基于FDS+EVAC的某高校學生宿舍樓火災疏散能力研究*

王　麗 ，曾　堅，任常興

(1.天津大學 建筑學院，天津 300072; 2． 天津理工大學 環(huán)境科學與安全工程學院，天津 300384; 3.公安部天津消防研究所，天津 300381)

0　引言

高等院校一直是消防安全重點單位，其中大學生宿舍是廣大學生休息、生活、學習的綜合場所，學生一天中有近二分之一的時間在這里度過。但是，目前我國多數(shù)高校建校較早，建筑普遍存在設(shè)備老化問題，再加上宿舍可燃物多，火災荷載大[1]，所以極易導致火災事故。2008年5月5日，中央民族大學28號樓6層S0601女生宿舍發(fā)生火災，宿舍樓內(nèi)3 000余人被緊急疏散；2007年1月11日，東北師范大學研究生宿舍2舍一樓發(fā)生火災，樓上百余個寢室的500余名學生被迫疏散；2003年12月23日，東北大學4號女生宿舍219室突發(fā)大火，1 000多名女生凌晨被迫疏散轉(zhuǎn)移；2008年11月14日，上海商學院徐匯校區(qū)學生宿舍發(fā)生火災，4名女生從6樓宿舍陽臺跳樓逃生，當場死亡；2006年1月8日，菲律賓馬尼拉市北部大學區(qū)的一個學生宿舍樓凌晨發(fā)生火災，至少8人死亡，3人燒傷；2003年11月24日凌晨，位于莫斯科城區(qū)西南部的俄羅斯人民友誼大學6號學生宿舍樓發(fā)生火災，造成41名外國留學生死亡，近200人受傷，其中有中國留學生46人燒傷、11人死亡。宿舍內(nèi)起火原因類型多，學生私拉亂接電線、違規(guī)使用大功率電器、吸煙、節(jié)假日使用火柴蠟燭營造氛圍等，而且宿舍內(nèi)可燃物多，衣服、被褥、書本、窗簾甚至木質(zhì)的衣柜、床等都是可燃物，一旦發(fā)生火災，這些材料燃燒猛烈，燃燒時還會產(chǎn)生有毒氣體，給疏散和撲救工作帶來很大困難[2-3]。因此，研究高校宿舍樓火災事故下的安全疏散具有重要意義。本文選取某高校南區(qū)的一棟標準宿舍樓作為研究對象，根據(jù)實際情況，利用FDS+EVAC軟件建立幾何模型，設(shè)置火災場景及疏散相關(guān)參數(shù)，模擬宿舍發(fā)生火災時火災的發(fā)生發(fā)展過程，以及人員在火災情景下的疏散行為；對軟件模擬結(jié)果進行分析研究，得出可用安全疏散時間和必需安全疏散時間，將這2個時間進行對比判斷，分析評價該宿舍樓的安全性能；最后，根據(jù)研究結(jié)果，結(jié)合宿舍樓的實際情況，提出合理的整改措施。

1　人員安全疏散時間判據(jù)

火災發(fā)生過程與疏散過程是一個不可逆的過程，建筑物內(nèi)人員能否順利疏散，主要在于必需安全疏散時間(RSET)與可用安全疏散時間(ASET)的比對。必需安全疏散時間(RSET)指人員從開始疏散到疏散至室外的時間；可用安全疏散時間(ASET)指火災開始到人員的人身安全有危險的時間[4]，如圖1所示。

圖1　人員安全疏散時間判據(jù)Fig.1　Criterion to judge whether a person can evacuate safely

一個建筑物的安全性能是否合格，在于2個時間參數(shù)的比對，假如可用安全疏散時間大于必需安全疏散時間，則建筑物安全性較高，反之，則安全性較低。

2　某高校學生宿舍樓火災疏散模型的建立

2.1　FDS+EVAC 軟件介紹

FDS是由美國國家技術(shù)標準局(NIST)建筑火災研究室研究開發(fā)的場模擬軟件。軟件以計算流體動力學為理論依據(jù)，可以用于預測火災中的煙氣流動、火災溫度及有毒有害氣體濃度分布。FDS具有開放的程序體系結(jié)構(gòu)，良好的后處理能力，計算結(jié)果得到較多實驗的驗證，并且在火災安全工程領(lǐng)域得到廣泛應用[5]。EVAC是芬蘭技術(shù)研究中心(VTT)開發(fā)的基于連續(xù)空間模型的人員疏散模擬軟件。第一版本EVAC1.0，于2006年單獨發(fā)行；第二版本EVAC1.1集成在FDS5.0中，于2007年10月1日發(fā)行，故FDS5.0又稱為FDS+EVAC，相關(guān)模擬結(jié)果可以用FDS自帶的可視化軟件SmokeView進行動畫演示[6]。

本文利用FDS+EVAC軟件建立模型，其中用FDS建立火災模型，通過分析火災中危險因素的影響，計算出可用安全疏散時間；用EVAC建立疏散模型，分析結(jié)果，計算出必需安全疏散時間，利用2個數(shù)據(jù)，綜合判斷安全性能。

2.2　模型背景

本文選取某高校南區(qū)一典型宿舍樓為研究對象。該宿舍建筑面積為3 240 m2，高為18 m，共有6層，層高3 m，建筑物內(nèi)共有2個樓梯，樓梯口直接連接跟外界連通的2個大門出口，建筑物內(nèi)結(jié)構(gòu)較為對稱。除了一層有16個房間(包括1間門衛(wèi)室)，其他5層均有18個房間，每個房間居住4人。每個房間都設(shè)置為寬3 m，長8.5 m，高3 m，其中每個房間都有宿舍門、陽臺門各1個，門的寬均為1 m，高為1.9 m，另外每個房間都在靠陽臺一面設(shè)置有窗戶2個，每個窗戶寬均為0.5 m，高1.7 m。每個樓層的房間都通過1個主走廊連接，走廊寬3 m，在每層的2端都設(shè)有1個樓梯間，樓梯間的臺階寬設(shè)為1.5 m，樓梯間寬度為3 m。樓梯間設(shè)有平臺供停留休息使用，層層之間通過2個樓梯進行連接，相關(guān)建筑參數(shù)如表1所示。

表1　宿舍樓建筑參數(shù)

2.3　火災事故情景設(shè)計

根據(jù)實際情況，建筑物內(nèi)無自動噴淋設(shè)施，無機械排煙裝置。每個宿舍內(nèi)的布局、擁有的可燃物性質(zhì)都大致相同。根據(jù)最不利原則，在樓梯出口附近的宿舍內(nèi)設(shè)置著火源對人員疏散的影響較為顯著，因為建筑物左右對稱，將火源設(shè)置在一樓右側(cè)樓梯間旁邊的第1個房間。假定火災發(fā)生的原因是由于學生床上吸煙，未熄滅的煙頭點燃了被褥，火源大小為0.1 m2。可燃物的數(shù)量、規(guī)模及燃燒特性是決定火災發(fā)展及危害的主要參數(shù)，具體室內(nèi)材料的設(shè)置如表2所示[7-8]。

表2　室內(nèi)材料設(shè)置

另外，宿舍樓墻壁設(shè)為混凝土，地板設(shè)為瓷磚，2者均為不燃性材料。火災初期的火源熱釋放速率可按t2處理，根據(jù)王志剛的實驗測定[9]，被褥、窗簾等棉質(zhì)纖維熱釋放速率達到1 000 kW的時間為75 s，床、書桌、書柜等家具熱釋放速率達到1 000 kW的時間為600 s，宿舍火災的最大熱釋放速率取為1 800 kW，單位火源面積功率取259 kW/m2。參考《火災學簡明教程》[10]，設(shè)定火災場景的產(chǎn)煙率為0.01。

為了觀測人員疏散過程中不同高度、不同位置的火災影響，在起火房間、走廊、樓梯口設(shè)定檢測截面，用于輸出該處溫度、CO濃度及能見度等參數(shù)的變化趨勢，來分析走廊及樓梯處的火災環(huán)境，以判斷樓梯處是否能保證人員安全。

2.4　人員疏散情景設(shè)計

考慮最不利的情況，起火時宿舍樓內(nèi)所有同學都在房間，共106個房間，每個房間有4名同學，全部人員共計424名。該宿舍樓為男生宿舍，所有人員性別為男，年齡集中在16～24歲之間。疏散開始時，設(shè)定人員初始疏散速度為1.01 m/s[11]。

通過研究發(fā)現(xiàn)，1個人的疏散時間分為多個時間間隔，主要為火災報警時間(t1) 、預動作時間(t2) 和人員疏散運動時間(t3)[12]。

1)從起火到探測、報警這段時間稱為火災報警時間。假定高校宿舍樓房間內(nèi)安裝的火災報警器為點式感煙火災探測器，其位置設(shè)在吊頂天花，高度為3 m，火災探測器火災報警的時間為火災開始后 1 min[13]。

2)宿舍內(nèi)人員都是健康的青壯年，而且居住時間長，一般比較熟悉建筑物內(nèi)的構(gòu)造，同一個房間內(nèi)的人員發(fā)現(xiàn)火災后往往互相通知，但考慮到宿舍內(nèi)人員可能處于睡眠狀態(tài)，因此將每個房間人員的預動作時間設(shè)置為2 min。

3　基于FDS+Evac的某高校宿舍樓火災疏散性能分析

高校學生宿舍樓屬于人員密集的公共建筑，其安全疏散允許的時間為5 min[14]。

3.1　火災危害模擬結(jié)果

根據(jù)國家相關(guān)規(guī)定及參考資料[15]，確定火場中人員生命安全的判斷依據(jù)，如表3。

表3　生命安全的判定依據(jù)

將5 min作為火災疏散模型的模擬時間。運行FDS進行模擬可以得到宿舍樓內(nèi)溫度、CO濃度以及能見度隨時間的動態(tài)變化過程。分別如圖2，圖3和圖4所示。

圖2　不同時刻的溫度分布Fig.2　Temperature at different moments

圖3　不同時刻的CO濃度分布Fig.3　Concentration of CO at different moments

圖4　不同時刻的能見度分布Fig.4　Visibility at different moments

在設(shè)定場景下，30 s時，起火房間內(nèi)溫度都達到了極限60 ℃，此后不斷飆升，而其他區(qū)域溫度直到300 s時都沒有太大變化；14 s時，起火房間內(nèi)的一氧化碳體積分數(shù)就達到了安全極限5×10-4以上；100 s時，一氧化碳蔓延至了走廊；237 s時，走廊至距離著火房間最遠的出口處，一氧化碳的體積達到了5×10-4以上；20 s時，房間內(nèi)的能見度是10 m以下；300 s時，起火房間到出口處的能見度處于14 m以上。

在這個火災場景下，為了保證疏散人員的人身安全，依據(jù)有害因素的危險指標，14 s后，起火房間內(nèi)的人員都應該疏散到走廊中。分析模擬結(jié)果，除了起火房間外，其余空間的溫度不會有明顯的變化，能見度也不會超過危險限度，不會危及到除了起火房間外的其余疏散人員，而一氧化碳會逐漸擴散走廊到出口之間，2個出口的濃度均已超過危險限度，所以，在237 s后，人員都應該疏散到建筑物外，即可用安全疏散時間(ASET)為237 s。

3.2　人員疏散模擬結(jié)果

運行EVAC進行宿舍樓內(nèi)人員疏散動態(tài)模擬，過程如圖5所示。

圖5　人員疏散過程Fig.5　Simulated evacuation process

繪制宿舍樓內(nèi)人員數(shù)量隨時間的變化曲線圖，如圖6所示。

圖6　宿舍樓內(nèi)人員數(shù)量隨時間變化Fig.6　Variation of the number of personnel in the building

疏散的初始時刻為火災報警后，人員1 min后開始動作，人員的預動作時間為2 min；疏散開始后，逃生人員陸續(xù)從房間內(nèi)向外疏散，人員將根據(jù)對疏散通道的熟悉情況，選擇最近的疏散出口進行疏散。從圖5和圖6可以看到，人員在3 min左右開始疏散，很快人們就會聚集在樓梯間，在210 s時，開始有人員撤離出宿舍樓，但直到345 s時，所有人員才疏散完畢。圖6顯示，室內(nèi)的人數(shù)，從開始疏散到結(jié)束，呈現(xiàn)一個勻速減少的現(xiàn)象，這說明雖然在樓梯及出口位置有一定的擁擠現(xiàn)象，但是在模擬場景中，大學生排隊現(xiàn)象較好，沒有堵塞住出口以及通道。

3.3　模擬結(jié)果的驗證

將上述模擬結(jié)果與傳統(tǒng)的火災疏散過程Togawa模型計算結(jié)果進行對比分析，驗證模擬結(jié)果的準確性。Togawa模型[16]將人員在建筑物內(nèi)的疏散過程類比成水在管道內(nèi)的流動，把人員疏散運動時間分成2段來計算：第1段是距出口最近的人員疏散至出口的時間；第2段是人員以恒定流動系數(shù)通過出口疏散的時間。Togawa模型計算疏散時間的公式如式(1)所示：

(1)

式中：L為出口距離疏散隊首的距離，在該宿舍樓內(nèi)，人員距離出口的最短距離為L=2 m；v為人員疏散速度，取值為v=1.01 m/s；P為疏散總?cè)藬?shù)，P=424人；N為出口處的人員流動系數(shù)，根據(jù)文獻[17]，人員通過宿舍出口疏散的流動系數(shù)N=1.33人/(m·s)；B為出口的有效寬度，宿舍樓出口寬度B=2 m。

將上述數(shù)值代入式(1)，計算得到人員疏散運動時間t3=161.48 s。總的疏散時間(T)為火災報警時間(t1) 、預動作時間(t2) 和人員疏散運動時間(t3)之和，即：

T=t1+t2+t3=60 s+120 s +161.48 s=341.48 s

FDS+Evac模擬人員疏散時間為345 s，與Togawa模型計算疏散時間341.48 s相比較，相對誤差為1.06 %，比較吻合，用FDS+Evac模擬的結(jié)果得到驗證。

3.4　宿舍樓火災疏散安全性能分析

根據(jù)火災安全工程學要求，建筑物是否符合火災安全標準的條件在于2個時間參數(shù)的比對，如圖1所示。該宿舍樓模擬運算得到的ASET與RSET結(jié)果如表4。

表4　模擬結(jié)果

通過表4可以看出，宿舍樓ASET低于RSET，所以宿舍樓不符合安全標準，另外，根據(jù)GB 50016-2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》[14]，宿舍樓安全疏散允許時間為5 min(即300 s)，通過模擬計算得到的RSET為345 s，以此衡量該宿舍樓也不符合安全標準規(guī)范，所以必須采取合理有效措施增加可用安全疏散時間或降低必需安全疏散時間。

4　某高校學生宿舍樓火災疏散性能的提升研究

4.1　宿舍樓安全疏散水平改進方案的提出及對比分析

該宿舍樓建設(shè)年代久遠，建設(shè)標準低，居住密度大。根據(jù)GB 50016-2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》[14]，公共建筑安全出口的數(shù)量不應少于2個，安全出口總凈寬度，按其疏散人數(shù)每100人不少于1.00 m計算確定，該建筑物容納人數(shù)424人，2個出口寬度均為2 m，總凈寬度為4 m，安全出口總凈寬度不符合標準。因此，提出以下5種改進方案，用于提高宿舍的安全疏散水平。

1)方案1：增加左側(cè)出口寬度。該宿舍樓現(xiàn)有的2個出口寬度均為2 m，將一樓靠近左側(cè)出口的某房間進行改造，使該出口寬度拓寬為3 m。

2)方案2：增加右側(cè)出口寬度。將一樓靠近右側(cè)出口的某房間進行改造，使該出口寬度拓寬為3 m。

3)方案3：增加2側(cè)出口寬度。將宿舍樓一樓2個出口寬度均拓寬為3 m。

4)方案4：增設(shè)1個建筑物出口。該宿舍樓的現(xiàn)有2個出口均位于宿舍樓的南側(cè)，靠近東西2側(cè)樓梯，將宿舍樓一樓北側(cè)中間的房間與外界打通，作為宿舍樓的1個出口，供疏散逃生使用，此出口寬度即為房間寬度，3 m。

5)方案5：減少宿舍樓居住人數(shù)。將每個房間居住人數(shù)設(shè)定為3人，宿舍樓總?cè)藬?shù)為318人。

對上述5種方案，分別運行FDS+EVAC模擬，結(jié)果如表5所示。

表5　宿舍樓改進方案比較

通過表5可知，選擇任意1個方案進行改造，ASET變化不大，而必需安全疏散時間(RSET)都能夠得到明顯減低，且都控制在5 min以內(nèi)。但對于方案1和方案2 (單獨增加宿舍樓一側(cè)出口寬度)，ASET

4.2　建議

為了降低火災發(fā)生概率，減少火災引起的傷亡，盡可能保障宿舍樓內(nèi)所有人員的生命安全，根據(jù)研究結(jié)果，結(jié)合實際情況，提出以下4方面建議[18]：

1)對宿舍樓進行改造，增加建筑物出口凈寬度。增加2側(cè)出口寬度(將宿舍樓一樓2個出口寬度均拓寬為3 m)或增設(shè)1個出口(將宿舍樓一樓北側(cè)中間的房間與外界打通，增設(shè)1個寬度為3 m的宿舍樓出口，供疏散逃生使用)。

2)降低宿舍樓人員密度。將每個房間居住人數(shù)由原來的4人減為3人。

3)通過模擬可以看到，人員在樓梯上的疏散耗用了大量的寶貴時間，但考慮到拓寬樓梯可操作性較低，故建議加強平時的應急演練以及突發(fā)事故時的疏散引導，使學生做到樓梯上的快速有效疏散。

4)此外，宿舍樓的管理人員應當定期巡視宿舍樓，查找是否有學生不遵守學校紀律，私拉電線或在宿舍內(nèi)吸煙、使用大功率違規(guī)電器等現(xiàn)象，如發(fā)現(xiàn)，應立即整改，并對學生加強教育培訓，提高學生的防火意識，使同學們能夠熟練使用滅火器，掌握火災初期的撲救辦法，增強應急處置能力，盡可能將火災消滅在萌芽狀態(tài)，或者延緩火災的發(fā)展蔓延，增加可用安全疏散時間。

5　結(jié)論

1)將FDS+EVAC軟件應用于學生宿舍樓的火災疏散過程數(shù)值模擬和分析，得到火災情境下人員可用安全疏散時間(ASET)和必需安全疏散時間(RSET)，將ASET與RSET比較，可以得出宿舍樓是否符合火災安全疏散標準的結(jié)論，可為宿舍樓消防安全性能評估提供參考和借鑒。

2)針對未達到火災安全疏散標準的宿舍樓，可以從多個角度提出針對性改進策略，并對擬采取的方案進行FDS+EVAC模擬，對比分析結(jié)果，能夠?qū)Χ喾N方案進行優(yōu)化，從而為宿舍樓火災安全性能的提升提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

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