基于FDS的體育館消防設(shè)計(jì)安全性仿真模擬驗(yàn)證分析

陳 晨，郭 聳

(1.江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空飛行學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212134；2.南京理工大學(xué) 安全工程系，江蘇 南京 210094)

0 引言

體育館屬于大型建筑，由于其結(jié)構(gòu)體系及使用功能的特殊性，消防設(shè)計(jì)中常常將比賽大廳、觀眾區(qū)等劃分成一個(gè)防火分區(qū)，這種劃分方式則會(huì)導(dǎo)致防火分區(qū)面積超過(guò)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中的標(biāo)準(zhǔn)要求[1-2]。本文研究的建筑對(duì)象其建筑防火分區(qū)面積超過(guò)了規(guī)范要求，但根據(jù)規(guī)范要求對(duì)于此類建筑的防火分區(qū)面積可適當(dāng)放寬，放寬后其消防安全性能否得到保證，則需要通過(guò)性能化設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行論證。為佐證其火災(zāi)安全性，選取該區(qū)域作為研究對(duì)象，研究同類情況下的危險(xiǎn)區(qū)域的火災(zāi)危險(xiǎn)性。通過(guò)設(shè)置不同的火災(zāi)場(chǎng)景，模擬分析計(jì)算研判人員在火災(zāi)條件下的安全性是否滿足要求。

1 工程概況及消防設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

1.1 工程概況

某體育館建筑面積約12萬(wàn)m2，建筑主體采用鋼筋砼構(gòu)架體系，頂棚采用鋼網(wǎng)架體系。鋼結(jié)構(gòu)屋頂最高點(diǎn)標(biāo)高為32.50 m，大空間結(jié)構(gòu)跨度77.10 m，混凝土固定看臺(tái)采用框架結(jié)構(gòu)，在3.400～16.510 m之間設(shè)置；屋面鋼結(jié)構(gòu)采用空間桁架與網(wǎng)架混合體系。

體育館建筑首層為場(chǎng)地層(+0.000層)，功能主要包括競(jìng)賽場(chǎng)地、競(jìng)賽功能用房。中心為57m×40m的比賽場(chǎng)地，各種附屬用房布置在比賽場(chǎng)地周圍。二層(5.400層)為觀眾入口層。觀眾服務(wù)及附屬用房分布在觀眾看臺(tái)的下部，其余均作為觀眾集散及交通聯(lián)系空間使用。夾層(9.600層)為聲控室、燈控室、計(jì)時(shí)記分控制機(jī)房等。整個(gè)建筑耐火等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為50年。

該體育館由于結(jié)構(gòu)體系及使用功能的特殊性，比賽大廳、觀眾區(qū)等劃分成一個(gè)防火分區(qū)，面積約7 100 m2。由《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》可知，當(dāng)建筑耐火等級(jí)為一、二級(jí)時(shí)，且設(shè)置自動(dòng)滅火系統(tǒng)時(shí)，防火分區(qū)最大允許面積為5 000 m2。本建筑防火分區(qū)面積超過(guò)了這一規(guī)定，但是《規(guī)范》中又有說(shuō)明：“體育館、劇院的觀眾廳，展覽建筑的展廳，其防火分區(qū)最大允許面積建筑面積可適當(dāng)放寬”。

本建筑防火分區(qū)面積擴(kuò)大至約7 100 m2，其消防安全性能否得到保證，需要通過(guò)性能化設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行論證。

2 危險(xiǎn)源辨識(shí)與火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)定

2.1 危險(xiǎn)源辨識(shí)

危險(xiǎn)源辨識(shí)是對(duì)辨識(shí)對(duì)象中存在的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行辨識(shí)，是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制的基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)已經(jīng)建好的類似體育館實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、參考設(shè)計(jì)圖紙、文獻(xiàn)調(diào)研和火災(zāi)事故案例對(duì)研究對(duì)象存在的危險(xiǎn)源進(jìn)行辨識(shí)，分析可能導(dǎo)致火災(zāi)事故的缺陷和隱患，為火災(zāi)場(chǎng)景的設(shè)定提供依據(jù)[3-5]。

依據(jù)設(shè)計(jì)方提供的資料，并對(duì)國(guó)內(nèi)類似游泳館進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，得知該館危險(xiǎn)源存在場(chǎng)所如下：管理辦公場(chǎng)所(管委會(huì)、組委會(huì)、辦公、數(shù)據(jù)處理)、機(jī)房(空調(diào)機(jī)房、網(wǎng)絡(luò)機(jī)房)、變配電室、休息室(運(yùn)動(dòng)員休息室、更衣室、記者休息室、貴賓休息室、裁判休息室、觀眾休息廳)、庫(kù)房、會(huì)議場(chǎng)所(會(huì)議室、新聞發(fā)布中心)、控制室(燈光、音響、顯示屏、安防、消防控制室)、活動(dòng)座椅區(qū)。根據(jù)調(diào)研結(jié)果，得到體育館中各典型場(chǎng)所可燃物分布，結(jié)果如表1所示。

2.2 火災(zāi)場(chǎng)景的設(shè)定

為佐證該體育館火災(zāi)安全性，本文設(shè)置不同的火災(zāi)場(chǎng)景，分析研究發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員可用安全疏散時(shí)間ASET(available safe egress time)。本文針對(duì)防火分區(qū)面積超規(guī)問(wèn)題，分別在觀眾座椅區(qū)和首層賽場(chǎng)中心部位設(shè)置了3個(gè)火災(zāi)場(chǎng)景，以考察該位置發(fā)生火災(zāi)時(shí)，建筑內(nèi)火災(zāi)及煙氣蔓延規(guī)律，同時(shí)分析人員逃生的可能性，結(jié)果如表2所示。

表2 火災(zāi)場(chǎng)景

2.2.1 火災(zāi)場(chǎng)景F-1

火災(zāi)場(chǎng)景F-1設(shè)定活動(dòng)座椅區(qū)著火，模擬中的具體參數(shù)設(shè)定如表3所示。

表3 場(chǎng)景F-1模擬計(jì)算參數(shù)

2.2.2 火災(zāi)場(chǎng)景F-2

火災(zāi)場(chǎng)景F-2設(shè)定活動(dòng)座椅區(qū)著火，模擬中的具體參數(shù)設(shè)定如表4所示。

表4 場(chǎng)景F-2模擬計(jì)算參數(shù)

2.2.3 火災(zāi)場(chǎng)景F-3

火災(zāi)場(chǎng)景F-3設(shè)定比賽大廳中央著火，模擬中的具體參數(shù)設(shè)定如表5所示。

表5 場(chǎng)景F-3模擬計(jì)算參數(shù)

3 消防設(shè)計(jì)安全驗(yàn)證定量模擬分析

3.1 物理模型建立

場(chǎng)模擬方法優(yōu)點(diǎn)在于模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確，網(wǎng)格是FDS模擬的重要參數(shù)，網(wǎng)格的大小決定了模擬結(jié)果的精度。FDS在模擬計(jì)算時(shí)對(duì)網(wǎng)格內(nèi)的溫度、壓力、速度和化學(xué)成分等參數(shù)進(jìn)行分析。原則上網(wǎng)格劃分的越細(xì)，計(jì)算精度越高，但計(jì)算機(jī)的運(yùn)算量則大大增加，因此研究者需要在模型精度和計(jì)算時(shí)間之間取平衡點(diǎn)[6-8]。

3.2 探測(cè)點(diǎn)位置設(shè)定

為盡可能得出準(zhǔn)確合理的模擬結(jié)果，科學(xué)合理的探測(cè)點(diǎn)的設(shè)置至關(guān)重要，通過(guò)調(diào)研、論證及預(yù)測(cè)分析，將活動(dòng)座椅區(qū)火災(zāi)場(chǎng)景F-1～F-3位置及鋼結(jié)構(gòu)頂棚熱煙氣溫度測(cè)點(diǎn)位置設(shè)定，如圖1。

圖1 火災(zāi)場(chǎng)景位置及煙氣溫度測(cè)點(diǎn)位置

3.3 定量模擬結(jié)果分析

3.3.1 火災(zāi)場(chǎng)景F-1

運(yùn)用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)軟件FDS根據(jù)火災(zāi)場(chǎng)景F-1設(shè)定的物理參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬得到火場(chǎng)橫向截面和縱向截面溫度分布以及橫向截面和縱向截面能見(jiàn)度分布，具體情況見(jiàn)表6與表7。

表6 F-1縱向截面與橫向截面溫度分布

表7 F-1縱向截面與橫向截面能見(jiàn)度分布

由表6可以看出，火災(zāi)發(fā)生后對(duì)應(yīng)防火分區(qū)在著火后1 200 s內(nèi)，整個(gè)體育館內(nèi)的熱煙氣溫度均沒(méi)有超過(guò)60 ℃，頂棚最高處溫度約為40 ℃，這說(shuō)明熱煙氣不會(huì)對(duì)人造成影響。該防火分區(qū)的安全出口測(cè)點(diǎn)的溫度測(cè)量結(jié)果在模擬1 200 s內(nèi)均未達(dá)到危險(xiǎn)值。

火災(zāi)發(fā)生后，煙氣開(kāi)始向頂部蔓延，隨后開(kāi)始沉降、蓄積，在整個(gè)模擬的1200s內(nèi)，整個(gè)空間內(nèi)能見(jiàn)度都大于10 m。由表7可知，各測(cè)點(diǎn)的能見(jiàn)度測(cè)量值一直是30 m左右。鋼結(jié)構(gòu)所處的熱煙氣溫度最高不超過(guò)40 ℃，這對(duì)鋼結(jié)構(gòu)頂棚不會(huì)造成危害。綜上所述，該場(chǎng)景可用安全疏散時(shí)間(ASET)大于1 200 s。

3.2.2 火災(zāi)場(chǎng)景F-2

運(yùn)用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)軟件FDS根據(jù)火災(zāi)場(chǎng)景F-2設(shè)定的物理參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬得到火場(chǎng)橫向截面和縱向截面溫度分布以及橫向截面和縱向截面能見(jiàn)度分布，具體情況見(jiàn)表8與表9。

表8 F-2縱向截面與橫向截面溫度分布

表9 F-2縱向截面與橫向截面能見(jiàn)度分布

由表8可以看出，火災(zāi)發(fā)生后對(duì)應(yīng)防火分區(qū)在著火后1 200 s內(nèi)，整個(gè)體育館內(nèi)的熱煙氣溫度均沒(méi)有超過(guò)60 ℃，最高溫度出現(xiàn)在頂棚處，約為55 ℃，這說(shuō)明熱煙氣不會(huì)對(duì)人體造成影響，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度測(cè)量結(jié)果在模擬1 200 s內(nèi)均未達(dá)到危險(xiǎn)值?；馂?zāi)發(fā)生后，煙氣開(kāi)始向頂部蔓延，隨后開(kāi)始沉降、蓄積，在整個(gè)模擬的1 200 s內(nèi)，整個(gè)空間內(nèi)能見(jiàn)度都大于10 m。表9中數(shù)據(jù)顯示各測(cè)點(diǎn)的能見(jiàn)度測(cè)量值一直是30 m左右。綜上所述，該場(chǎng)景可用安全疏散時(shí)間(ASET)大于1 200 s。

3.2.3 火災(zāi)場(chǎng)景F-3

運(yùn)用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)軟件FDS根據(jù)火災(zāi)場(chǎng)景F-3設(shè)定的物理參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬得到火場(chǎng)橫向截面和縱向截面溫度分布以及橫向截面和縱向截面能見(jiàn)度分布，具體情況見(jiàn)表10與表11。

表10 F-3縱向截面與橫向截面溫度分布

表11 F-3縱向截面與橫向截面能見(jiàn)度分布

由表10模擬數(shù)據(jù)可以看出，由于火源功率較大，加之排煙系統(tǒng)和自動(dòng)滅火系統(tǒng)失效，該場(chǎng)景相對(duì)于火災(zāi)設(shè)定場(chǎng)景1和2來(lái)說(shuō)其空間內(nèi)熱煙氣溫度高很多，其頂棚熱煙溫度達(dá)到了160 ℃?；馂?zāi)發(fā)生后，煙氣開(kāi)始向頂部蔓延，隨后開(kāi)始沉降、蓄積，在整個(gè)模擬的1 200 s內(nèi)，整個(gè)空間內(nèi)能見(jiàn)度都大于10 m。表11數(shù)據(jù)顯示了各測(cè)點(diǎn)的能見(jiàn)度測(cè)量值都沒(méi)達(dá)到危險(xiǎn)臨界值。綜上所述，該場(chǎng)景可用安全疏散時(shí)間(ASET)大于918 s。

4 結(jié)論

針對(duì)該項(xiàng)目消防設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題，從安全需求出發(fā)，運(yùn)用消防工程相關(guān)原理與火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬手段，通過(guò)設(shè)立不同的火災(zāi)場(chǎng)景來(lái)驗(yàn)證消防設(shè)計(jì)的安全可靠性，根據(jù)模擬分析結(jié)果，得出以下結(jié)論和建議。

(1)由于該體育館為高大空間結(jié)構(gòu)，其高大的頂棚提供了較長(zhǎng)的煙氣蓄積時(shí)間，從而使得其煙氣層在短時(shí)間內(nèi)難以下降至危險(xiǎn)高度，提供了充分的人員逃生時(shí)間。經(jīng)模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，體育館的人員可以在有效時(shí)間內(nèi)疏散至安全區(qū)域，火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣和熱量不會(huì)對(duì)人員產(chǎn)生致命影響，因此，其安全性是有保證的。

(2)經(jīng)模擬計(jì)算分析，該體育館第一防火分區(qū)雖然面積較大，但通過(guò)分析論證，其火災(zāi)蔓延和煙氣蔓延均可以得到有效控制，人員可以安全疏散，該建筑的消防安全性是可以得到有效保證。

(3)建筑投入使用后應(yīng)加強(qiáng)對(duì)安全區(qū)域的消防安全控制，建立能有效滿足需求的消防器材庫(kù)，能夠制定落實(shí)消防安全管理措施。