黃 凱，李雪微，徐 蕾

(大連民族大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116650)

火災(zāi)在人類災(zāi)害中發(fā)生頻繁，造成的后果嚴(yán)重。高校教學(xué)樓人口集中，學(xué)生安全意識(shí)薄弱，加上設(shè)施老化，一旦發(fā)生火災(zāi)，不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，更會(huì)威脅學(xué)生生命安全。因此，對(duì)教學(xué)樓等人群密集建筑的防火和疏散一直是校園安全的重要問題。

國內(nèi)外已有諸多學(xué)者致力于火災(zāi)疏散的研究。Choi S[1]等以社會(huì)力模型和微觀模擬技術(shù)，研究高層建筑疏散警報(bào)信息化水平和疏散效率的相互關(guān)系，結(jié)果顯示，住所位置越佳的人越能提前獲取疏散信息。Seungcheol Lee[2]等使用SIMULEX對(duì)高層建筑進(jìn)行仿真模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得出在樓梯間增加機(jī)械排煙系統(tǒng)有助于保護(hù)高層建筑疏散人員。Ahmed F[3-4]等對(duì)大型購物中心的火災(zāi)場(chǎng)景和疏散方案進(jìn)行分析，結(jié)果表明，煙霧的蔓延與建筑物及其內(nèi)部活動(dòng)有關(guān)，走廊與樓梯在疏散過程中至關(guān)重要。楊雨婷[5]等對(duì)商業(yè)綜合體特定火災(zāi)場(chǎng)景下的人員疏散進(jìn)行數(shù)值模擬分析，根據(jù)分析結(jié)果結(jié)合現(xiàn)狀提出火災(zāi)防控技術(shù)措施。王海蓉[6]等以商業(yè)中心為例，基于火災(zāi)煙氣溫度、CO濃度等參數(shù)討論人員逃生行為，結(jié)果表明，增加消防樓梯并加以疏散引導(dǎo)有利于減少人員傷亡。大部分傳統(tǒng)的火災(zāi)煙氣蔓延與人員疏散模擬研究沒有結(jié)合火災(zāi)產(chǎn)物對(duì)疏散速度所造成的影響，火災(zāi)模擬與人員疏散的動(dòng)畫沒有同時(shí)展示，不能很好的反應(yīng)疏散過程中火場(chǎng)煙氣等變化。

因此，本文利用火災(zāi)數(shù)值模擬軟件Pyrosim和人員疏散模擬軟件Pathfinder對(duì)某教學(xué)樓樓一層全尺寸模型進(jìn)行火災(zāi)和疏散模擬，引入速度系數(shù)的概念，分析火災(zāi)產(chǎn)物對(duì)疏散速度的影響，并將火災(zāi)模擬結(jié)果與疏散結(jié)果耦合進(jìn)行可視化展示，真實(shí)的還原火災(zāi)疏散過程。以期為高校火災(zāi)人員疏散提供一定的理論依據(jù)。

1 火災(zāi)產(chǎn)物對(duì)疏散速度的影響

火災(zāi)過程會(huì)釋放大量熱、煙氣，對(duì)火場(chǎng)中的人員心理和生理產(chǎn)生極大影響，阻礙人員疏散。本文選取火災(zāi)過程中的溫度、CO、能見度作為影響人員疏散的主要因素。引入溫度影響系數(shù)f1(T)、CO濃度影響系數(shù)f2(ρ(co))、能見度影響系數(shù)f3(Kc)。[7]并將對(duì)疏散人員的影響轉(zhuǎn)換為對(duì)疏散速度的影響。用公式表示為：v=v0×f1(T)×f2(ρco)×f3(Kc)。其中，代表疏散速度v/ m·s-1；v0代表無火災(zāi)正常步行速度v/(m·s-1)。

1.1 溫度影響分析

火災(zāi)造成的高溫對(duì)人員疏散速度產(chǎn)生的影響每個(gè)階段不同。美國學(xué)者M(jìn)ike[8]基于煙氣溫度于乘客行走速度的數(shù)據(jù)的研究上，得出了不同溫度范圍對(duì)疏散速度的影響系數(shù)計(jì)算公式為

(1)

式中：Ts表示火場(chǎng)溫度℃；T0表示室外常溫，本文取20 ℃；v0表示正常行走速度，本文取1.2 m·s-1；vmax表示最大行走速度，本文取5 m·s-1；Te1表示造成不適的溫度，本文取30 ℃；Te2表示造成傷害的溫度，本文取60 ℃；Td表示致死溫度，本文取120 ℃。當(dāng)溫度大于120 ℃時(shí)，f1(T)為0[7]。

1.2 CO濃度影響分析

火災(zāi)發(fā)生會(huì)產(chǎn)生大量有毒氣體，其中對(duì)人體威脅最大的是CO，Mike通過實(shí)驗(yàn)獲取了不同CO濃度下的乘客速度數(shù)據(jù)，認(rèn)為CO對(duì)人員疏散得影響主要體現(xiàn)在疏散速度上。朱書敏[9]在Mike研究的基礎(chǔ)上，給出相應(yīng)的疏散速度影響公式為

(2)

式中：ρ為CO體積濃度，t為暴露時(shí)間。

1.3 能見度影響分析

火災(zāi)發(fā)展會(huì)產(chǎn)生大量煙氣，使得疏散環(huán)境的能見度下降，阻礙人員疏散。煙氣濃度用減光系數(shù)Kc表示，煙氣濃度越大，Kc越大，能見度越低。本文參照的能見度與減光系數(shù)的關(guān)系如下：Kc=3/S,S表示能見度[10]；日本學(xué)者Jim和Yamada通過大量實(shí)驗(yàn)得到減光系數(shù)與步行速度的關(guān)系[11]。根據(jù)朱書敏[9]的總結(jié)，將減光系數(shù)對(duì)疏散速度的影響系數(shù)計(jì)算公式為

(3)

式中，Kc為減光系數(shù)(1/m)。

2 安全疏散依據(jù)

2.1 疏散時(shí)間組成

發(fā)生火災(zāi)時(shí)，建筑內(nèi)人員能否安全疏散，取決于必須安全疏散時(shí)間(REST)和可用安全疏散時(shí)間(ASET)。必須安全疏散時(shí)間(REST)指人員從火災(zāi)開始到疏散到室外的時(shí)間，可用安全疏散時(shí)間(ASET)指火災(zāi)開始到威脅人生命安全的時(shí)間[9]。安全疏散時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)如圖1。

圖1 安全疏散時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)

通常情況下火場(chǎng)內(nèi)人員疏散時(shí)間包括報(bào)警時(shí)間TA/s、響應(yīng)時(shí)間TA/s以及行走時(shí)間TA/s，即

RSET=TA+TR+TM。

(4)

本文中報(bào)警時(shí)間取30 s，響應(yīng)時(shí)間著火房間取30 s，其余房間均為120 s[12]。

2.2 危險(xiǎn)判定條件

依據(jù)《中國成年人人體尺寸》(GB/T10000-1988)[13]采用人眼高度平均值1.6 m作為臨界高度，在出口距地面1.6 m處設(shè)置溫度、CO濃度、能見度探測(cè)器，達(dá)到以下任一條件即視為危險(xiǎn)[14]：溫度>60℃,CO濃度大于0.1%;能見度<5 m。選取三個(gè)時(shí)間中最小數(shù)值作為本文的可用安全疏散時(shí)間(ASET)。

3 火災(zāi)模型建立與分析

3.1 火災(zāi)場(chǎng)景布置

使用火災(zāi)數(shù)值模擬軟件Pyrosim建立某高校教學(xué)樓一層全尺寸模型?？傞L(zhǎng)84.75 m，南北總長(zhǎng)為32.7 m，層高3.6 m。火源位于某一房間內(nèi),火源面積為0.5 m×0. 5 m。共450 016個(gè)網(wǎng)格。依據(jù)美國消防協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)NFPA 204M《Standard of Smoke and Heat Venting》中定義的4 種標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)選取“快速火”進(jìn)行計(jì)算，對(duì)應(yīng)的火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)為0.0469 kw·s-2，設(shè)定為t2火災(zāi)增長(zhǎng)模型[15]。根據(jù)《建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》(DGJ08-88-2006)[16]，本次模擬設(shè)定為無噴淋自然排煙，選取6 MW作為計(jì)算火災(zāi)規(guī)模，火災(zāi)達(dá)到最大熱釋放速率時(shí)間為357 s[15]。模型布置圖如2，使用24組探測(cè)器將模型劃分為24個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域距地1.6 m設(shè)值三個(gè)監(jiān)測(cè)器，分別監(jiān)測(cè)相應(yīng)區(qū)域的溫度、CO體積濃度和能見度，同時(shí)在出口內(nèi)測(cè)1.6 m高度放置上述三種探測(cè)器，用于安全疏散時(shí)間(ASET)的計(jì)算。

按照最不利條件，本文工況為僅所有門開啟，窗戶關(guān)閉，該工況下又分為2個(gè)疏散場(chǎng)景，即不考慮火災(zāi)產(chǎn)物影響與考慮火災(zāi)產(chǎn)物影響。模擬時(shí)間為600 s。

圖2 模型布置圖

3.2 模擬結(jié)果分析

可用安全疏散時(shí)間(ASET)由出口監(jiān)測(cè)器監(jiān)測(cè)可得，根據(jù)圖3結(jié)合詳細(xì)數(shù)據(jù)分析可知在整個(gè)模擬過程中，出口處的溫度和CO濃度均保持在危險(xiǎn)值以下，能見度于329 s降至5 m以下，已到達(dá)本文之前所設(shè)定的危險(xiǎn)判定條件。因此，本文使用能見度到達(dá)危險(xiǎn)值的時(shí)間作為可用安全疏散時(shí)間(ASET),即329 s。

圖3 出口處火災(zāi)產(chǎn)物變化

4 疏散模型建立與分析

4.1 人員參數(shù)設(shè)定

根據(jù)SFPE建議，結(jié)合實(shí)際情況，本文模擬疏散對(duì)象設(shè)定為成年男性50%、成年女性50%[17]。根據(jù)根據(jù)《中國成年人人體尺寸》(GB/t10000-1988)[13]對(duì)上述兩類人群的身高和肩寬進(jìn)行設(shè)置：成年男性:1.75 m×0.52 m；成年女性:1.65 m×0.42 m。兩者的初始速度分別為1.2 m·s-1和0.95m·s-1。相關(guān)研究表明，人員安全疏散的最大人流密度為S=3.57人/m2[18]。本文模擬對(duì)象為教育功能性建筑，一般人員密度0.7～1.0人/m2。[19]因此，本文模擬教學(xué)樓的實(shí)際情況，設(shè)置模擬人數(shù)為700人。

4.2 疏散場(chǎng)景設(shè)置

將Pyrosim模型導(dǎo)入疏散軟件Pathfinder并進(jìn)行簡(jiǎn)化得到人員疏散模型如圖4。將Pyrosim火災(zāi)模擬得到的溫度、CO濃度和能見度數(shù)據(jù)經(jīng)Matlab數(shù)據(jù)處理得到速度系數(shù)導(dǎo)入Pathfinder中的區(qū)域速度修改器作為影響人員疏散的速度系數(shù)，以此來建立火災(zāi)產(chǎn)物影響下的人員疏散模型。默認(rèn)為初始值為1，即人員初始速度不受影響，在火災(zāi)過程中，隨著火勢(shì)的發(fā)展，火災(zāi)產(chǎn)物對(duì)人員造成影響轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)人員運(yùn)動(dòng)速度的影響，速度系數(shù)不斷減小直到變?yōu)?，此時(shí)人員失去行走能力。由火災(zāi)模擬結(jié)果分析可知區(qū)域3與區(qū)域24受火災(zāi)產(chǎn)物影響較大，人員疏散速度變化較明顯，因此文本以區(qū)域3和區(qū)域24為例進(jìn)行分析，其他區(qū)域不做贅述。區(qū)域3與區(qū)域24部分時(shí)間速度系數(shù)值見表1和表2。

表1 區(qū)域3速度系數(shù)變化

表2 區(qū)域24速度系數(shù)變化

4.3 疏散模擬分析

2種場(chǎng)景下人員的疏散情況如圖5，由圖結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，考慮火災(zāi)產(chǎn)物影響條件下的人員疏散時(shí)間明顯大于不考慮火災(zāi)產(chǎn)物影響條件下的人員疏散時(shí)間。而人員能否安全疏散取決于可用安全疏散時(shí)間(ASET)與必須安全疏散時(shí)間(RSET)的比值，為保障人員能夠安全疏散，就必須要RSET329 s，人員未能全部順利疏散。因此，在可用安全時(shí)間內(nèi)，考慮火災(zāi)產(chǎn)物影響的人員疏散模擬出現(xiàn)了部分人員受困的情況，比不考慮安全疏散的時(shí)間多了38.7 s。

圖5 疏散結(jié)果曲線

火災(zāi)產(chǎn)物影響的疏散情況圖如圖6。當(dāng)不考慮火災(zāi)產(chǎn)物影響下人員在318.8 s疏散完畢時(shí)，考慮火災(zāi)產(chǎn)物影響下人員才疏散了666人，仍剩余34人；當(dāng)?shù)竭_(dá)可用安全疏散時(shí)間ASET=329 s時(shí)，不考慮火災(zāi)產(chǎn)物影響下人員全部疏散完畢，考慮火災(zāi)產(chǎn)物影響下只成功疏散了676人，24人未能成功安全疏散。由上述結(jié)果可知，考慮火災(zāi)產(chǎn)物影響下人員的疏散時(shí)間比傳統(tǒng)的疏散結(jié)果更貼近真實(shí)情況，火災(zāi)產(chǎn)物對(duì)人員的疏散情況直接產(chǎn)生了影響。

a)T=318.8 s疏散結(jié)果 b)T=329 s疏散結(jié)果

區(qū)域3和區(qū)域4的速度系數(shù)變化圖如圖7。由圖7可以看出，整個(gè)火災(zāi)模擬過程，區(qū)域3和區(qū)域24的CO速度系數(shù)均保持不變，都為1，表明CO對(duì)人員疏散不會(huì)造成影響；區(qū)域3由于是著火房間，能見度系數(shù)于132.6 s就降至0.25，與此同時(shí)，區(qū)域24作為離著火房間最近的走廊，能見度系數(shù)也于230 s降至0.25，結(jié)合圖7變化趨勢(shì)可知，在區(qū)域4和區(qū)域24總速度系數(shù)與降至0.25前的能見度速度系數(shù)變化大體一致；由2個(gè)區(qū)域的溫度系數(shù)變化可知，在火災(zāi)初期，溫度對(duì)疏散人員有積極影響，能加快人員的疏散速度，但隨著火災(zāi)的發(fā)展，溫度最先到達(dá)臨界點(diǎn)，著火房間的溫度系數(shù)降至0，此時(shí)，區(qū)域3的總速度系數(shù)為0，已不能進(jìn)行疏散任務(wù)，區(qū)域24的疏散系數(shù)也在0～0.5之間徘徊，嚴(yán)重降低人員疏散速度。由此可知，區(qū)域3即著火房間內(nèi)人員應(yīng)于238 s前完成從房間撤離，238 s后房間已不具備疏散功能，將會(huì)威脅屋內(nèi)人員生命安全；區(qū)域24即著火房間外的走廊260 s前走廊內(nèi)的人員疏散速度不會(huì)受火情影響太大，應(yīng)及時(shí)疏散，260 s后將嚴(yán)重影響走廊內(nèi)人員的疏散速度，甚至威脅人身安全。

a)區(qū)域3速度系數(shù)

b)區(qū)域24速度系數(shù)

5 火災(zāi)及疏散場(chǎng)景耦合的可視化展示

受技術(shù)條件限制，以往的疏散軟件只能單獨(dú)進(jìn)行疏散模擬，不能結(jié)合火災(zāi)，模擬結(jié)果不能顯示人員疏散過程中周圍的火場(chǎng)變化情況。隨著技術(shù)的不斷升級(jí)，可以利用Payrosim和Pathfinder實(shí)現(xiàn)在模擬人員疏散的同時(shí)觀察周圍的火災(zāi)煙氣等火場(chǎng)變化情況。

本文將火災(zāi)與疏散場(chǎng)景耦合，實(shí)現(xiàn)在三維壞境下查看火災(zāi)發(fā)展與人員疏散結(jié)果，可視化展示火災(zāi)情況下人員的疏散過程。省去了大量的數(shù)據(jù)處理，有助于救援人員的在線決策，極大的方便了救援工作。

為了更直觀的展示火災(zāi)中的人員疏散情況，一樓模型進(jìn)行設(shè)置為線框，整體展示火災(zāi)煙氣蔓延下的人員疏散情況如圖8。同時(shí)，Pyrosim還支持繪制3D數(shù)據(jù)，火源動(dòng)態(tài)效果和熱釋放速率3D數(shù)據(jù)展示如圖9。Pathfinder默認(rèn)情況下會(huì)根據(jù)人員添加的先后順序給人員進(jìn)行編號(hào)，在疏散結(jié)果中，可以任意選取一個(gè)人員視角進(jìn)行第三人稱觀察。本文以“566號(hào)”疏散人員為例進(jìn)行第三人稱視角的觀察，可以更真實(shí)的反應(yīng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，火場(chǎng)內(nèi)每一個(gè)人員的疏散情況如圖10。

圖8 火災(zāi)煙氣與人員疏散同時(shí)展示

a)火源 b)熱釋放速率

圖10 “566”號(hào)人員疏散視角

6 結(jié) 論

本文對(duì)某教學(xué)樓一層全尺寸模型進(jìn)行了火災(zāi)模擬與人員疏模擬研究，引入速度系數(shù)概念，將火災(zāi)產(chǎn)物對(duì)人員疏散的影響轉(zhuǎn)化為對(duì)人員疏散速度的影響，通過Pyrosim火災(zāi)數(shù)值模擬分析得到的火災(zāi)產(chǎn)物變化數(shù)據(jù)結(jié)合Pathfinder建立火災(zāi)產(chǎn)物影響下的人員疏散模型，對(duì)比分析了700人疏散情況下兩種疏散場(chǎng)景的結(jié)果。結(jié)論如下:

(1)相比于以往的研究方法，將火災(zāi)產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為對(duì)人員疏散速度影響的人員疏散模型所需疏散時(shí)間更長(zhǎng)，在人員數(shù)量到達(dá)一定量的時(shí)候甚至?xí)霈F(xiàn)部分人員疏散失敗的情況，該方法更貼近真實(shí)火災(zāi)場(chǎng)景中的人員疏散情況。

(2)在火災(zāi)發(fā)生初期，溫度對(duì)人員疏散速度產(chǎn)生積極影響，稀釋了CO和能見度對(duì)人員疏散速度的消極影響，隨著火勢(shì)的發(fā)展，能見度系數(shù)最先開始降低，降至最低值后，人員疏散速度主要受溫度的影響。

(3)將火災(zāi)模擬與人員疏散結(jié)果耦合進(jìn)行可視化展示，真實(shí)的展現(xiàn)了火災(zāi)過程中建筑內(nèi)人員的疏散情況，能更直觀協(xié)助工作人員熟悉火災(zāi)場(chǎng)景下應(yīng)該怎么樣開展疏散工作。