大型商業(yè)綜合體火災(zāi)煙氣及疏散模擬

鄭冠霞，楊 漪，趙舒野，文 虎

(西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，為了順應(yīng)中國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和人民生活需求的多樣化，大型商業(yè)建筑的規(guī)模也隨之?dāng)U大，功能越來越復(fù)雜，在滿足人們?nèi)粘Ｉ钏璧耐瑫r(shí)逐漸成為城市的地標(biāo)性建筑[1]。大型商業(yè)綜合體設(shè)有貫通的中庭，具有人員密集、功能復(fù)雜、商品豐富、電氣線路錯(cuò)綜復(fù)雜、火災(zāi)蔓延快等特點(diǎn)。城市大型商業(yè)綜合體火災(zāi)危險(xiǎn)性較大，發(fā)生火災(zāi)會(huì)導(dǎo)致人員疏散困難，極可能造成群死群傷和大量財(cái)產(chǎn)損失[2]。因此，提高大型商業(yè)綜合體的消防安全刻不容緩。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)商場(chǎng)火災(zāi)進(jìn)行了相關(guān)研究。詹金良和慕洋洋通過數(shù)值模擬研究了電影院放映廳出口的數(shù)量、寬度、布局等對(duì)疏散速率的影響[3]；湯煜等對(duì)大型商場(chǎng)進(jìn)行疏散模擬，探究了出口數(shù)量及寬度對(duì)安全疏散的影響[4]；馬子超等對(duì)大型商場(chǎng)中庭火災(zāi)進(jìn)行了煙氣與疏散模擬研究，探究了中庭附近排煙設(shè)施對(duì)人員疏散的影響[5]；胡玉玲等模擬了大空間建筑物內(nèi)噴淋裝置和排煙裝置對(duì)火災(zāi)發(fā)展的影響[6]；何欣和常力運(yùn)用Pathfinder對(duì)商場(chǎng)進(jìn)行模擬，提出了分層疏散，通過開閉不同樓梯間來提高疏散效率[7]；EASIR等運(yùn)用Pyrosim模擬商場(chǎng)火災(zāi)，火災(zāi)設(shè)置場(chǎng)景為商場(chǎng)中心池火，根據(jù)模擬仿真預(yù)測(cè)了發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員總疏散時(shí)間[8]；ANTHONY等研究了大型中庭發(fā)生火災(zāi)的情況下不同自然排煙系統(tǒng)對(duì)煙氣層溫度的影響[9]；AYALA等對(duì)中庭火災(zāi)進(jìn)行了全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，通過與FDS模擬進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)與模擬的熱釋放速率與排煙效率具有一致性[10]。

以上國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)商場(chǎng)進(jìn)行了模擬和火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，研究了出口數(shù)量、出口寬度、排煙設(shè)施、噴淋設(shè)施等對(duì)火災(zāi)發(fā)展和人員疏散的影響，研究場(chǎng)景大多為沒有分隔的商鋪或中庭，隨著近幾年大型商業(yè)綜合體的多元化發(fā)展，上下層連通商鋪和電影院數(shù)量增多，連通的商鋪布局、電影院布局和特殊的中庭設(shè)計(jì)在很大程度上會(huì)影響煙氣蔓延。文章以占地面積較大、火災(zāi)危險(xiǎn)性較高、人員較為密集的某大型商業(yè)綜合體為研究對(duì)象，將排煙系統(tǒng)有效和失效2種工況做對(duì)比，選用一二層連通服裝商鋪和4層電影院2種場(chǎng)所作為火災(zāi)發(fā)生場(chǎng)景，進(jìn)行火災(zāi)煙氣蔓延和人員疏散模擬仿真研究，分析煙氣在商鋪內(nèi)和在中庭下的蔓延規(guī)律以及人員疏散特征，并針對(duì)大型商業(yè)綜合體消防安全提出火災(zāi)危險(xiǎn)管控建議，為大型商業(yè)綜合體的科學(xué)化火災(zāi)防控提供理論依據(jù)。

1 Pyrosim火災(zāi)煙氣模擬

1.1 建筑概況

以西安市某大型商業(yè)綜合體為研究對(duì)象。該大型商業(yè)綜合體地上4層，地下3層，建筑高度22.2 m，面積96 277.97 m2。建筑設(shè)有室內(nèi)步行街，長(zhǎng)350 m，寬9～15 m，形成貫通首層至4層、高22.2 m的中庭，作為1個(gè)防火分區(qū)，以商鋪外墻防火卷簾作為防火分隔。該建筑屬于多層公共建筑，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，耐火等級(jí)為一級(jí)。各層占地面積及業(yè)態(tài)分布見表1。

表1 某大型商業(yè)綜合體業(yè)態(tài)分布及步行街面積

1.2 確定火源及測(cè)點(diǎn)位置設(shè)計(jì)

通過火災(zāi)隱患排查，經(jīng)過后期裝修改造，破壞了原先防火分區(qū)，形成了2層聯(lián)通的商鋪，且在店內(nèi)扶梯的聯(lián)通口處未設(shè)擋煙垂壁。從燃燒空間上看，服裝大多懸掛放置，可燃物幾乎布滿整個(gè)店鋪，火災(zāi)載荷大。因此設(shè)定首層服裝商鋪火災(zāi)作為研究場(chǎng)景一，火源位于首層。圖1(a)中1～4為首層服裝店設(shè)置的測(cè)點(diǎn)，相鄰間隔5 m，5～8為與其相同水平坐標(biāo)上的二層測(cè)點(diǎn)。

此外，該商業(yè)綜合體4層電影院，主要可燃物為軟席座椅和隔音裝修材料，日常人流量大且人員高度集中，因此設(shè)定電影院火災(zāi)作為研究場(chǎng)景二，火源位于4層放映廳。由于電影院放映廳皆為單獨(dú)可封閉的空間，放映廳的煙氣極有可能對(duì)連通的走道、售票廳、樓梯前室的人員造成危害，除火源位置的放映廳內(nèi)測(cè)點(diǎn)間距離5 m，還在走道、樓梯前室、售票大廳和步行街共設(shè)置了8個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖1(b)所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)分布Fig.1 Layout of the detection points

1.3 建立火災(zāi)物理模型

文章根據(jù)某大型商業(yè)綜合體的CAD平面圖運(yùn)用Pyrosim軟件按1∶1的比例進(jìn)行建模，網(wǎng)格尺寸采用1 m×1 m×1 m。某大型商業(yè)綜合體地上4層火災(zāi)煙氣模型如圖2所示。

圖2 某大型商業(yè)綜合體模型Fig.2 A model of a large commercial complex

1.4 火災(zāi)場(chǎng)景參數(shù)設(shè)計(jì)

環(huán)境初始溫度為23 ℃，初始風(fēng)速為0 m/s。每間商鋪設(shè)有排煙口，排煙方式為機(jī)械排煙，排煙口尺寸為0.8 m×0.4 m?；鹪礊槌叽? m×1 m的障礙物，根據(jù)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB51251—2017)[11]中關(guān)于火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)的說明，更為符合大型商業(yè)綜合體的可燃材料的火災(zāi)類別為快速火，快速火火災(zāi)增長(zhǎng)速率為0.044 kW/s2。

火源熱釋放速率一般是非穩(wěn)態(tài)的，通常采用t2火災(zāi)模型[12]描述火災(zāi)增長(zhǎng)階段

Q=αt2

(1)

式中Q為熱釋放速率，kW；α為火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)，kW/s2；t為火災(zāi)增長(zhǎng)時(shí)間,s。

火災(zāi)在充分發(fā)展階段的最大熱釋放速率為

Qmax=q×Ac

(2)

式中Qmax為最大熱釋放速率，MW；q為單位面積的熱釋放速率，首層服裝商鋪和4層電影院根據(jù)文獻(xiàn)[11]取值10 MW/m2；Ac為可燃物所占面積，取值為1 m2。故最大熱釋放速率Qmax為10 MW。

火災(zāi)煙氣模擬主要考慮機(jī)械排煙對(duì)人員疏散的影響，每個(gè)場(chǎng)景設(shè)置機(jī)械排煙失效和有效2種工況，2個(gè)場(chǎng)景共4種火源工況，首層和4層火災(zāi)不同時(shí)發(fā)生，模擬根據(jù)工況分為4次進(jìn)行，見表2。

表2 火災(zāi)工況設(shè)計(jì)

2 火災(zāi)煙氣模擬結(jié)果分析

人體耐受極限的因素可用煙氣能見度、溫度和CO濃度來衡量，通過分析這3種參數(shù)的臨界值判斷是否達(dá)到火災(zāi)的危險(xiǎn)狀態(tài)[13]，判斷各因素達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)的范圍見表3。

表3 各因素達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)的范圍

2.1 能見度分析

圖3(a1)、(a2)、(a3)、(a4)為首層火災(zāi)1～4層機(jī)械排煙有效時(shí)的能見度切片圖，在火災(zāi)發(fā)生的377.7 s和601.0 s后，首層和二層商鋪內(nèi)能見度達(dá)到10 m以下?；馂?zāi)發(fā)生的1 800 s內(nèi)，3層、4層能見度均未達(dá)到10 m以下，人員能安全疏散。圖3(b1)、(b2)、(b3)、(b4)為首層火災(zāi)1～4層機(jī)械排煙失效時(shí)的能見度切片圖，在火災(zāi)發(fā)生361.2，559.0，1 528.7，1 554.2 s后，1～4層能見度達(dá)到10 m以下。煙氣逐漸向上擴(kuò)散至整個(gè)中庭，但3，4層煙氣在經(jīng)過中庭的擴(kuò)散，濃度較低，為人員爭(zhēng)取了充足疏散時(shí)間。

圖3 首層火災(zāi)能見度Fig.3 Visibility of the first floor fire

圖4中(a)、(b)為4層火災(zāi)發(fā)展到1 800 s時(shí)機(jī)械排煙有效和失效的能見度圖，機(jī)械排煙有效時(shí)，僅放映廳、對(duì)面的房間、走道處能見度達(dá)到了10 m以下；機(jī)械排煙失效的情況下，電影院所有區(qū)域、附近的中庭能見度均達(dá)到了10 m以下。說明機(jī)械排煙能有效控制煙氣濃度。

圖4 4層火災(zāi)能見度Fig.4 Visibility of the forth floor fire

圖5(a)和(b)分別為排煙失效和排煙有效時(shí)首層火災(zāi)能見度隨時(shí)間變化曲線圖，圖中虛線框?yàn)榫植糠糯髤^(qū)，能見度數(shù)值越小，危險(xiǎn)性越高，能見度達(dá)到10 m為人體耐受極限的臨界值。A，B，C，D分別為測(cè)點(diǎn)V2，V1，V6，V5達(dá)到能見度臨界值的坐標(biāo)，當(dāng)機(jī)械排煙失效時(shí)，首層商鋪內(nèi)測(cè)點(diǎn)能見度分別在429.6，444.4，698.1，743.9 s時(shí)達(dá)到臨界值；當(dāng)機(jī)械排煙有效時(shí)，首層測(cè)點(diǎn)V2，V1，V6，V5能見度達(dá)到臨界值的時(shí)間分別增加了0.5，1，117.3，124.8 s。

圖5 測(cè)點(diǎn)處能見度變化折線圖 Fig.5 Variation curves of visibility with time

圖5(c)和(d)分別為排煙失效和排煙有效時(shí)4層火災(zāi)能見度隨時(shí)間變化曲線圖，A，B，C，D，E，F(xiàn)，G分別為測(cè)點(diǎn)V2，V1，V3，V4，V5，V6，V7達(dá)到能見度臨界值的坐標(biāo)，當(dāng)機(jī)械排煙失效時(shí)，4層電影院測(cè)點(diǎn)分別在260.6，284.4，606.5，619.5，939.6，1 011.0，1 211.8 s時(shí)達(dá)到臨界值；當(dāng)機(jī)械排煙有效時(shí)，僅測(cè)點(diǎn)V2，V1，V4達(dá)到能見度臨界值，并分別增加了56.3，44.1，60.8 s。

2.2 溫度分析

圖6對(duì)比了首層服裝商鋪和4層電影院在機(jī)械有效和無效2種工況下，測(cè)點(diǎn)處溫度隨時(shí)間變化折線圖，圖中虛線框?yàn)榫植糠糯髤^(qū)，溫度值與火災(zāi)危險(xiǎn)性成正比，溫度達(dá)到60 ℃為人體耐受極限的臨界值。圖6(a)和(b)中，A，B分別為測(cè)點(diǎn)T2，T1達(dá)到能見度臨界值的坐標(biāo)，排煙失效時(shí)和排煙有效達(dá)到溫度的臨界值60 ℃的時(shí)間均為329 s左右，人員應(yīng)及時(shí)疏散至商鋪外。

圖6 測(cè)點(diǎn)處溫度變化折線圖Fig.6 Variation curves of temperature with time

圖6(c)和(d)中，A，B，C，D分別為測(cè)點(diǎn)T2，T1，T4，T3達(dá)到能見度臨界值的坐標(biāo)。機(jī)械排煙失效時(shí)，4層放映廳和走道的測(cè)點(diǎn)T2，T1，T4，T3的溫度達(dá)到臨界值，人員需在192.8 s內(nèi)疏散至放映廳外；機(jī)械排煙有效時(shí)，4層僅放映廳的測(cè)點(diǎn)T1，T2達(dá)到臨界值，人員需在328.7 s內(nèi)疏散至放映廳外。

2.3 CO濃度分析

圖7對(duì)比了首層服裝商鋪和4層電影院在排煙有效和無效2種工況下，測(cè)點(diǎn)處CO濃度的變化折線圖，火災(zāi)危險(xiǎn)性隨CO濃度值增高而增高，CO濃度達(dá)到500×10-6為人體耐受極限的臨界值。

對(duì)比圖7(a)和(b)可知，首層服裝商鋪排煙失效和有效時(shí)，測(cè)點(diǎn)CO濃度始終低于500×10-6。對(duì)比圖7(c)和(d)可知，4層電影院發(fā)生火災(zāi)時(shí)，僅著火房間內(nèi)測(cè)點(diǎn)的CO濃度上升到500×10-6，其他區(qū)域測(cè)點(diǎn)CO濃度均在500×10-6以下。排煙有效時(shí)，測(cè)點(diǎn)C2在597.6 s達(dá)到500×10-6；排煙失效時(shí)，測(cè)點(diǎn)C2在820.9 s達(dá)到500×10-6。

圖7 測(cè)點(diǎn)處CO濃度變化折線圖Fig.7 Variation curves of CO concentration with time

因此，排煙有效時(shí)測(cè)點(diǎn)達(dá)到能見度、溫度臨界值的時(shí)間均增加，說明有效的排煙設(shè)施能為人員爭(zhēng)取更多的安全疏散時(shí)間；機(jī)械排煙有效和無效2種工況下4層電影院能見度、溫度、CO濃度達(dá)到人體耐受極限臨界值的時(shí)間均小于首層服裝商鋪，說明電影院的危險(xiǎn)性大于服裝商鋪；步行街測(cè)點(diǎn)能見度、溫度、CO濃度始終未達(dá)到臨界值，說明煙氣溢出商鋪后經(jīng)中庭擴(kuò)散迅速降低了煙氣濃度。

由于商業(yè)綜合體獨(dú)特的中庭設(shè)計(jì)，若發(fā)生火災(zāi)，煙氣從商鋪向步行街溢出，在貫穿一至四層的中庭擴(kuò)散，煙氣濃度迅速減小。大空間的中庭降低了煙氣對(duì)人員造成的危害，除了電影院有內(nèi)部疏散通道，空間狹小，人員在短時(shí)間內(nèi)處于危險(xiǎn)狀態(tài)，其他疏散樓梯的逃生路線均需要通過中庭，人員若能迅速逃離發(fā)生火災(zāi)的商鋪，就能脫離危險(xiǎn)。故能達(dá)到人員危險(xiǎn)狀態(tài)的地點(diǎn)為發(fā)生火災(zāi)的商鋪內(nèi)以及電影院內(nèi)的疏散通道和發(fā)生火災(zāi)的房間。根據(jù)火災(zāi)煙氣模擬分析結(jié)果，分別對(duì)比同一工況、同一地點(diǎn)、3種不同因素下的測(cè)點(diǎn)在達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)臨界值的最小時(shí)間，得出人員可用疏散時(shí)間(TASET)。

3 Pathfinder人員疏散模擬

3.1 人員疏散模型構(gòu)建

完成PyroSim模型建立之后，在CAD上對(duì)每一層圖紙進(jìn)行修改，并導(dǎo)入PathFinder軟件中，快速建立幾何模型，分別在首層服裝商鋪和4層電影院內(nèi)添加一個(gè)封閉的房間模擬火源，人員在火源四周繞行疏散，疏散模型如圖8所示。

圖8 某大型商業(yè)綜合體疏散模型Fig.8 Evacuation model of a large commercial complex

3.2 疏散參數(shù)的確定

根據(jù)《建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]，對(duì)疏散人數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表4。

表4 疏散人數(shù)匯總表

不同人員類型及體型尺寸的參數(shù)設(shè)置會(huì)對(duì)人員疏散仿真模擬造成一定的影響，根據(jù)國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)大型商業(yè)綜合體人員疏散及人體體型尺寸的研究和調(diào)查[15-16]，對(duì)模擬疏散仿真涉及到的人員參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，見表5。

表5 人員參數(shù)設(shè)定表

4 人員疏散模擬結(jié)果分析

根據(jù)學(xué)者研究[17]，人員的必需疏散時(shí)間(TRSET)一般包含了幾個(gè)不同時(shí)間參數(shù)：報(bào)警時(shí)間(TA)、響應(yīng)時(shí)間(TR)和疏散行走時(shí)間(TM)。即人員疏散的必需疏散時(shí)間(TRSET)可按(3)公式計(jì)算。

TRSET=TA+TR+1.5×TM

(3)

式中TA取值60 s。因該大型商業(yè)綜合體內(nèi)設(shè)置了廣播系統(tǒng)，TR取值120 s。一般情況下，TM為軟件模擬所得的時(shí)間。因現(xiàn)實(shí)情況下受到人員疏散時(shí)很多突發(fā)事件的發(fā)生和人的行為不受控等因素的影響[18]，取補(bǔ)償系數(shù)為1.5。

首層服裝商鋪、4層電影院疏散模擬的總時(shí)間分別為893 s和881 s。通過分析疏散模擬結(jié)果，得出不同區(qū)域疏散模擬時(shí)間，計(jì)算出人員必需疏散時(shí)間，見表6。

5 PyroSim與Pathfinder結(jié)果對(duì)比

將火災(zāi)煙氣模擬得出的TASET和人員疏散模擬TRSET對(duì)比，最后驗(yàn)證TASET>TRSET是否成立[19]。若TASET>TRSET，則可以認(rèn)為：在所設(shè)定的條件下，處在商場(chǎng)內(nèi)的人員在火災(zāi)產(chǎn)生的危險(xiǎn)因素達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)的臨界值前能夠疏散至安全的區(qū)域。反之，則判定不能達(dá)到人員疏散的安全時(shí)間[20]，對(duì)比結(jié)果見表6。

表6 PyroSim與Pathfinder模擬結(jié)果對(duì)比

首層商鋪排煙失效和有效的情況下，首層的人員可用疏散時(shí)間均約為329 s，人員必需疏散時(shí)間為334.4 s，相差5.4 s；4層電影院放映廳排煙失效和排煙有效人員可用疏散時(shí)間為192.8 s和214.2 s，比人員必需疏散時(shí)間相差29.7 s和8.3 s，故排煙失效和排煙有效時(shí)，著火房間內(nèi)人員均處于危險(xiǎn)狀態(tài)。

6 結(jié) 論

1)對(duì)比不同工況同一場(chǎng)所的火災(zāi)，排煙失效時(shí)，電影院放映廳、走道、樓梯前室、售票大廳測(cè)點(diǎn)分別在260.6,606.5,939.6,1 211.8 s時(shí)能見度達(dá)到10 m。排煙有效時(shí)，電影院放映廳和走道測(cè)點(diǎn)在316.9 s和667.3 s能見度達(dá)到10 m，排煙有效時(shí)達(dá)到臨界值的時(shí)間較長(zhǎng)。因此，機(jī)械排煙能有效控制著火房間內(nèi)的煙氣濃度。建議加強(qiáng)日常對(duì)排煙設(shè)施檢修，保證排煙系統(tǒng)發(fā)生火災(zāi)可以有效啟動(dòng)。

2)對(duì)比同一工況不同場(chǎng)所的火災(zāi)，機(jī)械排煙系統(tǒng)有效和失效2種工況下，電影院相對(duì)于服裝商鋪達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)下所需的臨界時(shí)間分別降低了114.5 s和135.7 s。這表明電影院的危險(xiǎn)性大于服裝商鋪，且電影院人員集中，垂直方向疏散易出現(xiàn)擁堵的情況，建議在電影院內(nèi)單獨(dú)設(shè)置通往室外的疏散通道。

3)首層服裝商鋪火災(zāi)，人員需893 s完成全員疏散，4層電影院火災(zāi)，人員需881 s完成全員疏散。在排煙失效的情況下，煙氣從商鋪溢出后，自下往上擴(kuò)散至整個(gè)中庭，且堆積在頂層，首層火災(zāi)發(fā)生在1 528.7 s和1 554.2 s后，3層和4層能見度達(dá)到人體耐受極限的臨界值，此時(shí)已完成商業(yè)綜合體全員疏散，全員處于安全狀態(tài)。因此，中庭在很大程度上降低了煙氣濃度，若各商鋪門處安裝防火卷簾，避免火災(zāi)向鄰近商鋪蔓延，能在一定程度上保證人員安全。

4)通過對(duì)比人員可用疏散時(shí)間和人員必需疏散時(shí)間，僅著火房間內(nèi)首層服裝商鋪和4層電影院放映廳人員可用疏散時(shí)間小于人員必需疏散時(shí)間，人員處于危險(xiǎn)狀態(tài)。若將人員必需疏散時(shí)間中的報(bào)警及響應(yīng)時(shí)間縮短29.7 s，所有工況下的人員都能完成疏散，故應(yīng)加強(qiáng)商場(chǎng)工作人員的消防安全培訓(xùn)，減低報(bào)警時(shí)間和響應(yīng)時(shí)間，為人員疏散爭(zhēng)取更多時(shí)間，保證全員安全疏散。