為環(huán)境溫度外，其余樓層的溫度都呈上升趨勢，溫度上升程度5樓<4樓<3樓<2樓。圖2(a)顯示，由于2樓是著火層，隨著火災的發(fā)展，煙氣不斷涌向走廊通道，使得a，b樓梯口達到60 ℃后溫度上升的速度十分明顯，在304 s時達到溫度200 ℃后便趨于穩(wěn)定狀態(tài)。又因a樓梯靠近火源，在189 s時溫度達到危險值，而b樓梯口在204 s時達到危險值。隨時間的延長，熱煙氣通過樓梯間向上蔓延，圖2(b)顯示，3樓兩樓梯口煙氣產(chǎn)生的溫度相隔時間很短，可以看作同一時刻達到危險溫度，即在217 s時達到危險值。從圖2(c)可以看出，a樓梯口局部溫度在253 s時達到60 ℃ 后溫度變化較穩(wěn)定，而b樓梯始終在危險值下，這是因為窗戶打開狀態(tài)煙氣隨之排出，導致4樓b樓梯的溫度上升慢。從圖2(d)可以看出，火源產(chǎn)生的煙氣在蔓延過程中沿著垂直方向和水平方向運動時與墻體和冷空氣發(fā)生了相互作用，導致熱量損失，使得5樓溫度上升較為緩慢并逐漸趨于穩(wěn)定，未達到危險值。

圖2 A2工況溫度變化曲線圖Fig.2 Temperature change curve of A2 working condition

2.2.2 CO體積分數(shù)分析

從圖3所示的A2工況CO體積分數(shù)變化曲線可得到，打開的窗戶使得產(chǎn)生的煙氣隨窗戶往外排出，圖3(a)中2樓a樓梯口的CO濃度在218 s時達到危險指標，而二樓b樓梯的CO濃度在模擬時間500 s內(nèi)未達到危險指標，因而該時間段b樓梯的CO不會影響人員疏散。煙氣通過樓梯間向上蔓延，從圖3(b)可以看出，CO濃度上升并逐漸趨于穩(wěn)定并在220 s時達到危險指標，使得樓梯口的疏散人員處于危險狀態(tài)。煙氣蔓延過程中，熱驅(qū)動力受溫度影響。從該工況溫度變化曲線可知，4樓、5樓的熱驅(qū)動力較差，從圖3(c)可以看出4樓a樓梯的CO體積分數(shù)在250 s時局部達到危險指標，一定時間內(nèi)人員疏散不會受到威脅，而5樓區(qū)域的CO濃度低于危險值，CO對人員疏散不會造成影響。

圖3 A2工況CO體積分數(shù)變化曲線圖Fig.3 Change curve of CO volume fraction of A2 working condition

2.2.3 能見度分析

從圖4所示的A2工況能見度變化曲線圖可以看出，火災發(fā)生后能見度變化規(guī)律幾乎一致，著火層能見度達到臨界值時間早。圖4(a)中二樓b樓梯口能見度最早達到5 m的時間為47 s，這是因為往b樓梯口方向的過道無阻塞物，煙霧運動時阻力小，進入樓梯口的煙氣也很快。由于窗戶為打開狀態(tài)，a樓梯口的能見度在危險值下波動，在155 s時低于5 m。煙氣通過樓梯間向上運動，能見度達到危險值的時間隨樓層的增加而增加，但位于高處人員疏散的危險性卻越大。圖4(b)、圖4(c)和圖4(d)顯示各樓層能見度低于5 m的時間分別是92，122，162 s。

圖4 A2工況測點能見度變化曲線圖Fig.4 Visibility change curve of measuring points under A2 working condition

2.3 火災模擬結(jié)果分析

從表2可以看出，走廊發(fā)生火災時，即A4，A6和A7工況下煙氣在走廊頂棚迅速積聚并向走廊兩側(cè)蔓延，通過樓梯門進入樓梯間迅速往上層蔓延，而窗戶處于打開狀態(tài)，在寢室內(nèi)發(fā)生火災后，產(chǎn)生的煙氣會隨窗戶排出，致使各層樓梯口的能見度、溫度、CO濃度等達到安全臨界值的時間明顯大于寢室內(nèi)部。通過對比各工況下達到安全臨界值的時間表明：火災危險性程度走廊大于寢室內(nèi)部，能見度、溫度、CO對人員疏散的影響依次降低。表2是不同工況下各樓層樓梯口溫度、CO濃度以及能見度安全臨界值時間判據(jù)信息匯總表。

表2 不同工況下各樓層樓梯口溫度、CO濃度以及能見度安全臨界值時間判據(jù)信息匯總表Table 2 Summary of safety threshold time criterion information of stairway entrance temperature, CO concentration and visibility of each floor underdifferent working conditions s

3 宿舍樓人員疏散模擬分析

3.1 人員疏散場景設(shè)置

在以FDS建模的基礎(chǔ)上運用Pathfinder對男女混住宿舍的人員進行疏散模擬，本文中所住的都是成年人，依據(jù)《中國成年人人體尺寸》[13]，將男生、女生的肩寬分別取50 cm和45 cm，男生、女生的身高分別取170 cm和160 cm。文獻 [14-16]指出，發(fā)生火災后男女的反應時間、選擇疏散路徑行為、疏散速度等存在差異。因此，本文在Pathfinder中將男生、女生疏散速度分別設(shè)為1.5 m/s和1.3 m/s。現(xiàn)實生活中，由于疏散人員的冒險、求生心理，盡管某疏散樓梯達到危險值時也會選擇該樓梯逃生，為了與現(xiàn)實生活中的人員疏散行為接近，再考慮到感煙探測器的靈敏度高、宿舍人員有較高的消防意識以及對宿舍周圍環(huán)境熟悉程度高，本文將各工況下溫度達到安全臨界點的時間作為可用安全疏散時間，設(shè)置各工況下各層樓梯的使用情況以及男女相應的反應等待時間。疏散效率受疏散人數(shù)、疏散標志及其顏色和高度、疏散時個體行為(如從眾、領(lǐng)導)以及樓道阻塞情況影響[17]。文獻[18]指出，門的寬度以及門的數(shù)量會影響疏散時間。本文中除大門設(shè)置寬度為 3.6 m，其余疏散門寬度設(shè)為1.5 m。當宿舍管理人員接到消防警報后在值班室通過安裝的智能設(shè)備立即將鐵制門以及各應急疏散門打開，打開該鐵制門和各疏散門的時間較短因而忽略不計，疏散過程中各疏散門都為打開狀態(tài)。根據(jù)最不利原則，假設(shè)發(fā)生火災時間為晚上且全部人員都在宿舍，宿舍人員都處于清醒狀態(tài)。本文以case1(第四至第五樓層住女生)、case2(第三至第五樓住女生)、case3(第一至第二樓住女生)以及case4(第一至第三樓住女生)進行人員疏散對比分析。

3.2 人員疏散結(jié)果分析

在收到消防廣播通知或聞到異味或看見煙氣時，人員便會離開火災場所進行疏散，而人員能否安全疏散主要由兩個時間決定，即可用安全疏散時間(taset)和必需安全疏散時間(trset)。必需安全疏散時間由火災報警時間t1、疏散準備時間t2以及疏散時間t3組成，即trset=t1+t2+t3，其中trset

圖5 A2工況下case1分階段疏散圖Fig.5 Phased evacuation diagram of case 1 under A2 working condition

圖6為疏散結(jié)果匯總圖。從圖6可以看出，發(fā)生火災后人員工況A1至A7的可用安全疏散時間(taset)分別為183，204，233，84，231，89，92 s。顯然，發(fā)生火災后走廊即A4，A6和A7工況的可用安全疏散時間明顯小于寢室即A1，A2，A3和A5工況的可用安全疏散時間。工況A5下case1，case2，case3和case4中必需安全疏散時間都小于可用安全疏散時間，滿足人員安全疏散的基本條件taset>trset；工況A1，A2以及A3工況下的case2必需安全疏散時間大于可用安全疏散時間，不滿足人員安全疏散的基本條件taset>trset；對于工況A6，A7，不滿足人員疏散的基本條件，采用分階段疏散模式進行疏散后，宿舍人員的生命卻不會受到威脅；A4工況下，給予宿舍人員可用安全疏散時間少，可考慮將高層人員往天臺進行疏散，case1，case2，case3和case4明顯縮短了疏散時間。trset/taset表示可用安全疏散時間利用率，trset/taset<1，則說明人員能安全疏散。通過分析case1，case2與case3，case4的值，對比其可用安全時間利用率，女生居住在高層且人數(shù)較多時會延長疏散時間，使疏散人員處于不利地位。結(jié)合男女疏散時行為、建筑物結(jié)構(gòu)特點和可用安全疏散時間利用率，case3(第一至第二樓層住女生)疏散效果較為理想。筆者建議學校將第一樓層、第二樓層安排女生寢室，在疏散過程中可將天臺作為疏散地，合理利用出口，提高疏散成功率。

圖6 疏散結(jié)果匯總圖Fig.6 Summary of evacuation results

4 結(jié)論

利用FDS和Pathfinder仿真模擬軟件對高校宿舍火災場景進行模擬分析，得出以下結(jié)論：當宿舍的寢室窗戶處于打開狀態(tài)，同一樓層走廊和寢室發(fā)生火災后，走廊疏散的安全性小于寢室疏散的安全性，走廊可用安全疏散逃生的時間短，如火源位于走廊的A4，A6，A7工況下可用安全時間都在100 s內(nèi)，同一樓層走廊和寢室可用安全疏散時間相差最大為149 s。對于火源位于較高樓層的A6，A7工況下發(fā)生火災時，采用分階段優(yōu)先疏散該兩樓層的人員，其余樓層的人員再進行疏散，不會對疏散人員造成傷害。

從保障人員的生命和財產(chǎn)安全出發(fā)，針對男女混合宿舍樓發(fā)生火災，提出以下幾點建議：(1)結(jié)合可用安全疏散時間利用率、男女疏散行為以及建筑物結(jié)構(gòu)特點，將第一樓層、第二樓層設(shè)為女生寢室更利于人員的疏散和管理。疏散過程中指揮員應根據(jù)火災發(fā)展情況，實時調(diào)整疏散策略(如有序分階段疏散、使用輔助疏散樓梯、將天臺作為位于高層人員疏散出口、對人群疏散進行分流等)，優(yōu)化各樓層疏散流量，將損失降到最低。(2)煙氣是阻礙人員疏散的主要因素，安裝智能防火門以及將宿舍寢室全部窗戶打開，可使樓層各個區(qū)域的能見度提高、溫度和CO濃度緩慢下降，提高疏散成功率。(3)學校應結(jié)合建筑物的特點建立一套宿舍用電干預體系以及合理安排人員居住，并組織相關(guān)人員完善宿舍樓的消防設(shè)施，定期進行維護與更新；學校在安全隱患排查、開展消防教育知識培訓、消防演練的同時，要培養(yǎng)疏散時男女之間的合作精神以及指揮人員安撫疏散人員心理和行為上的能力等。