基于计算机模拟技术的电子厂房疏散设计研究

齐应茹 赵长勇

(陕西消防总队延安支队，陕西延安 716000)

随着经济的发展和电子产品的日益增多，我国出现了大量体量庞大、功能复杂的大型电子产品生产厂房。这些厂房在使用功能、建筑材料、结构形式等方面与传统的电子厂房都有很大不同，建筑设计方案已无法满足我国规范的要求。现行国家规范GB 50016-2006建筑设计防火规范第3.7.4条对厂房内任一点到最近安全出口的距离进行了明确规定，但是如果按照此规定执行，很多厂房的设计方案将无法满足此要求。本文以某项目疏散问题为研究对象，采用性能化消防设计的方法进行论证，以期找到解决类似工程问题的方法。

1 工程概况

某电子产品生产厂房的火灾危险性分类为丙类，建筑占地面积92 153 m2，建筑面积357 855 m2，采用钢框架结构，按一级耐火等级进行防火设计。生产厂房分为大跨度的核心净化生产区、支持区与办公区。其中核心净化生产区3层，建筑高度28 m。

按照国家规范GB 50016-2006建筑设计防火规范第3.7.4条规定，本项目生产区最大疏散距离均超过40m，最远距离为90m，疏散距离不满足规范要求。另外，楼梯在首层无法直通室外，此难点也无法满足规范规定，如图1所示。

图1 标准层平面图

2 解决方案

综合上面分析的因素，按照前文所提到的新型数字化建筑防火设计方法，对原方案提出修改调整，并通过理论分析，来论证此方案的科学性和可行性。

2.1 防火分区

现行国家标准GB 50472电子工业洁净厂房设计规范第6.2.3条规定:“洁净厂房内防火分区的划分，应符合现行国家标准GB 50016-2006建筑设计防火规范(以下简称《建规》)的有关规定。丙类生产的电子工业洁净厂房的洁净室(区)，在关键生产设备设有火灾报警和灭火装置以及回风气流中设有灵敏度严于0.01%obs/m的高灵敏度早期火灾报警探测系统后，其每个防火分区的最大允许建筑面积可按生产工艺要求确定。”第6.2.4条规定:“洁净室的上技术夹层、下技术夹层和洁净生产层，当按其构造特点和用途作为同一防火分区时，上、下技术夹层的面积可不计入防火分区的建筑面积，但应分别采取相应的消防措施。”

本建筑内关键生产设备自带火灾报警和灭火装置以及在回风气流中设有灵敏度严于0.01%obs/m的高灵敏度早期火灾报警探测系统。根据上述规定，本项目防火分区可按实际工艺要求进行设置，三层核心区及下夹层划为一个防火分区。

2.2 疏散设计

《电规》第6.2.7条第3款规定:“丙类生产的电子工业洁净厂房，在关键生产设备自带火灾报警和灭火装置以及回风气流中设有灵敏度严于0.01%obs/m的高灵敏度早期火灾报警探测系统后，安全疏散距离可按工艺需要确定，但不得大于本条第2款规定的安全疏散距离的1.5倍(60 m)。”基于厂房疏散距离过长，首层中部部分疏散楼梯不能直通室外，现在原方案基础上增加安全疏散走道，利用安全走道将疏散楼梯与室外安全出口进行连接，以保障人员的安全疏散，如图2所示。

图2 安全走道的范围示意图

同时，为确保安全通道的安全性，根据首层安全走道的范围及相关规范的要求，提出以下加强措施:1)走道楼板的耐火极限不低于1.50 h，两侧隔墙采用防火墙;2)走道直通室外的出口不少于2个，并设置在不同方向;3)走道的净宽度不小于任一防火分区通向走道的设计疏散总净宽度;4)走道内部装修材料的燃烧性能为A级;5)走道内设置消火栓、消防应急照明、应急广播和消防专线电话;6)一层支持区安全疏散出口均直接向室外开启，人员直接向室外进行疏散。

3 对方案安全分析

通过对原设计方案的修改，增加了安全疏散通道和防烟楼梯间等措施，如何判断该方案是否满足人员安全疏散的目标，则需要对方案进行安全分析。首先分析待评估建筑的火灾危险性，并根据火灾危险性设定合理的火灾场景;然后用计算机模拟程序对设定火灾场景下的火灾烟气、温度等火灾动力学参数进行计算，得到人员可用疏散时间TASET;再根据设定火灾场景设置相应的人员安全疏散场景，并利用人员安全疏散模拟软件对设定疏散场景下的人员疏散情况进行计算，得到人员必需疏散时间TRSET;最后证明TASET＞TRSET是否成立。即如TASET＞TRSET，则可以认为在设计的设定火灾场景条件下，建筑内的人员能在火灾产生的不利因素影响到生命安全之前全部疏散到安全区域。反之，则判定现消防设计方案不能满足人员安全疏散的要求，需要进行修改。

3.1 火灾模拟过程分析

3.1.1 建筑火灾研究

火灾研究采用由美国国家标准与技术研究院(NIST)开发的FDS软件进行分析。首先对建筑进行三维建模，然后对建筑内火源位置、火灾曲线、火灾功率、建筑消防设备等内容进行设定。在此基础上，定量模拟分析出该建筑在火灾状态下火灾蔓延、空气层温度和烟气浓度等特性。

3.1.2 火灾设计

为考察安全通道的安全性，原设计确定了10个火源位置共30个火灾场景进行论证，同时考虑了自动灭火系统和机械防排烟系统的不同工况组合。本文选取其中具有代表性的2个火灾场景进行说明。

1)火源位置。

火源位置A:该场景设定火灾发生在一层电气室，主要考虑电气设备发生火灾对安全通道的影响。火源位置B:该场景设定火灾发生在一层核心区，考虑火源附近的安全通道被封堵的不利情形。

2)火灾增长曲线。

火灾增长曲线的数学模型采用t2火灾模型，如式(1)所示:

其中，Q为火源热释放速率，kW;α为火灾增长速率，kW/s2;t为火灾的燃烧时间，s。

对于t2火灾的类型，国际标准ISO/TS 16733中根据火灾增长系数的值定义了4种标准t2火灾:慢速火、中速火、快速火和超快速火，保守考虑，火灾按快速火发展考虑，取α=0.046 89 kW/s2。

3)火灾功率。

火灾工况考虑有喷淋保护，火灾功率则参照上海市工程建设规范DGJ 08-88-2006民用建筑防排烟技术规程进行选取。无喷淋保护则参照托马斯轰燃公式进行计算，如式(2)所示:

其中，Q为发生轰燃时的热释放速率，kW;At为房间的内表面积，m2;Aw为通风口面积，m2;Hw为通风口高度，m。综上所述，设定火灾场景如表1所示。

表1 火灾场景设定

3.1.3 火灾模拟分析

影响人员安全疏散的主要性能参数包括烟气层高度、对流热、热辐射、能见度、烟气毒害性等方面。通过分析燃烧结果中特性参数，量化影响人员安全疏散的判定数据，如表2所示。

表2 人员安全判据

通过对设定火灾场景的模拟分析，可得到火灾中影响人员安全的各项参数值，量化为安全时间来表示，具体如表3所示。

表3 人员疏散安全性判定

3.2 人员疏散研究

人员疏散研究采用由英国开发的pathfinder来进行分析。首先对建筑进行数字化三维建模，然后通过设定火灾场景、人员数量、密度、位置、速度等参数模拟人员的实际疏散行为。模拟输出结果包括人员疏散所用时间，选择的出口位置、人员构成、人员个体属性、通过各楼梯或出口的人数等。

在设定火灾场景条件下，人员能在火灾影响到生命安全以前全部疏散到安全区域，则可认为方案可行;反之，则认为现有消防设计方案不能满足人员安全疏散的要求，需要进行改进。即:TRSET＜TASET。

由表3中可以看出由于设定了安全走道，在各种工况下，人员均能安全疏散。通过分析可知，消防设备的有效对于建筑内人员安全疏散极其重要。在消防设计中，应加强自动喷水灭火系统、机械排烟系统的设置，在实际运行中也应保证其能完好有效。

综上所述，本节利用计算机辅助方法，通过分析火灾条件下的人员安全疏散过程及其与火灾发展、烟气蔓延时间的关系，论证了安全走道的可行性。

4 结语

大型厂房功能复杂，如何划分防火分区，正确合理布置安全走道和疏散楼梯，确保其安全性，是其防火设计的难点。运用建筑火灾安全工程学的基本原理，以计算机为辅助，引入安全走道等新型设计理念，利用新型建筑防火设计方法可以很好的解决这些难点。本文经论述可知，利用“安全走道”的疏散设计方案，可以帮助解决电子厂房疏散距离过长的问题，实现人员的安全疏散。

［1］ GB 50016-2006，建筑设计防火规范［S］.

［2］ GB 50045-95，高层民用建筑设计防火规范［S］.

［3］ DBJ 50-054-2006，上海市防排烟技术规程［S］.

［4］ 李引擎.建筑防火性能化设计［M］.北京:化学工业出版社，2005.