基于FDS的火災產(chǎn)物對人員疏散影響的研究

黃 凱，李雪微，徐 蕾

(大連民族大學 土木工程學院，遼寧 大連 116650)

火災在人類災害中發(fā)生頻繁，造成的后果嚴重。高校教學樓人口集中，學生安全意識薄弱，加上設施老化，一旦發(fā)生火災，不僅會造成巨大的經(jīng)濟損失，更會威脅學生生命安全。因此，對教學樓等人群密集建筑的防火和疏散一直是校園安全的重要問題。

國內(nèi)外已有諸多學者致力于火災疏散的研究。Choi S[1]等以社會力模型和微觀模擬技術，研究高層建筑疏散警報信息化水平和疏散效率的相互關系，結果顯示，住所位置越佳的人越能提前獲取疏散信息。Seungcheol Lee[2]等使用SIMULEX對高層建筑進行仿真模擬結合實驗測試，得出在樓梯間增加機械排煙系統(tǒng)有助于保護高層建筑疏散人員。Ahmed F[3-4]等對大型購物中心的火災場景和疏散方案進行分析，結果表明，煙霧的蔓延與建筑物及其內(nèi)部活動有關，走廊與樓梯在疏散過程中至關重要。楊雨婷[5]等對商業(yè)綜合體特定火災場景下的人員疏散進行數(shù)值模擬分析，根據(jù)分析結果結合現(xiàn)狀提出火災防控技術措施。王海蓉[6]等以商業(yè)中心為例，基于火災煙氣溫度、CO濃度等參數(shù)討論人員逃生行為，結果表明，增加消防樓梯并加以疏散引導有利于減少人員傷亡。大部分傳統(tǒng)的火災煙氣蔓延與人員疏散模擬研究沒有結合火災產(chǎn)物對疏散速度所造成的影響，火災模擬與人員疏散的動畫沒有同時展示，不能很好的反應疏散過程中火場煙氣等變化。

因此，本文利用火災數(shù)值模擬軟件Pyrosim和人員疏散模擬軟件Pathfinder對某教學樓樓一層全尺寸模型進行火災和疏散模擬，引入速度系數(shù)的概念，分析火災產(chǎn)物對疏散速度的影響，并將火災模擬結果與疏散結果耦合進行可視化展示，真實的還原火災疏散過程。以期為高?；馂娜藛T疏散提供一定的理論依據(jù)。

1 火災產(chǎn)物對疏散速度的影響

火災過程會釋放大量熱、煙氣，對火場中的人員心理和生理產(chǎn)生極大影響，阻礙人員疏散。本文選取火災過程中的溫度、CO、能見度作為影響人員疏散的主要因素。引入溫度影響系數(shù)f1(T)、CO濃度影響系數(shù)f2(ρ(co))、能見度影響系數(shù)f3(Kc)。[7]并將對疏散人員的影響轉(zhuǎn)換為對疏散速度的影響。用公式表示為：v=v0×f1(T)×f2(ρco)×f3(Kc)。其中，代表疏散速度v/ m·s-1；v0代表無火災正常步行速度v/(m·s-1)。

1.1 溫度影響分析

火災造成的高溫對人員疏散速度產(chǎn)生的影響每個階段不同。美國學者Mike[8]基于煙氣溫度于乘客行走速度的數(shù)據(jù)的研究上，得出了不同溫度范圍對疏散速度的影響系數(shù)計算公式為

(1)

式中：Ts表示火場溫度℃；T0表示室外常溫，本文取20 ℃；v0表示正常行走速度，本文取1.2 m·s-1；vmax表示最大行走速度，本文取5 m·s-1；Te1表示造成不適的溫度，本文取30 ℃；Te2表示造成傷害的溫度，本文取60 ℃；Td表示致死溫度，本文取120 ℃。當溫度大于120 ℃時，f1(T)為0[7]。

1.2 CO濃度影響分析

火災發(fā)生會產(chǎn)生大量有毒氣體，其中對人體威脅最大的是CO，Mike通過實驗獲取了不同CO濃度下的乘客速度數(shù)據(jù)，認為CO對人員疏散得影響主要體現(xiàn)在疏散速度上。朱書敏[9]在Mike研究的基礎上，給出相應的疏散速度影響公式為

(2)

式中：ρ為CO體積濃度，t為暴露時間。

1.3 能見度影響分析

火災發(fā)展會產(chǎn)生大量煙氣，使得疏散環(huán)境的能見度下降，阻礙人員疏散。煙氣濃度用減光系數(shù)Kc表示，煙氣濃度越大，Kc越大，能見度越低。本文參照的能見度與減光系數(shù)的關系如下：Kc=3/S,S表示能見度[10]；日本學者Jim和Yamada通過大量實驗得到減光系數(shù)與步行速度的關系[11]。根據(jù)朱書敏[9]的總結，將減光系數(shù)對疏散速度的影響系數(shù)計算公式為

(3)

式中，Kc為減光系數(shù)(1/m)。

2 安全疏散依據(jù)

2.1 疏散時間組成

發(fā)生火災時，建筑內(nèi)人員能否安全疏散，取決于必須安全疏散時間(REST)和可用安全疏散時間(ASET)。必須安全疏散時間(REST)指人員從火災開始到疏散到室外的時間，可用安全疏散時間(ASET)指火災開始到威脅人生命安全的時間[9]。安全疏散時間標準如圖1。

圖1 安全疏散時間標準

通常情況下火場內(nèi)人員疏散時間包括報警時間TA/s、響應時間TA/s以及行走時間TA/s，即

RSET=TA+TR+TM。

(4)

本文中報警時間取30 s，響應時間著火房間取30 s，其余房間均為120 s[12]。

2.2 危險判定條件

依據(jù)《中國成年人人體尺寸》(GB/T10000-1988)[13]采用人眼高度平均值1.6 m作為臨界高度，在出口距地面1.6 m處設置溫度、CO濃度、能見度探測器，達到以下任一條件即視為危險[14]：溫度>60℃,CO濃度大于0.1%;能見度<5 m。選取三個時間中最小數(shù)值作為本文的可用安全疏散時間(ASET)。

3 火災模型建立與分析

3.1 火災場景布置

使用火災數(shù)值模擬軟件Pyrosim建立某高校教學樓一層全尺寸模型。總長84.75 m，南北總長為32.7 m，層高3.6 m?；鹪次挥谀骋环块g內(nèi),火源面積為0.5 m×0. 5 m。共450 016個網(wǎng)格。依據(jù)美國消防協(xié)會標準NFPA 204M《Standard of Smoke and Heat Venting》中定義的4 種標準火災選取“快速火”進行計算，對應的火災增長系數(shù)為0.0469 kw·s-2，設定為t2火災增長模型[15]。根據(jù)《建筑防排煙技術規(guī)程》(DGJ08-88-2006)[16]，本次模擬設定為無噴淋自然排煙，選取6 MW作為計算火災規(guī)模，火災達到最大熱釋放速率時間為357 s[15]。模型布置圖如2，使用24組探測器將模型劃分為24個區(qū)域，每個區(qū)域距地1.6 m設值三個監(jiān)測器，分別監(jiān)測相應區(qū)域的溫度、CO體積濃度和能見度，同時在出口內(nèi)測1.6 m高度放置上述三種探測器，用于安全疏散時間(ASET)的計算。

按照最不利條件，本文工況為僅所有門開啟，窗戶關閉，該工況下又分為2個疏散場景，即不考慮火災產(chǎn)物影響與考慮火災產(chǎn)物影響。模擬時間為600 s。

圖2 模型布置圖

3.2 模擬結果分析

可用安全疏散時間(ASET)由出口監(jiān)測器監(jiān)測可得，根據(jù)圖3結合詳細數(shù)據(jù)分析可知在整個模擬過程中，出口處的溫度和CO濃度均保持在危險值以下，能見度于329 s降至5 m以下，已到達本文之前所設定的危險判定條件。因此，本文使用能見度到達危險值的時間作為可用安全疏散時間(ASET),即329 s。

圖3 出口處火災產(chǎn)物變化

4 疏散模型建立與分析

4.1 人員參數(shù)設定

根據(jù)SFPE建議，結合實際情況，本文模擬疏散對象設定為成年男性50%、成年女性50%[17]。根據(jù)根據(jù)《中國成年人人體尺寸》(GB/t10000-1988)[13]對上述兩類人群的身高和肩寬進行設置：成年男性:1.75 m×0.52 m；成年女性:1.65 m×0.42 m。兩者的初始速度分別為1.2 m·s-1和0.95m·s-1。相關研究表明，人員安全疏散的最大人流密度為S=3.57人/m2[18]。本文模擬對象為教育功能性建筑，一般人員密度0.7～1.0人/m2。[19]因此，本文模擬教學樓的實際情況，設置模擬人數(shù)為700人。

4.2 疏散場景設置

將Pyrosim模型導入疏散軟件Pathfinder并進行簡化得到人員疏散模型如圖4。將Pyrosim火災模擬得到的溫度、CO濃度和能見度數(shù)據(jù)經(jīng)Matlab數(shù)據(jù)處理得到速度系數(shù)導入Pathfinder中的區(qū)域速度修改器作為影響人員疏散的速度系數(shù)，以此來建立火災產(chǎn)物影響下的人員疏散模型。默認為初始值為1，即人員初始速度不受影響，在火災過程中，隨著火勢的發(fā)展，火災產(chǎn)物對人員造成影響轉(zhuǎn)變?yōu)閷θ藛T運動速度的影響，速度系數(shù)不斷減小直到變?yōu)?，此時人員失去行走能力。由火災模擬結果分析可知區(qū)域3與區(qū)域24受火災產(chǎn)物影響較大，人員疏散速度變化較明顯，因此文本以區(qū)域3和區(qū)域24為例進行分析，其他區(qū)域不做贅述。區(qū)域3與區(qū)域24部分時間速度系數(shù)值見表1和表2。

表1 區(qū)域3速度系數(shù)變化

表2 區(qū)域24速度系數(shù)變化

4.3 疏散模擬分析

2種場景下人員的疏散情況如圖5，由圖結合具體實驗數(shù)據(jù)可知，考慮火災產(chǎn)物影響條件下的人員疏散時間明顯大于不考慮火災產(chǎn)物影響條件下的人員疏散時間。而人員能否安全疏散取決于可用安全疏散時間(ASET)與必須安全疏散時間(RSET)的比值，為保障人員能夠安全疏散，就必須要RSET329 s，人員未能全部順利疏散。因此，在可用安全時間內(nèi)，考慮火災產(chǎn)物影響的人員疏散模擬出現(xiàn)了部分人員受困的情況，比不考慮安全疏散的時間多了38.7 s。

圖5 疏散結果曲線

火災產(chǎn)物影響的疏散情況圖如圖6。當不考慮火災產(chǎn)物影響下人員在318.8 s疏散完畢時，考慮火災產(chǎn)物影響下人員才疏散了666人，仍剩余34人；當?shù)竭_可用安全疏散時間ASET=329 s時，不考慮火災產(chǎn)物影響下人員全部疏散完畢，考慮火災產(chǎn)物影響下只成功疏散了676人，24人未能成功安全疏散。由上述結果可知，考慮火災產(chǎn)物影響下人員的疏散時間比傳統(tǒng)的疏散結果更貼近真實情況，火災產(chǎn)物對人員的疏散情況直接產(chǎn)生了影響。

a)T=318.8 s疏散結果 b)T=329 s疏散結果

區(qū)域3和區(qū)域4的速度系數(shù)變化圖如圖7。由圖7可以看出，整個火災模擬過程，區(qū)域3和區(qū)域24的CO速度系數(shù)均保持不變，都為1，表明CO對人員疏散不會造成影響；區(qū)域3由于是著火房間，能見度系數(shù)于132.6 s就降至0.25，與此同時，區(qū)域24作為離著火房間最近的走廊，能見度系數(shù)也于230 s降至0.25，結合圖7變化趨勢可知，在區(qū)域4和區(qū)域24總速度系數(shù)與降至0.25前的能見度速度系數(shù)變化大體一致；由2個區(qū)域的溫度系數(shù)變化可知，在火災初期，溫度對疏散人員有積極影響，能加快人員的疏散速度，但隨著火災的發(fā)展，溫度最先到達臨界點，著火房間的溫度系數(shù)降至0，此時，區(qū)域3的總速度系數(shù)為0，已不能進行疏散任務，區(qū)域24的疏散系數(shù)也在0～0.5之間徘徊，嚴重降低人員疏散速度。由此可知，區(qū)域3即著火房間內(nèi)人員應于238 s前完成從房間撤離，238 s后房間已不具備疏散功能，將會威脅屋內(nèi)人員生命安全；區(qū)域24即著火房間外的走廊260 s前走廊內(nèi)的人員疏散速度不會受火情影響太大，應及時疏散，260 s后將嚴重影響走廊內(nèi)人員的疏散速度，甚至威脅人身安全。

a)區(qū)域3速度系數(shù)

b)區(qū)域24速度系數(shù)

5 火災及疏散場景耦合的可視化展示

受技術條件限制，以往的疏散軟件只能單獨進行疏散模擬，不能結合火災，模擬結果不能顯示人員疏散過程中周圍的火場變化情況。隨著技術的不斷升級，可以利用Payrosim和Pathfinder實現(xiàn)在模擬人員疏散的同時觀察周圍的火災煙氣等火場變化情況。

本文將火災與疏散場景耦合，實現(xiàn)在三維壞境下查看火災發(fā)展與人員疏散結果，可視化展示火災情況下人員的疏散過程。省去了大量的數(shù)據(jù)處理，有助于救援人員的在線決策，極大的方便了救援工作。

為了更直觀的展示火災中的人員疏散情況，一樓模型進行設置為線框，整體展示火災煙氣蔓延下的人員疏散情況如圖8。同時，Pyrosim還支持繪制3D數(shù)據(jù)，火源動態(tài)效果和熱釋放速率3D數(shù)據(jù)展示如圖9。Pathfinder默認情況下會根據(jù)人員添加的先后順序給人員進行編號，在疏散結果中，可以任意選取一個人員視角進行第三人稱觀察。本文以“566號”疏散人員為例進行第三人稱視角的觀察，可以更真實的反應火災發(fā)生時，火場內(nèi)每一個人員的疏散情況如圖10。

圖8 火災煙氣與人員疏散同時展示

a)火源 b)熱釋放速率

圖10 “566”號人員疏散視角

6 結 論

本文對某教學樓一層全尺寸模型進行了火災模擬與人員疏模擬研究，引入速度系數(shù)概念，將火災產(chǎn)物對人員疏散的影響轉(zhuǎn)化為對人員疏散速度的影響，通過Pyrosim火災數(shù)值模擬分析得到的火災產(chǎn)物變化數(shù)據(jù)結合Pathfinder建立火災產(chǎn)物影響下的人員疏散模型，對比分析了700人疏散情況下兩種疏散場景的結果。結論如下:

(1)相比于以往的研究方法，將火災產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為對人員疏散速度影響的人員疏散模型所需疏散時間更長，在人員數(shù)量到達一定量的時候甚至會出現(xiàn)部分人員疏散失敗的情況，該方法更貼近真實火災場景中的人員疏散情況。

(2)在火災發(fā)生初期，溫度對人員疏散速度產(chǎn)生積極影響，稀釋了CO和能見度對人員疏散速度的消極影響，隨著火勢的發(fā)展，能見度系數(shù)最先開始降低，降至最低值后，人員疏散速度主要受溫度的影響。

(3)將火災模擬與人員疏散結果耦合進行可視化展示，真實的展現(xiàn)了火災過程中建筑內(nèi)人員的疏散情況，能更直觀協(xié)助工作人員熟悉火災場景下應該怎么樣開展疏散工作。