大型體育館消防性能化設(shè)計中安全疏散時間的分析和研究

李玉臻，劉家豪，李海航，汪 箭＊

（1.安徽省消防總隊(duì)，合肥，230027；2.中國科技大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026）

0 引言

現(xiàn)代大型體育館具有功能多元化和建筑形式多樣化、以及新技術(shù)和新材料大量應(yīng)用等諸多特點(diǎn)，建筑結(jié)構(gòu)的特殊性、空間規(guī)模的超大性、使用功能的多樣性、火災(zāi)荷載的可變性也使其火災(zāi)特性有別于其它普通建筑。體育館，特別是看臺，屬于人員較為密集的區(qū)域，在設(shè)計時更要著重考慮人員密集區(qū)域的安全性［1］。同時，體育館也屬高大空間建筑，在設(shè)計時需要強(qiáng)化火災(zāi)風(fēng)險的預(yù)防［2］。鑒于建筑結(jié)構(gòu)的特殊性使現(xiàn)行的消防設(shè)計規(guī)范不能完全涵蓋建筑消防設(shè)計要求，所以要采用消防性能化設(shè)計方法對大型體育場館進(jìn)行消防安全綜合評價［3］。

本文結(jié)合某大型體育館消防性能化設(shè)計實(shí)例，通過對人員疏散時間進(jìn)行模擬計算來定量評價其消防安全水平。

1 項(xiàng)目概況

該體育館依據(jù)《體育建筑設(shè)計規(guī)范》JGJ31－2003（以下簡稱《體規(guī)》）定位為甲級，即參照能夠承辦全國性和單項(xiàng)國際比賽標(biāo)準(zhǔn)建造［4］，總建筑面積為34686m2，共五層，其中一層、二層為體育訓(xùn)練廳及體育用品房，三、四、五層為人員密集的比賽場地和看臺區(qū)，共設(shè)有6199個坐席。建筑消防設(shè)計高度為30.5m，整體設(shè)計為半球形。建筑設(shè)計使用年限為50年，耐火等級為二級。

在疏散寬度指標(biāo)問題上，目前設(shè)計的疏散樓梯的寬度指標(biāo)為0.625m／百人，可滿足《體規(guī)》要求的0.43m／百人的指標(biāo)要求。體育館主要的疏散通道是其周圍的六部剪刀式樓梯，設(shè)計滿足規(guī)范要求。

2 人員疏散時間

火災(zāi)情況下，人員本身也是影響疏散效率最重要的原因之一。由于體育館人員密度較大，加上座椅等因素，緊急情況下人員疏散移動速度較慢，可能產(chǎn)生急躁情緒，人為造成擁擠踩踏事故，所以應(yīng)保證緊急狀況下人員能夠快速有效地通過疏散走道、疏散樓梯或安全出口［5，6］。我國《體規(guī)》條文說明里將二級耐火等級的體育館控制疏散時間定為3min～4min，根據(jù)容量不同規(guī)定全部疏散完成時間為6min～8min，《建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB50016－2006條文說明里也有相應(yīng)的表述［7］。

以上疏散時間只規(guī)定人員能夠在多長時間內(nèi)疏散出去，并不能完全反應(yīng)出在火災(zāi)危險因素威脅到人員安全之前，人員能否安全疏散。因此在性能化消防設(shè)計中提出可用安全疏散時間ASET（Available Safe Egress Time）和所需安全疏散時間RSET（Required Safe Egress Time）兩個概念來表征［8，9］，即：ASET＞RSET。如果該式成立，人員可以在危險狀況來臨之前安全疏散，反之，則需要增加建筑疏散通道的數(shù)量或?qū)挾葋硖岣呤枭⑿省?/p>

可用安全疏散時間指火災(zāi)從開始發(fā)展到威脅人員安全所經(jīng)歷的時間，主要通過火災(zāi)過程中產(chǎn)生的對人體不利的危險因素，如煙氣層高度、溫度、能見度、CO體積分?jǐn)?shù)等指標(biāo)的閾值來判定［10］。所需安全疏散時間指人員從火災(zāi)開始到全部疏散完成所需要的時間。本文采用BuildingEXODUS模擬人員疏散所需要的時間，采用FDS模擬火災(zāi)危險到達(dá)的時間。

3 疏散時間分析及優(yōu)化設(shè)計

3.1 疏散時間計算

該體育館需要疏散的最大人數(shù)為賽時發(fā)生火災(zāi)情況下觀眾和工作人員總?cè)藬?shù)，根據(jù)體育館座位數(shù)設(shè)置以及日常工作人員安排，確定總的疏散人數(shù)為6372人。圖1和圖2分別是用EXODUS模擬的主要疏散區(qū)域三、四、五層的模型圖，三層和四層座椅包括固定坐席、活動坐席和主席臺坐席，這些區(qū)域的觀眾首先通過疏散走廊疏散到15.6m標(biāo)高的觀眾休息廳，然后再通過觀眾休息廳中的六部室外剪刀式樓梯疏散到室外地面，看臺所有縱向通道寬度為1.1m，總的疏散寬度為29.7m。五層固定坐席的觀眾通過三個疏散口下行至觀眾休息廳并由疏散樓梯疏散至室外，疏散寬度為3.6m。包廂席觀眾則通過20.4m標(biāo)高包廂休息平臺直接進(jìn)入防煙樓梯間疏散至一樓，疏散寬度為3m。

看臺區(qū)域觀眾從看臺出口全部疏散出去的允許最長時間為控制疏散時間，即我國《體規(guī)》條文說明里的3min～4min，而在火災(zāi)或其它危險狀況下應(yīng)保證人員安全疏散至地面室外區(qū)域，因此疏散完成時間，即安全疏散時間應(yīng)是消防性能化設(shè)計的一個主要參考。以下分別從規(guī)范要求，經(jīng)驗(yàn)公式和軟件計算三個方面來計算和討論安全疏散時間。

圖1 三層和四層疏散模型圖Fig.1 Evacuation model of the 3rd and 4th floors

圖2 五層疏散模型圖Fig.2 Evacuation model of the 5th floor

3.1.1 規(guī)范要求計算

《體規(guī)》中規(guī)定體育館的百人疏散寬度不應(yīng)小于0.43m／百人，人流通行指標(biāo)在平坡地面時為43人／每股人流·分鐘，階梯地面為37人／每股人流·分鐘。4股和4股以下人流時每股人流寬度按0.55m計，大于4股人流每股按0.5m計。疏散速度指標(biāo)規(guī)定下行速度取10m／min，平坡地面取45m／min。

對下層固定看臺和活動看臺取最不利看臺分區(qū)進(jìn)行計算，疏散人數(shù)最多的出入口有252人的載荷，看臺橫向走道為階梯地面，取37人／每股人流·分鐘，人流分為兩股，疏散至觀眾廳的時間為252÷（2×37）＝3.4min＜4min，可滿足規(guī)范對控制疏散時間的要求。上層固定看臺需疏散至15.6m標(biāo)高觀眾廳，最大人流232人，取階梯路面和兩股人流，可得疏散至觀眾廳時間為3.14min＜4min，亦可滿足規(guī)范對控制疏散時間的要求。貴賓包廂至最近樓梯間門的距離為15m，取平坡地面，則用時0.3min。樓梯間標(biāo)高20.4m，疏散到地面用時2.04min。封閉樓梯距室外最大距離為15m，需0.3min。貴賓包廂疏散時間總計2.64min＜3min，因此，總體上體育館內(nèi)人員疏散滿足規(guī)范對控制疏散時間3min～4min的要求。

火災(zāi)情況下的人員安全疏散是指疏散到室外，從體育館室內(nèi)疏散到15.6m標(biāo)高觀眾廳的觀眾（滿足規(guī)范對控制疏散時間的要求）還需要經(jīng)歷最大15m平坡地面、15.6m階梯路面和15m平坡地面才能到達(dá)室外地面，分別用時0.3min、1.56min和0.3min，共計2.16min。取體育館內(nèi)人員疏散至過度區(qū)（15.6m標(biāo)高觀眾廳）最長用時3.4＊min計算（控制疏散時間），看臺觀眾疏散至室外總計用時3.4＊＋2.16＝5.56min＝334s，既滿足規(guī)范要求的控制疏散時間也滿足規(guī)范要求的全部疏散完成時間為6min～8min，并可理解為規(guī)范要求的火災(zāi)時人員安全疏散時間。

3.1.2 經(jīng)驗(yàn)公式計算

經(jīng)驗(yàn)公式是長期實(shí)踐的結(jié)果，它考慮了人員疏散的有序性和出口利用率的高效性。采用人員密度計算法［11］來計算疏散時間，由式（1）給出，

式中：t：控制疏散時間；

N：觀眾廳總?cè)藬?shù)；

b：疏散口總寬度；

a：疏散時的人流密度，取3人／m2；

v：疏散時的人流行走速度，樓梯下行速度為10m／min，平地行走45m／min。

按照《體規(guī)》中0.43m／百人寬度采用經(jīng)驗(yàn)公式計算得到疏散時間為465s，與前面規(guī)范要求計算的火災(zāi)人員安全疏散時間334s并不一致，既按規(guī)范計算的人員疏散時間可理解為理論時間，由經(jīng)驗(yàn)公式計算得到的人員疏散時是根據(jù)實(shí)際情況對理論時間的一種修正，其就人員疏散安全水平而言兩者是等價的?，F(xiàn)行設(shè)計寬度0.625m／百人由經(jīng)驗(yàn)公式計算可得到疏散時間320s。對比465s（0.43m／百人寬度，經(jīng)驗(yàn)公式計算），其人員疏散安全水平明顯高于規(guī)范的最低要求。在這里特別指出的是：與規(guī)范所要求的安全水平比較，是要在相同的計算方式下進(jìn)行，既計算結(jié)果是320s（0.625m／百人寬度，經(jīng)驗(yàn)公式計算）與465s（0.43m／百人寬度，經(jīng)驗(yàn)公式計算）比較；334s（0.43m／百人寬度，規(guī)范要求計算）與465s（0.43m／百人寬度，經(jīng)驗(yàn)公式計算）應(yīng)理解為由于計算方式不同造成計算結(jié)果的差異，但就所達(dá)到的消防安全水平而言兩者是等價的。

3.1.3 疏散軟件計算

EXODUS采用0.5m×0.5m的正方形網(wǎng)格點(diǎn)，每個網(wǎng)格與相鄰八個網(wǎng)格點(diǎn)相連，網(wǎng)格之間以弧相連。模擬中各部分人員配比按EXODUS默認(rèn)設(shè)置［12］，人員行為則考慮了緊急疏散狀況下可能會出現(xiàn)的極端行為、焦慮情緒和社會性反應(yīng)等條件，在一定程度上被認(rèn)為體現(xiàn)或最接近實(shí)際情況下的人員疏散時間。

該體育館現(xiàn)設(shè)計疏散樓梯寬度指標(biāo)為0.625m／百人，通過EXODUS模擬計算可以得出上看臺全部疏散至15.6m標(biāo)高觀眾廳需要119s，下看臺全部疏散到樓梯中需要339s，全部人員疏散至室外共計418s。對模型的六部剪刀式樓梯及出口寬度作定量修改，模擬《體規(guī)》中規(guī)定的0.43m／百人疏散寬度指標(biāo)。模擬結(jié)果顯示，假定設(shè)計0.43m／百人疏散寬度時，看臺區(qū)域全部疏散到樓梯內(nèi)需要541s，全部人員疏散至室外地面需要623s。此時疏散完成時間比現(xiàn)行設(shè)計寬度下慢了33%，說明該場館在現(xiàn)行設(shè)計寬度下的消防安全水平明顯高于規(guī)范所要求的最低安全水平。

3.2 疏散過程優(yōu)化

分析現(xiàn)行設(shè)計寬度條件的軟件下計算過程和計算結(jié)果，可以明顯地觀察到疏散過程中存在著一些瓶頸，影響人員疏散。比如，人員疏散流向?qū)е履承┏隹诘睦寐什蛔?，而某些出口因壓力過大形成堵塞。最為明顯的是西側(cè)看臺（如圖3的四層西側(cè)平面圖所示），五層看臺的669名觀眾在疏散時會由A和B兩個樓梯疏散到四層的觀眾休息廳，因?yàn)镋和F兩個疏散樓梯距離較遠(yuǎn)，所以大部分觀眾不會利用E和F樓梯向下疏散，只由C和D兩個室外樓梯向下疏散，再加上所需要承載的本層人員疏散的壓力，C和D這兩個疏散通道比較擁擠，不利于充分合理利用樓梯提高人員疏散效率。

圖3 體育館西側(cè)看臺疏散結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure drawing of the west stands of the stadium

由觀察和分析可以發(fā)現(xiàn)，在疏散過程中造成擁擠的除了C、D樓梯口之外，還有看臺座椅、看臺出口和疏散走道，因此需要著重分析這些因素對人員疏散過程的影響。首先對經(jīng)過C和D兩個出口疏散的四層觀眾進(jìn)行人為分流，目的是使兩個出口具有相等的疏散人流量。為了考察座椅對疏散過程的影響，用階梯形式取代原先需要通過C處出口疏散的四層觀眾的座椅形式，即此處人員疏散無需通過座位間橫向運(yùn)動到疏散通道處再經(jīng)階梯向C出口方向疏散，可直接進(jìn)入上層階梯往C出口方向疏散。而通過D口疏散的觀眾仍按原先座椅模式進(jìn)行疏散。圖4截取了疏散過程中45s、105s、165s和225s時的疏散狀態(tài)，從圖中可以看出，在疏散早期階段，無座椅區(qū)域的人員很快會擁擠到疏散走廊附近，由于走廊寬度僅為2.5m，后面的人員不能有效往疏散出口運(yùn)動，因此大部分人員處于等待狀態(tài)。而有座椅的區(qū)域，由于人員行經(jīng)座椅中間的通道疏散，所以初始時刻D樓梯的有效利用率沒有C樓梯的高。隨著疏散時間推移，出口的利用率都達(dá)到較高的水平時，此時疏散的瓶頸就體現(xiàn)在疏散走廊的寬度上，105s疏散圖顯示兩處人員的疏散均受到走廊寬度的制約。165s時兩處人員疏散進(jìn)行狀況差異不大，走廊寬度的影響抵消了座椅及座椅間狹小疏散通道所帶來的影響。

圖4 南側(cè)去除座椅后各時刻疏散過程圖Fig.4 Evacuation process of the south at some typical moment after removing the chairs

以上分析可見疏散走廊是影響疏散效率的主要因素，而不是座椅，疏散走廊2.5m的疏散寬度制約了樓梯通道3.5m寬的疏散能力。為了提高疏散效率，設(shè)計時應(yīng)盡量使疏散必經(jīng)通道的寬度與樓梯寬度保持一致。事實(shí)上，下層固定看臺和活動看臺出口的疏散總寬度為29.7m，疏散人員荷載為5322人，僅能達(dá)到0.558m／百人，小于設(shè)計的百人寬度。既然疏散走廊是影響疏散效率的主要因素，需對現(xiàn)行設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)，即加寬疏散走廊可明顯體現(xiàn)這種影響。圖5所示為北側(cè)疏散走廊寬度由2.5m加寬到3.5m以后60s和120s時的疏散情況，雖然疏散走廊上不再出現(xiàn)擁擠現(xiàn)象，看臺出口的寬度卻顯著影響了人員疏散效率。將看臺出口寬度，由1.1m調(diào)整為2m，此時疏散至60s和120s時的效果如圖6所示，從圖6可以發(fā)現(xiàn)看臺出口的寬度不再制約疏散過程，D處樓梯的出口利用率較高，人員能快速地從看臺疏散到樓梯出口。根據(jù)模擬計算結(jié)果可知，人員能夠在251s時全部疏散至樓梯走廊，全部疏散完成則共需331s，疏散效率比現(xiàn)設(shè)計方案提高了21%，使原本的疏散瓶頸所造成的擁堵現(xiàn)象有了較大的改觀。

圖5 加大北側(cè)疏散通道寬度后60s和120s疏散過程圖Fig.5 Evacuation process at 60sand 120safter increasing the width of the north evacuation exit

圖6 加大北側(cè)看臺出口寬度后60s和120s疏散過程圖Fig.6 Evacuation process at 60sand 120safter increasing the width of the north stands

3.3 計算結(jié)果分析

規(guī)范要求、現(xiàn)行設(shè)計方案及消防性能化設(shè)計優(yōu)化后所計算的安全疏散時間列于表1中。其中規(guī)范要求計算的疏散時間334s（3.4＊min＋2.16min），0.43m／百人寬度經(jīng)驗(yàn)公式和疏散軟件計算的時間分別為465s和623s，均體現(xiàn)規(guī)范要求所必須達(dá)到的安全水平。0.625m／百人寬度的計算結(jié)果與規(guī)范要求的安全水平相比，顯然具有更高的安全性，特別是優(yōu)化分析后的軟件計算結(jié)果331s，與623s（0.43m／百人寬度，疏散軟件計算）相比，疏散效率提高了47%，遠(yuǎn)優(yōu)于規(guī)范要求的安全水平。

表1 不同條件下疏散完成時間Table 1 Evacuation finish time at different conditions

《體規(guī)》中規(guī)定的3min～4min控制疏散時間可以作為安全疏散設(shè)計的一個參考，安全疏散最終還是要考慮全部疏散完成所用時間，即安全疏散時間。在消防性能化設(shè)計過程中，運(yùn)用疏散軟件模擬計算人員疏散過程，觀察疏散過程中存在的瓶頸，分析和減少影響疏散的主要因素，優(yōu)化設(shè)計方案，可以有效地提高人員疏散效率，縮短疏散時間。

4 安全性分析

火災(zāi)場景設(shè)計是消防性能化設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)，通過假定體育場館火災(zāi)發(fā)生狀況，分析計算火災(zāi)是否會對人員安全疏散過程造成影響，最終判斷采取的設(shè)計方案能否滿足消防安全要求［13］。設(shè)計火災(zāi)場景應(yīng)遵循最不利原則，即選擇火災(zāi)危險性較大且易發(fā)生火災(zāi)的場景。該體育館作為舉辦大型賽事和演出項(xiàng)目的場館，其內(nèi)部主要的火災(zāi)荷載有組合辦公家具、演出舞臺幕布和看臺座椅等，其發(fā)生火災(zāi)的可能性與可燃物的性質(zhì)、潛在點(diǎn)火源特征以及消防設(shè)施等諸多因素相關(guān)。

通過考慮噴淋系統(tǒng)啟動后將火災(zāi)最大熱釋放速率控制在某一恒定值，并加上一定的不確定余量來確認(rèn)火災(zāi)規(guī)模，是現(xiàn)在普遍采用的火災(zāi)設(shè)計方法［14］。為減少火災(zāi)場景，計算過程只模擬三、四、五層的煙氣擴(kuò)散過程，采用固定熱釋放速率，具體工況如表2所示。

表2 計算工況表Table 2 Conditions of calculation

根據(jù)火災(zāi)場景設(shè)計，一旦發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)燃燒就會產(chǎn)生大量熱量、毒性氣體及煙塵等危害產(chǎn)物。對于大空間建筑，定量判斷準(zhǔn)則之一就是煙氣層高度應(yīng)保持在距地面2m以上的位置，人體對輻射熱流的耐受極限為2.5kW／m2，而且煙氣中的CO濃度一旦達(dá)到0.25%就可對人造成危害。煙氣體積分?jǐn)?shù)較高時可視度也會降低，逃生時確定逃生路線和做出決定所需的時間也會越長，大空間內(nèi)確定逃生方向需要看得更遠(yuǎn)，因此能見度要求不小于10m。通過分析這些參數(shù)的計算結(jié)果，可以判斷火災(zāi)發(fā)展到何時會對人員安全疏散構(gòu)成威脅，從而得出火災(zāi)時人員疏散的可用安全疏散時間ASET。

在現(xiàn)行設(shè)計寬度條件下對各種火災(zāi)場景的可用安全疏散可用時間ASET和所需安全時間RSET進(jìn)行比較，可得出人員疏散的安全性結(jié)論。模擬發(fā)現(xiàn)，除了最危險的B1和B2場景下會出現(xiàn)安全問題，其余場景在計算時間內(nèi)均未出現(xiàn)超過安全閾值的火災(zāi)參數(shù)。危險場景B1和B2人員疏散安全性見表3所示。

表3 危險場景火災(zāi)人員疏散安全性Table 3 Safety of personnel evacuation in the fire risk scenario

由上可以看出，在所有火災(zāi)場景下，現(xiàn)設(shè)計寬度均能夠保證人員的安全疏散，且有很大的安全疏散余量，并且能夠達(dá)到足夠的安全水平，如果依照前述優(yōu)化方案對其進(jìn)行優(yōu)化，能夠達(dá)到823s的安全余量，從而達(dá)到更高的安全水平。

5 結(jié)論及建議

本文應(yīng)用消防性能化設(shè)計方法對某體育場館的人員安全疏散進(jìn)行評估，計算模擬分析可以得出：就人員疏散而言，現(xiàn)設(shè)計寬度可以滿足規(guī)范要求，并能夠達(dá)到不低于規(guī)范要求的消防安全水平。主要結(jié)論及建議如下：

（1）在評估消防性能化設(shè)計的安全水平時，應(yīng)采用消防性能化設(shè)計安全水平不應(yīng)低于處方式安全水平的設(shè)計理念。

（2）消防性能化設(shè)計過程中，通過應(yīng)用疏散軟件模擬人員疏散過程，分析和觀察人員疏散過程存在的瓶頸，通過優(yōu)化設(shè)計，可有效地提高疏散效率，縮短疏散時間。

（3）本文中規(guī)范要求計算得到的理論疏散時間、經(jīng)驗(yàn)公式計算的修正疏散時間和疏散軟件計算的實(shí)際疏散時間，三者的計算方法不同會造成計算結(jié)果的差異，但在相同計算條件下三者所表征的安全水平是相同的，在消防性能化設(shè)計中應(yīng)以相同計算方法為依據(jù)評估人員疏散的安全性。

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