大空間建筑性能化防火設(shè)計(jì)研究

張振林

（青島市消防救援支隊(duì)，山東 青島 266071）

0 引言

在城市化的進(jìn)程中，建筑物為居民提供了生活、辦公、娛樂和商業(yè)的場所[1]。為滿足人類日益增長的生活質(zhì)量需求，具有創(chuàng)新理念和復(fù)雜結(jié)構(gòu)跨度的建筑層出不窮，建筑物也向大空間大跨度發(fā)展，例如超級(jí)商超、大型博物館、火車站和超大空間圖書館等，這些建筑物中具有人流密集、建筑物高度和體量大、易燃物較多和火災(zāi)荷載密度大的特點(diǎn)，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，會(huì)嚴(yán)重破壞人類的生活和生產(chǎn)，因此對建筑物的防火設(shè)計(jì)也提出了更嚴(yán)格的要求[2]。研究大空間建筑性能化防火設(shè)計(jì)是減少火災(zāi)和保障消防安全的必要條件，對降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)具有重要的作用。

1 工程概況

山東省青島市某大型商業(yè)綜合體一期工程位于市中心商業(yè)圈，為多層單體建筑，建筑面積為81000 m2，建筑總高度為25 m，是集商業(yè)、娛樂、餐飲為一體的大型零售服務(wù)中心。建筑共有4 層，首層層高為6 m，主要為服飾、電子數(shù)碼產(chǎn)品和家用電器產(chǎn)品的商鋪，2 層~3 層層高為5 m，主要為服飾、文創(chuàng)零售、游樂場、化妝品、玩具店和小型電影院等商鋪；四樓層高為6 m，主要為餐飲商鋪，建筑頂棚為玻璃頂棚。建筑防火等級(jí)為一級(jí)，二樓~四樓距離安全疏散樓梯的距離不超過35 m。

2 大空間建筑的性能化防火設(shè)計(jì)火災(zāi)煙霧流體計(jì)算方程

大空間建筑在發(fā)生火災(zāi)的情況下，物體燃燒釋放的煙霧以及熱量，其運(yùn)動(dòng)形式在統(tǒng)計(jì)學(xué)特征和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征上遵循湍流流動(dòng)，認(rèn)為其流體在任意時(shí)刻都符合連續(xù)性偏微方程，如公式（1）所示[3]。

式中：ρ為煙霧氣體的密度；t為運(yùn)動(dòng)時(shí)間；x、y、z為空間三維坐標(biāo)；u為x軸方向的速度分量，v為y軸方向的速度分量，w為z軸方向的速度分量。

煙霧氣流湍流的動(dòng)量方程如公式（2）~公式（4）所示[4]。

式中：μ為煙霧氣體在疏散過程中的動(dòng)力黏度；p為煙霧氣體的流體壓力；Su、Sv、Sw為動(dòng)量廣義分量。

煙霧氣流湍流的組分方程如公式（5）所示。

式中：φs為煙霧化學(xué)組分s的體積釋放系數(shù)；Ds為煙霧化學(xué)組分s的擴(kuò)散系數(shù)；Ss為煙霧化學(xué)組分s的反應(yīng)速度。

煙霧氣流湍流的能量方程如公式（6）所示[5]。

式中：T為燃燒釋放溫度；k為煙霧湍流的傳熱系數(shù)；cp為煙霧化學(xué)組分s的反映速度。

3 大空間建筑的性能化防火設(shè)計(jì)火災(zāi)荷載密度計(jì)算

對研究商場內(nèi)不同類型商鋪的面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1。從表1 中可以看出，商場內(nèi)服裝店的分布數(shù)量最多，為457 個(gè)；鞋帽店為215 個(gè)；分布最少的店鋪為書店，3 個(gè)。從店鋪總面積來看，服裝店的店鋪面積最大，面積為22498.11m2；其次為餐飲店，面積為17656.60m2；店鋪面積最小的為書店，面積為228m2。由此可知，服裝店、鞋帽店、餐飲店占據(jù)商場的主體，在服裝店和鞋帽店內(nèi)物品主要以羊毛、織物、化纖等材料制成的衣物、鞋子是重要的可燃物和易燃物，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，大量的可燃物延長了火災(zāi)時(shí)間[6]；在餐飲店中布置桌子、椅子以及桌布等，廚房內(nèi)還有易燃易爆的天然氣，為火災(zāi)的發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[7]。

表1 商場不同店鋪類型的面積統(tǒng)計(jì)分析

對研究商場內(nèi)不同類型商鋪的火災(zāi)荷載密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表2。從表2 中可以看出，商場內(nèi)書店的火災(zāi)荷載密度平均值最大，大小為668.70 MJ/m2，其次為服裝店，火災(zāi)荷載密度平均值為625.52 MJ/m2，首飾店的火災(zāi)荷載密度平均值也大于600 MJ/m2，火災(zāi)荷載密度平均值最小的為玩具店，大小為336.64 MJ/m2。從火災(zāi)荷載密度90%分位值角度看，最大值發(fā)生在餐飲店，火災(zāi)荷載密度90%分位值為896.65 MJ/m2，其次，大于600 MJ/m2的店鋪有服裝店、首飾店、化妝品店、鞋帽店、玩具店和書店，災(zāi)荷載密度90%分位值最小發(fā)生在食品店，大小為444.93 MJ/m2。

表2 商場不同店鋪類型的火災(zāi)荷載密度統(tǒng)計(jì)分析

3 基于火災(zāi)發(fā)展過程數(shù)值模擬的大空間建筑性能化防火設(shè)計(jì)

為了更好地進(jìn)行大空間建筑性能化設(shè)計(jì)，該文通過火災(zāi)動(dòng)態(tài)有限元模擬軟件FDS 建立分析模型，求解火災(zāi)條件下建筑物煙霧溫度場和速度場，研究建筑防火設(shè)計(jì)時(shí)人員疏散時(shí)間和疏散速度參數(shù)隨火災(zāi)動(dòng)態(tài)發(fā)展的基本規(guī)律[8]。模擬時(shí)，將火災(zāi)的燃燒時(shí)間設(shè)置為600s，火災(zāi)增長系數(shù)為0.04689kW/s2，火源功率為3MW，火災(zāi)荷載密度的取值見表2。按最不利工況考慮，假設(shè)的商場火災(zāi)發(fā)生時(shí)為商場周末高峰營業(yè)時(shí)間，人員在大樓內(nèi)隨機(jī)分布，火災(zāi)發(fā)生位置為首層服飾店起火，同時(shí)商場的噴淋滅火系統(tǒng)發(fā)生故障，無法提供噴水。

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，商場內(nèi)各樓層不同時(shí)間人員疏散密度模擬計(jì)算結(jié)果。從圖1 中可以看出，在火災(zāi)發(fā)生初期，商場內(nèi)各樓層的人員注意到火災(zāi)發(fā)生，并迅速向疏散通道內(nèi)移動(dòng)，其中第一層的人員由于存在許多的安全出口，火災(zāi)發(fā)生在一樓，注意到火災(zāi)發(fā)生比較及時(shí)且不存在上下樓梯的情況，因此人員疏散密度快速減少，當(dāng)?shù)诙拥降谒膶拥娜藛T發(fā)現(xiàn)火災(zāi)時(shí)存在一定的延時(shí)，同時(shí)人員疏散需要向樓梯口移動(dòng)需要一定的時(shí)間，因此人員疏散密度相對較慢；當(dāng)火災(zāi)處于上升期時(shí)（t=200s），第一層人員基本到達(dá)安全出口，第二層到第四層的人員向安全樓梯聚集，同一樓層內(nèi)的人員分布進(jìn)一步收縮，在樓梯口的人員密度快速增加；當(dāng)火災(zāi)處于高峰期（t=450s），第一層人員已基本疏散完畢，第二層到第四層的人員基本分布在安全樓梯口，樓層內(nèi)其他位置已無人員分布，表明人員已進(jìn)入疏散末尾階段。

圖1 商場內(nèi)各樓層不同時(shí)間人員疏散密度模擬計(jì)算結(jié)果

同樣地，對火災(zāi)發(fā)生時(shí)商場內(nèi)各樓層不同時(shí)間人員疏散速度進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果如圖2 所示。從圖2 中可以看出，人員的疏散速度與人員的疏散密度具有明顯的相關(guān)性。在火災(zāi)發(fā)生初期（t=20s），由于人員在商場各個(gè)樓層內(nèi)均勻分布，個(gè)體之間具有較大的空間，因此人員的疏散速度較大，達(dá)到0.85m/s；當(dāng)火災(zāi)處于上升期時(shí)（t=200s），第一層人員基本疏散完畢，第二層~第四層人員不斷地向樓梯口集聚，導(dǎo)致人員密度迅速增加，個(gè)人移動(dòng)困難，因此人員疏散速度迅速降低，疏散速度約為0.36m/s；在火災(zāi)發(fā)生高峰期（t=450s），第一層人員已基本疏散完畢，第二層到第四層的人員基本分布在安全樓梯口，疏散速度又略有提升。

圖2 商場內(nèi)各樓層不同時(shí)間人員疏散速度模擬計(jì)算結(jié)果

4 基于火災(zāi)發(fā)展過程的大空間建筑性能化防火演練結(jié)果對比

基于大空間建筑性能化防火設(shè)計(jì)火災(zāi)發(fā)展過程數(shù)值模擬結(jié)果，開展現(xiàn)場火災(zāi)演練，現(xiàn)場演練的人員共計(jì)1000 人，首層分布500 人，第二層分布200 人，第三層分布200 人，第四層分布100 人，現(xiàn)場演練的人員疏散密度采用高分辨率激光掃描雷達(dá)進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測，商場內(nèi)各樓層不同時(shí)間人員疏散密度火災(zāi)演練結(jié)果如圖3 和表3 所示。從圖3 可以看出，商場不同樓層的人員疏散密度表現(xiàn)為大致相同的變化趨勢，但是數(shù)值卻有明顯的差別?？傮w來說，商場各個(gè)樓層的人員疏散密度在時(shí)間上具有顯著的分段效應(yīng)，分別為0s~20s、20s~200s、200s~300s 和300s~450s，隨著時(shí)間的增加，各樓層人員疏散密度先增加后分段變小，在分段時(shí)間內(nèi)，商場各個(gè)樓層的人員疏散密度劇烈波動(dòng)，這是因?yàn)樵诨馂?zāi)發(fā)生條件下，人員表現(xiàn)為驚慌失措，人員的密集程度具有明顯的隨機(jī)性。隨著樓層增加，在50s~300s 商場各樓層的人員疏散密度不斷增加，在300s 后商場各個(gè)樓層的人員基本疏散完畢。

圖3 商場內(nèi)各樓層不同時(shí)間人員疏散密度火災(zāi)演練結(jié)果

表3 商場內(nèi)各樓層不同時(shí)間人員疏散密度變化情況

5 結(jié)論

以山東省青島市某大型商業(yè)綜合體一期工程為研究對象，在分析性能化防火設(shè)計(jì)火災(zāi)煙霧流體計(jì)算方程的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬的手段，對火災(zāi)發(fā)生時(shí)最不利工況的人員疏散密度和疏散速度進(jìn)行求解，得到以下2 個(gè)結(jié)論：1）對研究商場內(nèi)不同類型商鋪的火災(zāi)荷載密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)表明，商場內(nèi)書店的火災(zāi)荷載密度平均值最大（668.70 MJ/m2），其次為服裝店（625.52 MJ/m2），最小為玩具店（336.64 MJ/m2）?；馂?zāi)荷載密度最大值發(fā)生在餐飲店（896.65 MJ/m2），其次，大于600 MJ/m2的店鋪有服裝店、首飾店、化妝品店、鞋帽店、玩具店和書店，火災(zāi)荷載密度最小值發(fā)生在食品店，大小為444.93 MJ/m2。2）在火災(zāi)的不同發(fā)展階段，人員疏散密度速度明顯不同，在初期首層人員疏散較快，火災(zāi)上升期上層人員向樓梯口集聚，在火災(zāi)高峰期內(nèi)基本疏散；人員的疏散速度與人員的疏散密度具有明顯的相關(guān)性，火災(zāi)初期疏散速度較大，火災(zāi)上升期和高峰期隨著人員密度的增加速度有所下降。