房小鋒， 趙曉陽， 張 鑫

(1.陜西省消防救援總隊西安市支隊高新大隊，陜西 西安 710000 2.陜西省現(xiàn)代建筑設(shè)計研究院，陜西 西安 710021)

0 引 言

隨著現(xiàn)代化工程建設(shè)技術(shù)的更新，越來越多的大型建筑涌現(xiàn)，體育場館作為新時期建筑代表，不僅具有大空間、高層等結(jié)構(gòu)，其功能也呈現(xiàn)出多元化表現(xiàn)形式。在此種條件下，如何實現(xiàn)對此類建筑安全設(shè)計的優(yōu)化，保證建筑內(nèi)群體生命安全，成了建設(shè)方的關(guān)注重點[1]。為了實現(xiàn)對此項工作的優(yōu)化，本次研究將以某大型體育場館作為研究案例，對此場館的安全性能評估方法展開設(shè)計。

1 大型體育場館火災危險性分析與消防安全目標

在進行評估方法設(shè)計前，應分析此類建筑在運營中發(fā)生火災事故的危險性。在深入對此方面展開研究后，提出下述兩個危險性。

第一點，市場內(nèi)大部分體育場館具有舉架高、跨度大等特點，并且在設(shè)計場館屋頂時，設(shè)計方會采用多元化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)作為支撐，為了滿足建筑設(shè)計時的美觀性要求，通常會在頂部網(wǎng)架內(nèi)架設(shè)大量的電纜、電線、電燈、電氣，一旦出現(xiàn)火災危險，這些電氣設(shè)備便屬于著火點。尤其在體育場館室內(nèi)環(huán)境處于對流風環(huán)境時，火勢將在風力的作用下迅速變大且在一個較短的時間內(nèi)覆蓋室內(nèi)環(huán)境，導致后續(xù)火災救援工作的執(zhí)行十分困難[2]。

第二點，大型體育場館屬于公共場所，具有人員密集、人員流動性大等特點，其中一部分人員首次來到場館，不熟悉場館內(nèi)的安全疏散路線，更不了解建筑內(nèi)部空間布局[3]。當場館內(nèi)發(fā)生火災事故時，人員需要迅速撤離場館，但由于館內(nèi)人員不懂得最近的逃生路線或安全出口，導致其出現(xiàn)驚慌，而此時場館內(nèi)的管理人員倘若沒有做好對人員的疏散管理工作，不僅會影響火災救援工作的順利實施，還會造成館內(nèi)踩踏安全事故。

體育場館內(nèi)的可燃性或易燃性物品包括：沙發(fā)、座椅、地毯、電線等。

對場館的消防安全能力進行評估，此項工作的根本性目的在于保證館內(nèi)人員在遇到突發(fā)性安全事故或面臨火災等重大災害時的安全性，因此，對于此項工作的設(shè)計目標而言，應當為保障疏散時間，即場館火災有效疏散時間應大于館內(nèi)人員安全撤離所需時間。對此目標的描述，如圖1所示：

圖1 體育場館消防安全設(shè)計目標描述

其中ASET代表火災從發(fā)生到發(fā)展至對館內(nèi)群體人身安全造成威脅的時長，對人體造成損害的因素包括火災濃煙、館內(nèi)溫度、安全疏散通道的可見度、空間中一氧化碳氣體濃度(含量)等[4]。對場館安全性能的判斷依據(jù)共由下述三個方面構(gòu)成。第一，當館內(nèi)火災煙氣彌漫高度>1.8 m時，說明此時場館的安全性較差，已影響到了人員安全疏散；第二，如果館內(nèi)煙氣的彌漫高度<1.8 m，但館內(nèi)由于火災充分燃燒，造成內(nèi)部溫度>60 ℃時，也可認為室內(nèi)環(huán)境已對人體安全造成了威脅；第三，如果館內(nèi)煙氣的彌漫高度<1.8 m，室內(nèi)溫度<60 ℃，但由于火災釋放了大量濃煙，導致館內(nèi)環(huán)境可見度已<10 m，也說明館內(nèi)存在安全威脅因素[5]。上述提出的各項指標中，需要將AEST作為人員最先達到危險的指標，當AEST不滿足大于REST(必要安全疏散時間)的要求時，可在不分析上述指標的情況下，明確說明此場館的安全存在隱患。

2 大型體育場館消防安全性能化評估方法設(shè)計

2.1 安全性能化評估指標選擇與評估體系構(gòu)建

為實現(xiàn)對某大型體育場館的消防安全性進行評估，引入性能化理論，針對該場館在發(fā)生火災時的各項參數(shù)進行明確，并將其作為評估其安全的指標，構(gòu)建如圖2所示的評價體系。

圖2 安全性能化評估體系

首先，將發(fā)生火災時場館火災荷載密度作為評估指標，其計算公式為：

q=∑Mv△H/At

(1)

式中：q為火災荷載密度，MJ/m2；Mv為大型體育場館當中單個可燃物的重量，kg；△H為場館當中單個可燃物在燃燒過程中產(chǎn)生的有效熱值，MJ/kg；At為場館中地面面積，m2。根據(jù)上述公式，計算得出發(fā)生火災時大型體育場館中的火災荷載密度[6]。由于在大型體育場館中含有多種不同類型的可燃物，并且其燃燒的特性存在多樣化。因此，在對這一評估指標進行測算時，還應當進行如下假設(shè)：計算過程中，將可燃物的分布看作始終平均分布；在發(fā)生火災時假設(shè)所有可燃物均出現(xiàn)了著火現(xiàn)象；假設(shè)所有可燃物都會被燃燒殆盡[7]。同時，針對這一指標進行計算時，需要充分考慮到防火分區(qū)當中火災載荷的具體情況，對于大型體育場館而言，其固定的可燃物包括觀眾席、柜臺等；不固定的可燃物包括各類裝飾物、休息長凳等。

其次，將發(fā)生火災時火災的持續(xù)時間作為評估指標，為了更直觀地對這一評估指標進行描述，選擇將場館當中可燃物的熱釋放速率作為計算量，其計算公式為：

Q=α(t-t0)2

(2)

式中：Q為場館當中可燃物的熱釋放速率，kW；α為火災增長趨勢系數(shù)，kW；t為發(fā)生火災的時間，s；t0為有效燃燒開始的時間，s。根據(jù)上述公式，計算可燃物在火災中熱釋放速率，并將其作為火災持續(xù)時間的描述數(shù)據(jù)，熱釋放速度越率，則說明火災持續(xù)時間越短；反之熱釋放速率越慢，則說明火災持續(xù)時間越長。

再次，將人員疏散作為評估指標，判斷準則是火災開始發(fā)生到對群體人身安全造成威脅的時間ASET是否大于從火災開始發(fā)生到場館當中人員完成全部疏散的時間RSET。在對這一評估指標進行計算時，將場館當中需要疏散的人數(shù)設(shè)定為最大值，即假設(shè)在賽事進行中發(fā)生了火災，在這一情況下的觀眾人數(shù)、運動員人數(shù)以及工作人員人數(shù)綜合為疏散最大值。在對人員的安全疏散時間進行計算時，可根據(jù)如下公式計算得出：

RSET=talarm+tpre+tmove

(3)

式中：RSET為場館中人員安全輸送時間，s；talarm為場館中火災探測裝置報警時間，s；tpre為場館內(nèi)所有人員預動作時間，s；tmove為場館內(nèi)所有人員疏散行動時間，s。根據(jù)上述公式，完成對人員安全疏散時間的計算。

最后，將煙氣蔓延作為評估指標。在對這一指標進行測算時，引入FDS場景模擬軟件，并在虛擬大型體育場館模型當中設(shè)置多種火災情況[8]。根據(jù)事先設(shè)定的安全判據(jù)，確定在特定條件下，火災發(fā)生時煙氣蔓延的具體情況。特定條件主要包括場館內(nèi)環(huán)境溫度、大氣壓強、排煙口排煙量等。

2.2 構(gòu)建消防安全性能化評估模型

根據(jù)上述論述內(nèi)容，在完成對四個評估指標的選擇后，為了實現(xiàn)對大型體育場館消防安全性能總體評估，對其評估模型進行構(gòu)建。同時，在構(gòu)建模型前，需要明確各個評估指標在模型當中的權(quán)重，即對大型體育場館消防安全的影響程度，權(quán)重越大，則說明影響程度越大；反之，權(quán)重越小，則說明影響程度越小。根據(jù)上述論述內(nèi)容，確定在該評估體系當中，四個評估指標的權(quán)重如表1所示。

表1 消防安全性能化評估指標權(quán)重分配表

根據(jù)表1中的內(nèi)容，確定各個消防安全性能化評估指標的權(quán)重后，構(gòu)建如下評估模型：

(4)

式中：p為最終體育場館的消防安全性能化評估結(jié)果；βi為某一指標i的計算結(jié)果；Xi為指標在評估體系中的權(quán)重；n為評估體系中的指標數(shù)量，根據(jù)上述論述，本文評估模型中評估指標數(shù)量為4，因此n的取值為4，以此完成對評估模型的構(gòu)建。

2.3 大型體育場館消防安全量化評估

在完成對消防安全性能化評估模型的構(gòu)建后，在實際評估過程中，將上述公式(4)作為依據(jù)，根據(jù)火災發(fā)生的具體情況對其進行綜合評估。例如，第一項指標為發(fā)生火災時場館火災荷載密度，一般情況下火災增長處于初期階段，因此其熱釋放的速率相對較小，如圖3所示。

圖3 場館火災熱釋放速率變化示意圖

同時，在評估時，還應當考慮到場館當中是否帶有自動噴水滅火裝置，若安裝了自動噴水滅火裝置，則評估應當采取較為保守的估計方式；若未安裝自動噴水滅火裝置，則評估應當采取相反的估計方式，以此確保評估結(jié)果能夠更符合實際，實現(xiàn)對體育場館消防安全更準確地描述[9]。同時，在對第四項評估指標進行測算時，由于本文引入的FDS場景模擬軟件只能夠針對規(guī)則圖形和結(jié)構(gòu)進行建模和計算，但在體育場館當中包含了眾多不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，因此針對這一類結(jié)構(gòu)，可通過將多個規(guī)則幾何模型進行拼接的方式進行模擬[10]。根據(jù)實際需要，幾何模型的規(guī)格可選擇邊長均為0.5 m的立方體。在FDS場景模擬軟件當中，將模擬的時間設(shè)定為1 200 s，充分滿足對火災發(fā)生情況的模擬，以此實現(xiàn)對大型體育場館消防安全的量化評估[11]。

3 評估方法應用分析

選擇某大型體育場館作為此次評估的對象，此場館中共包括8個主要運動區(qū)域，分別為擊劍區(qū)、游泳館、新聞賽事轉(zhuǎn)播區(qū)、熱源中心區(qū)、健身區(qū)、舞蹈區(qū)、籃球場、休息區(qū)域。此場館的占地總面積為50 247.5 m2，隸屬該地區(qū)甲等場館，滿足國家級別賽事的舉辦要求。在對此區(qū)域進行調(diào)查時發(fā)現(xiàn)，場所所屬地區(qū)內(nèi)，由地方政府舉辦的大型體育賽事活動大多在此場館內(nèi)舉行，因此該場館不僅需要具有多元化功能的優(yōu)勢，同時也應當具備高安全性能的特點。為了滿足地方體育賽事的舉辦需求，在進行此場館的施工設(shè)計時，建設(shè)方選擇了高性能的防火材料作為施工材料，并按照《建筑施工與設(shè)計防火標準》文件，選擇了鋁合金材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)易燃材料進行了整體安全設(shè)計。

在對此場館安全性能進行評估時，參照前文第2.1節(jié)內(nèi)容，選擇對應的四個指標作為評估參數(shù)，按照計算公式(4)進行場館內(nèi)不同區(qū)域安全系數(shù)的計算，將計算后的結(jié)果與《建筑施工與設(shè)計防火標準》文件中的甲級建筑防火標準數(shù)值進行比對，其結(jié)果見表2。

表2 體育場館不同區(qū)域安全性能評估結(jié)果比對

其中p的有效取值在0～1，標準文件要求甲等建筑內(nèi)部消防安全值應>0.85。根據(jù)表格中計算結(jié)果可知，對場館中不同區(qū)域進行安全性能評估，評估后區(qū)域安全值均符合>0.85的要求。

4 結(jié)束語

綜上所述，通過實例應用證明，利用此次研究設(shè)計的方法可以實現(xiàn)對建筑安全性的有效評估，可將評估結(jié)果作為后續(xù)建筑施工與改進優(yōu)化的參照。