基于計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的電子廠房疏散設(shè)計(jì)研究

齊應(yīng)茹 趙長(zhǎng)勇

(陜西消防總隊(duì)延安支隊(duì)，陜西延安 716000)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和電子產(chǎn)品的日益增多，我國(guó)出現(xiàn)了大量體量龐大、功能復(fù)雜的大型電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠房。這些廠房在使用功能、建筑材料、結(jié)構(gòu)形式等方面與傳統(tǒng)的電子廠房都有很大不同，建筑設(shè)計(jì)方案已無(wú)法滿足我國(guó)規(guī)范的要求?，F(xiàn)行國(guó)家規(guī)范GB 50016-2006建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范第3.7.4條對(duì)廠房?jī)?nèi)任一點(diǎn)到最近安全出口的距離進(jìn)行了明確規(guī)定，但是如果按照此規(guī)定執(zhí)行，很多廠房的設(shè)計(jì)方案將無(wú)法滿足此要求。本文以某項(xiàng)目疏散問題為研究對(duì)象，采用性能化消防設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行論證，以期找到解決類似工程問題的方法。

1 工程概況

某電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠房的火災(zāi)危險(xiǎn)性分類為丙類，建筑占地面積92 153 m2，建筑面積357 855 m2，采用鋼框架結(jié)構(gòu)，按一級(jí)耐火等級(jí)進(jìn)行防火設(shè)計(jì)。生產(chǎn)廠房分為大跨度的核心凈化生產(chǎn)區(qū)、支持區(qū)與辦公區(qū)。其中核心凈化生產(chǎn)區(qū)3層，建筑高度28 m。

按照國(guó)家規(guī)范GB 50016-2006建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范第3.7.4條規(guī)定，本項(xiàng)目生產(chǎn)區(qū)最大疏散距離均超過40m，最遠(yuǎn)距離為90m，疏散距離不滿足規(guī)范要求。另外，樓梯在首層無(wú)法直通室外，此難點(diǎn)也無(wú)法滿足規(guī)范規(guī)定，如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

2 解決方案

綜合上面分析的因素，按照前文所提到的新型數(shù)字化建筑防火設(shè)計(jì)方法，對(duì)原方案提出修改調(diào)整，并通過理論分析，來論證此方案的科學(xué)性和可行性。

2.1 防火分區(qū)

現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50472電子工業(yè)潔凈廠房設(shè)計(jì)規(guī)范第6.2.3條規(guī)定:“潔凈廠房?jī)?nèi)防火分區(qū)的劃分，應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50016-2006建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范(以下簡(jiǎn)稱《建規(guī)》)的有關(guān)規(guī)定。丙類生產(chǎn)的電子工業(yè)潔凈廠房的潔凈室(區(qū))，在關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備設(shè)有火災(zāi)報(bào)警和滅火裝置以及回風(fēng)氣流中設(shè)有靈敏度嚴(yán)于0.01%obs/m的高靈敏度早期火災(zāi)報(bào)警探測(cè)系統(tǒng)后，其每個(gè)防火分區(qū)的最大允許建筑面積可按生產(chǎn)工藝要求確定?！钡?.2.4條規(guī)定:“潔凈室的上技術(shù)夾層、下技術(shù)夾層和潔凈生產(chǎn)層，當(dāng)按其構(gòu)造特點(diǎn)和用途作為同一防火分區(qū)時(shí)，上、下技術(shù)夾層的面積可不計(jì)入防火分區(qū)的建筑面積，但應(yīng)分別采取相應(yīng)的消防措施?！?/p>

本建筑內(nèi)關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備自帶火災(zāi)報(bào)警和滅火裝置以及在回風(fēng)氣流中設(shè)有靈敏度嚴(yán)于0.01%obs/m的高靈敏度早期火災(zāi)報(bào)警探測(cè)系統(tǒng)。根據(jù)上述規(guī)定，本項(xiàng)目防火分區(qū)可按實(shí)際工藝要求進(jìn)行設(shè)置，三層核心區(qū)及下夾層劃為一個(gè)防火分區(qū)。

2.2 疏散設(shè)計(jì)

《電規(guī)》第6.2.7條第3款規(guī)定:“丙類生產(chǎn)的電子工業(yè)潔凈廠房，在關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備自帶火災(zāi)報(bào)警和滅火裝置以及回風(fēng)氣流中設(shè)有靈敏度嚴(yán)于0.01%obs/m的高靈敏度早期火災(zāi)報(bào)警探測(cè)系統(tǒng)后，安全疏散距離可按工藝需要確定，但不得大于本條第2款規(guī)定的安全疏散距離的1.5倍(60 m)。”基于廠房疏散距離過長(zhǎng)，首層中部部分疏散樓梯不能直通室外，現(xiàn)在原方案基礎(chǔ)上增加安全疏散走道，利用安全走道將疏散樓梯與室外安全出口進(jìn)行連接，以保障人員的安全疏散，如圖2所示。

圖2 安全走道的范圍示意圖

同時(shí)，為確保安全通道的安全性，根據(jù)首層安全走道的范圍及相關(guān)規(guī)范的要求，提出以下加強(qiáng)措施:1)走道樓板的耐火極限不低于1.50 h，兩側(cè)隔墻采用防火墻;2)走道直通室外的出口不少于2個(gè)，并設(shè)置在不同方向;3)走道的凈寬度不小于任一防火分區(qū)通向走道的設(shè)計(jì)疏散總凈寬度;4)走道內(nèi)部裝修材料的燃燒性能為A級(jí);5)走道內(nèi)設(shè)置消火栓、消防應(yīng)急照明、應(yīng)急廣播和消防專線電話;6)一層支持區(qū)安全疏散出口均直接向室外開啟，人員直接向室外進(jìn)行疏散。

3 對(duì)方案安全分析

通過對(duì)原設(shè)計(jì)方案的修改，增加了安全疏散通道和防煙樓梯間等措施，如何判斷該方案是否滿足人員安全疏散的目標(biāo)，則需要對(duì)方案進(jìn)行安全分析。首先分析待評(píng)估建筑的火災(zāi)危險(xiǎn)性，并根據(jù)火災(zāi)危險(xiǎn)性設(shè)定合理的火災(zāi)場(chǎng)景;然后用計(jì)算機(jī)模擬程序?qū)υO(shè)定火災(zāi)場(chǎng)景下的火災(zāi)煙氣、溫度等火災(zāi)動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到人員可用疏散時(shí)間TASET;再根據(jù)設(shè)定火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)置相應(yīng)的人員安全疏散場(chǎng)景，并利用人員安全疏散模擬軟件對(duì)設(shè)定疏散場(chǎng)景下的人員疏散情況進(jìn)行計(jì)算，得到人員必需疏散時(shí)間TRSET;最后證明TASET＞TRSET是否成立。即如TASET＞TRSET，則可以認(rèn)為在設(shè)計(jì)的設(shè)定火災(zāi)場(chǎng)景條件下，建筑內(nèi)的人員能在火災(zāi)產(chǎn)生的不利因素影響到生命安全之前全部疏散到安全區(qū)域。反之，則判定現(xiàn)消防設(shè)計(jì)方案不能滿足人員安全疏散的要求，需要進(jìn)行修改。

3.1 火災(zāi)模擬過程分析

3.1.1 建筑火災(zāi)研究

火災(zāi)研究采用由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)開發(fā)的FDS軟件進(jìn)行分析。首先對(duì)建筑進(jìn)行三維建模，然后對(duì)建筑內(nèi)火源位置、火災(zāi)曲線、火災(zāi)功率、建筑消防設(shè)備等內(nèi)容進(jìn)行設(shè)定。在此基礎(chǔ)上，定量模擬分析出該建筑在火災(zāi)狀態(tài)下火災(zāi)蔓延、空氣層溫度和煙氣濃度等特性。

3.1.2 火災(zāi)設(shè)計(jì)

為考察安全通道的安全性，原設(shè)計(jì)確定了10個(gè)火源位置共30個(gè)火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行論證，同時(shí)考慮了自動(dòng)滅火系統(tǒng)和機(jī)械防排煙系統(tǒng)的不同工況組合。本文選取其中具有代表性的2個(gè)火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行說明。

1)火源位置。

火源位置A:該場(chǎng)景設(shè)定火災(zāi)發(fā)生在一層電氣室，主要考慮電氣設(shè)備發(fā)生火災(zāi)對(duì)安全通道的影響?；鹪次恢肂:該場(chǎng)景設(shè)定火災(zāi)發(fā)生在一層核心區(qū)，考慮火源附近的安全通道被封堵的不利情形。

2)火災(zāi)增長(zhǎng)曲線。

火災(zāi)增長(zhǎng)曲線的數(shù)學(xué)模型采用t2火災(zāi)模型，如式(1)所示:

其中，Q為火源熱釋放速率，kW;α為火災(zāi)增長(zhǎng)速率，kW/s2;t為火災(zāi)的燃燒時(shí)間，s。

對(duì)于t2火災(zāi)的類型，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO/TS 16733中根據(jù)火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)的值定義了4種標(biāo)準(zhǔn)t2火災(zāi):慢速火、中速火、快速火和超快速火，保守考慮，火災(zāi)按快速火發(fā)展考慮，取α=0.046 89 kW/s2。

3)火災(zāi)功率。

火災(zāi)工況考慮有噴淋保護(hù)，火災(zāi)功率則參照上海市工程建設(shè)規(guī)范DGJ 08-88-2006民用建筑防排煙技術(shù)規(guī)程進(jìn)行選取。無(wú)噴淋保護(hù)則參照托馬斯轟燃公式進(jìn)行計(jì)算，如式(2)所示:

其中，Q為發(fā)生轟燃時(shí)的熱釋放速率，kW;At為房間的內(nèi)表面積，m2;Aw為通風(fēng)口面積，m2;Hw為通風(fēng)口高度，m。綜上所述，設(shè)定火災(zāi)場(chǎng)景如表1所示。

表1 火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)定

3.1.3 火災(zāi)模擬分析

影響人員安全疏散的主要性能參數(shù)包括煙氣層高度、對(duì)流熱、熱輻射、能見度、煙氣毒害性等方面。通過分析燃燒結(jié)果中特性參數(shù)，量化影響人員安全疏散的判定數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 人員安全判據(jù)

通過對(duì)設(shè)定火災(zāi)場(chǎng)景的模擬分析，可得到火災(zāi)中影響人員安全的各項(xiàng)參數(shù)值，量化為安全時(shí)間來表示，具體如表3所示。

表3 人員疏散安全性判定

3.2 人員疏散研究

人員疏散研究采用由英國(guó)開發(fā)的pathfinder來進(jìn)行分析。首先對(duì)建筑進(jìn)行數(shù)字化三維建模，然后通過設(shè)定火災(zāi)場(chǎng)景、人員數(shù)量、密度、位置、速度等參數(shù)模擬人員的實(shí)際疏散行為。模擬輸出結(jié)果包括人員疏散所用時(shí)間，選擇的出口位置、人員構(gòu)成、人員個(gè)體屬性、通過各樓梯或出口的人數(shù)等。

在設(shè)定火災(zāi)場(chǎng)景條件下，人員能在火災(zāi)影響到生命安全以前全部疏散到安全區(qū)域，則可認(rèn)為方案可行;反之，則認(rèn)為現(xiàn)有消防設(shè)計(jì)方案不能滿足人員安全疏散的要求，需要進(jìn)行改進(jìn)。即:TRSET＜TASET。

由表3中可以看出由于設(shè)定了安全走道，在各種工況下，人員均能安全疏散。通過分析可知，消防設(shè)備的有效對(duì)于建筑內(nèi)人員安全疏散極其重要。在消防設(shè)計(jì)中，應(yīng)加強(qiáng)自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)、機(jī)械排煙系統(tǒng)的設(shè)置，在實(shí)際運(yùn)行中也應(yīng)保證其能完好有效。

綜上所述，本節(jié)利用計(jì)算機(jī)輔助方法，通過分析火災(zāi)條件下的人員安全疏散過程及其與火災(zāi)發(fā)展、煙氣蔓延時(shí)間的關(guān)系，論證了安全走道的可行性。

4 結(jié)語(yǔ)

大型廠房功能復(fù)雜，如何劃分防火分區(qū)，正確合理布置安全走道和疏散樓梯，確保其安全性，是其防火設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。運(yùn)用建筑火災(zāi)安全工程學(xué)的基本原理，以計(jì)算機(jī)為輔助，引入安全走道等新型設(shè)計(jì)理念，利用新型建筑防火設(shè)計(jì)方法可以很好的解決這些難點(diǎn)。本文經(jīng)論述可知，利用“安全走道”的疏散設(shè)計(jì)方案，可以幫助解決電子廠房疏散距離過長(zhǎng)的問題，實(shí)現(xiàn)人員的安全疏散。

［1］ GB 50016-2006，建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范［S］.

［2］ GB 50045-95，高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范［S］.

［3］ DBJ 50-054-2006，上海市防排煙技術(shù)規(guī)程［S］.

［4］ 李引擎.建筑防火性能化設(shè)計(jì)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.