某大型商業(yè)綜合體火災(zāi)模擬及人員疏散研究

鄒 浩

(安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引言

大型商業(yè)綜合體是指住宿、展覽、娛樂、購物、餐飲等3種及以上業(yè)態(tài)有機搭配、相互依存、功能齊全、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、方便快捷的統(tǒng)一綜合體商業(yè)建筑[1]。隨著我國城鎮(zhèn)化進程不斷加快，能滿足多種需求的商業(yè)綜合體應(yīng)運而生，其數(shù)量也在不斷增加、面積也越來越大[2]。商業(yè)綜合體帶給人們高效便利的同時，也帶來火災(zāi)及火災(zāi)時人員不能安全疏散出去的風(fēng)險[3]。預(yù)防大型商業(yè)綜合體火災(zāi)十分必要。

性能化防火設(shè)計是當(dāng)前建筑防火領(lǐng)域先進技術(shù)之一，最早起源于20世紀70年代的歐美國家，到90年代中期我國才開始系統(tǒng)化研究。美國消防工程師協(xié)會(Society of Fire Protection Engineers，SFPE)編寫的《SFPE Handbook of Fire Protection Engineering》不僅規(guī)范了性能化設(shè)計，而且還成為消防安全領(lǐng)域中最重要的參考書籍之一[4]；伍愛友等[5]闡述性能化設(shè)計體系及過程，并將性能化設(shè)計運用到大空間防火設(shè)計的實踐中，取得滿意的效果；姜學(xué)鵬等[6]通過對某地鐵站進行火災(zāi)模擬，得到不同區(qū)域的安全疏散可靠度，驗證其現(xiàn)有消防設(shè)施滿足人員疏散的基本要求；史雷波[7]以西安某超高層建筑為例，通過對最具有代表性的2個區(qū)域進行研究，提出建議和措施來確保人員疏散的安全。以上研究對預(yù)防建筑火災(zāi)有重要意義，但對大型商業(yè)綜合體中庭連通和首層疏散距離超過規(guī)范要求的特殊消防設(shè)計研究較少?；诖?，本文以某大型商業(yè)綜合體為例，采用PyroSim和Pathfinder軟件對其進行模擬，研究其火災(zāi)煙氣蔓延和人員疏散情況，判斷該商業(yè)綜合體首層下穿式避難走道和1-4層連通式中庭特殊消防設(shè)計的安全性，為此類設(shè)計的日常消防安全管理提供依據(jù)。

1 模擬參數(shù)選擇及安全疏散判定準則

1.1 模擬參數(shù)

(1)火災(zāi)類型：根據(jù)現(xiàn)行國家標準《消防安全工程 第4部分：設(shè)定火災(zāi)場景和設(shè)定火災(zāi)的選擇》(GB/T 31593.4-2015)并結(jié)合大型商業(yè)綜合體中火災(zāi)荷載的特點，將其火災(zāi)按t2快速火增長設(shè)定[8]，其火災(zāi)增長系數(shù)α=0.046 89kW/s2。

(2)火災(zāi)功率：根據(jù)現(xiàn)行國家標準《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標準》(GB 51251-2017)，確定不同場所的火災(zāi)達到穩(wěn)態(tài)時的熱釋放速率[9]。大型商業(yè)綜合體有噴淋和無噴淋時功率分別為：3MW、10MW。

(3)疏散時間：當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，并不是立刻開始人員疏散。研究表明[10]，人員必須安全疏散時間TRSET一般包括3個不同的時間間隔：報警時間TA、響應(yīng)時間TR和疏散行走時間TM。人員疏散的必需疏散時間TRSET可按公式(1)計算。

TRSET=TA+TR+1.5×TM

(1)

式中：

TA—報警時間，取60s；

TR—響應(yīng)時間，取120s；

TM—疏散行走時間，即為模擬所得的時間，s。

(4)人員疏散其他參數(shù)：人員疏散假設(shè)條件、疏散速度、人員體積[11]等參數(shù)設(shè)置，見表1。

表1 人員參數(shù)設(shè)置

1.2 人員疏散安全性判定準則

建筑物中人員疏散到安全區(qū)域所用時間TRSET小于火勢發(fā)展到超出人體耐受極限的時間TASET，則符合人員安全疏散的要求。安全裕度為TS，裕度越大則表明人員疏散越安全。即保證安全疏散的判定準則為：

TRSET+TS

(2)

在分析火災(zāi)對疏散的影響時，一般從煙氣溫度、毒性氣體的濃度、能見度等方面進行討論[12-13]。人員疏散安全判據(jù)指標，見表2。

表2 人員疏散安全判據(jù)指標表

2 大型商業(yè)綜合體消防設(shè)計

2.1 工程概況

以某大型商業(yè)綜合體為案例，該建筑地上5層，地下2層，總建筑高度為23.95m，地下2層設(shè)計為車庫。地上部分包括商業(yè)零售店鋪、電影院、餐飲店鋪、娛樂中心等，第1層高5.3m，2-4層高5.1m，第5層高3.2m。選取本建筑的地上部分為研究對象，其耐火等級為一級。地上部分設(shè)有貫通1-4層的異形中庭10個，與其周圍環(huán)廊部分形成室內(nèi)交通廊；建筑中部為中島，內(nèi)有一個露天內(nèi)庭院。一層中庭環(huán)廊外環(huán)劃分為6個防火分區(qū)；每層中島劃分為一個單獨的防火分區(qū)。

2.2 研究對象存在的問題

(1)安全疏散：《建筑設(shè)計防火規(guī)范(2018年版)》(GB 50016-2014)第5.5.17條第2款規(guī)定：樓梯間應(yīng)在首層直通室外，確有困難時，可在首層采用擴大的封閉樓梯間或防煙樓梯間前室。當(dāng)層數(shù)不超過4層且未采用擴大的封閉樓梯間或防煙樓梯間前室時，可將直通室外的門設(shè)置在離樓梯間不大于15m處。

為保證人員疏散時不穿越防火分區(qū)，本建筑的中島區(qū)域人員需通過疏散樓梯疏散至首層露天內(nèi)庭院中，然后再通過走道疏散到室外。首層中島區(qū)域為了能直通室外，導(dǎo)致疏散距離過長，超過規(guī)范數(shù)值要求。

(2)防火分區(qū)：《建筑設(shè)計防火規(guī)范(2018年版)》(GB 50016-2014)第5.3.1條規(guī)定：耐火等級為一、二級的單、多層民用建筑的防火分區(qū)最大允許建筑面積不應(yīng)超過2 500m2，當(dāng)建筑內(nèi)設(shè)置自動滅火系統(tǒng)時，可按最大值的規(guī)定增加1.0倍；第5.3.2條規(guī)定：建筑內(nèi)上下層通過開口相互連接貫通時需要將面積疊加計算，當(dāng)疊加后面積超過規(guī)范第5.3.1條時應(yīng)劃分防火分區(qū)。

為滿足該建筑的整體功能性要求，本建筑中沿著室內(nèi)商業(yè)街設(shè)置多個中庭孔洞，連通1-4層，多個中庭連通后，防火分區(qū)疊加導(dǎo)致防火分區(qū)面積超過規(guī)范數(shù)值要求。

2.3 研究對象擬采用的措施

(1)安全疏散：在首層中島內(nèi)庭院區(qū)域設(shè)置2條下穿避難走道，寬度分別為6.25和5.65m，首層直通室外的總疏散寬度為23.9m。通過增加最大疏散寬度，以解決首層防火分區(qū)直通室外疏散距離大于規(guī)范數(shù)值要求的問題。

(2)防火分區(qū)：在室內(nèi)商業(yè)街與其他各防火分區(qū)之間設(shè)置特級防火卷簾，同時在各防火分區(qū)內(nèi)設(shè)置滿足規(guī)范要求的自動噴水滅火系統(tǒng)、機械排煙系統(tǒng)等相關(guān)消防設(shè)施，且在中庭空洞上方設(shè)置面積不小于25%的自然排煙窗，通過增加自然排煙面積，以達到規(guī)范數(shù)值要求的相同效果。

3 火災(zāi)模擬及人員疏散分析

3.1 火災(zāi)場景設(shè)定

火源位置是火災(zāi)場景設(shè)定中最重要的因素之一。在進行火災(zāi)場景設(shè)置時，一般需要考慮建筑物的火災(zāi)危險性和幾何結(jié)構(gòu)特征等因素。在設(shè)置火源位置時，主要考慮建筑物內(nèi)某處發(fā)生火災(zāi)后，火災(zāi)對人員疏散可能造成最不利影響的情況[14]。對該大型商業(yè)綜合體內(nèi)火災(zāi)荷載分布和幾何特征進行分析，共設(shè)置6個火災(zāi)場景，見表3。

表3 火災(zāi)場景匯總表

具體防火分區(qū)，初始疏散路線、出口信息以及各火災(zāi)場景火源位置，如圖1。

圖1 火源1-5的位置示意圖

3.2 疏散人數(shù)

疏散人數(shù)根據(jù)不同建筑的使用功能分別按密度或按照建筑設(shè)計容量進行選取，本文的模擬疏散人數(shù)來源于設(shè)計單位數(shù)據(jù)，見表4。

表4 疏散人數(shù)統(tǒng)計

3.3 火災(zāi)和人員疏散模擬結(jié)果

根據(jù)人員安全疏散判據(jù)，比較6個火災(zāi)場景中能見度、煙氣溫度和煙氣中CO濃度，得到可用疏散時間TASET，見表5。

表5 可用疏散時間TASET

將模擬計算的疏散行走時間加上報警時間和響應(yīng)時間，根據(jù)式(1)可得到必需疏散時間TRSET，見表6。

表6 必需疏散時間TRSET

4 結(jié)論

對該大型商業(yè)綜合體進行定性和定量分析，結(jié)果表明：

(1)在噴淋和排煙系統(tǒng)均有效的情況下，1層中島區(qū)域在增加穿越避難走道后，能保證商場內(nèi)人員安全疏散。

(2)在噴淋和排煙系統(tǒng)均有效的情況下，中庭頂部設(shè)置大于25%的可開啟自然排煙窗，可滿足在各層中庭區(qū)域貫通時的排煙需求，能保證商場內(nèi)人員安全疏散。

(3)在噴淋系統(tǒng)和防火卷簾均失效的情況下，煙氣和熱量會快速聚集，著火區(qū)域內(nèi)人員疏散不安全。

(4)保證中庭區(qū)域不存在可燃物和各個防火分區(qū)內(nèi)消防設(shè)施有效、完整是預(yù)防大型商業(yè)綜合體火災(zāi)最基本的條件。