陳 晨，郭 聳

(1.江蘇航空職業(yè)技術學院 航空飛行學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212134；2.南京理工大學 安全工程系，江蘇 南京 210094)

0 引言

體育館屬于大型建筑，由于其結構體系及使用功能的特殊性，消防設計中常常將比賽大廳、觀眾區(qū)等劃分成一個防火分區(qū)，這種劃分方式則會導致防火分區(qū)面積超過《建筑設計防火規(guī)范》中的標準要求[1-2]。本文研究的建筑對象其建筑防火分區(qū)面積超過了規(guī)范要求，但根據(jù)規(guī)范要求對于此類建筑的防火分區(qū)面積可適當放寬，放寬后其消防安全性能否得到保證，則需要通過性能化設計的方法進行論證。為佐證其火災安全性，選取該區(qū)域作為研究對象，研究同類情況下的危險區(qū)域的火災危險性。通過設置不同的火災場景，模擬分析計算研判人員在火災條件下的安全性是否滿足要求。

1 工程概況及消防設計存在的問題

1.1 工程概況

某體育館建筑面積約12萬m2，建筑主體采用鋼筋砼構架體系，頂棚采用鋼網架體系。鋼結構屋頂最高點標高為32.50 m，大空間結構跨度77.10 m，混凝土固定看臺采用框架結構，在3.400～16.510 m之間設置；屋面鋼結構采用空間桁架與網架混合體系。

體育館建筑首層為場地層(+0.000層)，功能主要包括競賽場地、競賽功能用房。中心為57m×40m的比賽場地，各種附屬用房布置在比賽場地周圍。二層(5.400層)為觀眾入口層。觀眾服務及附屬用房分布在觀眾看臺的下部，其余均作為觀眾集散及交通聯(lián)系空間使用。夾層(9.600層)為聲控室、燈控室、計時記分控制機房等。整個建筑耐火等級為二級，設計使用年限為50年。

該體育館由于結構體系及使用功能的特殊性，比賽大廳、觀眾區(qū)等劃分成一個防火分區(qū)，面積約7 100 m2。由《建筑設計防火規(guī)范》可知，當建筑耐火等級為一、二級時，且設置自動滅火系統(tǒng)時，防火分區(qū)最大允許面積為5 000 m2。本建筑防火分區(qū)面積超過了這一規(guī)定，但是《規(guī)范》中又有說明：“體育館、劇院的觀眾廳，展覽建筑的展廳，其防火分區(qū)最大允許面積建筑面積可適當放寬”。

本建筑防火分區(qū)面積擴大至約7 100 m2，其消防安全性能否得到保證，需要通過性能化設計的方法進行論證。

2 危險源辨識與火災場景設定

2.1 危險源辨識

危險源辨識是對辨識對象中存在的火災風險進行辨識，是風險評估與控制的基礎。通過對國內已經建好的類似體育館實地現(xiàn)場調查、參考設計圖紙、文獻調研和火災事故案例對研究對象存在的危險源進行辨識，分析可能導致火災事故的缺陷和隱患，為火災場景的設定提供依據(jù)[3-5]。

依據(jù)設計方提供的資料，并對國內類似游泳館進行了現(xiàn)場調研，得知該館危險源存在場所如下：管理辦公場所(管委會、組委會、辦公、數(shù)據(jù)處理)、機房(空調機房、網絡機房)、變配電室、休息室(運動員休息室、更衣室、記者休息室、貴賓休息室、裁判休息室、觀眾休息廳)、庫房、會議場所(會議室、新聞發(fā)布中心)、控制室(燈光、音響、顯示屏、安防、消防控制室)、活動座椅區(qū)。根據(jù)調研結果，得到體育館中各典型場所可燃物分布，結果如表1所示。

2.2 火災場景的設定

為佐證該體育館火災安全性，本文設置不同的火災場景，分析研究發(fā)生火災時人員可用安全疏散時間ASET(available safe egress time)。本文針對防火分區(qū)面積超規(guī)問題，分別在觀眾座椅區(qū)和首層賽場中心部位設置了3個火災場景，以考察該位置發(fā)生火災時，建筑內火災及煙氣蔓延規(guī)律，同時分析人員逃生的可能性，結果如表2所示。

表2 火災場景

2.2.1 火災場景F-1

火災場景F-1設定活動座椅區(qū)著火，模擬中的具體參數(shù)設定如表3所示。

表3 場景F-1模擬計算參數(shù)

2.2.2 火災場景F-2

火災場景F-2設定活動座椅區(qū)著火，模擬中的具體參數(shù)設定如表4所示。

表4 場景F-2模擬計算參數(shù)

2.2.3 火災場景F-3

火災場景F-3設定比賽大廳中央著火，模擬中的具體參數(shù)設定如表5所示。

表5 場景F-3模擬計算參數(shù)

3 消防設計安全驗證定量模擬分析

3.1 物理模型建立

場模擬方法優(yōu)點在于模擬結果較為準確，網格是FDS模擬的重要參數(shù)，網格的大小決定了模擬結果的精度。FDS在模擬計算時對網格內的溫度、壓力、速度和化學成分等參數(shù)進行分析。原則上網格劃分的越細，計算精度越高，但計算機的運算量則大大增加，因此研究者需要在模型精度和計算時間之間取平衡點[6-8]。

3.2 探測點位置設定

為盡可能得出準確合理的模擬結果，科學合理的探測點的設置至關重要，通過調研、論證及預測分析，將活動座椅區(qū)火災場景F-1～F-3位置及鋼結構頂棚熱煙氣溫度測點位置設定，如圖1。

圖1 火災場景位置及煙氣溫度測點位置

3.3 定量模擬結果分析

3.3.1 火災場景F-1

運用火災動力學軟件FDS根據(jù)火災場景F-1設定的物理參數(shù)進行數(shù)值模擬，模擬得到火場橫向截面和縱向截面溫度分布以及橫向截面和縱向截面能見度分布，具體情況見表6與表7。

表6 F-1縱向截面與橫向截面溫度分布

表7 F-1縱向截面與橫向截面能見度分布

由表6可以看出，火災發(fā)生后對應防火分區(qū)在著火后1 200 s內，整個體育館內的熱煙氣溫度均沒有超過60 ℃，頂棚最高處溫度約為40 ℃，這說明熱煙氣不會對人造成影響。該防火分區(qū)的安全出口測點的溫度測量結果在模擬1 200 s內均未達到危險值。

火災發(fā)生后，煙氣開始向頂部蔓延，隨后開始沉降、蓄積，在整個模擬的1200s內，整個空間內能見度都大于10 m。由表7可知，各測點的能見度測量值一直是30 m左右。鋼結構所處的熱煙氣溫度最高不超過40 ℃，這對鋼結構頂棚不會造成危害。綜上所述，該場景可用安全疏散時間(ASET)大于1 200 s。

3.2.2 火災場景F-2

運用火災動力學軟件FDS根據(jù)火災場景F-2設定的物理參數(shù)進行數(shù)值模擬，模擬得到火場橫向截面和縱向截面溫度分布以及橫向截面和縱向截面能見度分布，具體情況見表8與表9。

表8 F-2縱向截面與橫向截面溫度分布

表9 F-2縱向截面與橫向截面能見度分布

由表8可以看出，火災發(fā)生后對應防火分區(qū)在著火后1 200 s內，整個體育館內的熱煙氣溫度均沒有超過60 ℃，最高溫度出現(xiàn)在頂棚處，約為55 ℃，這說明熱煙氣不會對人體造成影響，各個測點的溫度測量結果在模擬1 200 s內均未達到危險值。火災發(fā)生后，煙氣開始向頂部蔓延，隨后開始沉降、蓄積，在整個模擬的1 200 s內，整個空間內能見度都大于10 m。表9中數(shù)據(jù)顯示各測點的能見度測量值一直是30 m左右。綜上所述，該場景可用安全疏散時間(ASET)大于1 200 s。

3.2.3 火災場景F-3

運用火災動力學軟件FDS根據(jù)火災場景F-3設定的物理參數(shù)進行數(shù)值模擬，模擬得到火場橫向截面和縱向截面溫度分布以及橫向截面和縱向截面能見度分布，具體情況見表10與表11。

表10 F-3縱向截面與橫向截面溫度分布

表11 F-3縱向截面與橫向截面能見度分布

由表10模擬數(shù)據(jù)可以看出，由于火源功率較大，加之排煙系統(tǒng)和自動滅火系統(tǒng)失效，該場景相對于火災設定場景1和2來說其空間內熱煙氣溫度高很多，其頂棚熱煙溫度達到了160 ℃。火災發(fā)生后，煙氣開始向頂部蔓延，隨后開始沉降、蓄積，在整個模擬的1 200 s內，整個空間內能見度都大于10 m。表11數(shù)據(jù)顯示了各測點的能見度測量值都沒達到危險臨界值。綜上所述，該場景可用安全疏散時間(ASET)大于918 s。

4 結論

針對該項目消防設計存在的問題，從安全需求出發(fā)，運用消防工程相關原理與火災動力學模擬手段，通過設立不同的火災場景來驗證消防設計的安全可靠性，根據(jù)模擬分析結果，得出以下結論和建議。

(1)由于該體育館為高大空間結構，其高大的頂棚提供了較長的煙氣蓄積時間，從而使得其煙氣層在短時間內難以下降至危險高度，提供了充分的人員逃生時間。經模擬計算發(fā)現(xiàn)，體育館的人員可以在有效時間內疏散至安全區(qū)域，火災產生的煙氣和熱量不會對人員產生致命影響，因此，其安全性是有保證的。

(2)經模擬計算分析，該體育館第一防火分區(qū)雖然面積較大，但通過分析論證，其火災蔓延和煙氣蔓延均可以得到有效控制，人員可以安全疏散，該建筑的消防安全性是可以得到有效保證。

(3)建筑投入使用后應加強對安全區(qū)域的消防安全控制，建立能有效滿足需求的消防器材庫，能夠制定落實消防安全管理措施。