宋洋，張楷文，姜紅肖

（中國民航大學(xué)a.交通科學(xué)與工程學(xué)院，b.安全科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300300）

民航業(yè)發(fā)展是中國建設(shè)交通強國的重要一環(huán)，也是助力國民經(jīng)濟發(fā)展的催化劑。航站樓作為旅客轉(zhuǎn)換陸上交通與空中交通的基礎(chǔ)設(shè)施，在整個機場運行中扮演著重要角色[1]。航站樓空間大且具有較為復(fù)雜的功能分區(qū)[2]。因此，針對耦合消防設(shè)施的火災(zāi)演化機理展開研究，不僅可為航站樓消防設(shè)施設(shè)計優(yōu)化提供思路，還可為制定航站樓不同場景和區(qū)域的應(yīng)急疏散預(yù)案提供參考。

張瑩等[3]把建筑信息模型（BIM，building information modeling）與Pyrosim 結(jié)合，將建立的地鐵站BIM模型轉(zhuǎn)換為三維CAD 格式后導(dǎo)入Pyrosim 中進行仿真模擬，從而提高仿真的準(zhǔn)確度；陳立林等[4]通過火災(zāi)動態(tài)模擬器（FDS，fire dynamics simulator）和Pathfinder軟件對地鐵站12 種場景下的火災(zāi)模擬進行分析，最終得到7 種較為危險的場景，并根據(jù)仿真結(jié)果制定了疏散方案；鞏臻聰?shù)萚5]對無火災(zāi)報警設(shè)備的火鍋店進行火災(zāi)模擬，分析煙氣高度、溫度及能見度等數(shù)據(jù)，以此制定了火鍋店消防設(shè)施優(yōu)化方案；魏曉鴿等[6]利用FDS 針對水噴淋系統(tǒng)對火場內(nèi)溫度和煙霧濃度的影響進行研究；王樂[7]對火場關(guān)鍵指標(biāo)進行量化并通過Pyrosim 軟件模擬倉庫火災(zāi)，分析了無排煙無噴淋、僅排煙、僅噴淋3 種方式對火場變化的影響，實現(xiàn)了較為精細(xì)化的火災(zāi)仿真與模擬。

現(xiàn)階段，針對醫(yī)院、地鐵、餐廳等建筑類型的火災(zāi)模擬研究相對較多，關(guān)于航站樓這種高大公共建筑火災(zāi)模擬的研究相對較少，且現(xiàn)有研究主要傾向于煙氣或噴淋系統(tǒng)的模擬，對耦合消防設(shè)施的火災(zāi)演化機理研究較少。本文利用Pyrosim 軟件模擬得到耦合消防設(shè)施和消防設(shè)施未啟動兩個場景的噴淋、煙氣層高度、能見度、熱釋放速率等指標(biāo)的變化曲線，進而分析不同情況下的火災(zāi)演化機理。

1 航站樓候機廳消防設(shè)計概況

1.1 噴淋系統(tǒng)設(shè)計

《建筑設(shè)計防火規(guī)范》[8]（GB 50016—2014）并未針對航站樓候機廳類的建筑制定具體要求，但規(guī)范中要求面積大于1 500 m2的廠房、二層公共建筑等宜設(shè)置自動噴淋系統(tǒng)。故根據(jù)《自動噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》[9]（GB 50084—2017）的要求，當(dāng)中庭、體育館和航站樓等場所最大凈空高度大于8 m、小于等于12 m時，自動噴水滅火系統(tǒng)的噴水強度設(shè)為12 L/（min·m2）。本文采用標(biāo)準(zhǔn)覆蓋面積快速響應(yīng)噴頭，噴頭在候機廳內(nèi)平均分布，高度為7 m，共設(shè)置330個，額外在起火點周圍設(shè)4 個噴頭，位置如圖1 所示，當(dāng)達到觸發(fā)溫度68.33 ℃時噴淋系統(tǒng)自動開啟。

圖1 起火點周圍噴頭位置Fig.1 The location of the fire sprinklers around ignition point

1.2 防煙分區(qū)劃分

依據(jù)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 51251—2017）要求，公共建筑防煙分區(qū)的最大允許面積及長邊最大允許長度如表1 所示，當(dāng)公共建筑中的走道寬度不大于2.5 m時，其防煙分區(qū)的長邊長度不應(yīng)大于60 m，且當(dāng)空間凈高大于9 m時，防煙分區(qū)之間可不設(shè)置擋煙設(shè)施[10]。本文的研究對象長200 m、寬40 m、高10 m，故根據(jù)規(guī)范要求，將研究對象分為4 個相同的長50 m、寬40 m、高10 m 的防煙分區(qū)。

表1 不同空間凈高下公共建筑防煙分區(qū)的最大允許面積及長邊最大允許長度Tab.1 The maximum allowable area and length of the long side of the smoke prevention zone of the public building under different clear height

1.3 排煙系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》，自然排煙窗口面積約占自然排煙區(qū)水平投影面積的2%，故每個防煙分區(qū)的自然排煙口面積應(yīng)為40 m2，設(shè)計5 個自然排煙口，設(shè)置2 個以上的機械排煙口，故在每個分區(qū)兩個相對的方向各設(shè)1 個機械排煙口。機械排煙口的面積設(shè)置由排煙管道的排煙量決定，排煙量為防煙分區(qū)的面積與排煙量的乘積。防煙分區(qū)的面積為2 000 m2，排煙量設(shè)置為120 m2/h[9]，計算得出機械排煙管道內(nèi)排煙總量為240 000 m2/h。進而得出每個機械排煙口的排煙量為120 000 m2/h，再加上機械排煙口附近的最大風(fēng)速不宜超過10 m/s，則一個方向的機械排煙口面積為120 000/（3 600×10）=1.7 m2。通過計算可得每個分區(qū)兩個方向的機械排煙口面積共為3.4 m2。

2 航站樓候機廳火災(zāi)模型構(gòu)建

2.1 基于BIM 的航站樓候機廳模型

本文以中國某大型航站樓為原型，建立其中一條指廊的三維BIM 模型，如圖2 所示，該建筑長200 m、寬40 m、高10 m，面積80 000 m2。指廊內(nèi)設(shè)有10 個寬1.6 m、高2.5 m 的登機口，其中：東側(cè)開放（無登機口）、西側(cè)2 個、北側(cè)4 個、南側(cè)4 個。候機廳內(nèi)部有休閑吧、服裝店、飾品店、候機座椅等。

圖2 航站樓候機廳三維BIM 模型Fig.2 3D BIM model of airport terminal hall

2.2 基于Pyrosim 的火災(zāi)模型

將BIM 模型導(dǎo)入Pyrosim中，如圖3 所示。在每個登機口及防煙分區(qū)布置能見度探測裝置；在每個登機口及防煙分區(qū)2 m 處開始，每1.5 m 垂直間隔設(shè)置感溫探測器；在東西兩側(cè)登機口和3 個防煙分區(qū)以及書店外側(cè)設(shè)置垂直0～8 m 感煙探測器。采用多重網(wǎng)格設(shè)置，火源附近采用長、寬、高均為0.25 m 的網(wǎng)格，向外依次采用長、寬、高均為0.5 m、1.0 m 的兩種網(wǎng)格，最終共有217 600 個網(wǎng)格。

圖3 航站樓候機廳各區(qū)域布局Fig.3 Location of detectors in various areas of airport terminal hall

2.3 火災(zāi)場景設(shè)置

原始火源熱釋放速率方程如下

式中：t 為達到火源熱釋放率所需的時間（s）；Q（t）為火源熱釋放速率（kW）；α 為火災(zāi)增長系數(shù)（kW/s2）；t0為開始有效燃燒所需的時間（s）。

在不考慮火災(zāi)前期醞釀的情況下，火源熱釋放速率方程可以簡化為

在進行Pyrosim 火災(zāi)模擬時，一般按照最不利原則，將起火點設(shè)置在建筑物的中部。因此，本文將起火點設(shè)置在候機廳中部的商鋪中部，內(nèi)設(shè)有皮質(zhì)座椅、木架、書本、玩偶等物品。塑料、木板等材料起火，火勢會快速蔓延，即α=0.046 98 kW/s2[12]。由表2 可得，在有噴淋情況下，商店、展覽廳類建筑最大火源熱釋放速率為3.0 MW，由式（2）可得0.046 98 t2=3.0 MW，計算出達到3.0 MW所需時間為253 s。在沒有設(shè)置噴淋的情況下，其最大火源熱釋放速率達到10 MW，所需時間為461.8 s。

表2 各建筑類別的最大火源熱釋放速率Tab.2 Heat release rate of various buildings

3 火災(zāi)演化機理分析

本文針對消防設(shè)施未啟動和消防設(shè)施正常工作兩種場景利用Pyrosim 軟件進行模擬，火災(zāi)模擬的運行時間[11]設(shè)置為1 000 s，4 個防煙分區(qū)自左側(cè)起依次稱為區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域3、區(qū)域4；場景1 是在消防設(shè)施未啟動的情況下，場景2 是在消防設(shè)施均正常工作的情況下。兩種場景下各區(qū)域布置的探測器均正常運行。通過Pyrosim 軟件模擬運行得到噴淋系統(tǒng)運行、火源熱釋放速率變化、煙氣層高度變化、能見度變化4種情況中的火災(zāi)演化特性分析。

3.1 噴淋系統(tǒng)運行情況分析

消防系統(tǒng)正常運行場景下的噴淋系統(tǒng)溫度變化如圖4 所示。起火點四周的噴頭由商鋪出口位置逆時針分別定義為S1、S2、S3、S4。分析可得，在前300 s中，起火點周圍溫度均小于40 ℃，隨后60 s 火勢逐漸變大，S4 首先達到噴淋溫度，接著S1 被觸發(fā)啟動，由于S4 上方開有自然排煙口，S1 離商鋪出口較近，空氣流通性強，導(dǎo)致火勢變大，溫度升高，再加上通風(fēng)口的作用，使火焰向右偏離，S2 的噴淋最終也被觸發(fā)啟動。所有消防設(shè)施正常工作約300 s后，溫度呈現(xiàn)整體下降趨勢。由于機械排煙、自然排煙和噴淋的消防設(shè)施耦合工作，S3 始終沒達到觸發(fā)溫度。

圖4 場景2 噴淋系統(tǒng)運行情況Fig.4 Sprinkler system operation of scenario 2

3.2 火源熱釋放速率分析

火源熱釋放速率曲線如圖5 所示。在起火初期，由于休閑吧中的沙發(fā)座椅、書本雜志、裝飾品等材料極易燃燒，同時空氣流通較好，為火災(zāi)蔓延提供了快速發(fā)展的基礎(chǔ)，故熱釋放速率曲線持續(xù)增長。隨著火勢逐漸變大，消防設(shè)施未啟動的場景1下，熱釋放速率不斷升高，在430 s 左右上升到10 MW，隨后由于熱輻射溫度得不到釋放，煙氣排出有限，故而一直維持在10 MW 上下。相比之下，消防設(shè)施正常啟動的場景2下，噴淋和排煙系統(tǒng)的共同作用使熱釋放速率得到控制，前期到達3 MW 之后一直處于穩(wěn)定下降的過程。

圖5 火源熱釋放率分析Fig.5 Analysis of heat release rate of fire

3.3 煙氣層高度變化分析

煙氣層高度的變化分析可以為人員安全疏散和救援提供數(shù)據(jù)支撐，對人員產(chǎn)生危害的煙氣層臨界高度計算如下

式中：Hc為對人員產(chǎn)生危害的煙氣層臨界高度；Hb為建筑物高度。由式（3）計算可得，對人員產(chǎn)生危害的煙氣層臨界高度為2.7 m。

區(qū)域1 和區(qū)域2 在不同場景下的煙氣層高度變化趨勢如圖6 所示，圖6（a）顯示了區(qū)域1 的情況，區(qū)域1 位于候機廳最深處，前期由于區(qū)域2 的影響，煙氣快速聚集并蔓延，中期由于消防設(shè)施的啟動，場景2下區(qū)域1 的煙氣層高度迅速下降且沒有達到臨界高度，而場景1 由于沒有消防設(shè)施的作用，煙氣層高度一直處于波動狀態(tài)，沒有到達臨界高度。從圖6（b）可知，區(qū)域2 右側(cè)邊緣處為起火點位置，且商鋪出口位于區(qū)域2中，起火商鋪上方設(shè)有自然排煙口，因此場景1 中當(dāng)火勢逐漸增大蔓延時，區(qū)域2 由于空氣的流通，有利于煙氣蔓延，煙氣高度多次達到臨界高度且小范圍波動，場景2 由于消防設(shè)施的啟動，中后期煙氣層高度迅速下降，之后便一直處于安全高度中，未到達臨界高度。而區(qū)域3 和區(qū)域4 由于商鋪防火墻的阻隔，煙氣難以蔓延到該區(qū)域，且該區(qū)域本身熱釋放速率較小，故前期基本不受煙氣的影響，場景2 由于消防設(shè)施的啟動，使得煙氣累積緩慢并且煙氣蔓延范圍較小，因此煙氣層高度均處在8 m 左右，雖存在小范圍的波動，但影響不大，故在此不作展示。

圖6 不同區(qū)域在不同場景下的煙氣層變化曲線Fig.6 Change of smoke layer under different scenarios in different areas

兩個場景中不同分區(qū)的煙氣高度層變化如圖7所示。由圖7（a）可知：在場景1 消防設(shè)施未啟動的情況下，區(qū)域2 為起火點蔓延的主要區(qū)域，煙氣濃度最高，區(qū)域1 由于靠近起火商鋪的入口受到影響較大，單一的自然排煙口已經(jīng)不能滿足其排煙要求，因此，區(qū)域1 和2 迅速到達臨界高度且上下波動；區(qū)域4 由于連接候機廳的入口，可以看作一個半開放的空間，煙氣的蔓延空間較大，再加上自然排煙口的設(shè)置，因此煙氣層下降并不明顯；區(qū)域3 由于遠(yuǎn)離起火商鋪的入口，與區(qū)域4 的情況類似，煙氣層高度沒有明顯的下降，在安全高度內(nèi)小范圍波動。由圖7（b）可知：在場景2 消防設(shè)施正常工作的情況下，區(qū)域1 和區(qū)域2的煙氣層高度到達臨界高度范圍時，機械排煙的作用使其迅速回到安全高度；區(qū)域3 和區(qū)域4 由于受到煙氣蔓延的影響較小，消防設(shè)施的啟動作用沒有體現(xiàn)出來。綜上，僅依靠自然排煙口不能滿足火災(zāi)發(fā)生時的排煙需求，消防設(shè)施的設(shè)置可以有效控制煙氣層高度保持在安全高度內(nèi)，但仍在一段時間內(nèi)達到了臨界高度。

圖7 不同場景下各區(qū)域的煙氣層變化曲線Fig.7 Change of smoke layer of each area under different scenarios

3.4 能見度變化分析

能見度臨界值設(shè)定需要參考安全疏散的臨界，而針對安全疏散的臨界各國存在不同的認(rèn)定。參考澳大利亞《消防工程師指南》[13]制定的在空間大小不同、人員熟悉度不同時的能見度臨界值數(shù)據(jù)，同時由于旅客對航站樓的構(gòu)造及安全疏散路徑并不了解，再加上航站樓屬于大空間公共建筑，因此，將能見度臨界值設(shè)定為10 m。

能見度分析對發(fā)生火災(zāi)時人員的疏散路徑設(shè)計具有很大的幫助，因此，選擇自候機廳最深處的東北側(cè)登機口至候機廳入口路線上3 個區(qū)域進行演化機理分析。各區(qū)域在不同場景下的能見度變化情況如圖8 所示。區(qū)域1 為距離候機廳入口最遠(yuǎn)的東北側(cè)登機口，區(qū)域2 為起火點附近，區(qū)域3 為候機廳入口處，圖8（a）中：由于區(qū)域1 位于整個候機廳的北側(cè)，與起火商鋪出口位于同一方向，因此會受到煙氣蔓延的干擾，在場景1中，550 s 內(nèi)能見度均處于臨界值之上，且能見度逐漸降低并上下波動；在場景2中，整體能見度較場景1 有一定提高，且僅有少部分值低于臨界點，這是由于消防設(shè)施的啟動降低了煙氣濃度使能見度提高，但場景2 中能見度提高并不明顯，這說明消防設(shè)施針對區(qū)域1 的作用有限。圖8（b）中：由于區(qū)域2 位于起火點附近，相較于區(qū)域1，在場景1 中此區(qū)域更快地達到了臨界值，且一直處于臨界值范圍的波動中；在場景2中，此區(qū)域在400 s 時有明顯的能見度下降趨勢，但由于此處為起火點位置，后期能見度并沒有持續(xù)提升，而是處于一個安全范圍內(nèi)波動。圖8（c）中：區(qū)域3在場景1 中最低能見度為15 m 左右，可見此區(qū)域受煙氣蔓延的影響較小，是由于候機廳入口處較為開放，加上自然排煙口的設(shè)置，有利于煙氣排出和擴散，提高了能見度水平；在場景2中，消防設(shè)施的作用使區(qū)域3 的能見度水平較區(qū)域1 有更明顯的提高，能見度一直處于20 m 以上。

圖8 各區(qū)域在不同場景下的能見度變化曲線Fig.8 Visibility curve of each area in different scenarios

4 結(jié)語

基于航站樓候機廳BIM 模型，運用Pyrosim 火災(zāi)模擬平臺，通過對耦合消防系統(tǒng)和消防系統(tǒng)不啟動兩個場景的火災(zāi)模擬，從噴淋系統(tǒng)、火源熱釋放速率、煙氣層高度、能見度4 個角度分析了火災(zāi)演化機理，真實準(zhǔn)確地表現(xiàn)了不同區(qū)域、不同場景下的火災(zāi)發(fā)展過程。通過對不同場景、不同區(qū)域的火災(zāi)模擬可以明顯看出，火災(zāi)煙氣的蔓延會受到自然排風(fēng)口的影響，若自然排煙口設(shè)置不合理，可能會在火災(zāi)發(fā)生過程中影響煙氣蔓延的方向，因此自然排煙口的設(shè)置應(yīng)該綜合考慮更多因素。同時可知，機械排煙和噴淋系統(tǒng)的耦合對排煙和能見度有較為明顯作用，且機械排煙受其他因素干擾的可能性較小，更穩(wěn)定。除此之外，能見度變化分析對人員疏散和應(yīng)急救援具有指導(dǎo)作用，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，應(yīng)當(dāng)選擇與起火點有防火墻相隔的方向為逃生路線。因此，本次模擬不僅可以為此類建筑的消防設(shè)計提供思路，還能為制定人員應(yīng)急疏散方案提供更可靠的實驗依據(jù)。