教學(xué)樓火災(zāi)場景人員疏散仿真研究

楊裕明，沈斐敏，劉毅，羅凌燕

(1.福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，福建 福州 350116； 2.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州 350116)

教學(xué)樓火災(zāi)場景人員疏散仿真研究

楊裕明1，沈斐敏1，劉毅2，羅凌燕1

(1.福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，福建 福州 350116； 2.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州 350116)

基于性能化防火設(shè)計的研究思路，以A教學(xué)樓為例，討論了教學(xué)樓現(xiàn)有疏散設(shè)施是否符合火災(zāi)場景下人員疏散要求。運(yùn)用火災(zāi)模擬軟件PyroSim建立火災(zāi)模型，得出影響疏散的溫度、能見度、煙氣的運(yùn)動規(guī)律，選取最不利因素，確定可用安全疏散時間(ASET)。通過人員疏散軟件Pathfinder模擬人員疏散路徑，得出所需安全疏散時間(RSET)。研究結(jié)果表明，PyroSim與Pathfinder能有效的模擬火災(zāi)下人員疏散規(guī)律，A教學(xué)樓不能滿足疏散要求，并提出改進(jìn)方案以確保疏散安全。

教學(xué)樓； 性能化防火； 模擬； ASET； RSET

教學(xué)樓是高校人員最密集場所之一，在正常上課時間，公共教學(xué)樓內(nèi)每間教室里都達(dá)到滿員。每當(dāng)課間需要更換教室時，樓梯口就會出現(xiàn)“成拱”現(xiàn)象，在人流量未達(dá)到高峰的情況下需要5～10 min才能疏散完畢。一旦出現(xiàn)火災(zāi)，產(chǎn)生高溫、高煙氣濃度、低能見度等影響疏散的不利因素，樓內(nèi)師生必然會產(chǎn)生恐慌心理，會大大增加疏散時間，甚至造成“拱塌”，導(dǎo)致踩踏事件的發(fā)生，嚴(yán)重危害師生的生命安全。因此，進(jìn)行教學(xué)樓火災(zāi)場景人員疏散仿真研究具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

PyroSim與Pathfinder是兩款現(xiàn)階段比較成熟的數(shù)值仿真軟件，并在眾多工程實(shí)例中得到廣泛應(yīng)用[1-4]。如潘長城等人運(yùn)用FDS與Pathfinder軟件對學(xué)生食堂火災(zāi)與人員疏散進(jìn)行了研究，為學(xué)校食堂火災(zāi)疏散提供了理論依據(jù)[5]；王研運(yùn)用PyroSim對高校宿舍火災(zāi)數(shù)值進(jìn)行了仿真研究，分析了煙氣、溫度、能見度等因素對于逃生的影響，并根據(jù)分析給出合理的建議[6]；趙宇寧等人運(yùn)用Pathfinder對教學(xué)樓應(yīng)急疏散演練方案進(jìn)行了改進(jìn)研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)所有出口的利用率近乎相同的時候整個教學(xué)樓的疏散時間是最短的，所以在制定疏散方案的時候，應(yīng)該遵循所有出口利用率一致的規(guī)律[7]。但同時運(yùn)用PyroSim與Pathfinder對教學(xué)樓火災(zāi)場景人員疏散的仿真研究卻依然較少。研究中首先運(yùn)用PyroSim軟件分析教學(xué)樓中發(fā)生火災(zāi)時煙氣運(yùn)動規(guī)律，得出可用安全疏散時間(ASET)，再運(yùn)用Pathfinder軟件分析得出所需安全疏散時間(RSET)，對比得出A教學(xué)樓是否符合安全疏散要求，針對不符合要求的節(jié)點(diǎn)，分析原因并提出改進(jìn)方法。

1 軟件介紹

PyroSim是由美國Thunderhead公司開發(fā)的一款火災(zāi)模擬軟件，是一款圖形界面軟件，最大的特點(diǎn)就是界面友好，為用戶提供了三維圖形化操作界面?？勺远x墻壁、通道、通風(fēng)口、可燃物、燃燒特性等，可實(shí)現(xiàn)條件控制。PyroSim內(nèi)含的Smokeview可對其結(jié)果進(jìn)行三維立體化輸出，在PyroSim也可以實(shí)現(xiàn)對火災(zāi)過程中煙氣運(yùn)動、溫度、能見度等因素的監(jiān)控。

Pathfinder同樣也是由美國Thunderhead公司開發(fā)，是一款人員疏散軟件，支持標(biāo)準(zhǔn)CAD文件與Pyrosim輸入。在Pathfinder中包含SFPE與Steering兩種基本模式。在SFPE模式中，通過指定空間內(nèi)人群的密度以及出口的寬度決定行走速度和出口人流量，該模式下人們會自動選擇最近的出口進(jìn)行疏散，并根據(jù)人員的密度進(jìn)行速度的調(diào)整。這種模式下后期的疏散速度會因為人員集中在某個較近的出口而大幅增加疏散時間，與實(shí)際情況偏差較大[8]。Steering模式使用路徑規(guī)劃指導(dǎo)機(jī)制與碰撞處理相結(jié)合來控制人員的運(yùn)動，當(dāng)人員之間的距離或者到最近出口的路徑超過某一閥值時，就會自動生成新的路徑，以適應(yīng)當(dāng)前的環(huán)境，使得疏散過程更加符合實(shí)際[9-10]。

2 模型建立

2.1 模型結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建

該教學(xué)樓最大長度為79.5 m，最大寬度為18 m，最大高度為22.5 m，總面積約為1 132 m2。該教學(xué)樓共由4個出口組成，分別為1、2號走廊及1、2號樓梯出口。共由5層組成每層層高4.5 m。各層結(jié)構(gòu)一致，由5間房間(4間大教室及一間管理室)、兩條走廊通道、兩個樓梯間和衛(wèi)生間組成。因為該教學(xué)樓為不規(guī)則建筑，所以在構(gòu)建網(wǎng)格的時候，將其分為4個相互接觸的網(wǎng)格，分別為：網(wǎng)格1(01教室與1號走廊)，其長寬高為12 m×18 m×22.5 m；網(wǎng)格2(02、03、04、05教室、2號走廊與2號樓梯)，其長寬高為67.5 m×12 m×22.5 m；網(wǎng)格3(1號樓梯)，其長寬高為8.5 m×3.5 m×22.5 m；網(wǎng)格4(衛(wèi)生間)，其長寬高為8.5 m×4.5 m×22.5 m。綜合考慮減少運(yùn)算時間、保證網(wǎng)格有效連接、便于模型建立等因素，將最小網(wǎng)格確定為0.5 m×0.5 m×0.5 m。

該教學(xué)樓為非規(guī)則建筑，經(jīng)過合理簡化，教學(xué)樓三視圖及三維視圖如圖1所示(為了更好的表示教學(xué)樓的幾何形狀，三視圖與三維視圖均已隱藏外墻)。該教學(xué)樓的平面結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 教學(xué)樓三視圖與三維視圖Fig.1 Three views and 3D view of a school building

圖2 教學(xué)樓平面結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Plane structure of school building

2.2 火源位置的選擇

各層中01、03、04、05房間均為公共教室，公共教室中電氣線路簡單，可燃物主要為課桌，無書本堆積，不易起火，且面積較大，起火撲滅難度小。各層02房間中除102房間為電氣設(shè)備間，其余均為教師休息室，教室休息室中也僅有座椅，結(jié)構(gòu)簡單，不易起火，起火撲滅難度小。102電氣設(shè)備間中線路復(fù)雜，發(fā)生火災(zāi)可能性大，且一旦發(fā)生火災(zāi)容易蔓延，電氣火災(zāi)不能用水撲滅，撲滅難度相對較大。102房間位于出口2旁，發(fā)生火災(zāi)可能導(dǎo)致出口2封閉，影響疏散。為了最大程度模擬火災(zāi)發(fā)生后對人員疏散產(chǎn)生的影響，選取火災(zāi)后果最嚴(yán)重——位于出口2旁的電氣設(shè)備間為起火點(diǎn)。

2.3 狀態(tài)設(shè)置

電氣設(shè)備間門窗常態(tài)為關(guān)閉狀態(tài)，故初始狀態(tài)設(shè)為關(guān)閉。電氣設(shè)備間中設(shè)有點(diǎn)型定溫溫感火災(zāi)探測器，布置位置采用四周加中央的五點(diǎn)探測，當(dāng)探測溫度超過57 ℃時，總控室警報響起，并立即指派工作人員到現(xiàn)場確認(rèn)是否為誤報。若確認(rèn)火災(zāi)，即拉響警報，教學(xué)樓中人員開始疏散。這里設(shè)定火災(zāi)發(fā)生后t1s時刻傳感器探測到火災(zāi)，電氣設(shè)備間門從(t1+10)s時刻由關(guān)閉變?yōu)榇蜷_，10 s為檢測到火災(zāi)之后開門的延遲時間(工作人員確認(rèn)火災(zāi)真實(shí)情況的時間)；火災(zāi)警報也從(t1+10)s時刻響起(火災(zāi)確認(rèn)之后立刻拉響警報)。

2.4 參數(shù)選取

2.4.1 Pathfinder疏散軟件參數(shù)選取

因教學(xué)樓中的人群主要由18～25歲之間人員組成，根據(jù)《中國成年人人體尺寸》(GB1000-88)，18～25歲男性平均肩寬取42.7 cm，18～25歲女性平均肩寬取39.1 cm[11]。根據(jù)實(shí)驗顯示，男性學(xué)生群體人員疏散速度為1.35 m/s。女性學(xué)生群體人員疏散速度為1.15 m/s；人員密集場所在緊急狀態(tài)下，人員疏散速度會受到影響，此時男性學(xué)生的疏散速度為1.05 m/s，女性疏散速度為0.85 m/s。

模型中各區(qū)域人數(shù)按最大人數(shù)設(shè)置，各教室為120人，各教師休息室為兩人，各層走廊為5人，每層衛(wèi)生間為2人，共2 443人。

根據(jù)第1節(jié)中對Pathfinder中兩種疏散模式的對比，本次疏散選取Steering模式。

所需疏散時間為報警時間、疏散反應(yīng)時間、運(yùn)動時間三者之和。需要自定義的時間是疏散反應(yīng)時間，報警時間和運(yùn)動時間分別由Pyrosim和pathfinder中模擬所得。參考文獻(xiàn)[12]考慮到高校教室中裝備火災(zāi)自動報警系統(tǒng)，在火災(zāi)情況下有人員進(jìn)行疏散指導(dǎo)，教室中人員受教育程度相對較高，所以疏散反應(yīng)時間選取該文中時間較短的一次。本次模擬中人員開始疏散時間如表1。

表1 疏散反應(yīng)時間

Tab.1 Evacuation reaction time

時間段/s開始人數(shù)百分率/%0～10010～20620～302430～4010時間段/s開始人數(shù)百分率/%40～501650～602660～701270～806

2.4.2 Pyrosim火災(zāi)模擬軟件參數(shù)選取

模型幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定，依據(jù)2.1中的闡述，此處不贅述。教學(xué)樓中墻體和樓板分別為磚砌結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，不可燃；門窗表面類型均選擇OPEN，即自然通風(fēng)，無強(qiáng)制通風(fēng)設(shè)施；天花板為PVC材質(zhì)，可燃；電纜為絕緣材料包裹導(dǎo)線，一定溫度下可燃；課桌為木質(zhì)結(jié)構(gòu)，可燃；化纖類窗簾，可燃?；馂?zāi)的發(fā)展過程分為增長階段、穩(wěn)定燃燒階段、減弱階段，在疏散模擬階段，只經(jīng)歷前兩個階段。

綜上所述，根據(jù)可燃物的種類，查閱相關(guān)文獻(xiàn)[13-15]，老化PVC點(diǎn)燃溫度為282 ℃，考慮最不利情況，即設(shè)備間電纜在熱輻射作用下全部引燃。設(shè)備間有3個長5 m的配電箱，每個3層，每層電纜寬約0.2 m，加上進(jìn)出設(shè)備間電纜槽，寬0.2 m，長約5 m，總電纜面積為3×3×0.2×5+0.2×5=10 m2。熱釋放速率(HRR)采用分段平均法確定，即假定HRR在某個相對短的時間內(nèi)為定值?；馂?zāi)熱釋放速率表如表2所示，需要說明的有兩點(diǎn)：一是在《建筑中常見PVC材料的燃燒特性》中[13]，電纜的熱釋放速率隨時間變化曲線中的減弱階段是由于實(shí)驗試件有限，而縱觀已發(fā)生的火災(zāi)，在進(jìn)入穩(wěn)定燃燒階段并不會迅速進(jìn)入減弱階段，而是保持穩(wěn)定燃燒甚至引燃周圍可燃物，導(dǎo)致火勢增長。本次模擬設(shè)定火災(zāi)進(jìn)入穩(wěn)定燃燒階段之后一直保持恒定的熱釋放速率；二是假定初始有熱釋放速率為30 kW的火源，前50 s未點(diǎn)燃電纜，故熱釋放速率為30 kW，之后點(diǎn)燃電纜進(jìn)入火災(zāi)增長期，撤走火源，熱釋放速率各時段值見表2。本次模擬時間設(shè)定為800 s。

表2 火災(zāi)熱釋放速率表Tab.2 Heat release rate of fire

考慮到環(huán)境風(fēng)向?qū)δM結(jié)果有較大影響，結(jié)合氣象局相關(guān)數(shù)據(jù)，該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，受該地區(qū)地形和海洋氣候影響，全年盛行東南風(fēng)，全年各月平均風(fēng)力等級為二級輕風(fēng)(1.6～3.4 m/s)。所以，本次研究中環(huán)境風(fēng)向確定為東南風(fēng)，風(fēng)速取二級輕風(fēng)中間值2.5 m/s。該教學(xué)樓朝向為西南方向。

3 結(jié)果分析

3.1 PyroSim模擬結(jié)果分析(ASET獲得)

火災(zāi)中煙氣層高度、能見度、熱輻射溫度對疏散安全影響較大。根據(jù)事先設(shè)置的溫度探測器探測各點(diǎn)熱輻射溫度值，除了102房間門口和2號出口處，在開門后溫度上升至115 ℃以上，隨后穩(wěn)定在60 ℃左右，其余各層、各出口溫度都在40 ℃以下。考慮熱輻射溫度的影響，將102房間門口及2號出口處疏散通道由(t1+10)s時刻(模擬所得為65 s)變?yōu)榍袛酄顟B(tài)。

根據(jù)《建筑防火工程》中規(guī)定，安全疏散中對建筑物不熟悉的人群能見度應(yīng)達(dá)到13 m，對建筑熟悉的人群能見度要到達(dá)5 m[16]。教學(xué)樓結(jié)構(gòu)相對簡單，師生對教學(xué)樓結(jié)構(gòu)熟悉，根據(jù)模擬結(jié)果，能見度不會下降到5 m以下。因而對比煙氣層高度和能見度，前者的重要程度較大，所以重點(diǎn)分析煙氣層高度產(chǎn)生的影響。

考慮2號樓梯的“煙囪效應(yīng)”；1號走廊和2號走廊相交處一段距離內(nèi)有外墻，為相對密閉空間；相交處在疏散時人員密集程度大。綜合以上幾個原因，1層02房間門口為最不利測點(diǎn)，2層以上1號走廊與2號走廊相交處最不利測點(diǎn)，故選取以上兩處(見圖2中測點(diǎn))作為各層煙氣層高度的測點(diǎn)。各樓層煙氣層高度如圖3所示。

圖3 各樓層煙氣層高度Fig.3 Height of smoke of each storey

各層煙氣層高度隨時間的增加逐漸降低并趨于穩(wěn)定；除著火樓層之外，隨著樓層的增高，各層穩(wěn)定后的煙氣層高度逐漸降低。1層穩(wěn)定后的煙氣層高度在2.5 m左右，對疏散產(chǎn)生的影響不大；2層穩(wěn)定后的煙氣層高度在3.0 m左右，對疏散產(chǎn)生的影響不大；3層在403 s煙氣層高度第1次降至1.8 m以下，此后穩(wěn)定在1.6～2.0 m；4層在496 s煙氣層高度第1次降至1.8 m以下，此后穩(wěn)定在1.5m左右；5層在611 s煙氣層高度第1次降至1.8 m以下，此后穩(wěn)定在1.2 m左右。

綜合熱輻射溫度、煙氣層高度影響，各層ASET時間為：1層無要求，但從(t1+10)s時刻起(模擬所得為65 s)，102房間門口處和2號出口處疏散通道轉(zhuǎn)為切斷狀態(tài)；2層時間無要求；3層為403 s；4層為496 s；5層為611 s。

3.2 火場下疏散結(jié)果分析(RSET獲得)

RSET時間由報警時間、反應(yīng)時間、運(yùn)動時間構(gòu)成。其中報警時間由探測器探測時間與確認(rèn)火災(zāi)時間構(gòu)成，在Pyrosim中模擬得到電氣設(shè)備間中定溫溫感火災(zāi)探測器55 s時刻探測到溫度大于57 ℃，工作人員確認(rèn)火災(zāi)需要10 s，即報警時間為65 s。疏散反應(yīng)時間見表1，運(yùn)動時間由Pathfinder軟件模擬得到。最終各層ASET和RSET對比如表3所示。

表3 火場下ASET與RSET對比表

Tab.3 Comparison between ASET and RSET under fire scenario

樓層ASET/sRSET/s5611572.04496603.83403631.32無要求653.51102門口、2號出口處從65s斷開,其余無要求677.6

報警時間為65 s ，由2.3節(jié)中內(nèi)容可得，電氣設(shè)備間房門也從65 s時刻由關(guān)閉狀態(tài)變?yōu)榇蜷_狀態(tài)。開啟后，熱輻射會影響2號出口的疏散安全，所以2號出口從65 s時刻即為關(guān)閉狀態(tài)。在火場緊急情況下，人員因擁擠疏散速度變得更加緩慢，加上2號出口封閉，導(dǎo)致更多的人必須從1號出口疏散，總疏散時間為677.6 s?；饒鱿赂鲗尤藛T疏散結(jié)束時間節(jié)點(diǎn)示意圖如圖4所示。從5層到1層各層人員疏散結(jié)束時間為572.0,603.8,631.3,653.5,677.6 s。根據(jù)表3(火場下ASET與RSET對比表)對比分析，3層、4層不能按時間完成疏散，將會產(chǎn)生危險。

(a) 疏散過程

(b) 5層人員疏散結(jié)束時刻

(c) 4層人員疏散結(jié)束時刻

(d) 3層人員疏散結(jié)束時刻

(e) 2層人員疏散結(jié)束時刻

(f) 全部人員疏散結(jié)束時刻圖4 火場下模擬疏散示意圖Fig.4 Evacuation simulation under fire scenario

4 結(jié)論

(1)以A教學(xué)樓為例，借助Pyrosim軟件，從熱輻射溫度、能見度、煙氣層高度等方面對疏散的影響入手，確定了所需疏散時間(ASET)，并基于Pyrosim軟件的火災(zāi)模擬結(jié)果，利用Pathfinder軟件模擬了所需疏散時間(RSET)，探討了A教學(xué)樓現(xiàn)有疏散設(shè)施在火災(zāi)場景下是否滿足人員疏散要求，得出了A教學(xué)樓不滿足相應(yīng)疏散要求，應(yīng)作改進(jìn)。該思路可為研究其他教學(xué)樓現(xiàn)有疏散設(shè)施是否符合火災(zāi)場景下人員疏散要求提供借鑒意義。

(2)一樓的安全出口為4個，即使在火場情況下也能保證有3個疏散出口。而對于2層以上，只有兩個疏散樓梯。在緊急情況下，兩個疏散樓梯并不能滿足疏散需求，樓梯口易出現(xiàn)“成拱現(xiàn)象”。對于2樓以上的樓層應(yīng)該考慮增設(shè)疏散通道，考慮到增設(shè)樓梯的可行性不大，而往往高校中的教學(xué)樓并不止一棟，可以在設(shè)計時設(shè)計為教學(xué)樓群，在各教學(xué)樓之間每層架設(shè)天橋。這樣在發(fā)生火災(zāi)時2層以上的師生可以通過天橋轉(zhuǎn)移疏散到另一棟教學(xué)樓中，加快了疏散效率，并且也方便了師生平時在各教學(xué)樓中的走動。

(3)根據(jù)Pyrosim中模擬顯示，煙氣的蔓延原因是由于電氣設(shè)備房門打開?？梢栽诜績?nèi)設(shè)置噴CO2、惰性氣體裝置或是聯(lián)動干粉滅火器以及設(shè)置防爆窗、防爆門。根據(jù)視頻監(jiān)控判斷火情大小，若是火情很小，能夠迅速撲滅，可以打開房門，迅速撲滅火災(zāi)；若是火情已經(jīng)不可控制，切勿盲目開門，可以噴射CO2、惰性氣體除氧或是噴射干粉控制火情。

(4)本次模擬是基于師生對逃生通道都很了解的情況上進(jìn)行的，在實(shí)際中還存在一小部分師生對教室建筑結(jié)構(gòu)不夠了解，對逃生通道不熟的情況。學(xué)校應(yīng)該定時組織師生進(jìn)行應(yīng)急疏散演練。

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(特約編輯：黃家瑜)

Research on teaching building evacuation simulation under fire scenario

Yang Yuming1，Shen Feimin1，Liu Yi2，Luo Lingyan1

(1.College of Environment and Resources，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350116，China；2.College of Civil Engineering，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350116，China)

The fireproof condition of the existing evacuation facilities of a school building at certain university in Fuzhou under fire scenario was discussed in the perspective of performance-based fire-proof design. Fire dynamic simulation software PyroSim was used to formulate an evacuation model. The effects of temperature, visibility and the movement of fume (flue gas) on the evacuation were obtained. The most unfavourable factor was selected to determine available safe evacuation time (ASET). The evacuation path of the personnel was simulated via personnel evacuation software Pathfinder, and the required safe evacuation time (RSET) was determined. The results show that PyroSim and Pathfinder can effectively simulate personnel evacuation under fire scenario. The improvement scheme for the evacuation of the school building was proposed to ensure safe evacuation.

school building; performance-based fire-proof; simulation; available safe evacuation time (ASET); required safe evacuation time (RSET)

2016-08-30

楊裕明(1993- )，男，福建建寧人，碩士研究生，研究方向：安全技術(shù)與工程。

10.3969/j.issn.1672-4348.2016.06.013

X932

A

1672-4348(2016)06-0575-06