航站樓火災場景下的人員疏散仿真研究

劉明輝,張龍財,徐健平,劉 斌,李祉良

(中國民用航空飛行學院 機場學院,四川 廣漢 618307)

隨著民航業(yè)的發(fā)展,我國民航運輸機場的數(shù)量在逐年增加,《“十四五”民用航空發(fā)展規(guī)劃》指出在2020—2025年,我國會續(xù)建34個機場,新開工建設39個機場,進行67個機場的前期準備工作。機場航站樓作為航空運輸與陸路運輸重要的節(jié)點,具有人流量大、建筑結(jié)構(gòu)復雜、人員疏散困難等特點,消防問題應得到重視[1]。近年來,國內(nèi)外機場航站樓火災事故高達數(shù)十起。航站樓一旦發(fā)生火災,不僅會造成人員傷亡,使航空運輸中斷,還會對社會帶來嚴重的負面影響。所以,機場相關部門為航站樓火災事故制定有效的應急預案十分重要。

國內(nèi)外學者對人員在火災場景下的疏散展開了相關研究。宋洋和姜紅肖[2]對機場航站樓進行火災模擬,分析了航站樓在有無噴淋系統(tǒng)的情況下的煙氣彌漫情況。張立茂等[3]運用Pyrosim與Pathfinder軟件分析地鐵站的人流量容納能力和火源功率容納能力。梁永健和楊建鵬[4]以某大學學生宿舍為例,模擬了火災情況下人員的疏散情況。劉芳等[5]模擬了古建筑不同火災情況下的火災發(fā)展過程。陳永鴻等[6]利用蟻群算法對古建筑群人員疏散的路徑進行了規(guī)劃分析。劉謙等[7]、閆衛(wèi)東等[8]分別對車間與圖書館進行了火災模擬與人員疏散的仿真研究。Watts[9]在1972年運用計算機模擬了航站樓發(fā)生火災對人員疏散的影響。2012年,Mohammed和Alsulaiman[10]將Pyrosim軟件與Pathfinder軟件相結(jié)合,進行火災模擬與人員疏散行為研究。

綜上所述,航站的人流量大,建筑結(jié)構(gòu)獨特,國內(nèi)現(xiàn)階段的航站樓結(jié)構(gòu)多為廊式結(jié)構(gòu),到崗旅客需要通過夾層通道前往到達廳,由于旅客對機場結(jié)構(gòu)不熟悉,如若發(fā)生火災事故極易對人員的生命財產(chǎn)安全造成威脅。目前對航站樓到達通道的研究比較少,因此,基于火災動力學模型(fire dynamics simulator,FDS)建立以蘭州中川國際機場T2航站樓到達廳與夾層通道區(qū)域的火災與疏散模擬模型,全面分析到達通道在不同位置發(fā)生火災時的火災產(chǎn)物對人員疏散的影響,給出疏散方案的改進建議,為機場有關部門制定應急預案提供參考。

1 航站樓火災模擬

1.1 火災燃燒模型

火災燃燒根據(jù)火源熱釋放速率(heat release rate,HRR)的不同發(fā)展規(guī)律,分為穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)兩種類型。本文選取非穩(wěn)態(tài)類型中的t2火作為火源?；鹪礋後尫潘俾实陌l(fā)展分為初期增長、穩(wěn)定燃燒和火勢減弱3個階段[11]。

t2火熱釋放速率表示[12]為

Q=αt2

(1)

式中：Q為火源熱釋放速率;α為火災增長系數(shù);t為火災燃燒的時間。根據(jù)α的不同值,t2火可分為超快速、快速、中速和慢速4種類型[13]。如若火災燃燒的初期增長階段沒有得到有效控制而使火源達到穩(wěn)定燃燒階段,此時的熱釋放速率將趨于平緩,這個穩(wěn)定的值被稱為最大火源功率。

1.2 火災動力學模型(FDS)

火災燃燒可看作流體的運動,質(zhì)量守恒、動量守恒與能量守恒是火災燃燒與煙氣流動的基礎,不同反應物的燃燒均遵循此規(guī)律[14]。

1.2.1 質(zhì)量守恒方程

1.2.2 動量守恒方程

式中：p為壓力;grad為x、y、z3個方向的分量;γ為流體的動力;Su、Sv、Sw為各自的驅(qū)動量在x、y、z方向上延伸的源。

1.2.3 能量守恒方程

式中：c為比熱容;T為溫度;k為傳熱系數(shù);ST為微元體內(nèi)的熱源。

1.3 航站樓火災模型

選取蘭州中川國際機場T2航站樓為研究對象,建立該機場到達廳與夾層的3D模型,如圖1所示。

圖1 航站樓到達廳與夾層火災模型

為研究到達區(qū)域不同位置發(fā)生火災對人員疏散的影響,將火源設置在夾層通道、行李轉(zhuǎn)盤和到達廳商鋪3個位置,在到達廳與夾層中各到達口、出口及10個重要節(jié)點位置,分別放置煙氣濃度傳感器、熱電偶、CO濃度探測器,高度分別為1.75、1.7、1.8 m,如圖2所示?；鹪礊閠2快速火,模型運行時間為500 s。

圖2 航站樓到達廳與夾層平面布置

1.4 火災模擬結(jié)果分析

1.4.1 CO濃度

火災燃燒過程中會產(chǎn)生CO等有毒物質(zhì),人體處在CO濃度為8×10-4mol/mol的環(huán)境中會出現(xiàn)嘔吐等不適癥狀[15]。因此選取8×10-4mol/mol作為人員在疏散時所能承受的CO臨界濃度。由圖3可知,在火源1情況下,到達廳與夾層連接通道區(qū)域CO濃度上升最快,均超過0.006 mol/mol,嚴重威脅人員生命安全。夾層中位置8、到達口6與到達口12的CO濃度到均在300 s后開始發(fā)生明顯變化,但均超過8×10-4mol/mol。位置3是到達廳左側(cè)疏散通道,在310 s前CO濃度對人體影響較小。到達口3與到達口4是到達廳右側(cè)疏散出口,CO濃度在345 s后會威脅人員生命安全;火源2情況下夾層通道中所有關鍵位置CO濃度均超過8×10-4mol/mol,相比火源1情況,夾層通道發(fā)生火災時CO濃度上升速度較快;火源3情況下CO濃度超過臨界值區(qū)域集中在到達廳前側(cè),到達廳行李轉(zhuǎn)盤區(qū)域與夾層各危險位置的CO濃度未達到人體耐受極限。

1.4.2 減光系數(shù)

在人員疏散過程中,疏散的速度會隨著煙氣減光系數(shù)的增加而減小。當減光系數(shù)超過50%/時,人員的行進速度會降到0.3 m/s,相當于盲人的狀態(tài)[16]。所以選取50%/為減光系數(shù)的臨界值。由圖4可知,在火源1情況下,火災初期煙氣會使夾層與到達廳連接通道的減光系數(shù)增加。位置3與位置4處通道變窄,煙氣會受墻壁阻擋造成回流,所以到達廳兩側(cè)區(qū)域與到達口的減光系數(shù)存在波動。煙氣可從到達口排出導致到達口3與到達口4在400 s后存在下降趨勢;火源2情況下由于夾層通道層高低,縱深長,煙氣會迅速在夾層蔓延開,夾層的5個關鍵位置與7個到達口的減光系數(shù)均以較快速度超過臨界值;火源3情況下,煙氣到達位置1與位置2時存在墻壁阻擋,導致煙氣聚集,所以位置1與位置2減光系數(shù)上升較快。到達廳前側(cè)通往室外的出口較寬導致減光系數(shù)存在較大波動。

圖4 不同火源情況危險位置減光系數(shù)變化

1.4.3 溫度

由于航站樓相對比較封閉,火災產(chǎn)生的熱羽流會使環(huán)境溫度升高,當環(huán)境溫度達到60 ℃時,人體會出現(xiàn)頭暈眼花等不良反應[17]。所以選取60 ℃作為人員疏散時的臨界溫度?；鹪?情況下各位置探測器溫度均未達到臨界值,火源1與火源2各危險位置溫度變化情況如圖5所示。由于煙氣溫度超過60 ℃的區(qū)域集中在火源附近,所以火災煙氣溫度對人員疏散的影響較小。

圖5 不同火源情況危險位置煙氣溫度變化

1.5 可用安全疏散時間

經(jīng)上述分析,當行李轉(zhuǎn)盤區(qū)發(fā)生火災時,煙氣會彌漫到夾層,影響范圍較大;夾層通道發(fā)生火災時煙氣會彌漫整個夾層通道,人員疏散易發(fā)生危險;到達廳商鋪發(fā)生火災的影響區(qū)域在到達廳前側(cè)。對比3種火源情況各個位置的CO濃度、減光系數(shù)與溫度到達臨界值的時間,取最短時間作為該位置的可用安全疏散時間(available safe egress time,AEST)。3種火源情況下各超過臨界值位置AEST見表1。

表1 不同火源情況下各危險位置的可用安全疏散時間

2 航站樓疏散模擬

2.1 人員疏散理論

必須安全疏散時間(required safe egress time,REST)是指火災發(fā)生時,人員疏散到安全地點所需要的時間。為保證人員安全疏散,應滿足REST

REST=tp+tr+tm

(9)

式中：tp為火災探測系統(tǒng)探測到火災發(fā)生并報警所需要的時間;tr為人員接收到報警信息并疏散的準備時間;tm為人員從開始疏散至疏散完成的時間?，F(xiàn)階段火災探測系統(tǒng)可探測的火災規(guī)模為100 kW,所以火源1、火源2與火源3的火災探測時間均為33.5 s。根據(jù)《火災報警控制器通用技術條件》(GB 4717—1993)的相關規(guī)定,tp為40 s。航站樓具實時事故廣播的條件,其中的人員屬于清醒狀態(tài),對建筑內(nèi)部構(gòu)造不熟悉,所以tr取120 s[18]。tm由軟件仿真得出。

2.2 疏散模型構(gòu)建

通過Pathfinder軟件建立人員疏散模型,到達廳一層出口全部開啟、到達口2、到達口4開啟,到達口1與到達口4關閉;夾層中到達口6、到達口8、到達口10、到達口13開啟,到達口5、到達口7、到達口9與到達口12關閉。到達口可作為疏散出口進行疏散。疏散人數(shù)選取T2航站樓最大高峰小時到港的旅客人數(shù)1 000人[19],隨機分布在到達廳與夾層中。假設到達旅客中未成年人占10%,成年男性40%,成年女性占40%,老年人占10%。參照《中國成年人人體尺寸》(GB/T 10000—1988)、《中國未成年人人體尺寸》(GB/T 26158—2010)中的數(shù)據(jù),疏散人員的肩寬、身高、移動速度的設定見表2。選取Steering模式進行疏散模擬。

表2 疏散人員屬性

2.3 疏散結(jié)果分析

火源1情況與火源3情況的tm為210.3 s。火源2情況下人員開始疏散時,位置6、位置9與位置8的危險因素均超過臨界值,超過臨界值,所以兩區(qū)域在疏散過程中禁止人員通行,重新仿真后得出火源2的tm為266.8 s。人員未通過的位置與關閉的到達口的REST為0 s。各位置的必須安全疏散時間見表3?；鹪?與火源2情況存在沒有實現(xiàn)安全疏散的位置,因此,航站樓到達廳左側(cè)行李轉(zhuǎn)盤處發(fā)生火災時,應重點防范夾層左側(cè)通道人流交匯位置與到達廳右側(cè)到達口通道;夾層通道發(fā)生火災時應重點防范夾層兩側(cè)通道人流交匯位置;到達廳商鋪發(fā)生火災時可以實現(xiàn)安全疏散。

表3 不同火源情況各危險位置的必須安全疏散時間

2.4 疏散方案改進嘗試

為實現(xiàn)安全疏散,提高疏散效率。在航站樓現(xiàn)有建筑布局的情況下,對火源1與火源2情況的疏散方案進行改進。在火災報警后,各個到達口聯(lián)動開啟后均可作為疏散通道,再次仿真后結(jié)果見表4。

表4 到達口聯(lián)動開啟后各危險位置的必須安全疏散時間

火源1與火源2情況改進后的必須安全疏散時間分別為293.8 s與309.3 s,疏散時間相比到達口未聯(lián)動開啟情況減少了20.7%和31.7%。由表4可見,火源1情況所有危險位置已經(jīng)實現(xiàn)安全疏散,火源2情況夾層中位置5與位置7未實現(xiàn)安全疏散。所以,到達口聯(lián)動開啟可以有效縮短人員疏散時間,減小人員在火災時發(fā)生危險的概率。

3 結(jié)論

1)機場航站樓建筑結(jié)構(gòu)復雜,疏散出口較多,本文基于FDS對不同位置火災的仿真模擬,可以直觀地反映航站樓火災場景下各位置的煙霧與人員疏散情況,機場相關部門可根據(jù)不同火源煙氣彌漫與人員疏散的特點,制定應急預案,提高疏散效率。

2)到達廳行李轉(zhuǎn)盤區(qū)發(fā)生火災時,煙氣會彌漫到夾層,影響范圍大,但煙氣彌漫速度慢;夾層的到達通道具有層高低、距離長的特點,當發(fā)生火災時,煙氣會迅速向通道內(nèi)彌漫,彌漫速度快,易發(fā)生危險,機場相關部門應重點防范到達通道人流交匯的位置。

3)到達口在火災場景下疏散時聯(lián)動開啟能縮短人員疏散的必須安全疏散時間。