大型体育馆消防性能化设计中安全疏散时间的分析和研究

李玉臻，刘家豪，李海航，汪 箭＊

（1.安徽省消防总队，合肥，230027；2.中国科技大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026）

0 引言

现代大型体育馆具有功能多元化和建筑形式多样化、以及新技术和新材料大量应用等诸多特点，建筑结构的特殊性、空间规模的超大性、使用功能的多样性、火灾荷载的可变性也使其火灾特性有别于其它普通建筑。体育馆，特别是看台，属于人员较为密集的区域，在设计时更要着重考虑人员密集区域的安全性［1］。同时，体育馆也属高大空间建筑，在设计时需要强化火灾风险的预防［2］。鉴于建筑结构的特殊性使现行的消防设计规范不能完全涵盖建筑消防设计要求，所以要采用消防性能化设计方法对大型体育场馆进行消防安全综合评价［3］。

本文结合某大型体育馆消防性能化设计实例，通过对人员疏散时间进行模拟计算来定量评价其消防安全水平。

1 项目概况

该体育馆依据《体育建筑设计规范》JGJ31－2003（以下简称《体规》）定位为甲级，即参照能够承办全国性和单项国际比赛标准建造［4］，总建筑面积为34686m2，共五层，其中一层、二层为体育训练厅及体育用品房，三、四、五层为人员密集的比赛场地和看台区，共设有6199个坐席。建筑消防设计高度为30.5m，整体设计为半球形。建筑设计使用年限为50年，耐火等级为二级。

在疏散宽度指标问题上，目前设计的疏散楼梯的宽度指标为0.625m／百人，可满足《体规》要求的0.43m／百人的指标要求。体育馆主要的疏散通道是其周围的六部剪刀式楼梯，设计满足规范要求。

2 人员疏散时间

火灾情况下，人员本身也是影响疏散效率最重要的原因之一。由于体育馆人员密度较大，加上座椅等因素，紧急情况下人员疏散移动速度较慢，可能产生急躁情绪，人为造成拥挤踩踏事故，所以应保证紧急状况下人员能够快速有效地通过疏散走道、疏散楼梯或安全出口［5，6］。我国《体规》条文说明里将二级耐火等级的体育馆控制疏散时间定为3min～4min，根据容量不同规定全部疏散完成时间为6min～8min，《建筑设计防火规范》GB50016－2006条文说明里也有相应的表述［7］。

以上疏散时间只规定人员能够在多长时间内疏散出去，并不能完全反应出在火灾危险因素威胁到人员安全之前，人员能否安全疏散。因此在性能化消防设计中提出可用安全疏散时间ASET（Available Safe Egress Time）和所需安全疏散时间RSET（Required Safe Egress Time）两个概念来表征［8，9］，即：ASET＞RSET。如果该式成立，人员可以在危险状况来临之前安全疏散，反之，则需要增加建筑疏散通道的数量或宽度来提高疏散效率。

可用安全疏散时间指火灾从开始发展到威胁人员安全所经历的时间，主要通过火灾过程中产生的对人体不利的危险因素，如烟气层高度、温度、能见度、CO体积分数等指标的阈值来判定［10］。所需安全疏散时间指人员从火灾开始到全部疏散完成所需要的时间。本文采用BuildingEXODUS模拟人员疏散所需要的时间，采用FDS模拟火灾危险到达的时间。

3 疏散时间分析及优化设计

3.1 疏散时间计算

该体育馆需要疏散的最大人数为赛时发生火灾情况下观众和工作人员总人数，根据体育馆座位数设置以及日常工作人员安排，确定总的疏散人数为6372人。图1和图2分别是用EXODUS模拟的主要疏散区域三、四、五层的模型图，三层和四层座椅包括固定坐席、活动坐席和主席台坐席，这些区域的观众首先通过疏散走廊疏散到15.6m标高的观众休息厅，然后再通过观众休息厅中的六部室外剪刀式楼梯疏散到室外地面，看台所有纵向通道宽度为1.1m，总的疏散宽度为29.7m。五层固定坐席的观众通过三个疏散口下行至观众休息厅并由疏散楼梯疏散至室外，疏散宽度为3.6m。包厢席观众则通过20.4m标高包厢休息平台直接进入防烟楼梯间疏散至一楼，疏散宽度为3m。

看台区域观众从看台出口全部疏散出去的允许最长时间为控制疏散时间，即我国《体规》条文说明里的3min～4min，而在火灾或其它危险状况下应保证人员安全疏散至地面室外区域，因此疏散完成时间，即安全疏散时间应是消防性能化设计的一个主要参考。以下分别从规范要求，经验公式和软件计算三个方面来计算和讨论安全疏散时间。

图1 三层和四层疏散模型图Fig.1 Evacuation model of the 3rd and 4th floors

图2 五层疏散模型图Fig.2 Evacuation model of the 5th floor

3.1.1 规范要求计算

《体规》中规定体育馆的百人疏散宽度不应小于0.43m／百人，人流通行指标在平坡地面时为43人／每股人流·分钟，阶梯地面为37人／每股人流·分钟。4股和4股以下人流时每股人流宽度按0.55m计，大于4股人流每股按0.5m计。疏散速度指标规定下行速度取10m／min，平坡地面取45m／min。

对下层固定看台和活动看台取最不利看台分区进行计算，疏散人数最多的出入口有252人的载荷，看台横向走道为阶梯地面，取37人／每股人流·分钟，人流分为两股，疏散至观众厅的时间为252÷（2×37）＝3.4min＜4min，可满足规范对控制疏散时间的要求。上层固定看台需疏散至15.6m标高观众厅，最大人流232人，取阶梯路面和两股人流，可得疏散至观众厅时间为3.14min＜4min，亦可满足规范对控制疏散时间的要求。贵宾包厢至最近楼梯间门的距离为15m，取平坡地面，则用时0.3min。楼梯间标高20.4m，疏散到地面用时2.04min。封闭楼梯距室外最大距离为15m，需0.3min。贵宾包厢疏散时间总计2.64min＜3min，因此，总体上体育馆内人员疏散满足规范对控制疏散时间3min～4min的要求。

火灾情况下的人员安全疏散是指疏散到室外，从体育馆室内疏散到15.6m标高观众厅的观众（满足规范对控制疏散时间的要求）还需要经历最大15m平坡地面、15.6m阶梯路面和15m平坡地面才能到达室外地面，分别用时0.3min、1.56min和0.3min，共计2.16min。取体育馆内人员疏散至过度区（15.6m标高观众厅）最长用时3.4＊min计算（控制疏散时间），看台观众疏散至室外总计用时3.4＊＋2.16＝5.56min＝334s，既满足规范要求的控制疏散时间也满足规范要求的全部疏散完成时间为6min～8min，并可理解为规范要求的火灾时人员安全疏散时间。

3.1.2 经验公式计算

经验公式是长期实践的结果，它考虑了人员疏散的有序性和出口利用率的高效性。采用人员密度计算法［11］来计算疏散时间，由式（1）给出，

式中：t：控制疏散时间；

N：观众厅总人数；

b：疏散口总宽度；

a：疏散时的人流密度，取3人／m2；

v：疏散时的人流行走速度，楼梯下行速度为10m／min，平地行走45m／min。

按照《体规》中0.43m／百人宽度采用经验公式计算得到疏散时间为465s，与前面规范要求计算的火灾人员安全疏散时间334s并不一致，既按规范计算的人员疏散时间可理解为理论时间，由经验公式计算得到的人员疏散时是根据实际情况对理论时间的一种修正，其就人员疏散安全水平而言两者是等价的。现行设计宽度0.625m／百人由经验公式计算可得到疏散时间320s。对比465s（0.43m／百人宽度，经验公式计算），其人员疏散安全水平明显高于规范的最低要求。在这里特别指出的是：与规范所要求的安全水平比较，是要在相同的计算方式下进行，既计算结果是320s（0.625m／百人宽度，经验公式计算）与465s（0.43m／百人宽度，经验公式计算）比较；334s（0.43m／百人宽度，规范要求计算）与465s（0.43m／百人宽度，经验公式计算）应理解为由于计算方式不同造成计算结果的差异，但就所达到的消防安全水平而言两者是等价的。

3.1.3 疏散软件计算

EXODUS采用0.5m×0.5m的正方形网格点，每个网格与相邻八个网格点相连，网格之间以弧相连。模拟中各部分人员配比按EXODUS默认设置［12］，人员行为则考虑了紧急疏散状况下可能会出现的极端行为、焦虑情绪和社会性反应等条件，在一定程度上被认为体现或最接近实际情况下的人员疏散时间。

该体育馆现设计疏散楼梯宽度指标为0.625m／百人，通过EXODUS模拟计算可以得出上看台全部疏散至15.6m标高观众厅需要119s，下看台全部疏散到楼梯中需要339s，全部人员疏散至室外共计418s。对模型的六部剪刀式楼梯及出口宽度作定量修改，模拟《体规》中规定的0.43m／百人疏散宽度指标。模拟结果显示，假定设计0.43m／百人疏散宽度时，看台区域全部疏散到楼梯内需要541s，全部人员疏散至室外地面需要623s。此时疏散完成时间比现行设计宽度下慢了33%，说明该场馆在现行设计宽度下的消防安全水平明显高于规范所要求的最低安全水平。

3.2 疏散过程优化

分析现行设计宽度条件的软件下计算过程和计算结果，可以明显地观察到疏散过程中存在着一些瓶颈，影响人员疏散。比如，人员疏散流向导致某些出口的利用率不足，而某些出口因压力过大形成堵塞。最为明显的是西侧看台（如图3的四层西侧平面图所示），五层看台的669名观众在疏散时会由A和B两个楼梯疏散到四层的观众休息厅，因为E和F两个疏散楼梯距离较远，所以大部分观众不会利用E和F楼梯向下疏散，只由C和D两个室外楼梯向下疏散，再加上所需要承载的本层人员疏散的压力，C和D这两个疏散通道比较拥挤，不利于充分合理利用楼梯提高人员疏散效率。

图3 体育馆西侧看台疏散结构图Fig.3 Structure drawing of the west stands of the stadium

由观察和分析可以发现，在疏散过程中造成拥挤的除了C、D楼梯口之外，还有看台座椅、看台出口和疏散走道，因此需要着重分析这些因素对人员疏散过程的影响。首先对经过C和D两个出口疏散的四层观众进行人为分流，目的是使两个出口具有相等的疏散人流量。为了考察座椅对疏散过程的影响，用阶梯形式取代原先需要通过C处出口疏散的四层观众的座椅形式，即此处人员疏散无需通过座位间横向运动到疏散通道处再经阶梯向C出口方向疏散，可直接进入上层阶梯往C出口方向疏散。而通过D口疏散的观众仍按原先座椅模式进行疏散。图4截取了疏散过程中45s、105s、165s和225s时的疏散状态，从图中可以看出，在疏散早期阶段，无座椅区域的人员很快会拥挤到疏散走廊附近，由于走廊宽度仅为2.5m，后面的人员不能有效往疏散出口运动，因此大部分人员处于等待状态。而有座椅的区域，由于人员行经座椅中间的通道疏散，所以初始时刻D楼梯的有效利用率没有C楼梯的高。随着疏散时间推移，出口的利用率都达到较高的水平时，此时疏散的瓶颈就体现在疏散走廊的宽度上，105s疏散图显示两处人员的疏散均受到走廊宽度的制约。165s时两处人员疏散进行状况差异不大，走廊宽度的影响抵消了座椅及座椅间狭小疏散通道所带来的影响。

图4 南侧去除座椅后各时刻疏散过程图Fig.4 Evacuation process of the south at some typical moment after removing the chairs

以上分析可见疏散走廊是影响疏散效率的主要因素，而不是座椅，疏散走廊2.5m的疏散宽度制约了楼梯通道3.5m宽的疏散能力。为了提高疏散效率，设计时应尽量使疏散必经通道的宽度与楼梯宽度保持一致。事实上，下层固定看台和活动看台出口的疏散总宽度为29.7m，疏散人员荷载为5322人，仅能达到0.558m／百人，小于设计的百人宽度。既然疏散走廊是影响疏散效率的主要因素，需对现行设计进行改进，即加宽疏散走廊可明显体现这种影响。图5所示为北侧疏散走廊宽度由2.5m加宽到3.5m以后60s和120s时的疏散情况，虽然疏散走廊上不再出现拥挤现象，看台出口的宽度却显著影响了人员疏散效率。将看台出口宽度，由1.1m调整为2m，此时疏散至60s和120s时的效果如图6所示，从图6可以发现看台出口的宽度不再制约疏散过程，D处楼梯的出口利用率较高，人员能快速地从看台疏散到楼梯出口。根据模拟计算结果可知，人员能够在251s时全部疏散至楼梯走廊，全部疏散完成则共需331s，疏散效率比现设计方案提高了21%，使原本的疏散瓶颈所造成的拥堵现象有了较大的改观。

图5 加大北侧疏散通道宽度后60s和120s疏散过程图Fig.5 Evacuation process at 60sand 120safter increasing the width of the north evacuation exit

图6 加大北侧看台出口宽度后60s和120s疏散过程图Fig.6 Evacuation process at 60sand 120safter increasing the width of the north stands

3.3 计算结果分析

规范要求、现行设计方案及消防性能化设计优化后所计算的安全疏散时间列于表1中。其中规范要求计算的疏散时间334s（3.4＊min＋2.16min），0.43m／百人宽度经验公式和疏散软件计算的时间分别为465s和623s，均体现规范要求所必须达到的安全水平。0.625m／百人宽度的计算结果与规范要求的安全水平相比，显然具有更高的安全性，特别是优化分析后的软件计算结果331s，与623s（0.43m／百人宽度，疏散软件计算）相比，疏散效率提高了47%，远优于规范要求的安全水平。

表1 不同条件下疏散完成时间Table 1 Evacuation finish time at different conditions

《体规》中规定的3min～4min控制疏散时间可以作为安全疏散设计的一个参考，安全疏散最终还是要考虑全部疏散完成所用时间，即安全疏散时间。在消防性能化设计过程中，运用疏散软件模拟计算人员疏散过程，观察疏散过程中存在的瓶颈，分析和减少影响疏散的主要因素，优化设计方案，可以有效地提高人员疏散效率，缩短疏散时间。

4 安全性分析

火灾场景设计是消防性能化设计的一个重要环节，通过假定体育场馆火灾发生状况，分析计算火灾是否会对人员安全疏散过程造成影响，最终判断采取的设计方案能否满足消防安全要求［13］。设计火灾场景应遵循最不利原则，即选择火灾危险性较大且易发生火灾的场景。该体育馆作为举办大型赛事和演出项目的场馆，其内部主要的火灾荷载有组合办公家具、演出舞台幕布和看台座椅等，其发生火灾的可能性与可燃物的性质、潜在点火源特征以及消防设施等诸多因素相关。

通过考虑喷淋系统启动后将火灾最大热释放速率控制在某一恒定值，并加上一定的不确定余量来确认火灾规模，是现在普遍采用的火灾设计方法［14］。为减少火灾场景，计算过程只模拟三、四、五层的烟气扩散过程，采用固定热释放速率，具体工况如表2所示。

表2 计算工况表Table 2 Conditions of calculation

根据火灾场景设计，一旦发生火灾，火灾燃烧就会产生大量热量、毒性气体及烟尘等危害产物。对于大空间建筑，定量判断准则之一就是烟气层高度应保持在距地面2m以上的位置，人体对辐射热流的耐受极限为2.5kW／m2，而且烟气中的CO浓度一旦达到0.25%就可对人造成危害。烟气体积分数较高时可视度也会降低，逃生时确定逃生路线和做出决定所需的时间也会越长，大空间内确定逃生方向需要看得更远，因此能见度要求不小于10m。通过分析这些参数的计算结果，可以判断火灾发展到何时会对人员安全疏散构成威胁，从而得出火灾时人员疏散的可用安全疏散时间ASET。

在现行设计宽度条件下对各种火灾场景的可用安全疏散可用时间ASET和所需安全时间RSET进行比较，可得出人员疏散的安全性结论。模拟发现，除了最危险的B1和B2场景下会出现安全问题，其余场景在计算时间内均未出现超过安全阈值的火灾参数。危险场景B1和B2人员疏散安全性见表3所示。

表3 危险场景火灾人员疏散安全性Table 3 Safety of personnel evacuation in the fire risk scenario

由上可以看出，在所有火灾场景下，现设计宽度均能够保证人员的安全疏散，且有很大的安全疏散余量，并且能够达到足够的安全水平，如果依照前述优化方案对其进行优化，能够达到823s的安全余量，从而达到更高的安全水平。

5 结论及建议

本文应用消防性能化设计方法对某体育场馆的人员安全疏散进行评估，计算模拟分析可以得出：就人员疏散而言，现设计宽度可以满足规范要求，并能够达到不低于规范要求的消防安全水平。主要结论及建议如下：

（1）在评估消防性能化设计的安全水平时，应采用消防性能化设计安全水平不应低于处方式安全水平的设计理念。

（2）消防性能化设计过程中，通过应用疏散软件模拟人员疏散过程，分析和观察人员疏散过程存在的瓶颈，通过优化设计，可有效地提高疏散效率，缩短疏散时间。

（3）本文中规范要求计算得到的理论疏散时间、经验公式计算的修正疏散时间和疏散软件计算的实际疏散时间，三者的计算方法不同会造成计算结果的差异，但在相同计算条件下三者所表征的安全水平是相同的，在消防性能化设计中应以相同计算方法为依据评估人员疏散的安全性。

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