基于性能化評(píng)估的地下實(shí)驗(yàn)室防火方案研究

武建力，高 抗

中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056

1 項(xiàng)目概況

華中科技大學(xué)精密重力測(cè)量山洞實(shí)驗(yàn)室作為“精密重力測(cè)量國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施”的重要組成部分，是“十二五”期間國(guó)家優(yōu)先支持的16項(xiàng)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目之一。項(xiàng)目建成運(yùn)行后，可滿(mǎn)足我國(guó)地球科學(xué)、資源勘探、國(guó)家安全等對(duì)重力數(shù)據(jù)和重力基準(zhǔn)的戰(zhàn)略需求，為建設(shè)國(guó)家科技創(chuàng)新中心和創(chuàng)新體系奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

山洞實(shí)驗(yàn)室位于華中科技大學(xué)校園內(nèi)的喻家山下，總體呈“L”形布置，總長(zhǎng)525.5m，建筑面積為5943.71m2，實(shí)驗(yàn)室在隧道內(nèi)沿隧道流線(xiàn)并排布置，山洞實(shí)驗(yàn)室最大埋深91.3m，南側(cè)為直通室外的出入口，西側(cè)與既有山洞實(shí)驗(yàn)室銜接。

山洞實(shí)驗(yàn)室分隔為三個(gè)不同的功能區(qū)：中間為5m寬的潔凈實(shí)驗(yàn)室，右側(cè)為實(shí)驗(yàn)人員和設(shè)備日常進(jìn)出的走道，左側(cè)為火災(zāi)時(shí)安全疏散的避難走道。

2 防火設(shè)計(jì)方案研究

2.1 消防難點(diǎn)

整個(gè)山洞實(shí)驗(yàn)室呈“L”形長(zhǎng)條狀布置，且埋深較大，消防難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

（1）防火分區(qū)面積劃分沒(méi)有明確的依據(jù)。該項(xiàng)目總面積為5943.71m2，根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50016—2014）（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《防火規(guī)范》）要求一般地下建筑防火分區(qū)最大允許建筑面積為500m2，地下設(shè)備用房最大允許面積不大于1000m2，而對(duì)于地下?tīng)I(yíng)業(yè)廳、展覽廳的防火分區(qū)最大允許面積可不大于2000m2。華科山洞實(shí)驗(yàn)室內(nèi)主要物品為實(shí)驗(yàn)儀器、計(jì)算機(jī)、實(shí)驗(yàn)室臺(tái)，主要進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有易燃易爆危險(xiǎn)化學(xué)品。一般情況下實(shí)驗(yàn)室內(nèi)儀器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)均為自動(dòng)上傳，無(wú)須人工干預(yù)，只有要對(duì)儀器進(jìn)行安全檢查和維護(hù)等行為時(shí)，才會(huì)安排人員進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，因此實(shí)驗(yàn)室內(nèi)日常工作人員數(shù)量很少。綜合考慮以上因素，該工程分為3個(gè)防火分區(qū)，每個(gè)防火分區(qū)面積均不超過(guò)2000m2。

（2）直通室外安全出口設(shè)置條件有限，疏散距離長(zhǎng)。該項(xiàng)目左側(cè)沿山洞設(shè)置避難走道，避難走道一端能夠直通室外，另一端與既有山洞實(shí)驗(yàn)室連通。與高速公路隧道人行通道類(lèi)似，避難走道與設(shè)備走道通過(guò)防煙前室相連，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，實(shí)驗(yàn)室人員從設(shè)備走道穿過(guò)防煙前室進(jìn)入避難走道，疏散至室外或通過(guò)防煙樓梯間直通室外。根據(jù)《防火規(guī)范》要求，避難走道直通地面的出口不應(yīng)小于2個(gè)，并應(yīng)設(shè)置在不同方向；當(dāng)避難走道僅與一個(gè)防火分區(qū)相通且該防火分區(qū)至少有1個(gè)直通室外的安全出口時(shí)，可設(shè)置1個(gè)直通地面的出口，任一防火分區(qū)通向避難走道的門(mén)至該避難走道最近直通地面的出口的距離不應(yīng)大于60m。由于山洞實(shí)驗(yàn)室呈長(zhǎng)條狀布置，每個(gè)防火分區(qū)設(shè)置1個(gè)直通地面出口，不滿(mǎn)足距離不應(yīng)大于60m的要求。

2.2 方案研究

針對(duì)以上難點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)了三種方案進(jìn)行研究比較。

（1）方案一：5處豎井。此方案完全依照《防火規(guī)范》，滿(mǎn)足避難通道直通地面的出口的距離不應(yīng)大于60m的要求。此時(shí)避難走道上共需設(shè)置5部疏散樓梯，任意兩部疏散樓梯之間間距均不大于120m，山洞實(shí)驗(yàn)室設(shè)置5處豎井。山洞實(shí)驗(yàn)室是要求振動(dòng)、電磁干擾小，溫度恒定的場(chǎng)所。豎井設(shè)置過(guò)于密集，對(duì)山洞的溫度場(chǎng)、電磁場(chǎng)破壞嚴(yán)重，因此該方案可行性不大。

（2）方案二：1處豎井?？紤]到山洞實(shí)驗(yàn)室工作人員較少，人員單一，參照《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》（GB 51298—2018）中站臺(tái)任意一點(diǎn)至地面疏散時(shí)間不大于6min，在避難走道靠近既有山洞實(shí)驗(yàn)室附近設(shè)置一處豎井作為直通地面出口，此時(shí)山洞實(shí)驗(yàn)進(jìn)口和出口有兩處直通室外出口。華科山洞實(shí)驗(yàn)室全長(zhǎng)約525.5m，從最遠(yuǎn)點(diǎn)到安全出口的距離約262.75m，每股人流按0.55m計(jì)，避難走道1.2m滿(mǎn)足兩股人流通行，地下室每100人疏散寬度為1.0m，頻率為1步半/s（60～100m/min、4～5km/h），正常人每分鐘步行速度約1m/s，步距約60～75cm，在緊急逃生時(shí)，逃生速度=步行+小跑速度=1.5m/s，故疏散時(shí)間共為256s+26s=282s=4.7min＜6min，滿(mǎn)足疏散要求。此時(shí)，雖然滿(mǎn)足疏散時(shí)間的要求，但是第二防火分區(qū)沒(méi)有一個(gè)直通室外的出口，火災(zāi)情況下消防與救援人員不能及時(shí)進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，此方案可行性也不大。

（3）方案三：2處豎井。對(duì)方案一和方案二的防火設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化后，同時(shí)考慮通風(fēng)排煙需求，在洞身設(shè)置2處豎井。1#豎井作為通風(fēng)排煙豎井，2#豎井設(shè)置消防電梯，作為消防救援人員進(jìn)出通道?；馂?zāi)情況下，實(shí)驗(yàn)人員可通過(guò)避難走道從出入口直通室外，或者經(jīng)過(guò)聯(lián)絡(luò)通道逃至既有山洞實(shí)驗(yàn)室。

3 消防性能化評(píng)估

消防性能化評(píng)估是指根據(jù)項(xiàng)目的功能特點(diǎn)，以一定的消防安全目標(biāo)為要求，采用適用的計(jì)算分析工具和方法，基于綜合安全性能分析和評(píng)估后，最終確定防火設(shè)計(jì)方案的方法。

針對(duì)上述山洞實(shí)驗(yàn)室防火設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案，還需要采用煙氣模擬及人員疏散模擬的量化方法對(duì)提出的兩處豎井方案進(jìn)行評(píng)估，以驗(yàn)證方案的可行性。

此外，針對(duì)山洞實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)，消防性能化評(píng)估的首要消防安全目標(biāo)是人員安全，火災(zāi)時(shí)確保所有人員能夠安全疏散。為了實(shí)現(xiàn)人員安全疏散的評(píng)估，將通過(guò)煙氣流動(dòng)和人員疏散兩個(gè)方面的模擬，對(duì)比量化的人員安全疏散時(shí)間，最終判斷目標(biāo)是否實(shí)現(xiàn)，即從火災(zāi)發(fā)生到建筑物內(nèi)人員全部安全疏散完畢的時(shí)間小于火災(zāi)發(fā)展到人體耐受極限條件的時(shí)間，則人員的疏散過(guò)程是安全的。

3.1 火災(zāi)場(chǎng)景分析

（1）煙氣流動(dòng)模擬分析。該評(píng)估利用FDS軟件對(duì)火災(zāi)發(fā)展過(guò)程及煙氣控制過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，驗(yàn)證煙氣控制系統(tǒng)是否能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)。根據(jù)山洞實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖紙以及火災(zāi)場(chǎng)景的設(shè)置情況，建立第二防火分區(qū)FDS模型，如圖1所示。

圖1 第二防火分區(qū)FDS模型圖

針對(duì)上述設(shè)計(jì)的火災(zāi)場(chǎng)景，計(jì)算并分析確定各火災(zāi)場(chǎng)景的煙氣危險(xiǎn)來(lái)臨時(shí)間，根據(jù)煙氣模擬結(jié)果，在采取消防措施并且排煙有效的情況下，能夠?qū)煔饪刂圃诨馂?zāi)所在區(qū)域，達(dá)到控制煙氣的目的。

（2）人員安全疏散模擬分析。山洞實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)條件與高速公路山嶺隧道類(lèi)似，并且人員荷載較小，安全疏散設(shè)計(jì)參考雙孔隧道中采用人行橫通道方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。人行橫通道的間隔要能有效保證隧道內(nèi)的人員在較短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入人行橫通道。結(jié)合相關(guān)的火災(zāi)設(shè)計(jì)場(chǎng)景，該評(píng)估對(duì)應(yīng)設(shè)立了4個(gè)疏散場(chǎng)景對(duì)山洞實(shí)驗(yàn)室的疏散進(jìn)行了模擬。①疏散場(chǎng)景一：封堵21#實(shí)驗(yàn)室左側(cè)附近的安全出口，著火實(shí)驗(yàn)室內(nèi)無(wú)人員工作或參觀(guān)，對(duì)應(yīng)于火災(zāi)場(chǎng)景A。②疏散場(chǎng)景二：封堵21#實(shí)驗(yàn)室左側(cè)附近的安全出口，著火實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有人員工作或參觀(guān)該疏散場(chǎng)景對(duì)應(yīng)于火災(zāi)場(chǎng)景A。③疏散場(chǎng)景三：封堵激光測(cè)距實(shí)驗(yàn)室附近的安全出口，著火實(shí)驗(yàn)室內(nèi)無(wú)人員工作或參觀(guān)，景對(duì)應(yīng)于火災(zāi)場(chǎng)景B。④疏散場(chǎng)景四：封堵激光測(cè)距實(shí)驗(yàn)室附近的安全出口，著火實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有人員工作或參觀(guān)，對(duì)應(yīng)于火災(zāi)場(chǎng)景B。

3.2 評(píng)估結(jié)論

通過(guò)對(duì)設(shè)定的火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行模擬計(jì)算，并針對(duì)各火災(zāi)場(chǎng)景相應(yīng)設(shè)定的4個(gè)疏散場(chǎng)景人員的疏散過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算，可以得到危險(xiǎn)來(lái)臨時(shí)間TASET和必須疏散時(shí)間TRSET對(duì)比表。通過(guò)對(duì)比可以看出，除工況A00，即山洞實(shí)驗(yàn)室的滅火系統(tǒng)與排煙系統(tǒng)全部失效的情況下，人員疏散時(shí)間小于危險(xiǎn)來(lái)臨時(shí)間外，其他工況人員均能在可提供的安全疏散時(shí)間內(nèi)疏散完畢。

評(píng)估結(jié)果表明：在保障山洞實(shí)驗(yàn)室安全疏散設(shè)施、機(jī)械排煙系統(tǒng)、自動(dòng)滅火系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)等消防設(shè)施有效工作的情況下，火災(zāi)時(shí)山洞實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的煙氣能得到較好控制，人員能夠在危險(xiǎn)來(lái)臨前疏散到安全區(qū)域。該防火設(shè)計(jì)方案可以保障人員疏散安全，實(shí)現(xiàn)了設(shè)定的安全目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章通過(guò)對(duì)現(xiàn)有防火設(shè)計(jì)規(guī)程不完全適用的華中科技大學(xué)精密重力測(cè)量山洞實(shí)驗(yàn)室的防火設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較研究和性能化評(píng)估后，得到了可以滿(mǎn)足火災(zāi)情況下實(shí)驗(yàn)室安全運(yùn)行和人員安全疏散的防火設(shè)計(jì)方案，可為該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、審查、審批提供依據(jù)，也可為類(lèi)似工程的消防安全策略提供參考。