既有建筑改造前室門寬對人員疏散影響的數(shù)值模擬分析

劉永亮

(北京市東城區(qū)消防救援支隊(duì)，北京 100061)

0 引言

隨著城市發(fā)展進(jìn)入中后期，國家對于建筑業(yè)發(fā)展的政策指向已經(jīng)由大規(guī)模增量建設(shè)轉(zhuǎn)變?yōu)榇媪刻豳|(zhì)改造和增量結(jié)構(gòu)調(diào)整并重，為此大量的建筑由于業(yè)態(tài)變更、功能布局調(diào)整以及經(jīng)營主體變化等原因需要進(jìn)行改造升級。同時(shí)，隨著國家工程建設(shè)消防技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在完善過程形成許多版本，對于建成年代不同的建筑而言，其遵循的消防技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)各有不同。通常情況下，無論建筑何時(shí)進(jìn)行改造，改造時(shí)均應(yīng)符合現(xiàn)行消防技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。但由于現(xiàn)行消防技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容和要求已發(fā)生較大改變，既有建筑改造在許多方面難于符合其規(guī)定，面臨著使用功能需求與現(xiàn)行消防技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求之間的矛盾。如何在尊重既有建筑的歷史前提下盡可能保障消防設(shè)計(jì)的可靠性和安全性，給既有建筑改造的消防設(shè)計(jì)帶來許多難題。安全疏散事關(guān)人員的生命安全，是建筑消防設(shè)計(jì)中尤為重要的一個(gè)因素。既有建筑改造時(shí)常常面臨著樓梯間寬度和前室門寬不符合現(xiàn)行消防技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的問題，但由于種種原因又難于對樓梯間進(jìn)行改造或增設(shè)室外疏散樓梯。因此，有必要深入分析疏散寬度不足對人員安全疏散的影響程度，在此基礎(chǔ)上綜合考慮既有建筑的火災(zāi)危險(xiǎn)性、建筑特性、使用功能、人員情況等，從多個(gè)方面采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)強(qiáng)措施，提高建筑的整體消防安全水平。Pathfinder是人員安全疏散模擬軟件，許多研究人員運(yùn)用該軟件進(jìn)行人員疏散安全研究[1-3]，在國內(nèi)的工程項(xiàng)目性能化消防設(shè)計(jì)的人員疏散安全分析中得到較多應(yīng)用[4-5]。本文以某既有辦公建筑改造時(shí)面臨的樓梯間寬度和前室門寬不符合現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的要求為例，運(yùn)用Pathfinder分析寬度不足對人員安全疏散能力的影響，在此基礎(chǔ)上提出合理的消防措施。

1 建筑概況

改造辦公區(qū)域所屬建筑東西向長約52m，南北向?qū)捈s32m；建筑高度約41m，總共8層，其中頂層為設(shè)備層；每層建筑面積約1 100m2；建筑設(shè)有2部疏散樓梯，位于東西兩側(cè)位置，樓梯間凈寬度為1.15m，樓梯間為防煙樓梯間，設(shè)有樓梯間前室，前室的疏散門凈寬度為0.8m；東西兩側(cè)各有一部消防電梯，候梯廳南北兩側(cè)各有一個(gè)連通1-7層的中庭；改造辦公區(qū)域位于建筑的3層和4層。改造區(qū)域所在建筑東西兩側(cè)各有一座建筑，東側(cè)建筑高度約60m，西側(cè)約80m，改造區(qū)域建筑與東西兩側(cè)的建筑共用墻體，屬于一棟建筑的不同區(qū)域，從形態(tài)上看，改造區(qū)域所在建筑類似于連接?xùn)|西兩側(cè)建筑的裙樓。根據(jù)原始建筑設(shè)計(jì)圖紙，該建筑設(shè)計(jì)時(shí)間為2005年，建筑高度為80m，建筑類別屬于一類高層建筑，建筑耐火等級不應(yīng)低于一級。

2 安全疏散設(shè)計(jì)核算

2.1 人員數(shù)量核算

JGJ/T 67—2019《辦公建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第5.03條規(guī)定，辦公建筑疏散總凈寬度應(yīng)按總?cè)藬?shù)計(jì)算，當(dāng)無法額定總?cè)藬?shù)時(shí)，可按其建筑面積9m2/人計(jì)算。改造辦公建筑設(shè)置有單人辦公室、共用辦公室、開敞辦公區(qū)、會(huì)議室以及接待室等功能用房。

(1)按額定工位核算。按照單人辦公室、共用辦公室以及開敞辦公區(qū)進(jìn)行核算，3層總?cè)藬?shù)為67人；3層設(shè)置有一個(gè)可容納100人的大會(huì)議室，考慮到日常辦公中可能會(huì)召開較多人參加的會(huì)議，按大會(huì)議室滿座核算，即最大總?cè)藬?shù)為100人。4層共設(shè)置有5個(gè)業(yè)務(wù)部門辦公室，9個(gè)單人辦公室和3個(gè)會(huì)議室，按業(yè)務(wù)部門辦公室和單人辦公室核算為44人；3個(gè)會(huì)議室中可容納人數(shù)最多的為中型會(huì)議室，最大可容納34人。按最不利情況，每個(gè)業(yè)務(wù)部門和單人辦公室有2人來訪，則4層總?cè)藬?shù)為72人。

(2)按建筑面積核算。建筑中的設(shè)備用房和儲(chǔ)物間均按照規(guī)范設(shè)置有防火門與辦公區(qū)域分隔，去除這些設(shè)備用房和儲(chǔ)物間的建筑面積后，辦公區(qū)域每層建筑面積約為900m2。按9m2/人核算，3層、4層總?cè)藬?shù)各為100人。

(3)總?cè)藬?shù)確定。按額定工位和建筑面積核算，3層總?cè)藬?shù)2種核算方式均為100人；4層人數(shù)分別為72人和100人，存在較大差異，按最不利原則取值，4層總?cè)藬?shù)取100人。由于本次改造為3層和4層的局部改造，不涉及建筑的其他區(qū)域，因此其他區(qū)域的具體使用功能及人員情況不明確。但是，在考慮火災(zāi)情況下的建筑整體疏散時(shí)，其他區(qū)域的人員對于整體疏散的能力存在較大影響。因此，需要對其他層的人員數(shù)量情況進(jìn)行估算。改造區(qū)域建筑的8層為設(shè)備用房，平時(shí)無人，只有在進(jìn)行設(shè)備維修、保養(yǎng)等工作時(shí)才會(huì)有人員進(jìn)入，故按照每個(gè)維保班次2名人員核算。首層的房間具有直接對外的安全出口，不通過樓梯間的出口向外疏散，因此首層的人數(shù)不計(jì)入疏散模擬的總?cè)藬?shù)范圍內(nèi)。其他各層按建筑面積估算，取每層100人。因此，改造區(qū)域所在建筑的總?cè)藬?shù)為602人。

2.2 疏散寬度核算

按照GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(2018年版)第5.5.18的規(guī)定，高層公共建筑內(nèi)樓梯間的首層疏散門、首層疏散外門、疏散走道和疏散樓梯的最小凈寬度1.2m，改造區(qū)域建筑疏散樓梯的凈寬度為1.15m，前室門凈寬度為0.8m，不滿足規(guī)范對于最小凈寬度的要求。

2.3 疏散時(shí)間核算

參照GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(2018年版)給出的計(jì)算方式，人員從一、二級耐火等級建筑疏散至安全區(qū)域(本文為疏散至樓梯間前室)的時(shí)間為不大于2min，每股人流需要0.55m，每股人流通過能力為43人/min。當(dāng)前室門寬為1.2m時(shí)，2個(gè)出口共4股人流，則疏散時(shí)間為34.8s；當(dāng)前室門寬為0.8m時(shí)，2個(gè)出口共2股人流，則疏散時(shí)間為69.6s。由于前室2種出口寬度下可供通行的人流股數(shù)相差一倍，計(jì)算得到的所需疏散時(shí)間相差也是一倍。

3 安全疏散設(shè)計(jì)改造難點(diǎn)

按照一般消防設(shè)計(jì)審查要求，既有建筑改造時(shí)應(yīng)當(dāng)遵循現(xiàn)行的消防設(shè)計(jì)規(guī)范。根據(jù)改造區(qū)域所在建筑原設(shè)計(jì)圖紙，該建筑消防設(shè)計(jì)于2005年8月，至今已有十幾年，期間建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范進(jìn)行了多次修訂，該建筑已不符合現(xiàn)行的消防設(shè)計(jì)規(guī)范。經(jīng)分析該辦公建筑改造時(shí)面臨著安全疏散的難題有3點(diǎn)：一是不符合現(xiàn)行規(guī)范要求的疏散樓梯及其前室屬于建筑的公共部分，不在本次改造區(qū)域的范圍內(nèi)；二是疏散樓梯的改造涉及到建筑結(jié)構(gòu)的變動(dòng)，在不對建筑進(jìn)行拆改的情況下無法對疏散樓梯進(jìn)行改造；三是如加設(shè)符合要求的室外疏散樓梯，會(huì)對建筑的整體風(fēng)貌產(chǎn)生巨大影響。

4 人員疏散數(shù)值模擬分析

為解決既有建筑改造時(shí)面臨的難題，許多省市出臺(tái)了有關(guān)既有建筑改造工程消防設(shè)計(jì)指南性文件，其中明確改造工程保留的疏散樓梯在滿足一定條件的情況下，可以維持不變，這為既有建筑改造提供了可行路徑。但是，不符合規(guī)范要求的樓梯間寬度和前室門寬會(huì)影響緊急情況下人員安全疏散的能力，需要根據(jù)受影響程度，改善安全疏散條件或采取其他補(bǔ)償措施。因此，需要綜合考慮人員疏散行為等因素，深入分析出口寬度對人員疏散能力的影響，提出相應(yīng)措施，以保障建筑改造后的消防安全水平。

4.1 人員疏散分析模型

該既有辦公建筑改造項(xiàng)目僅涉及3層和4層，其中1-3層層高為5m，4-8層為3.95m，由于首層房間均具有直接對外的安全出口，無需使用樓梯間疏散，因此，在進(jìn)行模型設(shè)置時(shí)，僅考慮2-8層的人員疏散；2層和3層設(shè)置為具有相同功能布局的辦公空間，4-7層設(shè)置為具有相同功能布局的辦公空間。根據(jù)建筑設(shè)計(jì)圖紙建立人員疏散模型，如圖1。

圖1 辦公樓人員疏散模擬分析模型

4.2 人員特性分析

4.2.1 人員類型

根據(jù)前文建筑人員核算，該辦公建筑總?cè)藬?shù)取602人，其中2人為8層的維修保養(yǎng)人員。該建筑為辦公建筑，建筑內(nèi)人員基本上是成年人和部分老年人。因此，將疏散人員類型設(shè)定為老年人占10%，成年男性和成年女性各占45%，見表1。

表1 人員類型

4.2.2 人員體型特征

該改造建筑為普通辦公建筑，辦公人員均為中國成年人。參考GB 10000—1988《中國成年人人體尺寸》的數(shù)據(jù)和實(shí)踐案例，設(shè)定成年男性身高為170cm，肩寬為45cm；成年女性身高為160cm，肩寬為40cm；老年人身高160，肩寬為40cm，見表2。

表2 人員體型特征

4.2.3 人員行走速度

人員的行走速度受人群狀態(tài)、人員心理、通道特點(diǎn)等多種因素的影響，參考注冊消防工程師資格考試輔導(dǎo)教材《消防安全技術(shù)實(shí)務(wù)》(2020年版)[6]，結(jié)合我國人員的特點(diǎn)，確定人員的行走速度取值，見表3。

表3 人員行走速度

4.3 疏散所需時(shí)間

由于樓梯間受條件限制難以改善，因此僅分析不同前室門寬度條件下的人員疏散能力。Pathfinder提供Steering和NFPA 2種行為模式，其中Steering考慮了人員碰撞和路徑選擇等因素的影響，其模擬結(jié)果更接近實(shí)際情況，因此，本文采用Steering行為模式進(jìn)行人員疏散模擬。疏散模擬按照分層獨(dú)立疏散和整樓同時(shí)疏散2種情形進(jìn)行。分層獨(dú)立疏散時(shí)，每層可以獨(dú)立使用全部樓梯間寬度，樓梯間不會(huì)出現(xiàn)擁堵；整樓同時(shí)疏散時(shí)，各層人員同時(shí)進(jìn)入樓梯間時(shí)會(huì)產(chǎn)生擁堵，2種疏散情形下每層人員進(jìn)入前室的時(shí)間會(huì)有所差別。8層設(shè)定僅有從事維保的2個(gè)人，前室門寬對所需的疏散時(shí)間幾乎沒有影響。分層獨(dú)立疏散時(shí)各層疏散至前室所需的時(shí)間，見表4；整樓同時(shí)疏散時(shí)各層疏散至前室所需的時(shí)間，見表5。

表4 分層獨(dú)立疏散時(shí)各層疏散至前室的時(shí)間

表5 整樓同時(shí)疏散時(shí)各層疏散至前室的時(shí)間

從表4可以看出，分層獨(dú)立疏散時(shí)，前室門寬0.8m比前室門寬1.2m疏散至前室所需時(shí)間增長約為60%左右。

從表5可以看出，整樓同時(shí)疏散時(shí)樓梯間出現(xiàn)擁堵，部分人員在進(jìn)入前室之前需要等待較長一段時(shí)間，與分層獨(dú)立疏散相比，各層疏散至前室所需時(shí)間均有所增加；整樓疏散時(shí)前室門寬0.8m比前室門寬1.2m疏散至前室所需時(shí)間增長較大，其中3層疏散時(shí)間增長2倍以上。

5 結(jié)論

對該既有辦公建筑改造中消防設(shè)計(jì)涉及的人數(shù)、寬度、疏散時(shí)間等進(jìn)行核算，使用Pathfinder疏散模擬軟件進(jìn)行模擬分析，根據(jù)不同安全出口寬度設(shè)置疏散場景進(jìn)行模擬分析，得出以下結(jié)論：

(1)前室門寬0.8m比1.2m顯著加大了人員疏散至前室所需時(shí)間。

(2)整樓疏散時(shí)樓梯間出現(xiàn)擁擠，比分層獨(dú)立疏散相比，各層疏散至前室所需時(shí)間增長較大。

(3)模擬得到的疏散所需時(shí)間比依照規(guī)范計(jì)算得到的時(shí)間要大得多。