人员必须疏散时间理论在特大型剧场的数值模拟

白宇甲 占 伟

(福建省三明市公安消防支队，福建 三明 365000)



人员必须疏散时间理论在特大型剧场的数值模拟

白宇甲 占 伟

(福建省三明市公安消防支队，福建 三明 365000)

以厦门华夏神游园主场馆为研究对象，运用人员必需疏散时间公式与理论，模拟了三种常见的疏散方式，计算分析了人员疏散时间及有效疏散方案，验证了人员必须疏散时间理论的可靠性。

疏散时间，人员疏散方式，剧场，自动灭火系统

本文以厦门华夏神游园主场馆为实例研究对象。该项目中的演艺场馆总建筑面积为29 797.586 m2，场馆的屋顶采用钢结构形式，其椭圆钢构屋顶长轴跨度为150 m，短轴跨度为120 m，钢构屋顶高度45 m，本项目观众席座位人数为2 930人，其规模为特大型剧场[1]。由于在使用功能、空间分布和建筑造型上有其独特性，表演舞台位于建筑四周，观众席位于建筑中部水体中，且可移动，空间比普通剧院更为高大，此类场所的人员疏散是建筑工程设计的一大难点，通过运用人员必须疏散时间理论，模拟常见疏散方式，可以较为准确的计算人员疏散时间及选择有效的疏散设计方案。

根据演出时间的变化，位于水体中的观众席会结合观影过程变化发生位移，火灾发生时有多种人员疏散方式可供选择。其中，连接疏散桥的最长疏散距离为129 m，通过池底疏散的最长疏散距离为135 m。本文通过模拟三种疏散方式可以验证人员必须疏散时间理论的可靠性，确定最合理、安全的疏散方式。

1 人员必需疏散时间公式与理论

研究数据表明，人员疏散必需疏散时间TRSET通常由不同的时间间隔组成，因此，在火灾发生的时候，场内全部人员不能理想的考虑第一时间进行有效疏散[2]。为准确、高效、科学地计算人员疏散必须时间，方便工程设计人员进行合理设计，一般而言，消防安全性能化设计的通用作法是把必须疏散时间分解为报警时间TA、响应时间TR和疏散行走时间TM等三个关键数值，数值之间在时间关系上存在间隔性，因此人员疏散的必需疏散时间TRSET的计算公式为：TRSET=TA+TR+1.5×TM。

按照设计惯例，计算机软件模拟出来的人类行走时间常用TM表示和标注[3]。但是行走时间为理论值，并没有考虑到个体行为人的行动能力、对所在场所的熟悉程度、还有自身应对危机时的主动干预和响应能力，是一种推算的临界时间。因此，在火灾发生时，通常要考虑到其他可能影响人类行动能力的不利因素，如人群中存在推搡情况延缓行动，消防指示标志没有准确指引安全疏散方向延迟疏散距离，部分行动不便的老人、幼儿影响整体行走时间等。所以，为确保绝对安全，最大程度考虑众多不利点，本项目在通用行走时间TM的数值前进行了合理的安全补偿区间。同时，由于本项目结构为敞开式，人员视野不容易受到影响，因此，综合不利和有利要素，我们确定了人员疏散安全系数为1.5。

1.1 报警时间TA的确定

在本文中取值的建筑火灾报警时间统一设为60 s。

火灾发生到触发自动报警系统响应的这段时间一般称之为报警时间。该项目按照规范，设计有火灾自动报警系统，在火灾初期阶段，可以第一时间响应，发出报警信号，监控火灾发生情况。此外，根据后期消防监督管理要求，本建筑投入使用后，舞台、疏散通道等消防安全重点单位必须有人值守和2 h巡查一次，通过人防措施确保火灾发生初期阶段就能发现并开始主动疏散。综上所述，本文采用60 s作为本建筑内火灾报警时间的基本数值。

1.2 响应时间TR的确定

人员在疏散开始行动前到接到火灾报警信号之间产生的一段时间间隔，一般称之为人员响应时间。不同人员响应时间在不同场所有对应的时间数值，按照已有统计规律和技术规范表明，火灾时人员的响应时间与建筑内采用的火灾报警系统的类型有直接关系。表1是根据经验总结出的各种用途的建筑物采用不同火灾报警系统时的人员响应时间。

表1 各种用途的建筑物采用不同火灾报警系统时的人员响应时间

根据设计说明，本项目建筑设置声光报警系统并配有全域广播系统，属于W1报警系统类型。因表演时间大部分为白天，再考虑观众思想意识状态方面，设定为清醒状态，人员之间能较为迅速的扩散火灾报警信息，能较为迅速的开始主动疏散行为。因此，本报告将建筑内的人员疏散响应时间设定为120 s。

1.3 疏散行走时间TM的确定

本文采用ThunderHead Engineering的疏散软件PathFinder 2014.2进行疏散模拟分析。目前，此软件由于较为科学的计算方式和较为准确的测试，已经广泛运用于世界各地大体量、大跨度、超高层建筑的疏散模拟[4]。国内方面，福州体育场、厦门新航站楼、南京SKF商城均采用此软件进行先期人员疏散的性能化设计。

按照确定的各个参数，建立各个疏散场景的PathFinde模型[5]。按照以上分析，可以建立出3个疏散场景的PathFinder模型。因篇幅问题，具体疏散场景模拟图像不具体列出，仅将模拟计算的疏散行走时间乘以1.5倍安全系数加上报警时间和响应时间，得到观众区人员各场景下不同区域的必需疏散时间TRSET。

2 人员疏散模拟方式及判定

2.1 人员疏散模拟方式

将人员必须疏散时间理论运用到本项目消防安全疏散设计中的总要求是，在火灾发生时，有正常行为能力的人员处于火灾最不利点的情况下，因此，以下疏散方式均设计为距离人员疏散最近的安全出口或疏散通道堵塞，或火灾发生在距离人员最近的疏散出口处。本文设置3个主要疏散场景(根据安全出口布局及设计方案，可延伸13个疏散场景，本文仅选取在火灾模拟数值最不利点的3个最具代表性场景供参考研究)，通过FDS软件模拟最不利点火灾场景，对应的疏散场景的人员疏散流线和方式如下：

1)疏散场景1疏散流线：观众席停靠码头一，但无法与桥对接，仅池底疏散的疏散方式。人员疏散方式：观众从池底进行疏散。火灾情况下，假设观众席的连接桥无法与码头对接，手动或者电动释放悬梯后人员通过悬梯进行疏散，图中仅疏散桥1可与舞台直接衔接，采用这种疏散方式的有效总疏散宽度为观众席上部楼梯的宽度26.70 m，大于其观众人数计算出的26.64 m。

2)疏散场景2疏散流线：观众席停靠码头一，观众席与桥对接并且和池底一起疏散的方式。人员疏散方式：各个疏散出口全部可以正常使用，此时，舞台观众席可以停靠在疏散大平台，人员可以通过两部分之间的疏散桥对接后，进行疏散。当观众席停靠码头一时，上升两处连接桥，并且电动或手动下放观众席体内部所有的疏散悬梯，其中疏1可直接与舞台衔接，观众可通过连接的桥和下放到池底的悬梯进行疏散。此疏散方式，通过桥连接的疏散宽度有21 m，池底疏散的疏散宽度有24 m，共计45 m，大于其观众人数计算出的26.64 m。

3)疏散场景3疏散流线：驱动观众席的设备失效，完全通过池底疏散的疏散方式。人员疏散方式：当观众席无法靠岸时，此时电动或手动下放观众席体内所有的疏散悬梯，通过13处池底疏散台阶和坡道(疏散台阶总宽 33.0 m)疏散至舞台，并从舞台疏散至室外大平台，完成疏散。此疏散方式的有效总疏散宽度为观众席上部楼梯的宽度26.70 m，大于其观众人数计算出的26.64 m。

2.2 人员疏散时间判定标准

为实现安全疏散的功能目标，疏散设计应满足综合判定标准：可用疏散时间TASET大于必需疏散时间TRSET。

本文选取两个关键数值进行比较，分别为火灾模拟条件下人员可用疏散时间和人员必需疏散时间。其中用TASET表示从火灾发生到火灾发展至危胁人员安全疏散时的间隔时间，为可用疏散时间；用TRSET表示人员从火灾发生到疏散至安全区域所需要的实际时间，为必需疏散时间[5]。

消防安全性能化评估运用在建筑实践中，首先应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温度、烟气等参数进行计算，得到人员可用疏散时间TASET；再根据模拟火灾场景下的人员安全疏散情况，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。最后验证计算结果TASET是否大于TRSET，方可判定疏散方式的安全性。若TASET>TRSET，可得到结论：在模拟火灾场景下，选取的疏散方式可以确保人员能在火灾发生时疏散到安全区域并确保生命安全不受威胁。相反，如果TASET≤TRSET，则判定为选取的疏散方式不能确保人员的安全疏散要求，需要针对性的做出调整设计。

3 模拟数值计算

本文消防安全性能化设计的主要目标，就是保障火灾状态下，场内所有人员能安全疏散，不发生较大以上亡人火灾事故[6]。人员是否能安全疏散的指定位置，是设计之初就必须考虑的重点。通过前文几组关键数值的设定和3种建筑疏散方式的选择，我们通过计算公式可以较为准确的得到相关数值，用以比较多种情况下疏散方式的安全性，从而进一步优化设计，确保人员疏散安全。通过列举三种人员疏散模式，在火灾场景最不利情况下A01(火灾数值模拟过程省略，均取值A01)，运用疏散模拟软件进行计算得到的所需疏散时间TRSET，与各火灾场景下的环境可用疏散时间TASET进行比较，以判断各区域内人员疏散的安全性，如表2所示。

表2 人员疏散安全性判定

4 结果运用

通过表2可得如下结论：

1)在自动灭火系统和剧场内机械排烟系统及补风系统(按6次/h换气次数设计排烟量，按排烟量的20%设计补风量)全部可以正常运作的前提下，对于最不利点火灾数值模拟情况下的3种疏散场景，观众区内的人员均能够安全疏散至安全区域。

2)当自动灭火系统和剧场内机械排烟系统及补风系统(按6次/h换气次数设计排烟量，按排烟量的20%设计补风量)其中一个系统不能正常运作的前提下，对于最不利点火灾数值模拟情况下的3种疏散场景，观众区内的人员均能够安全疏散至安全区域。其中疏散方式2和疏散方式3的可用疏散时间更久，对比疏散方式1，人员疏散更有保障。

3)当自动灭火系统和剧场内机械排烟系统及补风系统(按6次/h换气次数设计排烟量，按排烟量的20%设计补风量)全部无法正常运作的情况下，对于最不利点火灾数值模拟情况下的3种疏散场景，仅有疏散方式2可以保障人员安全疏散，其余方式均要进行进一步优化设计和完善。

[1] GB 50016—2006，建筑设计防火规范[S].

[2] 倪照鹏,王志刚.性能化消防设计中人员安全疏散的确证[J].消防科学与技术,2003,22(5):22-23.

[3] Fire Code Reform Center Limited.Fire Engineering Guidelines,First Edition[R].1996.

[4] Klote.J.H.Method of Predicting Smoke Movement in Atria With Application to Smoke Management[R].1994.

[5] 美国消防工程师协会(SFPE).消防工程手册[Z].

[6] 公安部天津消防研究所.建筑物性能化防火设计技术导则[R].

Personnel must be evacuated time theory in oversize the numerical simulation of the theatre

Bai Yujia Zhan Wei

(FujianSanmingFireDetachment,Sanming365000,China)

Taking Xiamen Huaxia Shenyou main venue as the research object, using the personnel required evacuation time formula and theory, this paper simulated three kinds of common evacuation methods, calculated and analyzed the personnel evacuation time and effective evacuation plan, verified the reliability of personnel required evacuation time theory.

evacuation time, personnel evacuation mode, theater, automatic fire extinguishing system

1009-6825(2017)10-0011-03

2017-01-21

白宇甲(1984- )，男，工程师

TU998.1

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