某歷史文化街區(qū)人員火災(zāi)安全疏散時(shí)間計(jì)算及研究

王振鑫 王珺

摘 要：歷史文化街區(qū)內(nèi)建筑建設(shè)年代久遠(yuǎn)，建設(shè)時(shí)采用木質(zhì)等可燃材料多，耐火等級不高；建設(shè)年代無規(guī)劃，且隨著時(shí)間的推移，防火間距不足、經(jīng)營用途復(fù)雜多樣、火災(zāi)荷載大、致災(zāi)因素多、消防設(shè)施匱乏的問題日益突出，一旦發(fā)生火災(zāi)，將嚴(yán)重影響人員安全疏散和火災(zāi)撲救。根據(jù)多年成熟研究成果，發(fā)生火災(zāi)后，現(xiàn)場人員能否快速有效的疏散逃生是減少火災(zāi)人員傷亡的關(guān)鍵因素。結(jié)合歷史文化街區(qū)的實(shí)際開發(fā)、保護(hù)，針對不同現(xiàn)狀，采用疏散模擬軟件分析計(jì)算，并考慮最不利情況下的報(bào)警和反應(yīng)時(shí)間，得出從不同防火區(qū)域、單元安全疏散的時(shí)間，以及從整個(gè)街區(qū)安全疏散的時(shí)間。并增加一系列有針對性地疏散引導(dǎo)設(shè)施或措施，縮短人員的疏散時(shí)間，為歷史文化街區(qū)的開發(fā)提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：歷史文化街區(qū)；安全疏散；疏散時(shí)間；數(shù)值模擬；建議對策

中圖分類號：TU998.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2023）02-0125-04

0 引言

文物是人類社會(huì)歷史發(fā)展的沉淀，是人類寶貴的文化遺產(chǎn)[1，2]。為實(shí)現(xiàn)對歷史文化街區(qū)內(nèi)文物建筑價(jià)值的延續(xù)和提升，既要兼顧文物建筑的修繕保護(hù)，又要引入更具活力的產(chǎn)業(yè)業(yè)態(tài)，促進(jìn)文商旅融合發(fā)展[3]。但歷史文化街區(qū)內(nèi)建筑消防設(shè)施欠缺，使用風(fēng)險(xiǎn)隱患十分突出。在保護(hù)街區(qū)原貌的前提下，通過改造提升使街區(qū)具備基本消防安全，確保一旦發(fā)生火災(zāi)，街區(qū)內(nèi)人員在短時(shí)間內(nèi)能夠成功逃生，是當(dāng)前迫切需要解決的問題[4]。本研究針對歷史文化街區(qū)現(xiàn)狀模擬分析人員緊急狀態(tài)下疏散情況，并根據(jù)模擬分析結(jié)果提出建議，以提升緊急狀態(tài)下人員的疏散能力。

1 工程概況

某歷史文化街區(qū)始建于明洪武三十一年（1398），于明建文二年（1401年）投入使用，后歷經(jīng)明、清兩代擴(kuò)充建設(shè)，為北部沿海最重要的海防守御門戶之一[5]。該街區(qū)整體為省級文物保護(hù)單位，距今600余年，總建筑面積為5.4萬m2。整個(gè)街區(qū)有文物建筑本體院落34處，歷史建筑院落40處，一般歷史院落132處，布置情況如圖1所示。本次研究針對該歷史文化街區(qū)內(nèi)呈十字形交叉的兩條大街，如圖2所示。此區(qū)域總占地面積約2.25萬m2，總計(jì)64棟建筑物，總建筑面積約1.0374萬m2，每棟建筑面積為38～580m2，層數(shù)大都為一層。該研究區(qū)域內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)形式為傳統(tǒng)單層磚木結(jié)構(gòu)，建筑墻體采用火燒磚砌筑，采用不外露木結(jié)構(gòu)做為支撐柱，采用裸露木結(jié)構(gòu)做為屋頂承重構(gòu)架，屋頂木承重構(gòu)架上鋪設(shè)蘆葦、高粱桿等，再以麥秸泥壓頂后鋪瓦。依據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[6]，本街區(qū)內(nèi)建筑為四級耐火等級建筑物。

結(jié)合該研究區(qū)域建筑分布特點(diǎn)，將該研究區(qū)域劃分為4個(gè)獨(dú)立的防火控制區(qū)，如圖3所示。每個(gè)防火控制區(qū)之間街巷寬度均不小于 4 m。每個(gè)防火控制區(qū)又劃分成多個(gè)獨(dú)立的防火組團(tuán)，各防火組團(tuán)內(nèi)建筑物的占地面積總和不超過3 000 m2。結(jié)合該研究區(qū)域特點(diǎn)，事前獲取文物保護(hù)部門批準(zhǔn)，將該區(qū)域劃分成9個(gè)防火組團(tuán)，如圖4所示。每個(gè)防火控制區(qū)之間、組團(tuán)之間等不同使用功能的場所進(jìn)行防火分隔，組團(tuán)間及組團(tuán)內(nèi)改造的歷史建筑加強(qiáng)措施。

由于該研究街區(qū)內(nèi)存在數(shù)量眾多的文物建筑，所以參照《文物建筑防火設(shè)計(jì)導(dǎo)則（試行）》，街區(qū)內(nèi)設(shè)置室外消火栓，室外消火栓的間距不大于60 m，保護(hù)半徑不超過80 m。同時(shí)沿街布置消防軟管卷盤，相鄰消防軟管卷盤的間距不大于50 m。每棟文物建筑內(nèi)設(shè)置局部應(yīng)用噴水滅火系統(tǒng)，設(shè)計(jì)火災(zāi)危險(xiǎn)等級為中危險(xiǎn)I級。街區(qū)內(nèi)消防用水取自市政給水管網(wǎng)，市政給水壓力不小于0.45 MPa，管徑不小于300 mm。街區(qū)內(nèi)設(shè)置消防控制室，按規(guī)范要求設(shè)置應(yīng)急照明、疏散指示標(biāo)志系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。內(nèi)部裝修使用難燃或不燃材料。

2 研究內(nèi)容

本研究從該歷史文化街區(qū)現(xiàn)狀出發(fā)，參照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及國內(nèi)外成熟研究方法，對街區(qū)內(nèi)的人員疏散行為及時(shí)間進(jìn)行分析研究。通過采用PathFinder軟件模擬分析，同時(shí)考慮不同場景的最不利因素，從而得出從不同防火組團(tuán)安全疏散所需的時(shí)間和整個(gè)街區(qū)所有人員安全疏散所需的時(shí)間，并采取有針對性的疏散引導(dǎo)方案，提升人員疏散效率，減少最不利情況下人員疏散所需時(shí)間，提升歷史文化街區(qū)的本質(zhì)消防安全。

3 研究方案

3.1 分析方法

采用美國ThunderHead Engineering公司研發(fā)的人員緊急疏散逃生評估系統(tǒng)PathFinder 2022，模擬分析該歷史文化街區(qū)內(nèi)人員整體疏散的情況，計(jì)算出人員從各防火組團(tuán)緊急疏散至安全區(qū)域的時(shí)間和路徑，計(jì)算結(jié)果為分析和改善各防火組團(tuán)內(nèi)人員安全疏散的能力提供依據(jù)和改進(jìn)措施，優(yōu)化提升街區(qū)內(nèi)人員的整體安全疏散能力，確保在發(fā)生火災(zāi)或緊急情況下，人員能從街區(qū)內(nèi)成功疏散至街區(qū)外的安全區(qū)域。

3.2 參數(shù)設(shè)置

3.2.1人數(shù)確定

本研究根據(jù)該歷史文化街區(qū)現(xiàn)狀及各防火組團(tuán)內(nèi)建筑的使用功能，結(jié)合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，按照最不利原則，確定各區(qū)域需要疏散的總?cè)藬?shù)，確保模擬分析切合實(shí)際又留有余量。

依據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB50016-2014）計(jì)算商業(yè)建筑疏散人數(shù)：商店?duì)I業(yè)區(qū)疏散人數(shù)＝各營業(yè)廳建筑面積×疏散人員密度。住宅部分疏散人數(shù)主要依據(jù)設(shè)計(jì)單位和業(yè)主單位提供資料同時(shí)結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況確定。

綜上所述，依據(jù)現(xiàn)行國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及借鑒同類成熟經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)該歷史文化街區(qū)現(xiàn)狀及各防火組團(tuán)內(nèi)建筑的使用功能，按照最不利原則，選擇最大的人員荷載，確定疏散人數(shù)，計(jì)算其極限情況下的容納人數(shù)，確保疏散人數(shù)的統(tǒng)計(jì)具有一定的安全余量。疏散人員數(shù)量統(tǒng)計(jì)詳見表1。

3.2.2 人員疏散速度

參照美國消防工程師協(xié)會(huì)《消防工程手冊》中關(guān)于疏散的相關(guān)參數(shù)，確定人員的疏散速度。當(dāng)人員密度在 0.54～3.8 人/m2之間時(shí)，人員疏散速度為 k（1－0.266D），其中，D為人員密度，人/m2；k為常數(shù)，當(dāng)位于走道、安全出口、坡道等平緩疏散路徑時(shí)k=1.4，當(dāng)位于樓梯類疏散路徑時(shí)，根據(jù)樓梯梯蹬高度和寬度不同，k從取值范圍1.00～1.23取值。

3.2.3安全出口的計(jì)算寬度

沿用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)做法，參照美國消防工程師協(xié)會(huì)的《消防工程手冊》提出的通道寬度計(jì)算折減方法，得到各防火組團(tuán)內(nèi)不同使用功能場所安全出口的有效疏散寬度，作為建立三維疏散模型的初始邊界條件。

3.3 必需疏散時(shí)間

人員疏散所需時(shí)間綜合考慮報(bào)警時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間和疏散行走時(shí)間3個(gè)部分?？紤]疏散過程的不利因素影響，有必要對行走時(shí)間進(jìn)行適度安全補(bǔ)償，本研究的人員疏散安全系數(shù)按1.5考慮，即人員疏散的必需疏散時(shí)間 TRSET＝報(bào)警時(shí)間TA＋響應(yīng)時(shí)間TR＋1.5×軟件模擬計(jì)算所得的時(shí)間TM。街區(qū)的各種工況下，各模擬分析區(qū)域內(nèi)均設(shè)置有自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，房間建筑面積不大，人員能夠在較短時(shí)間感知火災(zāi)的發(fā)生，報(bào)警系統(tǒng)提示的重要性不明顯，故本次研究報(bào)警時(shí)間取60 s。

人員在不同場所對火災(zāi)反應(yīng)的時(shí)間不同，隨著場所內(nèi)報(bào)警系統(tǒng)的靈敏度的升高，人員響應(yīng)火災(zāi)，做出反應(yīng)所需的時(shí)間縮短。按照慣例參照美國消防安全工程常用的各種用途建筑物在不同火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)下的人員響應(yīng)時(shí)間，該街區(qū)內(nèi)功能主要為商業(yè)營業(yè)廳，少量住宅，街區(qū)內(nèi)設(shè)有廣播類簡易火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)?？紤]街區(qū)內(nèi)目標(biāo)疏散人群可能對建筑內(nèi)的報(bào)警系統(tǒng)和疏散設(shè)施不熟悉，本研究將人員疏散的響應(yīng)時(shí)間確定為 120 s。

3.4 模擬計(jì)算分析

本研究采用美國PathFinder模擬計(jì)算軟件進(jìn)行模擬疏散和計(jì)算分析，根據(jù)各項(xiàng)參數(shù)建立三維網(wǎng)絡(luò)模型，高效仿真模擬人員在緊急狀況下的疏散路徑和疏散行為，分析計(jì)算疏散時(shí)間，為實(shí)際工程的安全改善和提升提供依據(jù)和指導(dǎo)。該工程軟件的高還原度和可信度，被廣泛接受用于各類復(fù)雜、疑難、特殊建設(shè)工程的疏散模擬計(jì)算。結(jié)合以上分析和各參數(shù)指標(biāo)的確立，建立出該歷史文化街區(qū)整體疏散的三維模型，如圖5所示。

將各疏散場景條件帶入建立的疏散模型中，得到不同場景下各組團(tuán)及整個(gè)街區(qū)的必需疏散時(shí)間。街區(qū)內(nèi)人員的疏散過程如圖6所示。

3.5 小結(jié)

通過采用疏散模擬分析軟件對該歷史文化街區(qū)內(nèi)各防火組團(tuán)內(nèi)人員疏散過程的模擬和計(jì)算分析，計(jì)算得到人員從不同防火組團(tuán)疏散到安全區(qū)域的時(shí)間，進(jìn)而得到該街區(qū)整體安全疏散時(shí)間。結(jié)果匯總見表2。

4 結(jié)語

通過此次研究對該歷史文化街區(qū)內(nèi)人員的疏散模擬計(jì)算和分析，人員從整個(gè)街區(qū)安全疏散的必需疏散時(shí)間約為 5.4 min。為進(jìn)一步縮短人員疏散時(shí)間，提升整個(gè)街區(qū)消防安全水平，提出以下3點(diǎn)建議和改善措施。

第一，在街區(qū)內(nèi)設(shè)置消防應(yīng)急廣播系統(tǒng)，在緊急情況下通報(bào)火情，指揮人員安全疏散，縮短人員疏散相應(yīng)時(shí)間。

第二，街區(qū)各巷道內(nèi)進(jìn)一步增設(shè)一定數(shù)量的疏散指示標(biāo)志或疏散引導(dǎo)設(shè)施，引導(dǎo)游客迅速疏散，快速逃離火場。

第三，街區(qū)內(nèi)各巷道增設(shè)應(yīng)急照明設(shè)施，提升夜間疏散效率，縮短夜間整體街區(qū)的人員疏散時(shí)間。

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