考慮人員傷亡的高校宿舍火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法研究*

于洪霞，張英華，秦挺鑫，王晶晶，張 益，高玉坤

(1.北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.北京科技大學(xué) 礦山避險(xiǎn)技術(shù)研究中心，北京 100083；3.中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100191；4.北京城市系統(tǒng)工程研究中心，北京 100044)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，建筑物數(shù)量和人口密度不斷增長，往往隨之而來的是火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)不斷增大，給人民生命和財(cái)產(chǎn)造成一定威脅。高校宿舍樓作為高校不可或缺的建筑，建立時(shí)間普遍較早，存在電氣線路老化、部分消防設(shè)施缺失和消防通道狹窄等火災(zāi)安全隱患。同時(shí)，宿舍樓是學(xué)生學(xué)習(xí)生活的最主要場(chǎng)所，一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢(shì)增長速度較快，又因宿舍樓內(nèi)學(xué)生數(shù)量較多，在進(jìn)行火災(zāi)疏散時(shí)易發(fā)生擁擠，不僅影響疏散速度，還可能造成踩踏等二次事故。宿舍樓火災(zāi)發(fā)生可能性較高，且火災(zāi)發(fā)生后可能造成大量人員傷亡。因此，高校應(yīng)該建立科學(xué)的宿舍樓火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)機(jī)制，以遏制火災(zāi)事故的發(fā)生，降低火災(zāi)事故損失。

部分學(xué)者針對(duì)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估開展研究：范維澄[1]采用火災(zāi)雙重性理論構(gòu)建火災(zāi)評(píng)估體系；易立新[2]采用事故樹分析法，結(jié)合隨機(jī)過程的馬爾克夫模型，建立火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)動(dòng)態(tài)模型；杜紅兵等[3]采用模糊數(shù)學(xué)原理，借助系統(tǒng)工程的模糊綜合評(píng)價(jià)法，對(duì)高層建筑的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。

綜上，我國火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)仍集中在定性和半定量分析。據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，我國近年來核心期刊綜述和定性分析占37.8%，半定量占61%，定量分析只占1.2%[4]，但定性和半定量分析結(jié)論存在較大主觀性，缺乏定量化數(shù)據(jù)支撐，導(dǎo)致結(jié)論不具有說服力。因此，本文通過構(gòu)建建筑火災(zāi)傷亡人數(shù)函數(shù)模型，得到不同火災(zāi)場(chǎng)景下的傷亡人數(shù)，對(duì)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的進(jìn)一步完善具有參考借鑒意義。

1 ASET概率密度函數(shù)模型構(gòu)建

1.1 ASET的不確定性分析

ASET的大小不僅由火災(zāi)位置、火災(zāi)增長模型和熱釋放速度等火災(zāi)因素決定，還受建筑內(nèi)消防系統(tǒng)的影響。例如由于可燃物的不確定性，建筑內(nèi)火災(zāi)增長系數(shù)是1個(gè)隨對(duì)數(shù)正態(tài)分布的隨機(jī)變量[5]。此外，還有許多其他不確定因素，如煙霧報(bào)警器的報(bào)警時(shí)間、機(jī)械排煙風(fēng)扇的啟動(dòng)時(shí)間和噴淋系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間等，這些因素都可能影響建筑火災(zāi)臨界時(shí)間。因此，可以通過概率分布描述ASET以表示其不確定性。

1.2 ASET概率密度函數(shù)簡化

從文獻(xiàn)[6]得出ASET的概率密度函數(shù)呈正態(tài)分布，但正態(tài)分布的函數(shù)需要確定多種參數(shù)，要想通過擬合函數(shù)曲線得到函數(shù)表達(dá)式需經(jīng)過大量計(jì)算或模擬。將ASET的概率密度函數(shù)簡化為三角分布模型，可通過確定概率密度函數(shù)的最小值、最大值和最可能值建立ASET概率密度函模型。ASET三角分布的概率密度函數(shù)如式(1)所示：

(1)

式中：t為火災(zāi)發(fā)生時(shí)間，s；a為達(dá)到火災(zāi)臨界狀態(tài)的最短時(shí)間，即達(dá)到ASET的最短時(shí)間，s；b為達(dá)到ASET的最長時(shí)間，s；c為達(dá)到ASET時(shí)，可能性最大的時(shí)間，s。

根據(jù)式(1)可得，ASET概率密度函數(shù)的確定應(yīng)獲得在對(duì)應(yīng)火災(zāi)場(chǎng)景下ASET的最小值a、最大值b及最可能值c。

2 宿舍樓火災(zāi)仿真模擬

2.1 宿舍樓描述及模型建立

某高校宿舍樓平面呈L型，東西長72 m，南北長92 m，走廊寬度2.8 m。該宿舍樓共有12層，每層有41間宿舍，宿舍長寬高為6 m×3.5 m×3.2 m，宿舍門的尺寸為1 m×2.1 m，宿舍樓平面示意如圖1所示。R是宿舍樓每層的排煙前室；D表示宿舍樓的防火門；S1、S2和S3分別代表宿舍樓內(nèi)的3個(gè)防煙樓梯間；V1和V2分別代表了宿舍樓每層的2個(gè)排煙口。宿舍樓每層布局基本相同，每層均為1個(gè)獨(dú)立的防火分區(qū)，宿舍樓的防煙樓梯間內(nèi)無可燃物，所以只對(duì)宿舍樓的某1層展開研究。

圖1 宿舍樓平面示意Fig.1 Schematic diagram of dormitory building plan

利用FDS前處理軟件PyroSim 2016軟件對(duì)宿舍樓樓層平面進(jìn)行3D物理建模，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)和區(qū)域劃分。計(jì)算空間均勻劃分為0.5 m×0.5 m×0.5 m的網(wǎng)格，共127 680個(gè)，宿舍樓層平面PyroSim模型如圖2所示。

圖2 宿舍樓層平面PyroSim模型Fig.2 PyroSim model of dormitory building floor plan

2.2 參數(shù)設(shè)定

1)火災(zāi)模型和火災(zāi)規(guī)模?；馂?zāi)的發(fā)展是1個(gè)不斷加速的過程，選擇t2火災(zāi)模型[7]；火災(zāi)增長系數(shù)的最小值、最大值和最可能值分別為0.027，0.101，0.046 89 kW/s2[8-9]；根據(jù)建筑火災(zāi)熱釋放速率標(biāo)準(zhǔn)[10]，模擬的最大熱釋放速率取6 MW。

2)模擬時(shí)間。根據(jù)疏散模擬分析，宿舍樓內(nèi)人員在600 s內(nèi)一定能夠完成每層的疏散，因此將火災(zāi)模擬時(shí)間設(shè)定為600 s。

2.3 火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)置

火源設(shè)定為位于西側(cè)的01號(hào)房間和位于中部的26號(hào)房間，宿舍火災(zāi)原因設(shè)定為由于學(xué)生吸煙點(diǎn)燃床鋪，點(diǎn)火源大小設(shè)定為直徑為10 mm的粒子，溫度為350 ℃，點(diǎn)燃速度為立即點(diǎn)燃，床鋪材料設(shè)定為布和聚氨酯。機(jī)械排煙系統(tǒng)分為正常和故障2種狀態(tài)，分別設(shè)置火災(zāi)場(chǎng)景1、2、3、4，見表1。每種火災(zāi)場(chǎng)景需要在3種不同的火災(zāi)增長系數(shù)下進(jìn)行模擬，一共需要12次火災(zāi)模擬。

表1 宿舍樓火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)定Table 1 Setting of fire scenes in dormitory building

此外，模型中加入溫度、CO體積分?jǐn)?shù)和能見度的切片，監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在起火房間、走廊及樓梯間處，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置高度為1.7 m。走廊中心線水平方向共布置9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，第1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置正對(duì)起火房間的門，由此沿著走廊方向每隔2個(gè)房間布置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2.4 火災(zāi)模擬結(jié)果分析

1)當(dāng)火災(zāi)增長系數(shù)取最大值0.101 kW/s2時(shí)，火災(zāi)場(chǎng)景1能見度臨界時(shí)間為283 s，溫度臨界時(shí)間為352 s，CO濃度在模擬600 s內(nèi)未能達(dá)到臨界值，ASET取3個(gè)臨界時(shí)間中的最小值，為283 s?；馂?zāi)增長系數(shù)取最小值、最可能值及火災(zāi)場(chǎng)景2、3、4模擬結(jié)果均顯示能見度臨界時(shí)間相對(duì)最短，其次為溫度，CO濃度未達(dá)到臨界值。由此可見，能見度對(duì)可用疏散時(shí)間的影響相對(duì)最大，溫度影響次之，CO濃度影響相對(duì)最小。

2)當(dāng)火災(zāi)增長系數(shù)取最大值0.101 kW/s2時(shí)，火災(zāi)場(chǎng)景1的能見度和溫度的臨界時(shí)間分別為283，352 s，火災(zāi)場(chǎng)景2的值為211，307 s，火災(zāi)場(chǎng)景2對(duì)應(yīng)臨界時(shí)間值均小于場(chǎng)景1。且火災(zāi)發(fā)生后相同時(shí)間內(nèi)，場(chǎng)景2的CO濃度要明顯大于場(chǎng)景1。同樣，火災(zāi)場(chǎng)景4的能見度和溫度的臨界時(shí)間均小于場(chǎng)景3，均說明宿舍樓機(jī)械排煙的開啟，能有效增加影響疏散參數(shù)的臨界時(shí)間，使ASET變大，有利于人員進(jìn)行安全疏散。

3)當(dāng)火災(zāi)增長系數(shù)取最大值0.101 kW/s2時(shí)，火災(zāi)場(chǎng)景3的能見度和溫度的臨界時(shí)間分別為201，253 s，火災(zāi)場(chǎng)景3的對(duì)應(yīng)臨界時(shí)間值均小于場(chǎng)景1。同樣，火災(zāi)場(chǎng)景4的能見度和溫度的臨界時(shí)間均小于場(chǎng)景2，均說明當(dāng)宿舍樓層中部發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火災(zāi)煙氣蔓延速度比宿舍樓層兩側(cè)發(fā)生火災(zāi)時(shí)更快，所以可用疏散時(shí)間更短，不利于人員的安全疏散。

4)當(dāng)火災(zāi)增長系數(shù)取最小值0.027 kW/s2和最可能值0.046 89 kW/s2時(shí)，上述結(jié)論均適用。

2.5 ASET概率密度函數(shù)的確定

根據(jù)不同火災(zāi)場(chǎng)景下的ASET數(shù)值得到ASET概率密度分布函數(shù)參數(shù)，見表2。

表2 ASET概率密度分布函數(shù)參數(shù)Table 2 Parameters of ASET probability density distribution function s

將ASET概率密度分布函數(shù)參數(shù)帶入式(1)，得到各個(gè)火災(zāi)場(chǎng)景ASET三角分布的概率密度函數(shù)。

3 宿舍樓人員疏散仿真模擬

3.1 疏散參數(shù)設(shè)置

1)火災(zāi)必須安全疏散時(shí)間RSET。人員的必須疏散時(shí)間[11]由火災(zāi)探測(cè)時(shí)間、報(bào)警時(shí)間、人員預(yù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間和人員運(yùn)動(dòng)時(shí)間4部分組成。

參考相關(guān)文獻(xiàn)，火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)正常時(shí)，火災(zāi)報(bào)警時(shí)間設(shè)置為60 s；當(dāng)火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)故障時(shí)，將人員發(fā)現(xiàn)火災(zāi)時(shí)間設(shè)置為90 s；將人員發(fā)現(xiàn)火災(zāi)失敗的火災(zāi)探測(cè)報(bào)警時(shí)間設(shè)置為120 s[12]。

根據(jù)文獻(xiàn)[13]可知，當(dāng)宿舍樓內(nèi)人員處于清醒狀態(tài)時(shí)，預(yù)運(yùn)動(dòng)平均時(shí)間設(shè)定為60 s；人員處于睡眠狀態(tài)時(shí)，預(yù)運(yùn)動(dòng)的平均時(shí)間設(shè)定為120 s。

2)疏散人數(shù)。對(duì)于不同時(shí)間，宿舍內(nèi)的人員數(shù)量不同。根據(jù)實(shí)際調(diào)查，將上課時(shí)間段每個(gè)宿舍設(shè)定2人，午晚休及深夜睡覺時(shí)間每個(gè)宿舍設(shè)定為全員5人，每層共41間宿舍，分別為82，205人。

3)疏散路線。由于該宿舍樓每年都會(huì)進(jìn)行多次火災(zāi)疏散演練，外加宿舍內(nèi)學(xué)生對(duì)宿舍建筑構(gòu)造較為熟悉，設(shè)定火災(zāi)發(fā)生后，房間內(nèi)學(xué)生會(huì)按最近疏散出口進(jìn)行疏散，人員疏散至防煙樓梯間時(shí)，認(rèn)為人員已疏散至安全區(qū)域，完成疏散。

4)疏散速度。根據(jù)最大疏散速度實(shí)驗(yàn)測(cè)定，疏散模擬中男生的最大疏散速度設(shè)定為在1.55～1.75 m/s均勻分布，女生最大疏散速度設(shè)定為在1.45～1.60 m/s均勻分布。

5)身高和最大肩寬設(shè)定。參考國家體育總局發(fā)布的《2014年國民體質(zhì)監(jiān)測(cè)公報(bào)》的數(shù)據(jù)，疏散中18～25歲的男生和女生的平均身高設(shè)定為171.9，159.9 cm。疏散模擬的最大肩寬參考文獻(xiàn)[14]中對(duì)于男女青年的測(cè)量結(jié)果，男性最大肩寬取(47.66±5)cm，女性最大肩寬取(42.356±5)cm。

3.2 疏散場(chǎng)景設(shè)置

根據(jù)火災(zāi)發(fā)生時(shí)間段和火災(zāi)探測(cè)方式的區(qū)別，宿舍樓火災(zāi)疏散可分為6個(gè)疏散場(chǎng)景，見表3。由于男生和女生身高和最大肩寬等參數(shù)不同，所以還需要針對(duì)不同性別進(jìn)行疏散，共需要進(jìn)行12次疏散模擬。

表3 宿舍樓疏散場(chǎng)景Table 3 Evacuation scenes of dormitory building

3.3 Pathfinder疏散模型的建立

根據(jù)宿舍樓平面模型建立的宿舍樓Pathfinder疏散模型如圖3所示。人員隨機(jī)分布于宿舍房間中的各個(gè)位置中，結(jié)合實(shí)際情況選擇Steering模式[15]進(jìn)行人員疏散模擬。

圖3 宿舍樓Pathfinder疏散模型Fig.3 Pathfinder evacuation model of dormitory building

3.4 疏散模擬結(jié)果與分析

由模擬可得各個(gè)疏散場(chǎng)景下男生和女生所用疏散時(shí)間及由未疏散人數(shù)與時(shí)間曲線的線性擬合函數(shù)，見表4。

表4 宿舍樓疏散時(shí)間及擬合函數(shù)Table 4 Evacuation time of dormitory building and fitting functions

1)結(jié)果顯示，在A1場(chǎng)景下，男生在127 s內(nèi)完成全部82人的疏散，女生需要130 s完成所有人的疏散，且男生的未疏散人數(shù)與時(shí)間曲線的線性擬合函數(shù)的斜率為-1.982 1，女生的線性擬合函數(shù)的斜率為-1.852 2，男生的擬合函數(shù)斜率略大于女生。同樣，其他5個(gè)場(chǎng)景均符合上述規(guī)律，說明男生的疏散時(shí)間稍短于女生，疏散效率要略高于女生。

2)在A2場(chǎng)景下，宿舍樓內(nèi)82名男生全部疏散用時(shí)為161 s，82名女生全部疏散用時(shí)164 s，對(duì)比A1和A2場(chǎng)景下對(duì)應(yīng)人員疏散時(shí)間和線性擬合函數(shù)斜率可知，A1場(chǎng)景下人員疏散時(shí)間更短且疏散效率更高，對(duì)比B1和B2場(chǎng)景的數(shù)據(jù)均符合上述規(guī)律。因此，在相同條件下，火災(zāi)探測(cè)報(bào)警成功比人員發(fā)現(xiàn)火災(zāi)成功的必需安全疏散時(shí)間更短，疏散效率更高。

3)通過將疏散場(chǎng)景A1和B1，以及場(chǎng)景A2和B2進(jìn)行對(duì)比，場(chǎng)景B1和B2男生、女生的疏散時(shí)間均大于場(chǎng)景A1和A2，但場(chǎng)景B1和B2男生、女生未疏散人數(shù)與時(shí)間曲線的線性擬合函數(shù)的斜率均大于場(chǎng)景A1和A2。

說明當(dāng)火災(zāi)探測(cè)方式相同時(shí)，宿舍樓內(nèi)人員越多，所有人員的必須安全疏散時(shí)間越長；上課期間由于宿舍樓內(nèi)人員較少，對(duì)疏散路徑和門的利用效率低于休息期間。

4)將疏散場(chǎng)景B1、B2、C1和C3進(jìn)行對(duì)比，在疏散人數(shù)相同的情況下，由于疏散發(fā)生時(shí)間段不同，人員預(yù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間區(qū)別較大。對(duì)比疏散場(chǎng)景B1和C1，2個(gè)疏散場(chǎng)景除人員預(yù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間外其余條件基本相同，由于人員清醒時(shí)預(yù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間較少，所以能較快進(jìn)行疏散，因此疏散場(chǎng)景B1的疏散時(shí)間短小于C1，疏散效率明顯大于C1。同樣，對(duì)比疏散人數(shù)相同的疏散場(chǎng)景B1、B2、C1和C3，場(chǎng)景B1和B2的疏散效率均大于場(chǎng)景C1和C3，說明人員清醒時(shí)的疏散效率大于睡眠時(shí)的疏散效率。

4 宿舍樓人員預(yù)期火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

4.1 建筑火災(zāi)傷亡人數(shù)函數(shù)模型構(gòu)建

假定火災(zāi)發(fā)生前，建筑內(nèi)總?cè)藬?shù)為n，對(duì)于火災(zāi)發(fā)生后的任意時(shí)間t，未疏散的人數(shù)如式(2)所示：

(2)

式中：h(t)為火災(zāi)發(fā)生后時(shí)間為t時(shí)未進(jìn)行疏散的人數(shù)，人；t為火災(zāi)發(fā)生時(shí)間，s；n為建筑內(nèi)的總?cè)藬?shù)，人；fE(t)為建筑內(nèi)個(gè)體疏散時(shí)間的概率密度函數(shù)。

ASET的大小取決于火災(zāi)發(fā)展的速度和煙氣的流動(dòng)速度，火災(zāi)發(fā)生后仍然留在建筑物中的人數(shù)可能受火災(zāi)發(fā)展?fàn)顩r的影響，然而ASET在某時(shí)間t的發(fā)生概率幾乎不依賴于在同一時(shí)間仍然留在建筑物中的人數(shù)。因此，假設(shè)上述因素對(duì)于簡單計(jì)算是相互獨(dú)立的，對(duì)于任意時(shí)間t，火災(zāi)傷亡人數(shù)如式(3)所示：

(3)

式中：c(t)為火災(zāi)發(fā)生后時(shí)間為t時(shí)，火災(zāi)中的人員傷亡數(shù)量，人；fA(t)為ASET的概率密度函數(shù)。

所以當(dāng)火災(zāi)發(fā)生后，火災(zāi)造成的傷亡總?cè)藬?shù)如式(4)所示：

(4)

式中：C為火災(zāi)發(fā)生后火災(zāi)中人員傷亡總數(shù)，人。

由式(4)可知，通過對(duì)可用疏散時(shí)間概率密度函數(shù)fA(t)和火災(zāi)未疏散人數(shù)與時(shí)間函數(shù)h(t)的乘積進(jìn)行積分，即可獲得不同火災(zāi)場(chǎng)景下的傷亡人數(shù)。

4.2 宿舍樓人員預(yù)期火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

將人員疏散模擬結(jié)果和火災(zāi)模擬結(jié)果相聯(lián)系，將模擬結(jié)果的參數(shù)代入式(4)，可得宿舍樓火災(zāi)不同場(chǎng)景下的傷亡人數(shù)，見表5。

對(duì)于不同火災(zāi)場(chǎng)景的傷亡人數(shù)，火災(zāi)場(chǎng)景4的傷亡人數(shù)相對(duì)最多，男女生傷亡人數(shù)分別為305，310人；其次為火災(zāi)場(chǎng)景2，男女生傷亡人數(shù)分別為220，224人；再者為火災(zāi)場(chǎng)景3，男女生傷亡人數(shù)分別為23，27人；火災(zāi)場(chǎng)景1的傷亡人數(shù)相對(duì)最少，男女生傷亡人數(shù)小于0.01，所以未納入統(tǒng)計(jì)。從火災(zāi)傷亡人數(shù)來看，火災(zāi)場(chǎng)景2和4的傷亡人數(shù)高達(dá)200人以上，因此，當(dāng)前宿舍樓無法滿足火災(zāi)安全的需求。

5 結(jié)論

1)火災(zāi)模擬得出，發(fā)生火災(zāi)后，影響ASET的主要因素是火災(zāi)煙氣能見度，次要影響因素是煙氣層溫度，CO濃度對(duì)ASET的影響相對(duì)最小。對(duì)于平面呈L型的宿舍樓，當(dāng)宿舍樓中部發(fā)生火災(zāi)后，煙氣蔓延速度要快于宿舍樓兩側(cè)，可用疏散時(shí)間更短。

2)使用Pathfinder模擬軟件對(duì)宿舍樓火災(zāi)疏散進(jìn)行模擬，得到宿舍樓火災(zāi)發(fā)生后未疏散人數(shù)與時(shí)間的函數(shù)，將該函數(shù)與ASET的概率密度函數(shù)相乘，并對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，可獲得不同火災(zāi)場(chǎng)景下的傷亡人數(shù)，從而對(duì)宿舍人員火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量化評(píng)估，該方法可用于高校宿舍火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

3)對(duì)于不同火災(zāi)場(chǎng)景的傷亡人數(shù)，火災(zāi)場(chǎng)景2和4的傷亡人數(shù)高達(dá)200人以上，主要是由于機(jī)械排煙系統(tǒng)故障導(dǎo)致。經(jīng)上述方法評(píng)估，該宿舍樓無法滿足火災(zāi)安全性需求，消防安全管理水平有待提高。