連體宿舍樓火災模擬與安全疏散研究*

李 琰 ，張 燕

(西安科技大學 管理學院，陜西 西安 710054)

0 引言

近年來，隨著全國各大城市“人才戰(zhàn)略”及“搶人戰(zhàn)略”措施實施，全國各大城市的人口密度越來越大，對高層住宅樓的需求越來越大，根據(jù)相關數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，2008—2018年，我國高層建筑火災事故高達3.1萬起，死亡474人，直接財產(chǎn)損失15.6億元。 2015—2018年，在住宅火災事故中，火災致死的比例逐年升高，僅在2016年的住宅火災事故中就有1 269人死亡，高達火災致死總數(shù)的80.21%，再加上不適當?shù)娜藛T疏散又會造成嚴重的二次傷害，比如踩踏傷亡事故，從而造成更大的損失和傷害[1]。在住宅樓中，有1類宿舍樓，特點是多棟樓之間設有連廊，稱為“連體宿舍樓”。這類宿舍樓的結(jié)構(gòu)比一般宿舍樓更為復雜，在發(fā)生火災時，往往會造成更大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此，對連體宿舍樓的火災疏散進行研究具有重要意義。

國內(nèi)外很多學者[2-4]運用數(shù)值仿真技術(shù)FDS和PyroSim對各類建筑物，比如：宿舍樓、隧道、火車站等進行了火災疏散仿真模擬，并取得了重要的研究成果。其中，Lui C H等[5]運用Simulex and FDS+Evac論證了三維生活空間的配置與疏散居民所需時間之間的關系，驗證了總疏散時間最短的最佳樓層和剖面形狀；Panindre Prabodh等[6]運用FDS研究了在高層建筑火災中正向風壓對火災的影響，得出部署PPV風扇以緩解熱量流動并降低主要有利位置處(樓梯間和公共走廊)的溫度；龍新峰等[7]運用PyroSim和Pathfinder對某大學宿舍樓進行火災和疏散模擬，對比分析“所有窗戶和門打開”與“著火房間窗戶關閉”時的煙氣蔓延特性，結(jié)果表明，在窗戶關閉的情況下，起火室溫度和熱流量遠高于開窗時，這對發(fā)生火災時門窗的關閉提供指導；Lei Wenjun等[8]研究表明，走廊和出口的平均最小寬度是影響寢室疏散的2個關鍵參數(shù)，并且運用FDS+Evac軟件對某高校某宿舍樓進行應急疏散仿真模擬，提出宿舍樓的最佳疏散樓道寬度為3 m，最佳出口寬度為2.5～3 m。

綜上所述，國內(nèi)外學者運用FDS和PyroSim對宿舍樓進行了仿真模擬研究，但大多數(shù)研究是針對單一的高層或者超高層建筑物，對設有連廊的復雜宿舍樓的研究相對較少，故本文應用PyroSim火災動力學模型，并結(jié)合疏散模擬軟件Pathfinder對高校復雜連體宿舍樓的火災應急疏散進行仿真模擬，以期為復雜連體宿舍樓的消防措施、建筑設計以及宿舍樓應急管理提供理論指導和科學依據(jù)。

1 建筑物描述

選取某高校連體樓作為研究對象進行模擬仿真，該樓體建設年代比較久遠，消防系統(tǒng)比較落后，無噴水滅火系統(tǒng)和防排煙設施，樓體由餐廳、超市、2棟宿舍樓和中間連廊構(gòu)成，總建筑面積為16 968 m2。其中，5號宿舍樓為男女生混住宿舍樓，1～3層居住為女生；4～12層居住為男生；3層和4層之間樓梯口被關閉；總面積約為10 368 m2；共12層，樓高36 m；在宿舍樓的2邊設有電梯及樓梯。6號樓1～3層為餐廳，其中在1層設有1個小超市；4～12層為女生宿舍；3層和4層之間是隔開狀態(tài)；6號樓建筑面積為6 480 m2；在宿舍樓2側(cè)設有樓梯，1側(cè)設有電梯。在5號樓和6號樓之間，從4層開始，每層設有1個5 m×2 m×3 m的連廊，但由于5號宿舍樓居住者主要是男生，6號宿舍樓居住者為女生，故每層的連廊都一直處于關閉狀態(tài)。

2 宿舍樓火災仿真模擬

2.1 參數(shù)設置

1)火災類型和火災規(guī)模。基于宿舍樓宿舍內(nèi)物質(zhì)可燃性大、易燃物品多等特點，選取“快速火”進行計算，具有2 MW的火災規(guī)模[9]。

2)模擬時間。根據(jù)疏散模擬的分析，在改進后的宿舍樓疏散狀態(tài)下，人員可以在1 000 s內(nèi)完成疏散，因此將火災模擬的疏散時間設置為1 000 s。

2.2 火災場景設置

考慮到該連體宿舍樓的復雜結(jié)構(gòu)特性以及樓內(nèi)的宿舍、超市和餐廳存在日常生活用品、紙制品和織物等大量可燃物，為了研究各樓體發(fā)生火災對其他樓體及整棟樓產(chǎn)生的影響，分別設置火災場景A、場景B和場景C。

1)火災場景A：火災發(fā)生在6號樓1層餐廳靠近右側(cè)安全出口位置處，自動噴淋設施和機械排煙設施均無效。

2)火災場景B：火災發(fā)生在4層連廊中間位置，自動噴淋設施和機械排煙設施均無效。

3)火災場景C：火災發(fā)生在5號宿舍樓1層右側(cè)樓梯口，自動噴淋設施和機械排煙設施均無效。

綜上所述，各火災場景情況統(tǒng)計如表1所示，各場景火源點和監(jiān)測點如圖1所示。

圖1中所顯示的為建筑物部分平面圖，左側(cè)為6號樓平面圖，中間為連廊平面圖，右側(cè)為5號樓部分平面圖。圖中方塊代表火源點，火源點中心點位置坐標如圖1

表1 火災場景設置情況統(tǒng)計Table 1 The statistics of fire scene setting

圖1 火源點和監(jiān)測點位置Fig.1 The location of fire source and monitoring point

所示；圖中圓點代表監(jiān)測點，在6號樓監(jiān)測點的水平位置如圖1所示，分別設置在高度為1層(記為6-1)、4層(6-4)、8層(6-8)和12(6-12)層位置處；連廊處監(jiān)測點設置在4層(Ⅱ-4)、8層(Ⅱ-8)和12層(Ⅱ-12)位置處；5號樓監(jiān)測點設置在1層(5-1)、4層(5-4)、8層(5-8)、12層(5-12)。

2.3 火災生命安全評判的標準

火災生命安全評判標準[10]主要包括煙氣層高度、煙氣層溫度、煙氣能見度等，可歸納如表2所示。

表2 火災生命安全評判標準Table 2 The assessment criteria of fire safety

2.4 火災模擬結(jié)果分析

2.4.1 煙氣擴散情況

3種場景在t=300 s時的煙氣擴散情況分別如圖2(a)，(b)，(c)所示。由圖2可以看出，當t=300 s時，6號樓和5號樓發(fā)生火災對其他部分的影響不大，而當連廊處發(fā)生火災時，煙氣快速地擴散到整個宿舍樓，降低整棟樓的疏散效率。

圖2 3種場景在t=300 s時的煙氣擴散情況Fig.2 The Scattering of smoke in three scenes at t=300s

2.4.2 煙氣層溫度

研究發(fā)現(xiàn)，3種火災場景下，除著火點外，煙氣層上下層溫度達到危險溫度時的時間均大于1 000 s，說明煙氣層溫度對火災疏散的影響不大。

2.4.3 煙氣層高度和能見度

各監(jiān)測點處，煙氣層高度和能見度達到危險點的時間分別如圖3(a)，(b)所示。

由圖3(a)可以看出，當6號樓發(fā)生火災時，6號樓煙氣層高度在300 s內(nèi)迅速降到2 m以下，而連廊處和5號樓煙氣層高度基本沒有變化；當5號樓發(fā)生火災時，煙氣層高度對連廊處和6號樓的影響也較?。欢斶B廊處發(fā)生火災時，5號樓和6號樓1層到8層均會在300 s內(nèi)降到2 m以下，會對整棟樓造成較大的影響。

由圖3(b)可以看出，5號樓、6號樓和連廊處發(fā)生火災時，能見度均會在較短的時間內(nèi)降到10 m以下，會對整個連體宿舍樓的所有人員疏散造成較大的影響。

圖3 3種場景下煙氣層高度和能見度變化規(guī)律Fig.3 The change of smoke height and visibility under three scenarios

通過以上對煙氣擴散、煙氣層溫度、煙氣層高度和能見度隨時間變化規(guī)律的研究，總結(jié)得出，對于連體樓，中間連廊發(fā)生火災對整棟樓造成的危害最大。

3 宿舍樓人員疏散仿真模擬

3.1 疏散參數(shù)設置

1)安全疏散時間。人員的安全疏散時間主要包括火災報警時間、人員疏散的預動時間和人員從開始疏散到達安全地點的行動時間，計算公式如式(1)所示。

RSET=talarm+tresp+taction

(1)

式中：talarm表示火災報警時間；tresp表示人員的疏散預動時間；taction表示人員疏散行動時間。

根據(jù)GB50116-98《火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》，本文將火災報警時間talarm設置為60 s；根據(jù)英國《BS DD240:1997,Fire Safety Engineering in Buildings》的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，本文將人員疏散預動時間設置為60 s。

2)疏散人數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場的調(diào)查走訪以及向宿舍樓管理人員的咨詢，得知5號和6號宿舍樓每間房間居住4人，2棟宿舍樓共居住2 844人，根據(jù)最不利原則，當時正是吃飯時間，餐廳人數(shù)較多，為300人，該復雜建筑物一共3 144人。

3.2 疏散場景設置

為研究該連體復雜建筑物當前實際的應急疏散性能，本文主要設計A，B，C 3種疏散狀態(tài)。

1)狀態(tài)A(當前實際狀態(tài))：由于6號宿舍樓居住者為女性，5號宿舍樓4～12層居住者為男性，所以2棟樓中間的連廊處于關閉狀態(tài)。

2)狀態(tài)B：重新安排居住人員，使2棟樓居住人員為同性，從而使2棟樓中間的連廊處于開啟狀態(tài)。

3)狀態(tài)C：在狀態(tài)B的基礎上，在5號和6號樓中間的2層和3層也設置連廊，并且在2層連廊設置備用的可移動式的懸掛式樓梯。

其中，狀態(tài)A和狀態(tài)B是為了驗證在復雜連體建筑物中連廊正常開啟的重要性；狀態(tài)C是為了驗證在較高的復雜建筑物中設置備用的可移動式的懸掛式樓梯的重要性。為研究復雜連體宿舍樓疏散和電梯疏散的效率，本文主要設計A1，A2，B1，B2，C1，C2 6種疏散場景，其中電梯的疏散順序為從高層到低層。各疏散場景情況統(tǒng)計如表3所示。

表3 疏散場景統(tǒng)計結(jié)果Table 3 The statistics of evacuation scene

3.3 疏散模擬結(jié)果分析

通過對比分析疏散狀態(tài)A，B，C中的疏散場景A1，B1和C1可知：連廊開啟與連廊關閉時相比，總疏散時間減少了438.5 s；而如果增加外掛樓梯，則總疏散時間減少了511.5 s；而進一步分析5號樓的疏散時間發(fā)現(xiàn)，當增加外掛樓梯時，5號樓的疏散時間反而增加，這是因為Pathfinder軟件設定人員選擇距離最近的出口進行疏散，而5號樓的大部分人員距離外掛樓體較遠，導致只有一少部分人選擇外掛樓梯進行疏散，由場景C1的疏散過程可知，疏散時間在206.7 s之后，懸掛式樓梯不再有人出現(xiàn)，如圖4所示。

圖4 場景C1疏散過程Fig.4 The evacuation process of Scence C1

通過對比分析疏散場景A1和A2，可以明顯看出，場景A1的總疏散時間比場景A2的總疏散時間多1 085.3s，6號樓疏散時間多了將近1 600 s，這說明：當使用電梯疏散時，大部分人員擁堵在電梯門口等待，而樓梯不能有效利用，時間主要浪費在擁堵和等待上，從而導致疏散時間增加，疏散效率降低，該擁堵現(xiàn)象如圖5所示。通過對比分析疏散場景B1和B2，C1和C2，也可以有效證明這一點。而全部使用樓梯疏散，盡管可以在很大程度上降低疏散時間，但是也會造成較大的擁堵，如圖6所示。

圖5 場景A1擁堵狀況Fig.5 The congestion situation of Scene A1

圖6 場景A2的擁堵狀況Fig.6 The congestion situation of Scene A2

4 結(jié)論

1)通過火災模擬分析可以發(fā)現(xiàn)，對于復雜連體宿舍樓，連廊的安全性能直接關系到整體的安全性能。因此，建議宿舍管理部門在加強各宿舍管理的同時，著重加強對連廊的消防管理，禁止堆放任何易燃可燃物品，消除一切火源，確保連廊的正常使用。

2)通過對應急疏散的仿真模擬，得出復雜連體宿舍樓不適合男女混住。為了提高疏散效率，建議2棟樓的居住人員全部為女生或者全部為男生，從而確保中間連廊的正常開啟以及建筑物3～4層之間的樓梯正常通行。

3)通過分析該建筑物結(jié)構(gòu)以及疏散過程仿真模擬可以發(fā)現(xiàn)，大部分人員會同時選擇樓梯或電梯進行疏散，進而造成擁堵，不利于疏散；同時，增加外掛樓梯可以減少總疏散時間，降低疏散效率，但由于外掛樓梯距離5號樓的大部分人員較遠，選擇外掛樓梯進行疏散的人員較少，導致疏散效率不高。因此，為了使人們合理的選擇疏散工具并使得外掛樓梯發(fā)揮最優(yōu)的作用，進而達到最優(yōu)的疏散效率，建議宿舍樓管理部門培訓專門的應急疏散人員，在發(fā)生火災等緊急事故時，根據(jù)各樓梯和電梯的擁堵和疏散狀況，引導逃生人員合理選擇正確的疏散工具，從而有效提高疏散效率。