某高校教學(xué)樓火災(zāi)疏散研究

茅佳藝 韓成浩

（吉林建筑大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院）

0 引言

教學(xué)樓作為校園生活中教學(xué)活動(dòng)的主要場(chǎng)所，人員密集，流動(dòng)大，實(shí)驗(yàn)室多，火災(zāi)隱患多，因此一旦發(fā)生火災(zāi)將直接關(guān)系到師生員工的生命安全，故將教學(xué)樓作為模擬建筑。但由于對(duì)建筑火災(zāi)進(jìn)行實(shí)體研究的實(shí)驗(yàn)成本太高，并且實(shí)驗(yàn)對(duì)象具有特殊性，難以推廣到其他建筑。因此本文利用計(jì)算機(jī)軟件模擬仿真，研究BIM 模型與Pyrosim 火災(zāi)仿真軟件和Pathfinder 人員安全疏散軟件的融合使用方法以及在數(shù)字化預(yù)案與計(jì)算機(jī)模擬訓(xùn)練的應(yīng)用可行性，如圖1所示。

圖1 模擬仿真流程圖

1 模型構(gòu)建

1.1 教學(xué)樓基本情況

所建物理模型為某多層教學(xué)樓，該教學(xué)樓共5層，高22.5m，首層高4.2m，2~5 樓均為標(biāo)準(zhǔn)層，每層高為3.9m，并且各個(gè)墻體采用混凝土材質(zhì)處理。該建筑單層建筑面積2470m2，圖2 為首層平面圖，圖3 為標(biāo)準(zhǔn)層平面圖。首層有6 個(gè)外向出口，共有4個(gè)樓梯。

圖2 首層平面圖

圖3 標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

1.2 火源設(shè)定

火場(chǎng)設(shè)計(jì)按照最不利原則設(shè)定，設(shè)置火源按照增長(zhǎng)速率的方式，隨著時(shí)間變化增加至最大值，此種設(shè)定條件火災(zāi)的危險(xiǎn)性更高?；鹪袋c(diǎn)熱功率計(jì)算為：

式中，Q為火源熱釋放功率，kW；a為增長(zhǎng)系數(shù)，kW/s2；t為時(shí)間，s。

根據(jù)a的不同，火災(zāi)分為慢速、中速和快速以及超快速四種類(lèi)型。教學(xué)樓內(nèi)主要的可燃物為整齊擺放的桌椅，桌椅均為木制設(shè)備，數(shù)目多但擺放較為分散，危險(xiǎn)性一般，故選取教學(xué)樓火災(zāi)形式為中速火。

1.3 設(shè)置條件

仿真環(huán)境處于無(wú)風(fēng)狀態(tài)并與外界相通，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101kPa，初始室內(nèi)外溫度為20℃。設(shè)置樓內(nèi)所有窗戶處于關(guān)閉狀態(tài)，只開(kāi)啟6 個(gè)向外的出口。

定義反應(yīng)和材料數(shù)據(jù)：教室內(nèi)存在大量桌椅，故將反應(yīng)定位為WOOD-OAK，墻體表面材料設(shè)定為石膏，其中地板和房頂均為惰性材料。著火點(diǎn)設(shè)定在2 樓，火源大小為1m×1m×1m。設(shè)置障礙物（即桌椅）材料為木制。

2 教學(xué)樓火災(zāi)煙氣仿真模擬

在教學(xué)樓火災(zāi)過(guò)程中，通過(guò)Pyrosim 火災(zāi)模擬，研究煙氣溫度、能見(jiàn)度及有害氣體濃度對(duì)可用安全疏散時(shí)間ASET 產(chǎn)生的影響，綜合分析火災(zāi)發(fā)展規(guī)律。

2.1 能見(jiàn)度分析

建筑物發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙霧在建筑物內(nèi)不斷流動(dòng)傳播影響了人員視野，能見(jiàn)度大大降低，降低了逃生速度，拖延了疏散時(shí)間。根據(jù)澳大利亞《消防工程師指南》給出的能見(jiàn)度標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)選取10m 為能見(jiàn)度臨界值，模擬結(jié)果如圖4 所示。由模擬結(jié)果可知，1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)和4 號(hào)樓梯間到達(dá)能見(jiàn)度臨界值所需時(shí)間為96s、20s、154s 和60s。

圖4 樓梯間區(qū)域能見(jiàn)度情況

2.2 溫度分析

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，火災(zāi)煙氣的溫度可能會(huì)達(dá)到300~400℃，或是600~800℃，甚至1000 多℃。而皮膚溫度一旦超過(guò)60℃，就會(huì)對(duì)人體造成不可逆的傷害。圖5 為四個(gè)樓梯間距地1.8m 處煙氣溫度變化情況。2 號(hào)樓梯到達(dá)60℃所需時(shí)間為317s，此時(shí)，其余樓梯間區(qū)域均未達(dá)到60℃。

圖5 樓梯間區(qū)域煙氣溫度情況

2.3 有害氣體分析

在火災(zāi)燃燒的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的有毒有害氣體，如H2S、CO2和CO 等。根據(jù)相關(guān)資料，當(dāng)空氣中CO 含量超過(guò)0.50%時(shí)會(huì)引起劇烈頭暈，一旦超過(guò)20min，就會(huì)有死亡的危險(xiǎn)，故選取CO 濃度為0.50%為有害氣體濃度危險(xiǎn)判定指標(biāo)。樓梯間區(qū)域CO 濃度情況如圖6 所示。由模擬結(jié)果可知，1 號(hào)、2 號(hào)、3號(hào)和4 號(hào)樓梯區(qū)域分別在119s、49s、350s 和280s 時(shí)達(dá)到危險(xiǎn)臨界值。

圖6 樓梯間區(qū)域CO 情況

2.4 仿真結(jié)果分析

對(duì)上述仿真結(jié)果綜合分析，確定四個(gè)樓梯間區(qū)域的可用安全疏散時(shí)間AEST，如表1 所示。在96s 內(nèi)，1 號(hào)樓梯間區(qū)域人員應(yīng)全部撤離火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，而2 號(hào)樓梯間區(qū)域人員應(yīng)在20s 內(nèi)全部撤出火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，3 號(hào)樓梯間和4 號(hào)樓梯間區(qū)域人員應(yīng)分別在154s 和60s 內(nèi)全部撤出火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)。樓梯間作為安全通道，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)首選從樓梯逃生，故將著火層樓梯間ASET 作為全樓可用安全疏散時(shí)間。由表1 可知，1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)和4 號(hào)樓梯間ASET 分別為96s、20s、154s 和60s，所以全樓可用安全疏散時(shí)間為154s。

表1 各區(qū)域可用安全疏散時(shí)間

3 教學(xué)樓人員疏散仿真模擬

3.1 Pathfinder 建模

根據(jù)Pathfinder 中需要的參數(shù)，結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)置教學(xué)樓層內(nèi)不同樓層的人員人數(shù)、不同人員的行走速度與肩寬等特征參數(shù)?？紤]最不利原則，人群人流高峰期特征值人員及每層人員設(shè)定如表2、表3 所示。

表2 不同人群人流高峰期特征值

表3 每層樓的人數(shù)設(shè)定

3.2 疏散方案設(shè)計(jì)

分析Pyrosim 模擬結(jié)果可知，2 號(hào)和4 號(hào)樓梯間分別在20s 和60s 時(shí)，能見(jiàn)度降低達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)，設(shè)定煙霧傳感器傳出報(bào)警信號(hào)需15s，同時(shí)人員還需要一定的反應(yīng)時(shí)間，故在制定方案時(shí)放棄2 號(hào)和4 號(hào)兩部樓梯進(jìn)行人員疏散。最后，根據(jù)疏散過(guò)程中是否有人員引導(dǎo)以及是否使用外掛樓梯設(shè)定以下3 個(gè)疏散方案。

方案1：使用1 號(hào)、3 號(hào)樓梯進(jìn)行疏散，無(wú)人員引導(dǎo)。

方案2：僅使用1 號(hào)、3 號(hào)樓梯進(jìn)行疏散，有人員引導(dǎo)。

方案3：同時(shí)使用1 號(hào)、3 號(hào)樓梯和外掛樓梯，設(shè)定四五層人員使用外掛樓梯進(jìn)行疏散；二三層人員采用樓梯疏散。

3.3 仿真結(jié)果分析及優(yōu)化

3.3.1 仿真結(jié)果分析

圖7 為方案1 情況下1 號(hào)和3 號(hào)樓梯的人員疏散速率圖。由圖可知，在有人員引導(dǎo)的情況下，在96s 時(shí)，1 號(hào)樓梯間ASET 已達(dá)到臨界值，此時(shí)并沒(méi)有完成所有人成功疏散的目標(biāo)。當(dāng)采用方案2 進(jìn)行人員疏散時(shí)，全樓內(nèi)人員在有人員引導(dǎo)作用下均使用1 號(hào)、3 號(hào)樓梯進(jìn)行疏散，最終疏散時(shí)間從原來(lái)的253s 縮減到195s。

圖7 方案1 人員疏散速率圖

由圖可知，人員的引導(dǎo)作用效果顯著，但在此建筑物中僅依靠人員的引導(dǎo)作用完成全部安全逃生目標(biāo)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，故采用方案3 進(jìn)行人員疏散，疏散方式為樓梯和外掛樓梯相結(jié)合，其中，設(shè)定四五層人員采用外掛樓梯疏散；二三層人員采用樓梯疏散，最后，總疏散時(shí)間縮短至128s，比方案1 縮短了125s，比方案2 縮短了67s。

3.3.2 模擬優(yōu)化

圖8 為待疏散人員隨時(shí)間變化圖，從中不難看出，合理有效引導(dǎo)可以提高人員疏散速率，疏散時(shí)間就越短。但僅使用樓梯完成所有人員在ASET 時(shí)間前的疏散是不可能的，故增加了外掛樓梯這一疏散方式，使人員從外掛樓梯進(jìn)行疏散。最終，通過(guò)對(duì)方案3 的不斷優(yōu)化使得在154s 內(nèi)教學(xué)樓內(nèi)所有人員均逃離火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，相較于傳統(tǒng)方案1，優(yōu)化了約2min 的時(shí)間。

圖8 待疏散人數(shù)隨時(shí)間變化

4 結(jié)束語(yǔ)

1）在教學(xué)樓火災(zāi)煙氣仿真模擬中，煙氣是影響疏散效率的主要原因，由此可見(jiàn)做好機(jī)械排煙和應(yīng)急疏散照明的重要性。

2）在火災(zāi)疏散過(guò)程中，合理的疏散路線是逃生的關(guān)鍵，能減輕人員損失。應(yīng)完善應(yīng)急方案，將應(yīng)急疏散演練做到“制度化、規(guī)范化、經(jīng)?；?、科學(xué)化”，加強(qiáng)人員引導(dǎo)作用，加設(shè)安全疏散引導(dǎo)設(shè)備。

3）教學(xué)樓內(nèi)的樓梯數(shù)量和寬度是影響人員疏散的決定性因素，增加外掛樓梯能有效提高疏散效率。但在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，由于人員的恐懼心理，在外掛樓梯處易發(fā)生踩踏事故，應(yīng)提前做好演練。

4）結(jié)合BIM 模型，將Pyrosim 和Pathfinder 軟件對(duì)火災(zāi)情況下人員進(jìn)行疏散仿真聯(lián)合仿真是科學(xué)的且有意義的。