大型综合建筑火灾与人员疏散仿真模拟分析

陈全帅, 赵光华, 张绍勋, 孙爱玲, 孟 勋, 张立鹤

(西安建筑科技大学 信控学院, 陕西 西安 710055)



大型综合建筑火灾与人员疏散仿真模拟分析

陈全帅, 赵光华, 张绍勋, 孙爱玲, 孟 勋, 张立鹤

(西安建筑科技大学 信控学院, 陕西 西安 710055)

研究了某大型商场建筑发生火灾时火灾现场的环境变化对疏散人群的影响,利用火灾烟气模拟软件Pyrosim 2014分析火灾时火场温度、CO气体浓度以及能见度的变化情况,给出人员安全疏散的最佳时间。利用人员紧急疏散模拟软件Pathfinder 2014分析了疏散人群安全疏散时间。提出将建筑火灾烟气蔓延过程的模拟结果与人员疏散过程的模拟结果进行对比分析,是火灾风险评估一种有效的方法,不仅能找出建筑物存在的消防问题,还可为建筑防火设计和消防整改提供依据。

大型综合建筑; 火灾; 烟气模拟; 安全疏散

0 引 言

城市综合体以建筑群为基础,融合商业零售、商务办公、酒店餐饮、公寓住宅、综合娱乐五大核心功能于一体,已成为人们日常生活中不可或缺的一部分。商场建筑具有结构复杂、建筑面积大、人群密度高等特点,特别是为了节约地上空间而建设的地下商场,还具有火灾荷载大、排烟散热差、人群疏散困难等特点[1-2],一旦发生火灾等事故,极易造成重大的人员伤亡和财产损失。

本文利用Pyrosim 2014 对某商场进行火灾场景模拟,在此基础上应用Pathfinder 2014 模拟人员疏散情况,并对商场火灾情况下人员的逃生做了风险评估。

1 项目概况

某商城项目由1、2、3、4、5号楼及6号车库组成,位于西安市新寺路与新医路交口东南侧,北侧为西安市唐都医院和武警指挥中心,南侧将建成康复路商业综合体。本文以3号商业楼为研究对象,商业楼的大小为55.2 m×80.1 m×30.5 m(长×宽×高),1F～4F为商业区,5F为影城,夹层为影城放映工作层,总建筑面积为22 394.54 m2,单层建筑面积均大于3 000 m2,1F层高为5 m,2F～4F层高均为4.5 m,5F层高为4.8 m,耐火等级为一级。商城有8部楼梯用于逃生,1F建筑平面如图1所示,1号、3号楼梯上至5F,2号、4号、5号楼梯上至4F,5号、7号、8号楼梯上至屋面层。

图1 1F建筑平面

2 Pyrosim软件及火灾场景模拟

Pyrosim是专用于火灾动态仿真模拟(Fire Dynamic Simulation,FDS)的软件,为火灾动态模拟提供了图形用户界面,以计算流体动力学为依据,模拟预测火灾中的烟气、CO 等的流动及火场温度、烟气浓度的分布。

2.1 Pyrosim建模

网格的大小是FDS模型中最重要的数学参数,规定了模型内部偏微分方程在空间和时间上的精度。FDS在每个离散时间步内计算出每个网格内的温度、密度、压力、速度和化学成分等,因此良好的网格划分能得到比较精确的计算结果。理论上,网格划分越细,计算结果越精确,而一个火灾场景通常有数十万甚至上百万的网格以及成千上万个时间步。因此,只能在模型精度和计算机性能之间取平衡点,在合理的计算时间内得到合理的计算结果。综合考虑,本次建模的网格设置为1.0 m×1.0 m×0.25 m。

火灾场景是对某特定火灾从引燃或从设定的状态燃烧到火灾增长峰值的描述,同时火灾场景还涉及到建筑物的结构特性及预计火灾所导致危害的说明。火灾场景的确定,须考虑建筑的结构、功能和布局特征、可燃物的燃烧特性和通风排烟状态等因素。火灾场景的设置是性能化防火设计定量计算的基础,对烟气流动的计算和人员疏散有重要的影响。

本文考虑各种影响因素,根据常见燃烧物燃烧特性,设定火源热释放速率为5 MW,位于6号影厅的第三排座椅上。5F建筑平面如图2所示。模拟了6号影厅及整个影城火灾情况下的火场温度、CO气体浓度以及能见度的变化情况,再结合人员疏散软件模拟人员疏散过程,从而判断人员能否安全疏散。

图2 5F建筑平面

2.2 模拟及结果分析

火灾情况下,烟气是威胁人员能否安全疏散的主要因素。当烟气层某些参数增大到一定值时,便会对人员造成伤害,影响人员安全疏散的参数,如烟气下降、烟气浓度、能见度等,都是确定建筑物内火灾发展对人员疏散构成危险的条件。在疏散过程中,烟气层保持在人群头部以上一定高度,使人在疏散时不必从烟气中穿过或受到烟气流热辐射威胁。如果烟层下降到距离地板高度2 m以下时,烟层的温度不应超过60 ℃,人员疏散才是安全的。

运用Pyrosim软件进行模拟分析,可得5F烟气下降情况,如图3所示。

图3 5F烟气下降随时间变化情况

由图3可知,6号影厅大部分空间温度达到60 ℃时的时间是326 s,500 s时整个影厅的温度基本上都在70 ℃以上,即6号影厅人员最佳逃生时间为326 s。

当火场中的烟气降低至人员特征高度时,烟气中的有害燃烧成分便会接触人的呼吸道,直接对人造成伤害,其中以燃烧产物CO为主要伤害。当CO浓度达到500×10-6时,便会对人造成严重伤害。CO浓度变化情况如图4所示。由图4可知,451 s时影厅内开始出现CO浓度大于5×10-4,608 s时影厅内大面积的CO浓度高于5×10-4。

图4 CO浓度变化情况

火灾时不完全燃烧产生的固体小颗粒,使烟气具备了折光性,这样空间能见度大大降低,导致人员延误逃生时机或对逃生路线判定失误。研究表明,大空间环境能见度小于10 m或小空间环境能见度小于5 m,人员的安全疏散就会受到影响。能见度变化情况如图5 所示。由图5可见,167 s时影厅内大部分能见度小于5 m,372 s时5号楼梯疏散口附近的能见度降至3 m左右,416 s时3号楼梯疏散口附近的能见度降至3 m左右,444 s时1号楼梯疏散口附近的能见度降至3 m左右,533 s时7号楼梯疏散口附近的能见度降至3 m左右,577 s时1号楼梯疏散口附近的能见度降至3 m左右,682 s时整个楼层的能见度降至5 m以下,700 s时整个影城已变得特别危险。

图5 能见度变化情况

以上影响因素相互之间有关联,但是以目前的技术水平来进行参数的确定和计算还有一些难度。因此采用哪些参数更利于简化计算,还需要进一步研究。

3 Pathfinder模拟影城人员疏散情况

Pathfinder疏散仿真软件的运动环境是完整的三维三角网格设计环境,可以配合建筑物实际层面的建设模式,给每个人员设定一套独特的参数(走行速度、肩宽、出口选择等),并分别仿真出每个人员的独立运动模式。本文采用的是Pathfinder 2014疏散仿真软件。

商场的疏散人数应按每层营业厅建筑面积×面积折算值×疏散人数换算系数而定。根据GB 50016—2014《建筑设计防火规范》、JGJ 48—2014《商店建筑设计规范》等[3-7],商场的面积折算值取0.7,1F、2F疏散人数换算系数取0.6,3F疏散人数换算值取0.5,4F及以上疏散人数换算值取0.4。1F～4F建筑面积分别为3 935、3 921、3 919、3 844 m2,由此可确定1F～4F疏散人数分别为1 651、1 644、1 373、1 076。5F影院的人数按座位上座率加适当等待人数确定,为941+500=1 441人,夹层和屋顶一般是工作人员,都设为20人,所以总疏散人数为7 225人。运用Pathfinder 2014进行人员疏散模拟,人员疏散情况如图6所示。由模拟结果可知,6号影厅及1号、3号、5号、7号、8号楼梯疏散口的最后一个人离开的时间分别为113.9、430.7、413.7、64.9、395.2、459.6 s 。

图6 人员疏散情况

4 模拟结果分析

商城的楼梯间全为封闭式楼梯间,因此模拟过程中影城人员到达楼梯间内部即视为到达安全区域。由Pyrosim 2014和Pathfinder 2014软件的模拟结果可知,6号影厅危险情况来临时间为167 s,最后一个人员离开的时间为113.9 s,所以对于着火的6号影厅,人员可以安全地疏散。对于整个影城,1号、3号、5号、7号、8号楼梯疏散口温度和CO浓度始终没到达到危险值,能见度达到危险值的时间分别为444、416、372、533、577 s,各个疏散楼梯口最后一个人员进入楼梯间的时间分别为430.7、413.7、64.9、395.2、459.6 s。

对于发生火灾后人员疏散的响应时间的判定,根据各种建筑采用不同火灾报警系统人员响应时间的有关规定,商业楼采用现场广播火灾报警响应时间不得大于60 s,可得到人员疏散所需总时间小于危险来临时间682 s,所以对于整个影城,人员也可以安全地疏散,故该商城符合紧急情况下的安全疏散要求。

5 结 语

(1) Pyrosim 2014软件可以用于商场模型的计算,将建筑火灾烟气蔓延过程的模拟结果与人员疏散过程的模拟结果进行对比分析,是火灾风险评估一种有效的方法,不仅能够找出建筑物存在的消防问题,还可以为建筑防火设计和消防整改提供科学依据。

(2) 建筑火灾中烟囱效应很常见,在发生火灾时楼梯间会聚集大量的烟气,如果人员在楼梯间拥挤甚至不能移动,当烟气达到危险值时就会造成人员伤亡。模拟结果显示,个别楼梯间在一定时间内会出现严重拥挤甚至出现停滞,因此合理控制各个疏散楼梯的人员密度对于安全疏散非常重要。

(3) 由于计算机性能的限制,利用Pyrosim 2014建模时网格的设定不能足够小,避免模拟结果精度不够高或者可能出现一些偏差。

[1] 袁奕之.地下商场安全疏散设计有关问题分析[J].消防科学与技术,2009(6):412-415.

[2] 曹旭艳.超市安全疏散模拟与预案制定[J].建筑知识:学术刊,2013(9):53-54.

[3] 民用建筑防排烟技术规程:DGJ 08-88—2008[S].

[4] 建筑设计防火规范:GB 50016—2014[S].

[5] 范维澄,孙金华,陆守香,等.火灾风险评估方法学[M].北京:科学出版社,2004.

[6] 张树平,景亚杰.大型商场建筑营业厅疏散人数的调查研究[J].消防科学与技术,2004,23(2):133-136.

[7] 马哲,孙华玲.图书馆书库的火灾危险性和安全疏散[J].消防科学与技术,2006,25(4):492-494.

Simulation Analysis of Fire and Evacuation in Large Complex Building

CHEN Quanshuai, ZHAO Guanghua, ZHANG Shaoxun, SUN Ailing, MENG Xun, ZHANG lihe

(Information and Control Engineering Institute, Xi’ an University of Architecture and Technology, Xi’ an 710055,China)

This paper researched the influence of fire scene environment changes on evacuating people when a fire happens in a large complex building. The changes of fire scene temperature,CO gas concentration and visibility were simulated by using of fire smoke simulation software Pyrosim 2014,which gave the best time for people safety evacuation.The time of people safety evacuation was analyzed by using of urgent evacuation simulation software Pathfinder 2014.It is pointed out that the comparison and analysis of simulation results between fire smoke speading process and people evacuation process are an effective means of fire risk assessment,which can not only obtain the fire problems of buiding,but also provide the basis of fire protection design and fire rectification in a large complex building.

large complex building; fire; smoke simulation; safety evacuation

陈全帅(1987—),男,硕士研究生,研究方向为控制工程。

赵光华(1966—),男,副研究员,研究方向为区域经济。

张绍勋(1988—),男,硕士研究生,研究方向为城市系统工程。

TU 892

B

1674-8417(2016)08-0012-05

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.08.004

2015-11-02