安全生产_一种在性能化防火设计中人员疏散问题的研究方法

一种在性能化防火设计中人员疏散问题的研究方法陈智明* 霍 然 游宇航（中国科技大学火灾科学国家重点实验室，合肥 ）摘 要 本文提出了一种在性能化防火设计中人员疏散问题的解决办法，该方法是把火灾烟气运动规律、建筑物的结构和人员疏散的特点结合的研究成果，分别计算建筑物中不同单元内的火灾荷载阈值在发生火灾时，烟气达到危险状态的时间和人员疏散所用的时间，比较这两个时间，来确定建筑物防火设计是否达到性能化防火中人员安全疏散的要求。该方法从控制建筑物内火灾荷载的多少和建筑物的结构出发，在现行的计算软件的基础上，容易实现，可用于实际的火灾安全工程设计和火灾安全咨询。主题词：建筑火灾 人员疏散 性能化防火设计 火灾荷载阈值中国图书分类号：X928.03基金项目名称：国家“十五”科技攻关项目：城市火灾与重大化学灾害事故防范与控制技术的研究；项目编号：2001BA803B单 位 名 称：中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室单 位 地 址：安徽省合肥市黄山路中国科学技术大学西区邮 编：联 系 电 话：0551A Method for Study of Evacuation In Performance-based fire safety designChen Zhiming Huo Ran You Yuhang(State Key laboratory of fire Science, University of Science and Technology of China Hefei)ABSTRACT Based on movement of smoke, structure of building and needed time of evacuation, a performance-based fire safety design method for evacuation in building fires has been presented. By calculating the time of fire smoke arrive to risk situation and occupant evacuation time respectively, and then to compare these two kind of values to ensure the fireproofing of building reach to require of occupant evacuation in performance-based fire safety design. According to building structure and control fire load value in building, this method is run on fire models. Because of its simplicity and easy operation, this method can help fire safety design and fire safety consulting.Key words: Building fire Occupant evacuation Performance-based fire safety design Fire load threshold value1、引言性能化防火设计的根本出发点就是尽量减少火灾中造成的人员伤亡和财产损失，是一种系统的分析建筑物火灾安全问题的方法。建筑物中的安全疏散是性能化防火设计中的一个子系统，其目标是在火灾烟气未达到伤害人员生命状态之前，将所有人员安全疏散出建筑物。目前，在计算和评估建筑物的安全疏散时间时，都使用了一种比较普遍的方法，即在一个建筑物中设定一个一定规模的火灾，然后计算这种情况下人员安全疏散所需的时间。也就是说在一个预定好的建筑物内发生火灾，人员进行疏散，其人员的可用逃生时间就要根据建筑物内的火灾荷载来确定。这与在一个有危险的区域工作，尽量采取一些自身的防护措施，使之能够满足达到安全等级的要求的控制危险源的方法相似，即没有采用控制源头危险源的方法进行安全防护。而在能够控制源头危险的情况下，进行危险源的源头控制是安全防护中最行之有效的方法。同样，在建筑火灾人员疏散中，如果能够控制火灾的大小，就能有效的进行人员安全疏散。本文将从控制建筑物内的火灾荷载方面着手，讨论性能化防火设计中人员疏散问题。在性能化防火设计中人员安全疏散可以分为两个过程来考虑。第一个过程是，根据建筑物的结构特点，计算该建筑物中不同单元的人员在发生火灾的情况下，疏散到安全地带所用的时间。第二个过程是根据第一个过程计算出的疏散时间，计算该建筑物内相应单元中，当烟气到达危险值时刻所用的火灾荷载量，并定义该值为建筑物中相应单元的火灾荷载阈值。2、问题的提出从源头控制危险是控制危险的有效方法。在建筑物中控制建筑物内火灾荷载，也就是控制火灾危险源的大小，通过这种方式来控制建筑中火灾危险的大小。目前，在研究建筑物内人员疏散问题的时候，大多是在一个物品配备完好的建筑物内或一个定义火灾危险源的建筑内进行讨论和计算人员疏散问题。从源头控制火灾危险源来研究人员疏散问题的办法是：预先在讨论和计算人员疏散的时候，根据建筑物的特点来计算出该类型的建筑在不同的部位完成逃生所需要的时间，设为tn,i ；然后再计算在不同部位的火灾荷载阈值在发生火灾时，发展到对建筑物内的人员产生危害所需的时间，设为tn,j；只要保证建筑物内即可。在这里，tn,i 的值可以根据建筑物的结构和第n单元的人所在的位置以及使用该类建筑的人员的一些特征计算出来，因为建筑物的结构给定，并且使用建筑物的人员给定，所以每个单元内人员的疏散时间是确定的。tn,j的值可以根据第n单元内的所要存放的火灾荷载数量以及存在的可燃物的种类计算出来。用这种控制火灾危险源的方法来计算建筑物内火灾人员疏散的时间，即控制建筑物内的第n单元的火灾荷载的量，不超过该类物质在燃烧时，造成对建筑物内人员产生危险时间tn,j所需要的火灾荷载阈值，就可以保证建筑物内的人员在发生火灾的时候能够进行安全疏散。这样，在对建筑物进行防火设计的时候，就可以通过两个途径来解决建筑物发生火灾时人员疏散的问题。其一，在建筑物的设计时，规划好建筑物的用途，计算好建筑物内将要放置的火灾荷载，然后计算出tn,j，在此基础上设计建筑物内人员疏散通道，使得人员能够在预定的时间内疏散初建筑物；其二，在建筑物的设计时，尽量采用距离控制疏散过程来代替瓶颈控制过程1，这样可以尽量缩短逃生所用时间，再根据设计好的方案，计算出疏散所用的时间tn,i，并以此为标准来确定建筑物所能够承受的火灾荷载。3、疏散时间和火灾荷载阈值人员安全疏散时间tn,i包括两个部分，第一个部分是疏散前的滞后时间tn,i,1，不同的建筑结构、探测系统和人员群体，这个滞后时间变化较大，但是可以针对具体的建筑物、探测系统及其居住的群体来确定该值。第二部分是疏散中通过某距离及其在某些重要出口的等待时间tn,i,2，解决这个时间的办法是结合建筑物的特点选用一些比较成熟的适合建筑物特点的疏散软件来计算，进而得到此值。如EVACNET4和CRISP等模型适用于计算办公楼等类型的建筑物的人员疏散4,5。火灾荷载的阈值是一个建筑物内火灾荷载的等效值。火灾中危害人身安全的是火灾产生的火焰和烟气的热辐射、烟气层的高温和有毒性气体浓度，要确保建筑中人员的安全，就得 使火灾产生的热量和有毒性气体危急人员之前撤离建筑物。因此，在确立这个阈值时，可以从火灾荷载所产生的热量和生成的有毒性气体的量这两个方面着手计算，即根据危及人员生命安全的热量值和烟气层的高度为标准。当烟气层高于人眼特征高度，180200的烟气层产生的热辐射将会对人造成严重灼烧；当烟气层低于人眼特征高度，110120的烟气层将会对人造成直接烧伤；在烟气层低于人眼特征高度时，还可以根据可能产生的某种有害燃烧产物的浓度临界浓度判定是否达到危险状态。在火灾中，这三种危险状况哪一个先到达就采取哪一个为判断依据。当前，在模拟烟气运动的程序中，有区域模拟程序如CFAST6和场模拟程序如FDS。根据不同的要求可以采用不同类型的模拟程序进行计算。4、计算实例 R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10浴室洗手间出口楼梯1楼梯2走 廊图1 宿舍楼一楼平面示意图80 m6 m28 m12.6 m5.4 m43 m洗手间 我们采用某高校学生宿舍楼为例。宿舍楼有7层，每层有39个宿舍，其平面结构如图1所示。每个房间的尺寸是:5.43.03.0m3，房间的门宽为0.8m。楼层之间由两驾楼梯连接，每段楼梯有20级，单级楼梯的宽度为0.3m，楼梯出口的宽度为1.3m，出口的宽度1.8m。以最危险的情况为例进行模拟计算，即当东头的楼梯不开放时的情况，因此在计算时它只是一个烟气的通道，而不是疏散通道。运用EVACNET4模拟计算该宿舍楼疏散时间。将39个宿舍简化成1图所示的10个房间R1R10，其中一些参数如表1所示。 表1 宿舍楼基本参数表房间编号房间尺寸（m3）居住人数火灾荷载（Kg）纸张木材纤维塑料其它R16.05.43.084004002008080R29.05.43.012600600300120120R312.05.43.016800800400160160R49.05.43.012600600300120120R515.05.43.01610001000500160160R66.05.43.084004002008080R715.05.43.02010001000500200200R812.05.43.0168008004008080R99.05.43.012600600300120120R1018.05.43.02412001200600240240时间/s浓度ppm图4 上层空气中CO浓度随时间变化曲线（room1起火）时间/s楼层七层六层五层四层三层二层一层图2 不同楼层人员疏散完毕所用时间变化曲线离开楼梯间所用时间离开楼层所用时间通过EVACNET4程序计算得，整个楼层居住的864人，在355s内疏散出建筑。计算的一些典型结果如图2所示。从图2可以看出，不同楼层的人员所需要的疏散时间是不一样的，而该建筑物的整个疏散是由其西部楼梯的瓶颈控制疏散过程，因此在每层楼的走廊上的人都需要排队等待疏散。以上所计算的疏散时间是tn,i的第二部分时间tn,i,2，即疏散中通过某距离及其在某些重要出口的等待时间，所以这个疏散时间还得加上tn,i的第一部分时间tn,i,1。国内外一些疏散专家学者对tn,i,1的值做了一些研究，它可以通过参考一些文献得到。本建筑物是某高校的学生宿舍楼，其居住者都是青年学生，他们的火灾意识较强，而且能够比较快捷的采取疏散行动，设该时间为90s3，则整个疏散过程所用的时间为445s。运用CFAST401模拟计算建筑物内火灾烟气的运动规律。分别设定火灾发生在六楼的房间1和房间4。由于不同类型的模拟程序对建筑结构的划分不一致，为了便于计算，现将宿舍简化成如图3所示的房间，进行烟气有关特性的模拟计算。通过调查和简化，得到的现存每个单元内的火灾荷载如表1所示，首先计算现存在的这些火灾荷载在发生火灾的时候到达危险状态的时间是否超过人员疏散所用的时间tn,i，然后以这个火灾荷载为基础，来确定该建筑物的火灾荷载阈值。在这个算例中，模拟计算了由现有的火灾荷载在发生火灾时所产生的有毒性气体CO的浓度、不同单元内空气中O2的浓度、不同单元内上层烟气的温度、下层空气的温度以及烟气层的高度曲线。room6room7room5room2room4room3room1图3 运用CFAST计算时该建筑的简化图图4显示了不同时刻不同房间内上层空气中CO浓度随时间变化的曲线，从图中可以看出空气中含有CO没有超过500ppm，研究结果表明只有当CO的浓度超过3200ppm时才会在短时间内对人员造成伤害。因此，在此处可以不用考虑CO对人员造成的伤害。图5和图6分别是两个不同房间起火时，不同房间内烟气层高度随时间的曲线。为了不使火灾产生的烟气影响疏散，在疏散结束之前，烟气层不得下降到人员疏散的位置上。因此烟气层高度S的标准满足关系式7：（1）式中，s是烟气层分界处距疏散通道地面的高度（m），H是顶棚距火源的高度（m），h是疏散地面距火源的高度（m）。在模拟计算中，设定着火位置为0.7m处，因此s的值为1.76m。由EVACNET4模型计算出来的疏散时间表明六楼人员全部疏散完毕所用的时间为210s，而这些人都必须通过楼梯井即room6，但是room6在160s的时候烟气层便下降到1.64m，即表明该数据可以作为判定标准。图7和图8分别是room1和room4起火时，不同房间内下层温度随时间变化的曲线，如图所示，room6在210s时的温度没有超过110，即在此处可以不用考虑下层温度对人员造成的危害。图9和图10分别是room1和room4起火时，不同房间内上层温度随时间变化的曲线。研究表明，要确保人员安全疏散，则应当满足如下关系式7：（2）式中，T热气层的温度上升值（K），te是疏散人员暴露在热气层中的时间，4103是结合Harber法则和将老鼠暴露在高温空气的实验，暴露温度与不能行走时间的实验数据所得到的回归方程的常数项。从图5和图6中得知，160s以后人员要从room6中疏散出来，就得暴露在热烟气层中。从155s到210s期间，上层温度随时间的变化曲线可以近似看成是一条温度随时间变化直线，结合图9和图10，该直线为（3）式中，b是个常数。将3式代入2式进行计算得：（4）显然，4式计算出来的结果明显大于2式中给出的结果。因此，这个结果也表明该情况下的火灾荷载数量是超过了火灾荷载的阈值范围的。至于求解该建筑物的火灾荷载阈值，其具体的算法和上面求解方法雷同，由于篇幅的关系不再累述。以room4着火为例，该单元内的火灾荷载阈值为：纸张2200Kg，木材2200Kg，时间/s温度/图5 不同房间烟气层高度曲线（room1起火）图6 不同房间烟气层高度曲线（room4起火）时间/s温度/温度/时间/s图9上层温度随时间变化曲线（room1起火）时间/s温度/图10 上层温度随时间变化曲线（room4起火）图7 下层温度随时间变化曲线（room1起火）温度/时间/s时间/s温度/图8 下层温度随时间变化曲线（room4起火）纤维1200Kg。这些物质的热释放速率、发烟量等都是以CFAST401模型中的标准来定量的。5 、分析 上面的算例给出了比较完整的分析计算过程和明确的结论判断。火灾荷载的阈值是针对不同楼层不同单元而变化的，它与楼层的高度、起火所在的房间以及建筑物本身的结构特点有着较大的关系。它们之间的这些关系现在还没有完全弄清楚，需要进一步的找出它们之间的规律，还需要在这方面作出较为大量的工作。运用这种方式分析和研究人员疏散问题，它不适合于超高层建筑物。对于目前比较普遍采用的中庭式建筑，这个中厅就相当于一个很大的烟气通道，结合烟气在中庭式运动规律，能够比较容易的计算出不同楼层内所能承载的火灾荷载8。实际火灾中，是通过建筑物内的火灾荷载来的热释放速率来判定火灾的大小的，但是这个参数在实际的工程应用中比较难以控制，而热释放速率的大小取决于火灾荷载。因此，在工程应用中可以通过设定一个比例系数K来确定热释放速率和火灾荷载之间的关系。 在确定火灾荷载阈值时，可以先参考已经计算了的例子，然后根据这些例子中，所能造成对人员伤害的种类（如，烟气层高度、温度或有毒性气体的量等）为基础进行修改，来得到所需要的火灾荷载阈值。这样可以减少寻找火灾荷载阈值的工作。同时，还可以根据建筑物中所需要放置物品的种类，进行不同类型的火灾荷载阈值的转换，以达到工程的需要。对于那些需要放置较多超过火灾荷载阈值的单元，还可以通过更改建筑物的结构方式来满足性能化防火设计的需要。如，扩大疏散通道、实行防火防烟分区、增大排烟系统的功率，以达到工程应用的目标。6、结论 建筑火灾中人员安全疏散的研究是一个很复杂的问题。本文基于性能化防火设计的思想，结合建筑物的结构、建筑物内的火灾荷载和火灾烟气运动的规律来研究火灾中人员安全疏散问题。这种方法采用从根本上控制建筑物内的火灾荷载的方式来研究建筑物火灾中人员疏散问题，有机的将建筑物火灾中人员疏散与所产生烟气、热量等结合起来，从理论的角度上保证了在发生火灾时人员能够安全的疏散出建筑物。在烟气的运动规律、热量的传播以及火灾中产生的有毒有害性气体研究方面，国内外的专家学者作了很多的研究，这为分析与研究火灾中人员疏散提供了另一个良好的锲机。同时，在对这些问题本身的研究以及如何与疏散结合起来还需要开展大量的实验研究工作。参考文献1 陈智明,霍然,王浩波,曾德云.某教学楼火灾中人员安全疏散时间德预测J.火灾科学,2003,(1):40-45.2袁理明,范维澄.建筑火灾中人员安全疏散时间的预测J.自然灾害学报,1997,(5):28-33.3 Fahy,R.F,Proulx,G. Toward creating a database on delay times to start evacuation and walking speeds for use in evacuation modelingC.2nd International Symposium on Human Behavior in Fire, Boston, MA., U.S.A., March 2001,pp.175-183.4 S.Gwynne, E.R.Galea, M.Owen, P.L.Lawrence, L.Filippidis. A Review of the Methodologies Used in Evacuation ModellingJ. Fire and Materials