李梅杰 崔 輝,2 副教授 紀荷怡

(1.湖南科技大學 資源環(huán)境與安全工程學院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學 煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201)

0 引言

火災發(fā)生發(fā)展過程中，煙氣會對人員造成瞬時或永久的傷害,是造成人員傷亡的主要因素[1-2]?；馂臒煔鈱θ藛T的傷害主要包括煙氣中有毒物質(zhì)的毒性傷害、高溫煙氣的灼傷及煙氣中顆粒物聚集造成的人員能見度降低。一般選用有毒煙氣濃度、煙氣溫度以及能見度這3個判據(jù)分別達到人體耐受極限的最早時間，作為可用安全疏散時間(Available Safety Egress Time，ASET)。建筑物內(nèi)所有人員離開建筑物所需的時間為必需安全疏散時間(Required Safety Egress Time，RSET)。傳統(tǒng)意義上認為可用安全疏散時間大于必需安全疏散時間時，建筑物內(nèi)人員可安全疏散。在火災環(huán)境中，3個判據(jù)并非獨立發(fā)生作用，而是互相影響的?；馂臒煔獾亩拘院透邷卦诨馂陌l(fā)展過程中對人員造成的傷害會隨著暴露時間的增加持續(xù)累積，在傷害累積的過程中，人員行動遲緩停滯，進而喪失逃生能力(失能)，最終導致死亡。煙氣的遮光性會使能見度降低，影響人員在疏散過程中的視野、速度等，導致在火災煙氣的毒性和高溫中暴露時間更長，相應的暴露累積傷害效應更強。但在火災毒性煙氣和高溫未到達對人體造成傷害的閾值時，無法說明人員在火災煙氣中受到的傷害，基于此，本文擬引入新的火災疏散判據(jù)，以更加科學準確地說明人員受到的火災煙氣傷害，判斷是否可安全疏散。

1 能見度對安全疏散的影響

可燃物在燃燒過程中會產(chǎn)生大量的固體顆粒、液相物質(zhì)及有毒氣體，稱為火災煙氣。由于煙氣中的固體顆粒對光具有遮蔽作用，因此煙氣濃度與區(qū)域內(nèi)的能見度成反比。人在煙氣中的能見距離是能否看到疏散標志及安全疏散路線的關鍵因素，直接影響到人員的疏散時間與疏散成功率。不同建筑空間對疏散要求的能見度不同，一般情況下，小空間疏散能見度要求為5m，大空間要求為10m。

當區(qū)域能見度小于疏散要求能見度時，認為能見度不良。疏散過程中，能見度不良降低疏散人員的視野，對疏散人員的心理和生理產(chǎn)生不利影響[3]。心理上擴大人員在火災環(huán)境中的恐慌，影響人員對火災環(huán)境的判斷，難以識別安全疏散標識，影響人員對疏散路徑的選擇[4]；生理上會影響疏散人員的速度，增加疏散人員在火災環(huán)境的暴露時間。陌生環(huán)境會加劇不良能見度對安全疏散的影響。在人員相對熟悉的環(huán)境中，例如學生宿舍、家庭住宅、工作單位等，人員較熟悉建筑結(jié)構(gòu)以及安全疏散路線，能見度對疏散人員的影響會有所降低。

2 基于FED的人員傷害模型

傳統(tǒng)煙氣毒性判據(jù)是使用一氧化碳濃度閾值，但大量實驗證明火災煙氣中多種毒性成分相互作用是人員中毒和死亡的主要原因?！痘馂闹形＜吧牟考?ISO 13571：2012)提出對火災煙氣中危及生命的成分進行監(jiān)測，并在疏散過程中評估人員受到的煙氣傷害，可以估算人員喪失行為能力的時間[5]。目前，已經(jīng)有專家和學者開始對火災煙氣傷害進行定量評估，火災煙氣危害的定量評價模型中，N-GAS模型適用于毒性氣體組分恒定的情況[6]，火災煙氣危害性定量評價(Toxicity，Heat and Visibility Comprehensive Harmfulness，THVCH)模型綜合考慮煙氣毒性、遮光性及高溫等有害因素[7]，有效劑量分數(shù)(Fractional Effective Dose，F(xiàn)ED)模型研究人員在窒息性氣體濃度不斷變化的火災環(huán)境中受到的煙氣毒性累積傷害。建筑物火災疏散過程中，雖然只能按照既定路線進行安全疏散，但人員的位置是動態(tài)變化的。煙氣在建筑物疏散通道蔓延后，煙氣溫度會有所下降，人員致死原因主要是吸入大量毒害氣體。在考慮能見度變化時，F(xiàn)ED模型能更好地分析火災煙氣毒性對人員的傷害[8]。

有效劑量分數(shù)FED是指將各種有毒氣體在時間上的累積傷害與造成某種致害效果所需毒性累積作用的比值，將其作為評價判定依據(jù)，反映毒性氣體對人員的傷害程度[9-10]?；馂氖枭⑦^程中，當某個時刻人員受到煙氣的毒性累積傷害作用與造成人員失能所需要的毒性累積作用相等時，即FED≥1時，人員失去移動能力，表明個體疏散失敗[11]。

FED的表達式如下：

(1)

式中：

Ci—第i種氣體的濃度，mg/m3；

t—暴露時間，s；

LC50(i)—第i種氣體半致死濃度，mg/m3。

火災煙氣產(chǎn)物中含有多種毒性氣體，有一部分毒性氣體的含量無法測得，例如氰化氫，因此火災產(chǎn)物的毒性傷害作用可以用主要毒性氣體的累積傷害表示。一氧化碳已被證實是影響安全疏散和火災致死的主要原因[1]，二氧化碳在一定體積分數(shù)時也會對人員造成傷害，但二氧化碳的直接傷害作用不會先于一氧化碳的中毒效應發(fā)生，本文考慮火災環(huán)境中二氧化碳刺激人員過度換氣的作用和低氧環(huán)境對人員造成生理傷害[12]。

火災煙氣毒性累積傷害FED計算式如下：

FEDtot=FEDCO×VCO2+FEDO2

(2)

式中：

FEDtot—個體受到毒害氣體的累積傷害；

FEDCO—個體受到一氧化碳的毒性累積傷害；

VCO2—二氧化碳刺激呼吸因子系數(shù)；

FEDO2—個體在低氧環(huán)境中的累積傷害。

通過火災模擬軟件和疏散軟件的耦合，導入火災煙氣數(shù)據(jù)到疏散軟件中，利用FED模型可以觀察個體在不同時刻和不同疏散路徑受到的煙氣毒性累積傷害，還可以觀察在采用不同消防方案時，同一疏散人員的FED值變化，為疏散安全設計提供指導。相比僅利用單一一氧化碳體積分數(shù)對人員的傷害代表火災毒性煙氣對人員的傷害，F(xiàn)ED模型更加具體。可以對FED進行更進一步的研究，對人員的安全疏散有指導意義。

3 模型應用

本文研究對象為某高校男生宿舍樓，該宿舍樓一共有7層，層高為3.7m。每層有6個宿舍，每個宿舍構(gòu)造相同，宿舍內(nèi)的可燃物大致相同。該宿舍樓無火災報警系統(tǒng)，無排煙系統(tǒng)和自動噴淋系統(tǒng)。樓層之間只有樓梯連接，樓梯位于宿舍樓中部，僅有一個安全出口。利用火災模擬軟件建立長20.8m、寬15.2m的宿舍模型圖，如圖1。

(a)外部整體側(cè)視圖

3.1 基于FDS的宿舍樓火災數(shù)值模擬

利用FDS開展全尺寸宿舍火災數(shù)值模擬，可以觀察宿舍樓安全通道內(nèi)的火災煙氣數(shù)據(jù)變化[13]。依據(jù)最不利原則，設置模擬情景為晚上，學生都在宿舍內(nèi)，火災發(fā)生在一樓樓梯左邊第一個宿舍內(nèi)，火源功率為4MW。該宿舍樓僅能通過樓梯進行安全疏散，因此在每層樓梯內(nèi)設置探測設備，記錄疏散通道內(nèi)的能見度、溫度、一氧化碳體積分數(shù)、二氧化碳體積分數(shù)在火災發(fā)展過程中的變化。各監(jiān)測設備距每層地面高度為1.7m。

設定火災模擬時間為310s。火災發(fā)展過程中，安全疏散樓梯內(nèi)煙氣數(shù)據(jù)變化，如圖2?；馂陌l(fā)生50s時，火災煙氣蔓延到2樓，2樓樓梯間一氧化碳體積分數(shù)和二氧化碳體積分數(shù)快速升高，能見度開始下降，溫度升高；在200s時，火災煙氣蔓延到6樓，煙囪效應加劇樓梯間火災煙氣的蔓延。在整個火災模擬過程中，一氧化碳體積分數(shù)最大值為200×10-6，二氧化碳體積分數(shù)最大值為3 000×10-6，溫度最高為26℃，此時一氧化碳體積分數(shù)和溫度都未達到傷害閾值。但2、3、4層樓梯通道內(nèi)火災煙氣累積，能見度均降到5m以下，能見度不良對人員安全疏散造成不利影響，但根據(jù)傳統(tǒng)的安全疏散判據(jù)，一氧化碳體積分數(shù)和煙氣溫度未達到人員傷害閾值，無法說明人員受到的火災煙氣傷害。

(a)一氧化碳體積分數(shù)

3.2 能見度影響下宿舍樓人員疏散研究

發(fā)生火災時宿舍內(nèi)共有252人，每層36人，利用疏散軟件Pathfinder使人員在各樓層隨機分布。人員的必需疏散時間由火災預警時間talarm、人員反應時間tpre、人員疏散運動時間tmove組成。必需安全疏散時間公式如下：

REST=talarm+tpre+tmove

(3)

設定火災預警時間和人員反應時間共30s。

必需安全疏散時間的傳統(tǒng)算法不考慮火災煙氣對速度的影響，但在真實的火災環(huán)境中，火災煙氣會造成疏散人員速度衰減[14]。其中能見度下降會導致疏散人員視野受限，直接影響疏散人員的速度，能見度對疏散人員速度影響的函數(shù)如下[15]：

V=V0+max(1,min(0.2,-0324×(3-VIS)))

(4)

式中：

V0—人員初始速度,m/s；

VIS—區(qū)域內(nèi)的能見度,m；

V—考慮能見度影響下人員在該區(qū)域內(nèi)的速度,m/s。

為獲得更真實的火災疏散數(shù)據(jù)，需要考慮火災煙氣對疏散人員的影響。根據(jù)火災煙氣影響下不同區(qū)域能見度變化，在疏散過程中對不同區(qū)域進行速度衰減。設置2種疏散模擬情景，情景1為不考慮能見度對疏散人員的影響，疏散過程中疏散速度一定；情景2是隨著能見度下降，疏散人員速度也相應衰減。其中，Door01為宿舍樓安全疏散出口，Stair1、Stair2、Stair3為部分安全疏散樓梯。

情景1疏散時間為267s，情景2疏散時間為301.8s，如圖3。對比2種疏散情景結(jié)果，得到如下結(jié)論。

(a)情景1

(1)從圖3可以看出，2種疏散情景下，各區(qū)域出口人員流量整體變化趨勢相似，另因安全出口Door01在1樓，火災發(fā)展初期，2種情景下該出口開始有疏散人員通過的時間大致相同。隨著火災煙氣在樓梯間的蔓延，樓梯間能見度降低，人員的通過速度隨著降低，故情景2中疏散人員經(jīng)過相同區(qū)域的時間相對情景1存在延遲，同一時間經(jīng)過各個區(qū)域的人員數(shù)量均小于情景1。

(2)在疏散過程中，考慮火災環(huán)境中的能見度變化，情景2所用的疏散時間明顯大于情景1，這說明火災煙氣對人員安全疏散的影響不可忽視。因此，后續(xù)應開展火災煙氣對人員疏散影響的研究，有利于獲得更科學的必需安全疏散時間。

3.3 能見度不良條件下基于FED的安全疏散研究

該學生宿舍樓僅能通過一個樓梯進行安全疏散。通過上文火災模擬可知，在火災發(fā)展到RSET時，樓梯內(nèi)有毒煙氣體積分數(shù)、煙氣溫度均未達到傷害閾值，但能見度下降到5m以下。難以判斷人員在疏散過程中受到的煙氣傷害，此時需要補充新的安全疏散判據(jù)定量分析人員受到的火災煙氣累積傷害，利用火災煙氣累積傷害模型計算人員煙氣累積傷害，觀察人員受到的傷害是否危及生命，從而判斷人員是否能成功疏散。通過火災模擬獲得煙氣數(shù)據(jù)，與Pathfinder模擬的疏散個體的時空數(shù)據(jù)相耦合，可輸出疏散個體在疏散過程中吸入毒性氣體后受到的毒性累積傷害效應，即計算FEDToxic值。

基于設定的疏散模擬情景，選取位于7層宿舍安全疏散距離較長的6名人員，得到煙氣累積傷害，如圖4。

從圖4可知，在疏散結(jié)束時，情景1疏散人員FED值均小于情景2，在能見度的影響下，情景2疏散人員在火災環(huán)境中暴露的時間更長。在相同的時刻，相同人員的FED值情景2小于情景1，這是由于在能見度下降的作用下，情景2人員的疏散速度衰減，同一時刻情景1的疏散人員已經(jīng)進入距離火源更近的區(qū)域。在2種疏散情景中，由于個體差異，疏散人員受到的煙氣累積傷害不同，但每個人員的FED值均小于0.012。當FED≥1時，疏散人員會發(fā)生失能行為；FED≥0.3時，認為人員處于危險狀態(tài)。6名距離安全出口最遠人員火災煙氣毒性累計傷害在安全區(qū)間內(nèi)，表明人員在疏散過程中未受到明顯傷害，因此可以認為在能見度不良條件下，該宿舍樓所有人員仍能安全疏散。

(a)情景1

4 結(jié)論

(1)相較傳統(tǒng)的安全疏散判據(jù)，本文引入煙氣毒性累積傷害模型，在定量計算疏散人員在火災環(huán)境中受到煙氣累積傷害的同時，更全面地考慮火災煙氣毒性傷害。同時，傳統(tǒng)的火災安全疏散判據(jù)依然對安全疏散具有指導意義，從側(cè)面說明該判據(jù)的科學性。

(2)火災環(huán)境中，煙氣產(chǎn)物會對能見度造成不利影響，能見度下降會造成疏散人員的移動速度衰減。因此，為獲得更加真實客觀的人員疏散數(shù)據(jù)，需要在人員安全疏散時考慮火災煙氣產(chǎn)物對疏散的影響。

(3)在毒性煙氣體積分數(shù)、煙氣溫度未達到傷害閾值時，在不良能見度的火災環(huán)境中，利用煙氣毒性累積傷害模型定量計算人員受到的火災煙氣毒性傷害，此時火災毒性煙氣未對人員造成明顯傷害。