林 熙

（河海大學，江蘇 南京 211100）

0 引言

2015年5月25日，河南省魯山縣康樂園老年公寓失火，造成39人死亡、6人受傷，過火面積達745.8 m2，造成的直接經(jīng)濟損失達2 064.5萬元［1］。2017年1月4日，吉林省輝南縣朝陽鎮(zhèn)一老年建筑發(fā)生火災，造成7人死亡［2］。2022年1月8日，湖南省衡陽市石鼓區(qū)來雁醫(yī)院有限責任公司三樓康養(yǎng)部發(fā)生火災，造成6人死亡、8人受傷，過火面積約300 m2，造成的直接經(jīng)濟損失約779.5萬元［3］。

由此可以看出，老年人照料設施一旦失火，造成的影響與損失都比較大。因此，住房和城鄉(xiāng)建設部于2018年10月1日批準實施了新的《老年人照料設施建筑設計標準》（JGJ 450—2018），同時廢除了《養(yǎng)老設施建筑設計規(guī)范》（GB 50867—2013）與《老年人居住建筑設計規(guī)范》（GB 50340—2016）。新的規(guī)范對老年人照料設施建筑防火設計與消防設施的設置有著更高的要求，表明國家對老年人照料設施火災預防的重視。

2000年，美國國家標準與技術研究院（NIST）發(fā)布了火災動態(tài)模擬軟件（FDS），國內外諸多學者用該軟件對火災進行模擬研究。Hadjisophocleous等［4］用FDS對10層塔樓進行火災模擬，得到的數(shù)據(jù)能夠反映出火災煙氣的擴散程度、溫度與煙氣層的高度。之后NIST創(chuàng)建了Thunderhead Engineering Pyrosim。吳壯等［5］用Pyrosim對高校學生宿舍樓不同著火點火災發(fā)展規(guī)律進行模擬，為高校學生宿舍樓的消防安全管理與火災預防提供依據(jù)。唐莉青［6］用Pyrosim對高層住宅的火災進行模擬，總結了高層住宅火災煙氣蔓延規(guī)律及發(fā)展特性，為高層住宅火災預防提供建議和對策。本研究利用Pyrosim軟件對東部沿海某城市某一老年人照料設施進行火災模擬，在所有門窗都處于開啟的前提下，分別研究消防設施處于有效狀態(tài)與無效狀態(tài)，著火層同一防煙分區(qū)在發(fā)生火災后，獲取其煙層高度（Smoke layer height）、溫度（Temperture）和能見度（Visibility）。通過對仿真數(shù)據(jù)進行對比分析，為老年人照料設施的消防安全管理與人員疏散提供依據(jù)。

1 模型建立

1.1 老年人照料設施概況

本研究選取的老年人照料設施位于地上二層，建筑面積約為1 490 m2，框架結構，耐火等級為二級。一層有14個護理間，共有31張床位，在疏散走道的兩側布房，面積約為873.97 m2，層高約2.9 m，并用擋煙垂壁劃分出3個防煙分區(qū)；二層也采用疏散走道兩側布房的方式，共有13個護理間、31張床位，面積約659.4 m2，層高約2.9 m，按照設計要求用擋煙垂壁劃分為2個防煙分區(qū)，擋煙垂壁高0.8 m。按照《自動噴水滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》（GB 50084—2017）中的要求設置自動噴水滅火系統(tǒng)；按照《建筑防排煙系統(tǒng)技術標準》（GB 51251—2017）中的要求在建筑內疏散走道，并設置有機械排煙系統(tǒng)。系統(tǒng)的設計參數(shù)詳見表1。

表1 消防設施設計參數(shù)

該建筑內的機械排煙系統(tǒng)設有1臺排煙風機，在Pyrosim中采用激活事件（Activation Events）來實現(xiàn)機械排煙系統(tǒng)的聯(lián)動控制；自動噴水滅火系統(tǒng)為臨高壓給水系統(tǒng)，設有消防水池，發(fā)生火災后，噴頭受熱爆破，管網(wǎng)壓力迅速降低，噴淋泵啟動，為噴淋管網(wǎng)輸送滅火用的水。由于只研究發(fā)生火災后煙層高度、溫度、能見度，而自動消防設施中機械排煙與自動噴水滅火系統(tǒng)對這三個因素會產(chǎn)生較大的影響，而其他消防設施對這三個因素的直接影響較小，所以本研究忽略。

1.2 火災場景的設置

采用Pyrosim軟件對老年人照料設施按1∶1的比例進行簡化建模，來模擬建筑內部護理間著火情況（見圖1）。護理間內主要可燃物有生活用品、窗簾、木制家具等固體可燃物。墻面為0.013 m厚的石膏，天花板為不燃材料，地板為瓷磚。根據(jù)場所可燃物的種類，設置該場所熱釋放率為2 500 kW［7］。選取疏散相對為較困難的二層中部護理間（見圖2）作為研究對象，假設該護理間內的老人躺在床上吸煙導致著火，著火面積為1.2 m×2 m=2.4 m2。

圖1 老年人照料設施3D建模圖

圖2 二層著火房間

t2火災熱釋放速率曲線見式（1）［8］。

式中：Q為熱釋放速率；α為火災增長系數(shù)（本研究模擬場景中系數(shù)綜合取值0.083 kW/s2）。

由式（1）可求出，達到穩(wěn)定的2 500 kW的熱釋放速率的時間約為175 s。設定模擬時間為30 min，燃燒化學反應設為聚氨酯，相關參數(shù)設定如表2所示。

表2 網(wǎng)格參數(shù)表

網(wǎng)格大小為0.5 m×0.5 m×0.5 m，共有65 968個網(wǎng)格。

在人員疏散路徑上安裝有熱電偶探測器、煙層高度探測器、能見度探測器和煙霧探測器。工況1為機械排煙設施與自動噴水滅火系統(tǒng)都無效的情況，工況2為機械排煙設施與自動噴水滅火系統(tǒng)都有效的情況。利用Pyrosim軟件對兩種工況進行模擬，得出兩種工況下的溫度、能見度、煙層高度等相關數(shù)據(jù)?；馂墓r設定見表3。

表3 火災工況設定表

2 模擬結果分析

2.1 溫度

隨著煙氣層攜帶大量熱到處擴散，當煙氣層與人員接觸時，存在對人的皮膚造成燒傷的可能，溫度與人體耐受極限的關系式［9］見式（2）。

式中：t為極限忍受時間，min；T為空氣溫度，℃；B1和B2為常數(shù)，一般情況下B1=1.0、B2=0?？紤]到空氣濕度的影響及火災中人體的實際情況，取安全系數(shù)為0.7，得到式（3）。

根據(jù)式（3）可得人員忍受時間與溫度的關系，當溫度為100℃、150℃、200℃、250℃、300℃時，人體的耐受時間分別為1 038 s、240 s、85 s、36 s、20 s。

另外，在7l℃時，皮膚僅在煙氣中持續(xù)暴露60 s就會造成二級燒傷，82℃時僅30 s就能造成皮膚二級燒傷，100℃時僅15 s就能造成皮膚二級燒傷［10］。綜上所述，在發(fā)生火災后，環(huán)境溫度的高低對人體健康造成的影響是不同的。

2.1.1 消防設施都無效。在工況1情況下，著火層疏散路徑中不同地點的溫度變化如圖3所示。由圖3可知，不同地方的溫度會隨時間變化而變化，著火房間內的溫度在200 s左右達到最高，約為350℃，后續(xù)溫度基本維持在350℃；西側走道的溫度在200 s左右達到最高，約為50℃，之后基本持平；西側安全出口的溫度在200 s左右達到65℃，往后基本無變化；以擋煙垂壁為界線，東側走道與東側安全出口的溫度在200 s后基本在28℃左右。

圖3 工況1下不同位置的溫度變化曲線

2.1.2 消防設施都有效。在工況2情況下，著火層疏散路徑中不同地點的溫度變化如圖4所示。由圖4可知，在200 s時自動噴水滅火系統(tǒng)噴頭的爆破與機械排煙的動作見圖5，著火房間內的平均溫度維持在140℃左右，而西側走道與西側安全出口的溫度只上升5℃左右，隨后立即恢復至初始環(huán)境溫度。

圖4 工況2下不同位置的溫度變化曲線

圖5 自動噴水滅火與機械排煙系統(tǒng)動作圖

2.2 煙層高度

煙是材料在發(fā)生燃燒或熱解時排放到空氣中的顆粒物和氣體的集合，以及夾帶或以其他方式混合到空氣質量中的量。本研究模擬聚氨酯燃燒物燃燒后產(chǎn)生的一氧化碳、氰化氫等有毒物質，利用Pyrosim軟件對燃燒后各位置煙層高度進行測量。

2.2.1 消防設施失效的情況。圖6是工況1情況下，各部位煙層的高度對比。著火房間的煙層高度在著火50 s后開始急劇下降，200 s時高度基本穩(wěn)定，約為1.25 m；著火房間疏散門處的煙層在200 s時下降到1.8 m左右，而離著火房間相對較遠的西側疏散三走道煙層的高度維持在2.6 m左右。在被擋煙垂壁分割的東側防煙分區(qū)，煙層高度隨時間的變化程度不是很大。

圖6 工況1下不同位置的煙層高度

2.2.2 消防設施有效的情況。圖7是工況2情況下，著火層疏散路徑上不同位置的煙層高度。從Pyrosim模擬結果來看，隨著時間的推移，煙層高度變化不明顯，除著火房間煙層有輕微下降外，其余位置煙層高度基本無變化。

圖7 工況2下不同位置的煙層高度

2.3 能見度

煙塵擴散會導致樓層內的能見度迅速降低，這是因為碳氫化合物不完全燃燒會產(chǎn)生不純碳顆粒。本研究選取樓層2 m處的能見度低于5 m為臨界值，當能見度低于臨界值時就會影響人員的疏散，且能見度降低可能會引發(fā)踩踏事件，從而造成二次傷害［5］。

2.3.1 消防設施無效的情況。圖8是工況1情況下，著火層不同部位的能見度。從圖8可以看出，從著火25 s開始到50 s左右，著火房間內的能見度急劇下降，最后能見度維持在0.5 m左右；從95 s開始到125 s，西側安全出口的能見度急劇下降，最后維持在0.3 m左右；從95 s開始到160 s左右，西側走道的能見度急劇下降，最后維持在0.5 m左右；以擋煙垂壁為界的東側走道與東側安全出口的能見度，從170 s開始到255 s左右，能見度急劇下降，最后維持在0.5 m左右。

圖8 工況1下不同位置能見度趨勢圖

2.3.2 消防設施有效的情況。工況2情況下不同位置能見度隨時間變化見圖9。在0～200 s，著火房間、西側安全出口、西側走道這三個位置能見度會急劇下降至0 m，而以擋煙垂壁為界限的東側走道與東側安全出口能見度沒有受到影響。200 s以后，除著火房間外，西側安全出口與西側走道的能見度隨時間慢慢上升，在500 s后，西側走道能見度達到5 m的安全疏散臨界值［11］，在800 s時，西側安全出口的能見度達到5 m的安全疏散臨界值。

圖9 工況2下不同位置能見度趨勢圖

3 結語

本研究用Pyrosim仿真軟件對兩種工況進行模擬，得出溫度、煙層高度、能見度的對比圖，通過對其進行分析可知，濕式自動噴水滅火系統(tǒng)與機械排煙系統(tǒng)的有效與否，對溫度、煙層高度、能見度的影響較大。其中，在消防設施有效的情況下，著火房間的溫度是無效時的40%，其余位置的溫度更是幾乎沒有變化；著火房間的煙層高度比消防設施無效時上升了1 m，其余位置煙層高度也幾乎無變化；東側走道與東側安全出口能見度在消防設施的影響下沒有出現(xiàn)下降的趨勢，著火房間、西側走道與西側安全出口的能見度在200 s后有上升的趨勢，而相比消防設施無效時能見度在200 s后，各位置的能見度都降為0 m。著火后，消防設施的有效工作對著火后降低溫度、提高能見度、控制煙層高度起著很好的作用。所以，對建筑內部的消防設施進行維護，保持消防設施運行良好，可減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。