某住院楼安全疏散可靠性分析

1、某住院楼安全疏散可靠性分析随着经济的迅猛发展我国医疗卫生事业的建设也不断发展。在国家的 等级医院中，都设立有规模不等的住院楼。住院楼内大部分为伤病员，他 们不具备正常健康人的疏散能力，甚至有不少人长期病卧床上，一切生活 事务全靠别人护理，根本不能自行活动，遇到火灾威胁，只能靠他人担抬、 背负进行疏散，使逃离火灾现场的难度大大增加，存在疏散人员困难的危 险性。在任何紧急情况发生时要将所有人员疏散难度很大。2005年12月25 日，吉林省辽源市中心医院发生特大火灾，此次火灾共造成37人死亡，其 中当场死亡22人，送往医院经抢救无效死亡15人，95人受伤，其中重伤46 人。此事件更是对我国医疗场所安

2、全疏散可靠性提出质疑。类似大量伤亡 事例表明了安全疏散在发生类似火灾等紧急情况下的重要性。它是使人能 从发生事故的建筑中，迅速撤离到安全部位（室外或避难层、避难间等）， 及时转移室内重要的物资和财产，同时，尽可能地减少火灾造成的人员伤 亡与财产损失，也为消防人员提供有利的灭火条件的重要保障。安全疏散是建筑防火设计中一个重要的组成部分。它的设计质量，不 仅关系到平时的正常使用，更重要的是一旦发生火灾事故，必须保证建筑 物内的人员能够及时疏散到安全区域，除此之外，安全疏散也是消防队员 扑灭火灾、营救伤员，尽量降低火灾损失的必要条件。因此安全疏散设计 必须满足我国现行建筑设计防火规范的基本要求。然而

3、由于住院楼使 用对象的特殊性，其安全疏散设计在满足国家标准的基本要求时，有必要 通过火灾模拟和工程计算的手段确认其功能的可靠性。本文选取华中地区某医院三层住院楼为对象，采用火灾模拟与工程计 算相结合的方法对其疏散设计的可靠性进行评价。住院楼的现状设计此住院楼主要采用砖混结构，起结构与设计参数如下表所示：表11 医院住院楼的结构参数房间数房间20个房间进深（m）6.0 （小）、8.0 （大）房间宽度（m）3.0 （小）、4.0 （大） TOC o 1-5 h z 房间净高（m）3.6楼道宽度（m）2.0顶棚材料石膏地板材料混凝土墙壁材料石膏高度（m）3.0门（20个）宽度（m）1.5水平开口高度

4、（m）3.6安全出口（ 1个）宽度（m）4.0其平面图与立面图如下所示：图11 该医院住院楼标准层平面图ffl fflffl图1.2 该医院住院楼立面图RSET的计算对于计算参数设定与修正的几点说明：（1）该栋三层医院住院楼中，假定最不利疏散条件下每间大房间能 容纳4人，小房间能容纳2人，另外楼道护士站有8人，每层一共需疏散 64人。（2）计算疏散时间必然考虑最不利疏散情况，故设定起火源在底层5 号房间内（如图）。第三层5号房间为最不利疏散房间作为研究主要对象。（3）一层人员发现着火到开始疏散的反应滞后时间，由于有大量病 员，所有参数扩大1.5倍，即将正常情况下给出的180秒反应滞后时间修 正

5、为T广270秒。人员的整个疏散时间可分为疏散前的滞后时间，疏散中通过某距离的 时间及在某些重要出口的等待时间三部分，根据建筑物的结构特点，可将 人们的疏散通道分成若十个小段。在某些小段的出口处，人群通过时可能 需要一定的排队时间。于是第i个人的疏散时间匕可表示为t = t +矿（d /v ） +义菩 （1）式中，t 为疏散前的滞后时间，包ii.delayi.n i.nm.queuei.delay括觉察火灾和确认火灾所用的时间；d为第n段的长度；vin为该人在第n 段的平均行走速度；Ng为第n段出口处的排队等候时间。最后一个离医 院住院楼的人员所用的时7可就是该住院楼人员疏散所需的疏散时间。为了

6、 了解医院住院楼人员行走情况，提出人员疏散的主要参数如下表所示。表1.2 人员疏散参数大厅或走廊楼梯间内平均行平均密单位宽度平均流量平均行走速平均密单元宽度走速度度人 /（ m - s）度度平均流量m/s人/ m 2m/s人/ m2人（ m - s）1.320.3080.640.5381.270.4310.610.7191.170.7190.581.0751.021.0750.531.5380.562.1740.432.7030.932.1741.372.7030.93在开始疏散时算起，某人在房间内的逗留时间视为其排队时间。人的 行走速度根据不同的人流密度选取。当人流密度大于1人/m2时，采用

7、0.6m/s 的疏散速度；当人流密度小于1人/m2时，疏散速度取为1.2m/s但是由于医 院此特殊场景所导致的疏散不便，故将以上疏散速度加以修正，同时缩小 1.5倍。则在不同人流密度下的疏散速度如下表：表13该住院楼在不同人流密度下的疏散速度人流密度1人/ m 2人流密度1人/ m 20.4m/s0.8m/s图1.3 顶层疏散示意图Pauls提出，下楼梯的人员流量f与楼梯的有效宽度w和使用楼梯的人数p 有关，其计算公式为：f=( w/8040)0.73X p 0.27 ( 2)式中，流量f的单位为人/s , w的单位为mm。此公式的应用范围为0.1 p / w 0.55。如此计算过程如下： 在

8、第区域：疏散距离以门的宽度计算，人流密度1人/ m 2，则T =2/0.8=2.50s ；1在第区域：疏散人流密度=8/( 3 x 2-1.5)x 2=0.881人/ m 2，则T3=8/0.4=20.00s在第区域：由于人员在紧急情况下无法正常判断疏散形式，容易一 同或结伴或跟随于一个疏散楼梯疏散，考虑最不利情况，处于每层楼中厅 护士站人员亦从此楼梯疏散的疏散人数算上护士站8人，则疏散人流密度 =36/ ( 1.5+2)x( 1.5+2)=2.941 人 / m2，则 T4=4/0.4=10.00s ；在第区域：三层至二层的楼梯段：p/w =64/400=0.16符合公式计算要 求，则 匕=

9、(400/8040)0.73 x 640.27 =0.11 x 3.07=0.34 人 /s，则此段楼梯的疏散时 间=64/0.34=188.24s；二层至一层的楼梯段：p/w =128/400=0.32 符合公式要求，则 /2= (400/8040)0.73 x 1280.27 =0.11 x 3.71=0.41 人 /s，则此段楼梯上的疏 散时间I =128/0.41=312.19；则楼梯段的疏散时间T = t +1 =500.43s2512进入大厅则进入安全阶段，由于建筑物大厅面积与大门开口足够大， 疏散迅速，故设定由楼梯进入大厅到走出大门疏散完毕的时间为5秒。综上，考虑最不利情况下疏散

10、通道内的疏散时间和反映滞后时间，则 总疏散时间：T = T + T + T + T + T + T =270+2.50+5.63+20+10+500.43=808.56s0 d 12345T0=13.48 分钟。艮 RSET=13.48 分钟。ASET的计算由于该住院楼的结构较简单，本文选用火灾区域模拟软件CFAST对评 价对象的ASET进行模拟计算。火灾区域模拟及CFAST的原理火灾区域模拟方法通常将火灾房间分为上下两个区域，即上部的热烟 气区和下部的冷空气区，并且假设两个区域内的参数是均匀的，针对两个 区域分别列出质量守恒和能量守恒方程，每一个方程式都可以依据质量流 量和能量流量来表达。这

11、两个参数的变化率反映了在两区域之间由于羽 流、自然和机械通风、对流、辐射、热传导等物理现象而导致的质量和热 量交换。区域之间的质量交换主要由羽流和通风口的掺混作用造成，能量 交换除了由质量交换带来的能量传递外，还考虑辐射和导热的影响。如图 1.4所示，单个房间被分成两个控制体，一个相对热的上层和一个相对冷的 下层，分别用mv和mL表示流入上层和下层的质量，用s和匕表示流入上 层和下层的热量。两层中气体的参数有质量、内能、密度、温度和体积， 分别用m、E、p、T和V来表示，i=L表示下层，i=U表示上层。而房间 i i i i i作为一个整体，假定上下两层的压力相同，具有的属性是压力P。这11个

12、 变量通过下面约束方程联系起来：密度公式p = mV（一）内能公式E = clmT（二）理想气体定律P = Rp T（三）总体积不变V Vl +匕（四）其中密度、内能和理想气体对上下层均成立，即由（一）、（二）、 （三）式分别对上下层使用一次，再加上（四）式，共得到7个方程式。其中定容比热气、定压比热c、气体常数R和热容比酒个参数在推导中均 假定为常数，并有如下关系：r -pR = c - ccp v由上下层气体的质量和能量守恒而得到的另外4个方程dm质量微分方程：mdt i能量守恒方程：内能+功=热E + P竺s，i = （U, L）dt dt i从而完成了关于11个参数的方程组的建立。再通

13、过一系列推导可以得 到如表1.4的所有变量的微分方程式。表1.4 区域模型的守恒方程变量微分方程质量dm= mdti压力dp _ y 1f 工、 dt V(如)内能虬=1( s +vdp) dt y i i dt续表1.4图1.4 区域模型中控制体示意图体积=|Q1)S vdPdt Py _i dt密度dp _1匚=dt cTV(s cimT )LdPP i i人一1 dt温度(s - c mT )- V dPi P i i i dtdT _1让=dt c p V从表1.4中任选4个独立方程，与前面7个代数方程构成一个关于11个变量的完整的方程组。这4个独立的方程可以用数值方法解出，其余7个变

14、量 就可以由这4个变量推导出来。在CFAST软件中，首先可以从V直接算出 U热烟气层厚度；其次，温度T、Tl既是火灾过程的主要特征量，也是实验 较为容易测定的对象，再者，V、T、T的方程中均包含空项，在计算 u u Ldt开口流时将直接用到P值，这样就将方程改换为如下有关区域温度（Tv、 T）、体积V和压力P的独立方程组： 乙dp n G + s）=(/ -1)yp L1，s - V dPU U dt-c m T )+ V dPU P U U U dtdt c p V dT 1 dtdt V L U dV U dt dT U（s - c mT ）+ V dPC P V L L P L L L

15、dt _ P L L以此方程组为基础，即可求解区域模型中的11个参变量。CFAST应用针对疏散最不利房间楼层最高，离疏散楼梯间最远的楼道末端病房进 行研究。以下表1.5是该住院楼的结构设计与火源假设参数：表1.5 住院楼结构及火源（假设）参数房间进深（m） 房间开间（m） 室内净高（m）顶棚材料地板材料墙壁材料6.03.03.6石膏混凝土石膏楼梯间开口宽度（m）8.0安全出口高度（m）3.6（1）水平出口宽度（m）4.0高度（m）2.5竖直开口无X （ m）1.0位置Y （ m）1.0Z （ m）1.0主要火源火焰高度（m）0.5燃烧热（J/g）124000初始可燃物温度（oC）20火焰的辐射

16、系数0.35内部初始温度（oC)20.0外部初始温度（OC)15.5环境条件内外的初始相对湿度65内外压力P101325（1）设计火灾本火灾模拟的主要火源是住院楼一层5号房间中心的病床，模拟实体 家具火灾，火灾的增长近似按发展，并设定在火灾中喷淋系统将启动。 CFAST软件中应用的设计火灾就是12火灾发展模型，它是一种常用的火灾 发展模型，用来描述火灾过程中热释放速率随时间的变化过程。不考虑火 灾的初期准备过程，其表达式为：Q = bt 2式中，Q火源的热释放速率，kWb火灾的发展系数，b = Q0/tt火灾的发展时间，st0火源的热释放速率Q0=1MW时所需要的时间，s。火灾发展系数表征火灾

17、蔓延的快慢，根据NFPA的分类，火灾发展阶 段可分为极快、快速、中等和缓慢四种类型，其对应的参数值如表1.6所示。 本火灾采用快速火灾，艮旺=0.0469，这将在定义主要火源时使用到。表1.6 火焰水平蔓延速度火灾蔓延分级btn缓慢0.0029584中等0.0117292快速0.0469146极快0.187673（2）室内火灾的可耐受条件室内火灾危险状态确定条件为：a）当烟气层界面高于人眼特征高度时，若上部烟气层的热辐射强度 能够对人构成伤害，就可以认为达到危险状态。有资料表明，烟气温度超 过180 C时便可构成这种危险。b）如果烟气层界面低于人眼特征高度，对人的危害是直接烧伤或吸 入热气体，

18、这种危险状态的烟气温度值约为110120 C，取115 C。c）当烟气层界面低于人眼特征高度时，还可以根据某种有害燃烧产 物的临界浓度判定是否达到了危险状态。人眼的特征高度通常为 1.21.8m，取为 1.5m。（3 ）火灾模拟计算该火灾模拟是在最不利条件（出口关闭、无机械通风）下进行的。设 计模拟时间为1800秒（30分钟）。在CFAST软件中输入模型的相应参数（见 表1.5 ），点击火灾模拟按钮，进行火灾模拟。图1.61.10给出了火灾模拟 计算结果，结果表明，在火灾发展过程中：（1）烟气层高度最低为2.62m， 达不到危险临界条件的1.50m ； （ 2）上部烟气层最高温度在火灾发生1530 秒（25.5分钟）以后才达到180 C；下部空气层最高温度在模拟到1800秒（30 分钟）以后，才达到30.26 C，远低于判据所规定的115 C；（ 3 ） CO、CO2 浓度是逐渐增长的，模拟结束后分别为0.0553% （小于0.25% ）、1.761% （小于6% ），O2浓度是逐渐下降的，模拟结束后为18.27%，均不在危险 范围内。CFAST软件模拟计算表明：该医院住院楼发生火灾后达到临界条 件的可耐受时间，即实际允许疏散时间ASET为25.5分钟12。模拟空间图与相关数据的曲线图如下所示：图1.5 模