高層建筑的火災(zāi)模擬與逃生行為研究*

王海蓉，陳清光，余 愿，袁 智，晏建波，梁 棟

(1.中山大學(xué)工學(xué)院∥廣東省消防科學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510006;2.廣東省安全生產(chǎn)技術(shù)中心，廣東廣州 510060）

在各種類型的火災(zāi)中，建筑火災(zāi)尤其是高層公共建筑火災(zāi)的危害最為直接、嚴(yán)重，對(duì)人類的傷害最大［1－2］。隨著經(jīng)濟(jì)的不斷繁榮，在建和準(zhǔn)備投入使用的高層建筑還將不斷增加，而且其規(guī)模和結(jié)構(gòu)形式也將不斷提高、更新。高層建筑布局緊密、防火分隔差、防火分區(qū)小，電力負(fù)荷較大，一旦發(fā)生火災(zāi)，因其內(nèi)部封閉性強(qiáng)，通風(fēng)和換熱主要依靠通風(fēng)系統(tǒng)，散熱緩慢，內(nèi)部空間溫升快，發(fā)煙量較大。火災(zāi)產(chǎn)生的有毒氣體會(huì)使疏散緩慢的人員窒息或視野模糊，易出現(xiàn)相互擁擠、踐踏的現(xiàn)象，造成人員大量傷亡［3－6］。因此，高層建筑在火災(zāi)發(fā)生時(shí)的人員逃生和應(yīng)急疏散非常困難。

環(huán)境中煙毒氣的蔓延、通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)煙毒氣的控制都將通過人員的心理因素體現(xiàn)在疏散速度上。同時(shí)，不同場(chǎng)所中，人員疏散的規(guī)則也具有其場(chǎng)所自生的特點(diǎn)。英國(guó)格林威治大學(xué)的BuildingExodus、英國(guó)愛丁堡大學(xué)的Simulex等疏散模型主要考慮建筑物的人口承載量，強(qiáng)調(diào)寬度和容量的作用，并未考慮環(huán)境和人群之間的相互影響［7－10］。實(shí)際上，在人員疏散過程中，人與人之間、人與環(huán)境 (如建筑物)之間的相互作用對(duì)人員疏散的行為、速度和效率起著關(guān)鍵作用［11］。Pathfinder人員模擬器，引入了人與人之間的摩擦力，以及人與建筑之間的排斥力。排斥力表現(xiàn)為人與人之間及人與墻之間躲閃、避讓的行為。在人員密集的情況下，摩擦力往往對(duì)人員疏散起著比排斥力更大的作用。摩擦力表現(xiàn)為人與人、人與墻接觸時(shí)的減速行為。因此，本文基于FDS和Pathfinder模擬器，對(duì)廣州天河某商業(yè)中心進(jìn)行了火災(zāi)過程和人員應(yīng)急疏散行為的模擬仿真，以期為該場(chǎng)所提供一種可靠的安全疏散方式，同時(shí)也為這類建筑的疏散性能設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 火災(zāi)場(chǎng)景

本文的研究對(duì)象共49層，建筑面積達(dá)23萬m2，建筑的第6－39層為寫字樓，第40－49層為酒店公寓。第九層的平面布局如圖1所示。圖中，黃色部分為疏散樓梯，樓梯兩側(cè)分布有兩臺(tái)消防電梯，四周為辦公室以及會(huì)議室。建筑首層高度10 m，設(shè)有高效的分流系統(tǒng)和3個(gè)出口。按照國(guó)標(biāo)規(guī)范，建筑的第10、22、34層設(shè)置為避難層。

2 FDS和Pathfinder模型的建立

圖1 第九層的平面布置圖Fig.1 Layout of ninth floor

PyroSim是美國(guó)Thunderhead engineering公司開發(fā)的火災(zāi)模擬 (FDS)前處理和后處理軟件，它最大的特點(diǎn)是能提供可邊編輯邊查看的三維圖形化處理功能［12］。根據(jù)實(shí)際的建筑尺寸、運(yùn)用 PyroSim，設(shè)置邊界條件、火源、燃燒材料。模型中，火災(zāi)熱釋放速率為1.5 MW，火災(zāi)增長(zhǎng)時(shí)間為160 s。火源位置設(shè)置在九樓儲(chǔ)物室某個(gè)屬性為Obstruction的桌子上。模型中各層人數(shù)見表1［13］。

表1 樓內(nèi)人員分布情況Table 1 Distribution of building staff

由于Pathfinder支持繪圖或自動(dòng)從進(jìn)口幾何生成導(dǎo)航網(wǎng)，可以直接導(dǎo)入FDS模型［14］。如圖2所示，將FDS導(dǎo)入Pathfinder，添加地板、門和相關(guān)人員，在pathfinder里設(shè)置人口密度以及類型，完成建模。

圖2 Pathfinder界面下的疏散模型Fig.2 Evacuation model in pathfinder

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 火災(zāi)模擬

研究表明，當(dāng)CO濃度在2500 mg/kg時(shí)，或溫度達(dá)到70℃時(shí)，或可見度小于10 m時(shí)，可認(rèn)為該處人員處于 “危險(xiǎn)狀況”［15］。P1(8.5 m，8.0 m，2.0 m)和P2(9.5 m，9.0 m，2.0 m)位置代表了燃燒房間門口的安全狀況，P3(21.0 m，27.5 m，2.0 m)位置代表了樓梯口和整個(gè)層的安全狀況。因此，下面重點(diǎn)討論Y=26.0 m處和Z=2.0 m處的CO濃度、溫度、和可見度。其場(chǎng)濃度和溫度、可見度，如圖3－6所示。

圖3 T=180.0 s時(shí)，Y=26.0 m處的CO濃度、溫度和可見度Fig.3 (a)CO concentration field，(b)Temperature field and(c)Visibility at Y=26.0 m when T=180.0 s

圖5 T=300.0 s時(shí)，Y=26.0 m處的CO濃度、溫度和可見度Fig.5 (a)CO concentration field，(b)Temperature field and(c)Visibility at Y=26.0 m when T=300.0 s

圖6 T=300.0 s時(shí)，Z=2.0 m處的CO濃度、溫度和可見度Fig.6 (a)CO concentration field，(b)Temperature field and(c)Visibility at Z=2.0 m when T=300.0 s

從CO濃度、溫度和可見度分析，可以得到疏散樓梯處和房間處的危險(xiǎn)來臨時(shí)刻，如表2所示。設(shè)，發(fā)現(xiàn)火災(zāi)的時(shí)刻為tb，火災(zāi)對(duì)人開始構(gòu)成危險(xiǎn)的時(shí)刻為th，人員可用安全疏散時(shí)間ASET=thtb［16－17］。九層人員可用安全疏散時(shí)間為 76 s。

表2 疏散樓梯和房間處危險(xiǎn)來臨時(shí)刻Table 2 Danger time at staircases and rooms

3.2 人員疏散行為

Pathfinder模型包括SFPE模式和指導(dǎo)模式。按1－9層的滿員人數(shù)進(jìn)行沒有疏散電梯和有疏散電梯情況下的逃生模擬。圖7顯示出沒有疏散電梯，且火災(zāi)發(fā)生98 s時(shí)3層及以下各層樓梯的疏散情境。此階段，樓梯處出現(xiàn)了明顯的擁堵情況，其通行能力在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)一直處于滿荷載狀態(tài)。而且，在不使用疏散電梯的情況下，2000人的全部從大樓疏散需要960 s。50 s時(shí)，3樓樓梯最先開始發(fā)生擁堵，隨后各層樓開始接連發(fā)生擁堵，100 s時(shí)樓梯全部擁堵。前100 s內(nèi)，平均疏散速率4.9人/s。100 s之后，平均疏散速率降為2.34人/s。這是因?yàn)?，在疏散的開始階段人員之間的距離較大，有利于提高疏散速度。

設(shè)定兩部疏散電梯只停火災(zāi)區(qū)域所在層和鄰近的下一層，在使用電梯的情況下，人員疏散情況如圖8－9所示。使用電梯后人員從大樓全部撤出的時(shí)間下降到了746 s。對(duì)比兩種情況下的疏散可知:50 s后，后者的疏散速率明顯比前者快。且后者的疏散速率以50 s為一周期發(fā)生一次波動(dòng)。這是因?yàn)楸M管疏散樓梯在50 s時(shí)開始發(fā)生擁堵，100 s左右全部擁堵，但并不影響使用電梯人員的疏散，且電梯往返周期大約為50 s。

圖7 T=98.0 s時(shí)，三樓樓梯的擁塞情況Fig.7 Congestion on the third floor of the stairs when T=98.0 s

圖8 T=60.0 s時(shí)，首層的人員疏散情況Fig.8 Evacuation of the first floor staff when T=60.0 s

使用疏散電梯和未使用疏散電梯時(shí)建筑內(nèi)滯留人數(shù)與時(shí)間的變化關(guān)系圖如圖10所示。圖中，疏散過程明顯分為開始階段和中間過程兩個(gè)階段。高層建筑中起決定性作用的是第二個(gè)階段。在中間過程階段，適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行誘導(dǎo)，避免人員擁堵或再次選擇移動(dòng)空間大而背離出口方向移動(dòng)，有利于提高疏散速度和人員的逃生。

圖9 第九層的人員疏散情況Fig.9 Evacuation of the ninth floor staff when

圖10 使用電梯疏散前、后滯留人數(shù)對(duì)比圖Fig.10 Stranded number contrast of whether to use the elevator

4 結(jié)論

FDS可以直接導(dǎo)入Pathfinder人員模擬器。在實(shí)例中，通過 FDS模擬高層建筑火災(zāi)，并結(jié)合Pathfinder進(jìn)行人員疏散模擬，能根據(jù)實(shí)際情況找出最佳疏散時(shí)間。從而可以較為科學(xué)地模擬建筑火災(zāi)中的人員疏散問題。通過研究，我們還發(fā)現(xiàn):

1)本例中，僅通過疏散樓梯來進(jìn)行人員疏散是不切實(shí)際的，極易造成意外事故?？紤]電梯作為狹小空間，在人員進(jìn)出的過程中，高溫有毒的煙氣很有可能通過縫隙蔓延進(jìn)電梯內(nèi)，對(duì)里面的人員造成傷害。消防疏散電梯應(yīng)僅停避險(xiǎn)層、底樓或臨近火災(zāi)區(qū)域的樓層。

2)高層建筑中，在人員可用的安全疏散時(shí)間內(nèi)，對(duì)人員逃生起決定作用的是中間過程階段。在中間過程階段，人員的移動(dòng)速度會(huì)因路徑選擇難度的加大而變得緩慢，若適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行誘導(dǎo)，或增加分流設(shè)施避免人員擁堵，將有利于提高疏散速度。

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