大型地下超市人员疏散模拟研究

赵文浩

(烟台市消防支队，山东 烟台　264000)



大型地下超市人员疏散模拟研究

赵文浩

(烟台市消防支队，山东 烟台264000)

运用火灾场模拟软件FDS以及疏散模拟软件PathFinder对某大型地下超市进行火灾情况下人员疏散模拟研究。依据相关要求设置火灾场景，进行模拟，得出该超市在火灾情况下的能见度、温度、CO浓度达到人体耐受极限的时间，确定可用疏散时间。在疏散模拟中，根据相关规定以及实际情况设置疏散参数，确定必需疏散时间,得出该超市在紧急情况下人员可全部安全疏散的结论，并针对该超市安全度较低的情况提出了建议。

地下超市；火灾数值模拟；人员疏散

0　引言

随着经济的不断发展进步，大型地下超市正在逐渐兴起，其具有以下特点：(1)多为大空间结构，营业部分面积大；(2)无直接对外开口；(3)节假日会出现购物者高度集中的现象，人员密度大；(4)商品及装饰品多数为可燃物。所以大型地下超市一旦发生火灾，极易蔓延，产生的烟气会对人体产生极大的危害，所以超市内的人员能否在可用安全疏散时间内疏散到安全地点极其重要。针对上述问题，本文以某大型地下超市为研究对象，设计相应的火灾场景，运用数值模拟方法进行火灾情况下人员安全疏散的研究。

1　超市概况

该超市位于某大型商业综合体建筑地下一层，钢筋混凝土框架结构，总建筑面积9 061 m2，层高5.8 m，共划分为7个防火分区。图1中显示了超市整体布局情况，包括入口位置、楼梯位置以及货物摆放等情况。超市内的可燃物主要包括衣服、纸类产品、酒类产品，以及货架、容纳商品的纸箱、促销活动时的装饰品等。

图1　超市平面示意图

2　可用安全疏散时间的确定

2.1模型的建立

依据该地下超市的CAD图纸，包括建筑内部结构、防火卷帘、防火门、排烟补风口等位置，建立超市的计算模型。图2为基于CAD图纸在FDS环境中建立的模型整体概况图。

图2　FDS模型平面图

2.2火灾场景的确定

火灾场景为对某特定火灾类型从引燃时刻或者从某个设定状态燃烧到火灾热释放速率增长峰值的描述，同时还包括对建筑物的结构特性及预计火灾所导致危害的说明。具体火灾场景的确定，需要对多方面因素进行综合考虑，其中包括建筑结构特点和平面布局、使用性质、所包含可燃物特点以及安装的消防设施情况等[1]。

2.2.1火灾增长速率的确定

建筑物的火灾危险性可通过火灾增长速率衡量，其中纤维类火灾增长曲线可用t2火模型表征。按照火灾增长系数α的数值大小，t2火可分为慢速火、中速火、快速火和超快速火。超市内的可燃物种类多，各商品的摆放方式不一致，目前缺乏该类型场所的详细火灾统计数据。根据相关研究资料，考虑到超市内所包括的具体可燃物的燃烧特性及蔓延特性，多数商品的火灾危险性不会高于服装类商品的火灾危险性，因此选取服装为该超市典型可燃物。根据公安部天津消防科研所对服装火灾试验研究结果，可认为超市内火灾类型为t2快速火[2]。

2.2.2火灾最大热释放速率的确定

确定某一特定类型火灾最大热释放速率的理想做法是进行实体燃烧试验测定，但是成本过高，不易实现，一般可通过(1)式计算火灾热释放速率。

(1)

式中，Q为火灾热释放速率，kW；α为火灾增长系数，kW·s-2；t为时间，s。

该超市设有湿式自动喷水灭火系统，火灾场景考虑受自动喷水灭火系统控制的火灾。通常认为，自动喷水灭火系统启动一段时间后火灾热释放速率不再增加，并维持一段时间后逐渐衰减。自动喷水灭火系统的动作时间可通过计算机软件DETACT-T2确定。所需计算参数为：火源处顶棚高度5.8 m，洒水喷头的响应时间指数50 (m·s)1/2，洒水喷头动作温度68 ℃，喷头距火源中轴线距离2.5 m，环境温度20 ℃，火灾初期增长系数α=0.046 89 kW·s-2。经计算可得出喷头启动时间为156 s，利用公式(1)可计算出自动喷水灭火系统启动时的火灾热释放速率为1 141 kW，在此基础上考虑不小于1.5倍安全系数，最终得到火灾热释放速率为1.8 MW。

2.2.3火源位置的确定

进行具体火灾场景设置时，基于建筑物空间结构特点及平面布局，考虑火灾可能规模大小、疏散出口分布情况、可燃物分布情况、烟控措施等因素，最终确定火源位置。综合考虑以上因素，模拟中设置火源位于超市中部针织品区。

2.3火灾模拟结果分析

火灾烟气的热作用和毒性会对人员的生命健康产生危害，且烟气聚集会造成能见度下降，对人员安全疏散产生不利影响。因此通常从火灾烟气特性角度分析火灾时人员疏散情况，确定可用疏散时间，主要对烟气层高度、温度、有毒气体浓度、能见度这4个因素随时间变化情况进行分析。

本项目设计目标是保证危险来临时间大于人员安全疏散时间，根据《建设工程性能化消防设计与评估导则》中相关规定，设置危险高度为2 m，安全判据为：能见度≥5 m，烟气温度≤60 ℃，CO浓度≤500 ppm，判定标准均指安全高度以下空间内各指标值。模拟结果显示，该超市在危险高度2 m处能见度下降比较迅速，在500 s时大部分区域的能见度可以保证在5 m以上，随着火灾的发展蔓延，能见度继续下降，在700 s时大部分区域能见度均小于5 m，人员无法继续进行疏散。另外，模拟中在火源处以及各疏散楼梯处均在高度为2 m处设置温度探测元件，对不同时刻的温度进行测量。根据FDS模拟结果，在661 s时大部分区域以及大部分疏散出口处的温度均大于人体耐受极限。在模拟过程中，CO浓度在安全范围内。根据以上分析，可用安全疏散时间为661 s。

3　人员必需疏散时间的确定

3.1疏散参数的确定

《建筑设计防火规范》[3]对商店建筑疏散人数计算方法及换算系数和面积折算值的具体取值要求有详细规定，该超市位于地下一层，按照规范要求，计算疏散人数时换算系数应取0.6，最终计算得到疏散人数为3 365人。由于该地下超市附属于大型商业综合体建筑，在人员类型组成上不能只按照一般超市类建筑考虑，应考虑大型商业综合体建筑中人员类型情况。考虑到建筑性质及使用功能，可认为人员类型主要包括成年男士、成年女士、儿童和老者。各人员类型组成数值比例可参照国际通用的一般公共娱乐建筑场所的推荐比例数值，其中成年男士占40%，成年女士占40%，儿童占10%，老者占10%。

疏散出口的有效宽度通过疏散出口宽度减去有效宽度折减值进行计算。有效宽度折减值的定义是人在通过疏散走道或疏散门时与走道或者门边缘所保持的习惯性距离。《消防工程手册》中总结了常见通道类型的有效宽度折减值，其中楼梯、墙壁处为15 cm，扶手处为9 cm，走廊处为20 cm，大门处为15 cm。可根据以上数值对各疏散出口的有效疏散宽度进行计算，进而建立人员疏散模型。该超市安全出口与疏散楼梯设置布局情况见图1。

必需疏散时间为报警时间、人员响应时间和疏散行走时间三者相加之和。该超市内安装有火灾自动报警系统，可认为报警时间为60 s。该超市内安装有声音广播系统，可认为人员响应时间为120 s。人员疏散行走时间通过设计疏散场景进行数值模拟确定。

3.2疏散场景分析

设计疏散场景的原则为考虑发生火灾时人员安全疏散的最不利情况，一般设计火源在某一疏散出口附近，使人员不能通过该出口进行疏散。该超市包含多个防火分区，存在多个出口共用一部疏散楼梯的情况，即使发生火灾，其他防火分区也可利用火源附近疏散楼梯的不同出口进行疏散，故设置为火灾时火源附近通向疏散楼梯的出口不可用。根据上文设置的火灾场景，在设置疏散场景时将疏散楼梯6与疏散楼梯7的出口封堵，不能用于人员疏散。

3.3疏散行走时间的确定

采用ThunderHead Engineering的疏散软件PathFinder 2009.2进行疏散模拟分析。该软件可实现CAD图纸导入建模，建立模型简洁直观，可看到人员疏散过程。在PathFinder中利用该超市总平面CAD图纸进行基础建模，并将之前确定的疏散场景中各项条件代入模型，建立疏散模型，进行模拟分析，观察疏散过程。图3、图4为模拟疏散过程中疏散总人数及疏散人流量随时间变化情况。由图可得，人员于报警后开始进行疏散，疏散人流量随时间呈上升趋势，在150 s，人员疏散流量达到峰值，而后楼梯间入口处人员拥堵导致滞留，疏散过程不畅，疏散人流量呈下降趋势，疏散时间有所延迟。

图3　疏散总人数随时间变化情况

图4　疏散人流量随时间变化情况

由于该超市所有楼梯间均为防烟楼梯间，所以在疏散过程中，人员到达楼梯间内部即可判定为安全。通过模拟可得疏散至每个防烟楼梯间内的人流量与时间，模拟计算得到从疏散过程开始到最后一个人进入楼梯间所用总时间(即疏散行走时间)为462.3 s，将其与上文中确定的报警时间和人员响应时间相加，可得出必需疏散时间为642.3 s。通过FDS模拟确定可用疏散时间为661 s，即该超市在火灾情况下必需疏散时间小于可用疏散时间，可以认为该超市在紧急情况下能进行安全疏散。

4　结论和建议

通过对该地下超市进行火灾场景以及人员疏散情况模拟，分析模拟数据，确定该超市可用疏散时间为661 s，必需疏散时间为642.3 s，可用疏散时间大于必需疏散时间，所以认为在紧急情况下，该超市内人员能安全疏散完毕。

但同时也可以看出，该超市的安全度较低，针对此问题提出以下建议：(1)安排具有职业资质的人员进行消防设施维护管理工作，对疏散通道、安全出口及消防设施进行日常检查，出现问题及时解决，保证安全出口处无物品堵塞，消防设施在火灾时能及时启动。报警系统应能及时探测到初期火灾发出的警报并联动启动相关设施。保证喷淋系统管路中充满水且能可靠启动，对初期火灾实施扑救。确保超市营业区域内防火卷帘下落处及疏散通道上无商品货物堆积，疏散指示标志清晰。(2)由于建筑内电气线路复杂，发生电气火灾的可能性较大，为避免电气火灾的发生，及时发现电气火灾隐患，建筑内应安装漏电火灾自动报警系统。(3)定期组织工作人员进行消防培训，并在营业区域安排具有专业消防知识的人员进行日常检查。制定合理的消防预案，定期进行演练，使员工熟悉超市内疏散出口位置与疏散路线，以便在发生火灾时引导、指挥超市内人员迅速找到疏散出口进行安全疏散。

[1] 苏彩云,谢斌.FDS在性能化防火设计中的应用[J].内江科技,2007(9):96,143.

[2] 王志刚,倪照鹏,王宗存，等.设计火灾时火灾热释放速率曲线的确定[J].安全与环境学报,2004,4(S0):50-54.

[3] 中华人民共和国公安部.建筑设计防火规范:GB 50016—2014[S].北京:中国计划出版社,2015.

(责任编辑李蕾)

On Human Evacuation Simulation in a Large Underground Supermarket

ZHAO Wenhao

(YantaiMunicipalFireBrigade,ShandongProvince264000,China)

In this paper, Fire Dynamics Simulator and the evacuation software Path Finder were applied to simulate the human evacuation under the fire condition in a large underground supermarket. A fire scenario is set according to the relevant requirements to carry on the simulation. The time that the visibility, the temperature and the concentration of CO reaches human tolerance limit of the supermarket under fire condition determine the available safety evacuation time. In the evacuation simulation, evacuation parameters are set up according to the relevant provisions and the actual situation to obtain the required safety evacuation time. It is concluded that the supermarket in case of emergency, people can evacuate safety. The paper puts forward some suggestions to the low degree of safety of the supermarket.

underground supermarket; fire numerical simulation; personnel evacuation

2016-03-16

赵文浩(1983—)，男，山东莱西人，工程师。

TU998.1

A

1008-2077(2016)08-0052-04