高校宿舍樓火災(zāi)及人員疏散數(shù)值研究

許 銳，原興霞，鄭瑩瑩，程 輝

(1.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院安全工程系，西安,710054；2.中國科學(xué)技術(shù)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

近年來，隨著部分高校招生規(guī)模的擴(kuò)大，高等學(xué)校教育資源不足的趨勢日益明顯。部分高校由于校舍建設(shè)較早，配套設(shè)施難以滿足現(xiàn)有的居住需要，消防設(shè)施存在不足，加之用電負(fù)荷的增加，加速了老舊線路絕緣老化。此外，為便于宿舍管理，閉鎖安全通道的現(xiàn)象普遍存在，高?；馂?zāi)隱患整體呈遞增趨勢，校園火災(zāi)頻繁發(fā)生[1-3]。

為了減少火災(zāi)事故的傷害，除了降低高?；馂?zāi)發(fā)生的概率，還必須提升火災(zāi)發(fā)生時(shí)的疏散效率，因此對(duì)高校宿舍樓的安全疏散研究尤為重要。現(xiàn)有研究以系統(tǒng)的安全疏散可利用時(shí)間(TASET)大于疏散完畢所需要的時(shí)間(TREST)作為系統(tǒng)安全疏散的判別標(biāo)準(zhǔn)；即認(rèn)為一個(gè)合格的建筑安全疏散系統(tǒng)必須保證建筑內(nèi)的所有人員在火災(zāi)危險(xiǎn)狀態(tài)到來之前能

夠疏散到安全地帶。因此判斷建筑的安全疏散系統(tǒng)是否符合要求，必須對(duì)其火災(zāi)形成、有害物質(zhì)擴(kuò)散以及疏散問題進(jìn)行研究。鑒于火災(zāi)過程的復(fù)雜性，建筑火災(zāi)研究方法主要以實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究為主。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)真實(shí)、直觀，但耗資大、周期長、重現(xiàn)性差，而且試驗(yàn)過程具有相當(dāng)?shù)奈ｋU(xiǎn)性；而數(shù)值模擬方法具有投資小、周期短、能夠再現(xiàn)典型的火災(zāi)現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)[4-9]，被廣泛采用。

本文針對(duì)某高校宿舍樓，運(yùn)用場模擬軟件FDS對(duì)不同樓層著火時(shí)的火災(zāi)場景進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了不同火災(zāi)場景下煙氣流動(dòng)、煙氣層高度、能見度、溫度隨時(shí)間變化的規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，通過Pathfinder計(jì)算疏散可用時(shí)間，進(jìn)而分析不同火災(zāi)場景下的疏散安全性。根據(jù)分析結(jié)果及安全疏散判據(jù)，針對(duì)疏散模擬中人員逃生困難的問題，提出了相應(yīng)的安全措施。

1 數(shù)值模型

1.1 幾何模型

本文選取某高校學(xué)生公寓樓為研究對(duì)象。該宿舍樓總建筑面積為2160 m2，建筑層數(shù)為6層，建筑總體尺寸為一個(gè)長58 m，寬14 m，高18 m的長方體，每層高為3 m。整個(gè)宿舍樓共有176個(gè)學(xué)生宿舍，每間宿舍居住6人，各層兩端位置各設(shè)有一間盥洗室。整棟建筑設(shè)有兩個(gè)樓梯間，樓梯出口正對(duì)宿舍樓大門，陽面宿舍設(shè)有陽臺(tái)，建筑布局整體較為對(duì)稱。

圖1 學(xué)生公寓樓模型圖Fig. 1 Student apartment model

本數(shù)值模型的設(shè)置如下：

(1)一旦產(chǎn)生煙氣，宿舍內(nèi)存在的床、桌子等構(gòu)件并不能阻礙其發(fā)展路線，所以在建模時(shí)不建立宿舍內(nèi)的物品。

(2)由于每間宿舍內(nèi)配置的窗戶均為推拉窗，這種窗構(gòu)造較為簡單且節(jié)省空間，但始終只有半幅窗戶能完全打開，且在關(guān)閉時(shí)氣密性較差。因而在本文的模擬中推拉窗只考慮窗尺寸的一半。走廊兩端以及樓梯間的窗戶均為平開窗，可以100%開啟，因而使用其實(shí)際尺寸進(jìn)行模擬。

(3)模型中宿舍樓的材質(zhì)均設(shè)為混凝土材質(zhì)。

1.2 火災(zāi)場景

為了研究不同火災(zāi)場景下煙氣在建筑物內(nèi)的擴(kuò)散趨勢，本文綜合考慮了火災(zāi)可能的規(guī)模、建筑空間布局，疏散出口的分布、以及居住人員數(shù)量與分布等因素，分別模擬了一層、三層、六層著火的工況，分別記為工況CASE1、CASE2、CASE3。火源按規(guī)范選

用非穩(wěn)態(tài)2 MW火源，火源形狀設(shè)置為1 m×1 m的正方形，火源位置見圖2。按照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/TS16733中的相關(guān)規(guī)定[10]，可以確定高校學(xué)生宿舍的火災(zāi)類型屬于快速火，由此確定火災(zāi)增長系數(shù)α= 0.0469 kW/s2。

圖2 火源點(diǎn)位置Fig. 2 Fire source location

1.3 探測設(shè)備布置

由于本文研究的是較大空間的熱塊火，所以主要測量的量為煙氣的溫度、能見度和煙氣層高度。探測器分別布置在各樓梯間和各樓層。一樓至六樓的樓梯間的能見度探測器分別記為V1～V6，溫度探測器分別記為T1～T6。在火源發(fā)生的樓層從西側(cè)樓梯間開始向火源處每隔6.5 m布置一個(gè)探測器，分別記為A、B、C、D點(diǎn)，其位置如圖2所示。

2 火災(zāi)模擬分析

2.1 煙氣分析

室內(nèi)火災(zāi)發(fā)生后，煙氣流動(dòng)一般呈現(xiàn)以下規(guī)律：在火源附近的大量的高溫?zé)煔怆S火羽流擴(kuò)散至屋頂，形成頂棚射流向周圍蔓延，由于室內(nèi)四周墻體的阻隔，煙氣層開始聚集，厚度不斷增大，但達(dá)到一定程度時(shí)，其中一小部分煙氣將穿過陽臺(tái)或窗戶向室外逸散；另外一大部分煙氣將通過宿舍門蔓延至中間走廊內(nèi)，并向走廊兩端擴(kuò)散，煙氣幾乎是同時(shí)進(jìn)入樓梯井，并都隨著煙囪效應(yīng)在頂層聚集后蔓延至頂層走廊內(nèi)。圖3為一樓著火工況不同時(shí)刻煙氣分布圖。

圖3 一樓著火不同時(shí)刻煙氣分布圖Fig. 3 Gas distribution of first floor at different times

由于煙氣向上蔓延的煙囪效應(yīng)，使得不同樓層發(fā)生火災(zāi)后的差異主要出現(xiàn)在火災(zāi)發(fā)生100 s后，即煙氣進(jìn)入樓梯井后的時(shí)段。這個(gè)時(shí)間點(diǎn)后，煙氣占據(jù)了火災(zāi)發(fā)生樓層，并在樓梯間蓄積，形成蓄煙池效應(yīng)，堵塞疏散通道，然后逐漸發(fā)展至上部的樓層空間，這對(duì)人員安全疏散極為不利。各層著火486 s時(shí)煙氣分布如圖4所示。

圖4 各層著火486 s時(shí)煙氣分布圖Fig. 4 Gas distribution of every floor in 486 s

由圖4可知，在486 s時(shí)，一層著火后煙氣基本已經(jīng)擴(kuò)散到整棟樓；三層著火時(shí)煙氣僅隨時(shí)間擴(kuò)散到三層以上，而一二層沒有煙氣的擴(kuò)散；而六層著火時(shí)煙氣隨時(shí)間擴(kuò)散，基本集中在第六層，并未向六層以下擴(kuò)散，一到五層幾乎未受影響。對(duì)比可知煙氣都是向高處蔓延，高處著火的話對(duì)底層的影響較小，故一層著火危險(xiǎn)性相對(duì)更大。

圖5為煙氣高度隨時(shí)間分布圖，圖中LA、LB、LC分別是著火樓層樓梯井1、著火房間門口處、樓梯井2的煙氣層高度探測器。

圖5 各層著火不同時(shí)刻煙氣高度圖Fig. 5 Layer height of every floor at different times

從圖5中可以看出LB點(diǎn)煙氣層高度基本都是從50 s左右開始下降，迅速下降到1.6 m，隨后在1.6 m高度處上下波動(dòng)，圖5三圖整體趨勢相同，圖5(a)上下波動(dòng)的幅度大于其他兩種情況，是由于一層有兩個(gè)大門，通風(fēng)面積大，空氣對(duì)煙氣的擾動(dòng)更大，所以導(dǎo)致煙氣高度幅度變化很大。

LA、LC處(樓梯口處)煙氣層高度隨著樓層的升高逐漸降低。可以看出CASE1中A、C煙氣層高度在2 m上下，CASE2在1.8 m左右，CASE3在1.6 m左右，其原因與圖4基本一致。由于煙氣是向上擴(kuò)散的，一層著火時(shí)，煙氣會(huì)擴(kuò)散到上層，所以在一層的煙氣層高度會(huì)高，而相對(duì)的，六層火災(zāi)時(shí)，煙氣全部聚集在六層相對(duì)封閉的空間，無法向下擴(kuò)散，所以煙氣層高度就更低。

圖5(b)、圖5(c)中，A、C的煙氣層高度幾乎是重疊的，這是因?yàn)榛鹪次恢梦挥谡麑拥闹虚g宿舍，大致對(duì)稱。但圖5(a)中A、C煙氣層高度有一些差距，是由于通風(fēng)面積的增加，擾動(dòng)增加，煙氣層和空氣接觸后煙氣層高度變化會(huì)更為明顯。

2.2 能見度分析

能見度是影響火災(zāi)逃生的重要因素，能見度越低，人員逃生難度將大大增加，存活率降低。圖6為各層著火時(shí)，各層樓梯口能見度隨時(shí)間的變化圖。

圖6 各層著火不同時(shí)刻西樓梯間能見度Fig. 6 Visibility of west stairwell at different times

由能見度的對(duì)比圖可知，越靠近著火樓層能見度被影響的程度越深，即越危險(xiǎn)，一層著火時(shí)危險(xiǎn)性相對(duì)較大。由于煙氣是影響能見度的最重要因素，所以能見度規(guī)律與圖5基本一致，原因也大致相同。

2.3 溫度分析

圖7為各層著火時(shí)，各樓層不同測點(diǎn)處溫度隨時(shí)間的變化圖，測點(diǎn)位置見圖2。

圖7 各層著火不同時(shí)刻溫度圖Fig. 7 Temperature of every floor at different times

由圖7可以看出，所有監(jiān)測點(diǎn)的溫度都隨著時(shí)間的增加而增加，但D點(diǎn)距火源最近，溫度上升幅度最大。A點(diǎn)距火源最遠(yuǎn)，溫度上升的最少?？梢钥闯?，越靠近起火源，溫度越高，越危險(xiǎn)。對(duì)比可知，圖7(b)、圖7(c)的各監(jiān)測點(diǎn)溫度高于同一位置圖7(a)的溫度，這是由于煙囪效應(yīng)，熱空氣向高處運(yùn)動(dòng)所造成的。

3 人員疏散分析

3.1 安全疏散判斷標(biāo)準(zhǔn)

在進(jìn)行疏散時(shí)，計(jì)算疏散過程所需的時(shí)間：

TRSET=TA+TR+k×TM

(1)

式中：TA為報(bào)警時(shí)間(單位：s)；TR為響應(yīng)時(shí)間(單位：s)；TM為疏散行走時(shí)間(單位：s)；k為安全系數(shù)。本文參考SFPE《消防工程手冊(cè)》，將人員的水平行走速度設(shè)為1.2 m/s，下樓速度設(shè)為0.6 m/s，報(bào)警時(shí)間為30 s。然而實(shí)際上建筑物發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于各種原因在人員疏散過程中多多少少會(huì)存在一些不確定性因素，如：人員的身體素質(zhì)、疏散引導(dǎo)標(biāo)志和人的反應(yīng)能力等都會(huì)對(duì)疏散行走時(shí)間產(chǎn)生影響?？紤]到以上諸多因素，行業(yè)內(nèi)在進(jìn)行消防疏散設(shè)計(jì)時(shí)，均補(bǔ)償一定的安全系數(shù)在模擬計(jì)算的疏散行走時(shí)間上。根據(jù)《防火工程手冊(cè)》的推薦，采用k=1.1的安全系數(shù)。

能否成功進(jìn)行安全疏散需確保：安全疏散的可利用時(shí)間TASET必須大于疏散完畢時(shí)間TREST，即：

TASET>TRSET

(2)

若上述公式成立，則表明人員能夠在火災(zāi)危險(xiǎn)狀態(tài)到達(dá)前疏散到安全位置，理論上認(rèn)為該建筑安全疏散系統(tǒng)達(dá)到要求；相反，就需要對(duì)消防措施進(jìn)行加強(qiáng)或改進(jìn)，延遲火災(zāi)危險(xiǎn)狀態(tài)的到來；或者通過采取一些措施如合理設(shè)計(jì)安全出口和疏散過程來加快人員的疏散過程，縮短安全疏散必需時(shí)間TREST。

3.2 人員疏散分析

PathFinder是一款優(yōu)秀的疏散分析軟件，通過建立疏散模型，模擬建筑物內(nèi)人員的疏散過程，可以計(jì)算出人員安全疏散的行走時(shí)間，并由此得出疏散完畢時(shí)間TRSET。本文的疏散分析分為兩種情況，正常情況(CASE1)：兩個(gè)疏散樓梯正常使用所花費(fèi)的時(shí)間，學(xué)生最終全部疏散完畢的模擬結(jié)果時(shí)間為486 s。特殊情況(CASE2)：高校中常見的宿舍樓男女混住工況，該工況假設(shè)三層以下樓層?xùn)|側(cè)皆為男生宿舍，為達(dá)到分隔男女生空間的目的，首先封閉一到三層走廊的中間門，隔斷了兩側(cè)人員流動(dòng)，其次封閉三層至四層的東側(cè)樓梯間，三層以上的女學(xué)生只能通過西側(cè)樓梯進(jìn)行逃生，學(xué)生最終全部疏散完畢的模擬結(jié)果時(shí)間為743 s，時(shí)間相比與正常情況下增長了將近一倍，危險(xiǎn)性大大增加。

一樓著火時(shí)的疏散結(jié)果如圖8所示，CASE2所需疏散時(shí)間大致為CASE1的兩倍。圖8中CASE2的斜率在166 s時(shí)開始明顯低于CASE 1。提取166 s 時(shí)CASE2實(shí)時(shí)疏散情況如圖9所示，由于三層以上的學(xué)生無法通過東側(cè)的樓梯疏散，基本開始全部堵塞在西側(cè)樓梯口處，疏散速度大大降低。所以高校中常見的男女生混住情況在防火安全上是不合理的。

圖8 疏散對(duì)比圖Fig. 8 Comparison diagram of evacuation

圖9 166 s CASE2疏散情況圖Fig. 9 Evacuation situation of case2 in 166 s

圖10 滯留人數(shù)和時(shí)間對(duì)比Fig. 10 Stranded crowd number with time

可用疏散時(shí)間TASET也叫允許疏散時(shí)間，是指在火災(zāi)危險(xiǎn)狀態(tài)來臨前，人員緊急疏散到安全場所可利用的時(shí)間。建筑火災(zāi)中通常用建筑物內(nèi)安全出口處及周圍區(qū)域的危險(xiǎn)有害因素對(duì)人員安全疏散產(chǎn)生影響所用的時(shí)間作為可用疏散時(shí)間TASET。本文采取火災(zāi)高溫?zé)煔庠诰嚯x地面2.0 m，建筑物火災(zāi)煙氣熱輻射60 ℃，能見度臨界值10 m，作為可用疏散時(shí)間TASET的判斷依據(jù)，人員逃生可用安全時(shí)間TASET為80 s。以正常宿舍情況(CASE1全女生居住工況)為例，在一、三、六樓分別著火時(shí)，在80 s內(nèi)，安全疏散的人數(shù)分別為317人、467人、928人。(應(yīng)該再加一個(gè)男女混住情況下80 s內(nèi)安全疏散的人數(shù))在實(shí)際宿舍樓男女混住工況(CASE2)下，在一、三、六樓分別著火時(shí)，在80 s內(nèi)，安全疏散的人數(shù)分別為197人、305人、602人。一樓著火情況下安全逃生的人數(shù)最少，六樓著火情況下安全逃生的人數(shù)最多，隨著發(fā)生火災(zāi)樓層的增高，逃生的人數(shù)增加。

4 安全措施分析

根據(jù)上述分析可知，當(dāng)前高校宿舍樓人員火災(zāi)安全疏散的形式仍然較為嚴(yán)峻。為避免火災(zāi)造成重大傷亡，需要采取可行的安全措施。

4.1 消防措施

以3.2節(jié)中正常宿舍情況(CASE1全女生居住工況)一樓著火工況為例進(jìn)行比較，無噴淋狀態(tài)下人員逃生可用安全時(shí)間TASET為80 s，安全疏散的人數(shù)為317人。而在火源正上方設(shè)置水噴淋的狀態(tài)下，人員逃生可用安全時(shí)間TASET為150 s?？捎冒踩由鷷r(shí)間提高了將近一倍，通過數(shù)值模擬分析得到有480個(gè)人逃生成功。

分析原因是由于水比熱容大，冷卻效果好，降低了熱釋放速率，導(dǎo)致熱煙氣的產(chǎn)生減少了。除此之外，熱煙氣的溫度由于水的冷卻作用而降低，煙氣的浮力減少，煙氣上升受到抑制。因此有必要在宿舍設(shè)置一些消防保護(hù)措施如水噴淋裝置、通風(fēng)系統(tǒng)等，降低火災(zāi)危險(xiǎn)。通過在適當(dāng)區(qū)域設(shè)置和增加水噴淋裝置，以控制煙氣層擴(kuò)散，阻止其向周圍蔓延，并降低煙氣溫度，減少高溫?zé)煔庾苽瑥亩黾尤藛T逃生幾率。根據(jù)高校宿舍給水及消防系統(tǒng)相關(guān)論文研究[11]，考慮符合“噴規(guī)”規(guī)定、工程造價(jià)、居室使用和美觀等問題，建議在每間宿舍的居室內(nèi)設(shè)置1只水平邊墻型擴(kuò)展覆蓋面噴頭，噴頭布置如圖11所示。

圖11 噴頭布置簡圖Fig. 11 Disposition of sprayers

4.2 管理措施

本文的數(shù)值模擬是以高校中最常見的六人間宿舍進(jìn)行的分析。宿舍過于擁擠，導(dǎo)致逃生時(shí)樓梯間堵塞較為嚴(yán)重，逃生時(shí)間緩慢。如果將宿舍改成五人間，同樣情況下該宿舍樓僅能入住880人，必需疏散時(shí)間僅需420 s。而如果每個(gè)宿舍為四人間，那么該宿舍樓將會(huì)有748人，必需疏散時(shí)間僅為368 s。隨著人數(shù)的減少，疏散時(shí)間隨之減少，相對(duì)地，安全性就隨之增加。可見高校有必要適當(dāng)提高宿舍管理水平，合理安排學(xué)生入住，提高防火安全水平。

4.3 建筑措施

從模擬過程來看，由于樓梯數(shù)量有限、寬度較窄，造成人員堵塞在樓梯間，大大降低了人員疏散的速度。本文計(jì)算了宿舍樓有三個(gè)疏散樓梯的工況，即中部增設(shè)一個(gè)樓梯(工況CASE4)，用數(shù)值模擬來量化建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)疏散結(jié)果的影響，如圖10所示。由圖10看出，新增一個(gè)樓梯可以明顯提高疏散效率，大大縮短了疏散時(shí)間，減少樓梯的疏散壓力。

5 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬手段對(duì)不同火災(zāi)場景下煙氣流動(dòng)、能見度、溫度隨時(shí)間變化的規(guī)律及其對(duì)人員安全疏散的影響展開了研究，得出了以下研究結(jié)論：

(1)本文進(jìn)行了典型高校宿舍樓火災(zāi)模擬，得到各樓層走廊和樓梯間的煙氣層高度、能見度、溫度分布規(guī)律。

(2)宿舍樓人員疏散較為集中，在室內(nèi)和走廊處的疏散速度較快，在樓梯間疏散過程較為緩慢，容易出現(xiàn)擁堵，人員火災(zāi)安全疏散的形勢較為嚴(yán)峻。

(3)通過對(duì)不同火災(zāi)場景的對(duì)比，將建筑火災(zāi)煙氣擴(kuò)散的過程與相應(yīng)的人員疏散過程的進(jìn)行綜合模擬分析，是一種有效實(shí)用的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，建議推廣使用。

(4)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，評(píng)估噴淋、宿舍人數(shù)控制、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化等安全措施的人員疏散效果，為建筑防火設(shè)計(jì)、消防改造措施和宿舍管理優(yōu)化等提供科學(xué)依據(jù)。

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