某商業(yè)綜合體室內(nèi)步行街火災(zāi)初期煙氣危險性數(shù)值模擬

宗周文，李建華

(武警學(xué)院 a.研究生隊； b.消防指揮系，河北 廊坊 065000)

某商業(yè)綜合體室內(nèi)步行街火災(zāi)初期煙氣危險性數(shù)值模擬

宗周文a，李建華b

(武警學(xué)院 a.研究生隊； b.消防指揮系，河北 廊坊 065000)

運(yùn)用PyroSim軟件，以某典型商業(yè)綜合體室內(nèi)步行街為對象建立模型，以一氧化碳濃度、煙氣層溫度、能見度、可用安全疏散時間為指標(biāo)，分別設(shè)定九組工況進(jìn)行煙氣危險性數(shù)值模擬。對比分析了三組最不利工況條件下火災(zāi)煙氣運(yùn)動及特性參數(shù)變化情況，在此基礎(chǔ)上分析得到火災(zāi)初期煙氣危險性主要表現(xiàn)為煙氣遮光性所帶來的能見度的迅速下降。

數(shù)值模擬；室內(nèi)步行街；煙氣危險性；火災(zāi)初期

0 引言

室內(nèi)步行街作為商業(yè)綜合體的標(biāo)志性建筑設(shè)計，起到連接各樓層、各區(qū)域，融合室內(nèi)室外空間的作用。從防滅火角度看，室內(nèi)步行街作為消防性能化設(shè)計中的“亞安全區(qū)”，既是人員疏散與逃生的主要通道，更是火災(zāi)發(fā)生后消防員深入內(nèi)部滅火救援的主要陣地。商業(yè)綜合體室內(nèi)步行街一旦發(fā)生火災(zāi)，滅火救援力量應(yīng)及時在火災(zāi)初期于步行街處展開行動。因此，深入分析商業(yè)綜合體室內(nèi)步行街火災(zāi)初期煙氣危險性，對于指導(dǎo)消防部隊制定火災(zāi)現(xiàn)場人員疏散與救助方案，控制火勢進(jìn)一步蔓延，最大限度減小火災(zāi)危害和損失具有十分重要的意義。

1 火災(zāi)場景模型設(shè)計

某商業(yè)綜合體室內(nèi)步行街共三層，總建筑面積為35 148.49 m2，其中一層12 511.19 m2，二層10 909.6 m2，三層11 727.7 m2。三個樓層(含兩側(cè)商鋪)作為一個防火分區(qū)，面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過《建筑設(shè)計防火規(guī)范》[1]對低多層防火分區(qū)建筑面積不超過5 000 m2的規(guī)定。步行街各層之間通過10個中庭上下貫通，其中8個矩形中庭，一個400 m2圓形中庭，一個600 m2橢圓形中庭。步行街模型及首層、二三層布局如圖1、圖2、圖3所示。步行街設(shè)有火災(zāi)自動報警系統(tǒng)、機(jī)械排煙及加壓送風(fēng)系統(tǒng)(商鋪內(nèi)和中庭頂部設(shè)機(jī)械排煙口)、自動噴水滅火系統(tǒng)、智能定位水炮等消防設(shè)施。步行街兩側(cè)為商鋪、餐飲和生活配套用房。

1.1 火災(zāi)模擬軟件

PyroSim[2]是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)研發(fā)的專門用于火災(zāi)動態(tài)仿真模擬的軟件。該軟件以計算流體動力學(xué)為理論依據(jù)，為火災(zāi)動態(tài)模擬提供了一個圖形用戶界面，可用來創(chuàng)建火災(zāi)模擬，仿真模擬預(yù)測火災(zāi)煙氣流動、火災(zāi)溫度和有毒有害氣體濃度分布。

圖1 某商業(yè)綜合體室內(nèi)步行街PyroSim模型

圖2 步行街首層示意圖

圖3 步行街二層、三層示意圖

1.2 火源位置設(shè)置

室內(nèi)商業(yè)步行街兩側(cè)商鋪的火災(zāi)荷載大，是容易發(fā)生火災(zāi)的地方；步行街內(nèi)的可燃物數(shù)量少，發(fā)生火災(zāi)的概率小，但發(fā)生火災(zāi)后容易影響兩側(cè)商鋪及人員通過步行街疏散的安全；三層相對于一層，煙氣溫度會更高。因此，確定火源位置時，需要考慮火災(zāi)發(fā)生在步行街內(nèi)、首層步行街兩側(cè)商鋪以及三層步行街兩側(cè)商鋪等不同位置。一般而言，把建筑發(fā)生火災(zāi)后的15 min作為火災(zāi)初期增長階段，對于商業(yè)綜合體這種大空間，火災(zāi)蔓延發(fā)展需要更多時間，為了更好地研究火災(zāi)初期煙氣危險性，本文模擬時間設(shè)定為1 200 s?；鹪次恢萌鐖D4所示，三層共有7個防煙樓梯間，分別編為1～7號，如圖5所示。

火源位置A：火源位于步行街首層右側(cè)橢圓形中庭，起火物或?qū)ο鬄椴叫薪謨?nèi)臨時布置的裝飾物、座椅或售貨亭，主要用于模擬室內(nèi)步行街中庭著火后煙氣蔓延情況。

圖4 火源位置示意圖

圖5 三層各安全出口位置

火源位置B：火源位于首層中間的安全出口附近精品店內(nèi)，店內(nèi)建筑面積大于300 m2，起火對象為服裝、貨架等，主要用于模擬在商鋪與步行街之間的防火分隔失效的情形下，沿主通道商鋪內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后煙氣蔓延可能威脅首層圓形中庭附近安全出口的人員疏散的情況。

火源位置C：位于三層右側(cè)橢圓形中庭附近餐飲店內(nèi)，起火對象為餐桌、桌椅和桌布等，主要用于模擬在餐飲店著火且防火分隔措施失效的情形下，火災(zāi)發(fā)生在步行街另一端時煙氣的蔓延可能會出現(xiàn)的與火源位置A或B不同的情況。

1.3 火災(zāi)場景設(shè)計

在設(shè)定三種不同的火源位置的基礎(chǔ)上，根據(jù)消防自動噴水滅火系統(tǒng)和機(jī)械排煙系統(tǒng)能否有效動作分為九組工況。根據(jù)公安部天津消防研究所做的服裝火災(zāi)試驗、美國NIST和加拿大NRC(National Research Council)做的桌椅火災(zāi)試驗的結(jié)果，保守地確定精品店、餐飲店、步行街發(fā)生火災(zāi)時為t2快速發(fā)展火，火災(zāi)增長系數(shù)α=0.046 89 kW·s-2。本模擬設(shè)計的火災(zāi)場景匯總見表1。

表1 火災(zāi)場景匯總

1.4 網(wǎng)格劃分

一般網(wǎng)格尺寸越小，計算精度越高，但網(wǎng)格尺寸過大或者過小均會引起較大的計算誤差。網(wǎng)格敏感性分析表明，網(wǎng)格尺寸的經(jīng)驗值為特征火焰直徑的1/4～1/16較為合適，應(yīng)用中可取1/8～1/12。綜合考慮時效性與滿足模擬計算精度的前提下，此次模擬設(shè)定的網(wǎng)格尺寸為0.5m×0.5m×0.5m。

1.5 煙氣危險性判據(jù)

1.5.1 煙氣層高度

火災(zāi)案例和試驗表明，煙氣的熱作用、毒性和遮光性是造成人員傷亡的主要因素，所以，本文擬從能見度、毒性氣體的濃度、煙氣層溫度三個方面分析室內(nèi)步行街火災(zāi)初期煙氣危險性。發(fā)生火災(zāi)后，只有當(dāng)煙氣層位于人群頭部以上一定高度，才能保證人員疏散時不受熱煙氣流輻射熱的直接威脅。因此，本文設(shè)定人員疏散過程中煙氣層應(yīng)該保持在距地面2.0m以上的位置。

1.5.2 能見度

能見度是衡量火場中人員能否自主疏散逃生的重要指標(biāo)。據(jù)不完全統(tǒng)計，火場能見度臨界值，從1.5m到13m都有人提出過。美國消防工程師協(xié)會(SFPE)《消防工程手冊》[3]建議的火場能見度臨界值為13m。澳大利亞《消防工程師指南》建議能見度臨界值為小空間5m、大空間10m。因為商業(yè)綜合體室內(nèi)步行街屬于大空間大跨度，所以本文能見度臨界值確定為10m。

1.5.3 一氧化碳濃度

一氧化碳濃度是反映人員在疏散過程中吸入有毒氣體而發(fā)生中毒程度的一個指標(biāo)。當(dāng)人體呼吸到一氧化碳后，一氧化碳會與人體內(nèi)的血紅蛋白相結(jié)合，消耗血液中的氧，生成對人體有害的化合物，危害人的生命。美國消防工程師協(xié)會(SFPE)《消防工程手冊》指出人在一氧化碳濃度為1 000ppm的環(huán)境中的極限安全時間為30min，而500ppm作為相對較低的濃度，在該濃度下可允許停留的時間較長。保守起見，本文采用300ppm作為一氧化碳濃度危險值判定指標(biāo)。

1.5.4 煙氣層溫度

火場中，當(dāng)煙氣層下降到距離地面2m以下高度時，煙氣的熱作用是主要危險因素。美國消防工程師協(xié)會(SFPE)《消防工程手冊》指出：人在不高于60 ℃煙氣層環(huán)境中，可以堅持約30min，若建筑內(nèi)部疏散距離較短，可以選擇較高的溫度值。由于商業(yè)綜合體內(nèi)部疏散距離較長，因此本文確定煙氣層溫度極限值為60 ℃。

綜上所述，本文設(shè)定人員疏散過程中煙氣層應(yīng)該保持在距地面2.0m以上的位置，確定的煙氣危險性指標(biāo)判據(jù)見表2。

表2 煙氣危險性指標(biāo)判據(jù)

2 數(shù)值模擬

2.1 模擬數(shù)據(jù)處理

該商業(yè)綜合體室內(nèi)步行街共三層，分布有精品店、餐飲、娛樂設(shè)施等，人流密度較大。一旦發(fā)生火災(zāi)，煙氣借助中庭、開口、豎井等迅速上升到三層然后沉降。模擬中，通過在三層各安全出口處設(shè)置測點，可以得到三層各安全出口處可用安全疏散時間tASET。本文著眼于分析最不利條件下(自動噴水滅火系統(tǒng)、機(jī)械排煙系統(tǒng)、兩側(cè)商鋪和步行街防火分隔均失效)室內(nèi)步行街火災(zāi)初期煙氣危險性，因此，分別選取三處不同火源位置，自動噴水滅火系統(tǒng)及機(jī)械排煙系統(tǒng)均失效條件下(A00工況、B00工況、C00工況)的煙氣運(yùn)動情況進(jìn)行對比分析。

2.1.1 煙氣發(fā)展蔓延

圖6～圖8分別截取了A00、B00、C00工況在300s和600s情況下的煙氣蔓延動態(tài)，對比了煙氣在不同火源位置條件下同一時間的蔓延變化情況。從圖中可以看到，大中庭是煙氣迅速向上層蔓延的主通道。

2.1.2 能見度變化

圖9～圖11分別截取了A00、B00、C00工況在三層距地面2m高度處300s和600s條件下煙氣能見度變化情況，對比了煙氣在不同火源位置條件下同一時間的能見度變化情況。從圖中可以看出，大中庭附近安全出口能見度下降較快。

圖6 火災(zāi)場景A00煙氣蔓延情況

圖7 火災(zāi)場景B00煙氣蔓延情況

2.2 模擬結(jié)果

2.2.1 可用安全疏散時間

圖8 火災(zāi)場景C00煙氣蔓延情況

圖9 火災(zāi)場景A00能見度變化情況

可用安全疏散時間即從火災(zāi)發(fā)生到火災(zāi)發(fā)展至威脅人員安全疏散時的時間間隔。在模擬時間1 200s內(nèi)，煙氣層溫度及毒性氣體濃度均保持在危險臨界值以下。因此，以能見度下降至臨界值10m所需時間作為三層各安全出口處可用安全疏散時間，見表3(表中數(shù)據(jù)來源于模擬)。

2.2.2 煙氣蔓延特點及規(guī)律

圖6～圖8分別為截取的火災(zāi)發(fā)生后三種工況在300s、600s時的煙氣蔓延情況。從圖中可以看出，首層一旦發(fā)生火災(zāi)，煙氣迅速沿中庭上升至三層頂棚，然后沿著步行街向另一端蔓延擴(kuò)散至整個步行街及兩側(cè)商鋪。

圖10 火災(zāi)場景B00能見度變化情況

圖11 火災(zāi)場景C00能見度變化情況

2.2.3 距地面2m高度處煙氣特性參數(shù)

圖12和圖13分別是A00工況、B00工況在三層距離地面2m高度處煙氣特性參數(shù)(CO濃度、溫度)變化情況。對于A00工況，三層測點3處煙氣特性參數(shù)數(shù)值較高，溫度最高值為63 ℃，CO濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于危險值；對于B00工況，三層測點7處煙氣特性參數(shù)數(shù)值較高，CO濃度最高值128ppm，溫度在1 200s內(nèi)均低于60 ℃。

2.3 結(jié)果對比

參照圖6～圖13，從煙氣發(fā)展蔓延、能見度變化、可用安全疏散時間、煙氣特性參數(shù)四個方面對模擬工況進(jìn)行對比，具體見表4和表5(表中數(shù)據(jù)來源于模擬)。

表3 三種工況下三層各安全出口tASET

圖12 A00工況三層各安全出口處CO濃度、溫度隨時間變化情況

3 結(jié)論

3.1 火災(zāi)初期(1 200s模擬時間內(nèi))，最易受到火災(zāi)煙氣威脅的是三層，室內(nèi)步行街中庭是煙氣橫縱蔓延的主要途徑，特別是大中庭設(shè)計在火災(zāi)條件下產(chǎn)生“煙囪效應(yīng)”，易加速煙氣的蔓延。

圖13 B00工況三層各安全出口處CO濃度、溫度隨時間變化情況

3.2 當(dāng)火源位置位于A，即右側(cè)橢圓形中庭處，三層距離火源最近的安全出口1、2、3最易受到威脅，可用疏散時間最短。當(dāng)火源位置位于B，即左側(cè)圓形中庭附近精品店時，安全出口5、6、7最易受到威脅。當(dāng)火源位置位于C，即三層餐飲店時，安全出口1、2、3最易受到威脅。

3.3 就火災(zāi)危險性而言，室內(nèi)步行街兩側(cè)精品店火災(zāi)危險性大于室內(nèi)步行街臨時設(shè)置的移動展臺、售貨亭的火災(zāi)危險性；就起火位置而言，同樣是在首層，若首層中庭部位發(fā)生火災(zāi)，將給煙氣上升蔓延帶來有利條件，特別是短時間內(nèi)就會迅速降低三層各安全出口處的能見度，給人員疏散帶來嚴(yán)重威脅。

3.4 商業(yè)綜合體室內(nèi)步行街屬于大跨度大空間，地上樓層由多個中庭貫通，一旦發(fā)生火災(zāi)，煙氣會迅速向頂棚蔓延，火災(zāi)初期(1 200s內(nèi))，在內(nèi)部固定設(shè)施不能有效動作條件下，煙氣危險性主要表現(xiàn)在煙氣遮光性所導(dǎo)致的能見度的迅速下降。當(dāng)能見度下降至臨界值(10m)以下時，會給室內(nèi)人員疏散帶來不便和心理上的極大恐慌，特別是在主要疏散出口出現(xiàn)人員擁擠，樓梯間上下人員出現(xiàn)對沖。同時，能見度下降至臨界值以下也給現(xiàn)場消防員進(jìn)入火場內(nèi)部進(jìn)行戰(zhàn)斗展開帶來極大困難：一是火情偵察困難，難以及時準(zhǔn)確定位火點；二是人員搜救困難，難以快速有效到達(dá)人員被困部位；三是撤退避險困難，容易出現(xiàn)內(nèi)攻人員迷失方向及被墜落物砸傷的情況。

[1]GB50016—2014,建筑設(shè)計防火規(guī)范[S].

[2] 呂淑然.火災(zāi)與逃生模擬仿真中文教程與工程應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2014.

[3] 美國消防工程師協(xié)會(SFPE).消防工程手冊[M].

(責(zé)任編輯 李 蕾)

The Numerical Simulation of the Initial Fire Smoke Hazards in the Complex Commercial Indoor Pedestrian Streets

ZONG Zhouwena, LI Jianhuab

(a.TeamofGraduateStudent;b.DepartmentofFireCommanding,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

The paper uses the PyroSim software to model and simulates the smoke diffusion under fires in complex commercial indoor pedestrian streets. By setting nine different diffusion conditions and by using evaluation indexes of carbon monoxide, smoke layer temperature, visibility, available safety evacuation time, the fire smoke hazards in the early period of fire were evaluated. The smoke diffusion and characteristic parameters about three most unfavorable working conditions were analyzed. The simulation results indicate that the rapid decline of visibility because the smoke light-blocking is the main hazard in the early period of fire.

numerical simulation; indoor pedestrian street; smoke hazards; initial fire

表4 A00工況和C00工況對比分析

表5 A00工況和B00工況對比分析

2015-10-29

宗周文(1991— )，男，江蘇江都人，武警學(xué)院消防指揮學(xué)專業(yè)在讀碩士研究生； 李建華(1958— )，男，江西南昌人，教授。

D631.6

A

1008-2077(2015)12-0058-07

●消防安全評價