基于耦合火灾影响疏散模拟的密闭舱室火灾风险评价

肖 霞，房志明

(1.上海船舶电子设备研究所,上海 201108；2.上海市建筑科学研究院 上海市工程结构安全重点实验室,上海 200032)

基于耦合火灾影响疏散模拟的密闭舱室火灾风险评价

肖 霞1，房志明2

(1.上海船舶电子设备研究所,上海 201108；2.上海市建筑科学研究院 上海市工程结构安全重点实验室,上海 200032)

密闭舱室内一旦发生火灾，受限于防排烟条件，火灾产物将对人员产生严重的伤害。根据密闭舱室的结构及人员疏散特点，构建了一种耦合火灾影响的精细网格疏散模型，提出了基于该模型的密闭舱室火灾风险评价方法。针对某密闭舱室就餐环境进行了火灾疏散模拟，预测了火灾下人员伤亡数量情况，并进行了火灾风险评价。根据模拟结果与火灾风险评价结果，给出了密闭舱室内的疏散设施优化布置建议。研究表明，所提出的模型与方法有助于验证并提高密闭舱室的安全疏散性能，可作为密闭舱室防火设计的辅助工具。

密闭舱室;火灾;风险;疏散;伤亡

近年来，计算机模型已经被广泛用于预测人员的疏散行为及评估疏散效率，具有代表性的模型有社会力模型[1]、元胞自动机模型[2]和场域模型[3]。这些模型可以在微观及宏观层面重现疏散过程中典型的行为特征。对于火灾环境下的人员疏散过程，有研究表明低能见度、眼睛受伤害、高温等条件或者以上条件的组合会导致人员停止运动或改变运动方向[4-5]，暴露在有毒烟气和高温条件下，会对人员生命造成伤害[6]。所以，在模拟火灾环境下的人员疏散过程时，有必要考虑火灾产物对人员的影响。在火灾动力学模拟软件FDS[7]以及社会力模型的基础上，VTT芬兰国家技术研究中心开发了能够考虑火灾影响的人员疏散模型FDS+Evac[8]。在疏散模型buildingEXODUS中，也提供了与火灾模拟软件CFAST[9]的接口，可以自动导入CFAST的模拟结果[10]。国内的学者们也尝试在疏散模型中考虑火灾蔓延过程对人员行为的影响[11-12]。

然而，在疏散模型和火灾产物的结合过程中，存在不可避免的误差。这是因为疏散模型大都是空间离散的，而火灾模型是空间连续的。因此，疏散模型的格点越大，误差可能就越大。尤其对于密闭舱室空间，往往空间狭小，需要进行较高精度的模拟计算。笔者采用精细网格疏散模型模拟密闭舱室人员疏散情况，并引入火灾产物对人员疏散过程的影响，重点关注火灾的典型产物—热量与CO对人员的伤害，建立考虑火灾产物伤害影响的人员疏散模型及相应的疏散安全评价方法。

1 耦合火灾影响的疏散模型

1.1 疏散模型

笔者研究的密闭舱室空间对象如图1所示，为某船用密闭就餐区域，包含4个餐厅(标记为R1～R4)，共计452个座位。R1、R2与R3各有2个疏散门，R4有一个疏散门。共有4部疏散楼梯(标记为E1～E4)，一旦发生紧急情况，人员将通过疏散楼梯向上疏散。

图1 某密闭舱室疏散模型

将该密闭舱室平面划分成0.1 m×0.1 m的基础格点，每个格点可以被占据(被障碍物占据或被行人占据)，也可以为空(可通行)。按照该区域的座位数设置疏散人员，即共设置452个疏散人员。每个人员占据0.4 m×0.4 m格点大小，按照一定的疏散运动规则[13]向疏散楼梯进行疏散。

1.2 火灾产物对生理健康的伤害

SFPE手册中指出，火灾产生的热量及有毒气体会损害人员的生理健康。笔者重点关注火灾产生的热量和CO对人员生理健康的损害。根据HABER的理论，有毒气体的浓度CCO与人员在该浓度下能承受的时间tCO的乘积是一个常数，即：

WCO=CCO×tCO

(1)

有学者指出，由于人在呼吸过程中能够吸入并吐出CO，所以当CO浓度较低时，不满足上述简单的关系，而是在某一CO浓度下，人员能忍受的时间大于式(1)计算得到的时间。当CO浓度较高时，通过对灵长类动物的测试实验表明，CO浓度与动物能承受的时间满足式(1)的关系，并且常数值为27 000 ppm·min。简单起见，认为CO浓度与人员能够承受的时间满足式(1)，并且取WCO=27 000 ppm·min。

SFPE手册中还给出了火灾产生的热量(以温度T表示)和人员能承受的时间tHEAT的关系：

tHEAT=5×107T-3.4

(2)

其中，HCO,HEAT表示人员在疏散过程中经过热量和CO伤害后的健康状态，根据其计算过程可知，当HCO,HEAT降到0时，代表达到了人员的承受极限，即人员会死亡。然而，式(3)未考虑火灾的其他产物对人员的伤害，简单起见，笔者假设式(3)中考虑的热量和CO对人员的伤害作用占据全部火灾产物伤害作用的50%。因此，最终设定0.5和0.8作为死亡阈值和重伤阈值，即如果某个人的HCO,HEAT<0.5，则判定为死亡；如果0.5

1.3 模型的输入输出

在模拟某一空间内的人员疏散过程时，需要以该空间发生火灾时相关火灾产物的数据为输入参数。所以在采用上述模型模拟人员疏散过程之前，首先需要模拟计算密闭舱室内的火灾蔓延过程。

笔者利用FDS软件模拟密闭舱室内火灾蔓延过程，并输出高度为1.5 m的平面的温度、消光系数、CO浓度等数据作为人员疏散模型的输入参数。因为随着火灾的发展，火灾的相关产物浓度也在不断变化，所以需要在疏散模型中随着时间的延续更新火灾产物数据。同时，为了保证比较高的计算效率，在模型中设定每隔Δt=4 s的时间更新一次温度、CO浓度等数据，并更新这些火灾产物对生理健康的影响。

2 基于耦合火灾影响疏散模拟的密闭舱室火灾风险评价方法

笔者构建的人员疏散模型能够导入火灾产物数据，量化其对人员生理健康的伤害。模型输出的人员生命值HCO,HEAT可以更加直观反映火灾疏散安全性，进而设定某项指示人员生理健康状态的阈值，即可用于判断人员疏散完成后的健康状态，从而反映目标建筑的火灾风险水平。

根据《生产安全事故报告和调查处理条例》，火灾事故等级以死亡人数、重伤人数及直接财产损失为分级标准，因此，笔者结合模型的预测结果重点关注人员伤亡情况。根据式(3)，记火灾疏散后HCO,HEAT<0.5的死亡人数为N0.5，记0.5

表1 火灾风险划分标准

因此，基于建立的耦合火灾影响的疏散模型，密闭舱室火灾疏散安全评价方法流程如图2所示，具体步骤为：①提出密闭舱室空间布置与疏散设施的设计或更改方案；②根据设计方案，明确疏散场景设置，包括疏散人员、出口等，并输入到疏散模型中；③根据设计方案，明确火灾场景设置，包括火源与可燃物设定，用火灾模拟软件FDS模拟火灾过程，并导出火灾产物数据至疏散模型中；④采用所提出的疏散模型模拟火灾影响下的人员疏散过程，得到疏散时间、死亡人数N0.5与重伤人数N0.8等结果；⑤根据表1给出的火灾风险划分标准，判定密闭舱室的火灾风险等级，并分析疏散过程是否安全，如果“是”，则方案可接受；如果“否”，则给出改进建议，并进行相应更改后重新进行评估。

图2 密闭舱室火灾疏散安全评价方法流程图

3 模拟与分析

针对图1所示密闭舱室空间，采用笔者建立的模型及方法评价火灾下的疏散过程安全性。为了研究火灾下的疏散过程，假设两个可能的火源(标记为F1与F2)，火源功率各为2.5 MW。在进行火灾发展模拟的基础上，采用建立的模型，针对4种疏散场景分别进行了模拟计算，如表2所示。

表2 关注的4种疏散场景

图3 各出口疏散人数随时间的变化关系

各出口疏散人数随时间的变化关系如图3所示，模拟结果表明，非火灾场景下，所有人员能够在141 s内完成疏散。但是疏散楼梯E1与每个餐厅疏散门的距离都较远，在人员选择最短路径的规则下，没有人员使用E1进行疏散，如图3(a)所示。这表明现有的疏散设施布置与空间使用方案不能达到最优的疏散效率。

3种疏散场景的火灾风险如表3所示，模拟结果表明，餐厅R2内发生火灾时，将造成25人死亡，47人重伤，存在重大火灾风险；餐厅R1内发生火灾时，现有布置方案下，将造成37人死亡，26人重伤，存在特别重大火灾风险。如果为餐厅R1与R4分别按照图1所示增设疏散门，避免两个餐厅只有通向袋形走道的疏散门，在火源F2着火情景下，将不会造成人员死亡，有34人重伤，存在较大火灾风险。

表3 3种疏散场景的火灾风险

3 结论

笔者建立了一种耦合火灾影响疏散模拟的密闭舱室火灾疏散模型，在模拟疏散过程时同步考虑火灾产物对人员生理健康的伤害。该模型能够预测人员伤亡结果，基于此可评价模拟对象在各类火灾场景下的风险等级。

针对某密闭舱室就餐环境，采用建立的模型与方法分析了火灾发生时的疏散情况。结果表明现有的疏散设施布置存在两方面问题：①一部疏散楼梯设置较偏远，不能达到最优的疏散效率；②两个餐厅只有通向同一袋形走道的疏散门，一旦发生火灾，尤其是相应的袋形走道被火灾烟气蔓延，将造成严重的人员伤亡。因此，针对该研究模拟对象，提出如下建议：①改变偏远疏散楼梯的位置或重新布置餐厅与厨房空间，例如可考虑将餐厅布置为两条横向长通道之间的上下联通形式，将餐厅的疏散门直接通向两条长通道；②如果不能重新布置餐厅空间，需为只有通向同一袋形走道疏散门的餐厅增设其他疏散门，增加紧急情况下的疏散路径选择；③严格控制密闭空间内的火灾荷载。

受限于当前的研究条件，虽然笔者考虑了火灾产物对人员的伤害，但无法考量火灾伤害模型中人员的承受极限。简单起见，笔者直接假定了伤亡阈值，虽然预测的伤亡结果有一定误差，但可反映出火灾疏散风险大小，而且基于此的安全评价结果可用于对比分析不同空间设计与疏散设施布置方案的火灾疏散安全风险性。

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RiskAssessmentofEnclosedCabinFireBasedonCoupledFireImpactEvacuationSimulation

XIAOXia,FANGZhiming

In the event of a fire in a enclosed cabin, it is subject to smoke and smoke conditions, and the fire product will cause serious injury to the person. According to the structure and the evacuation characteristics of the enclosed cabin, a fine grid evacuation model is proposed, which is based on the model. The fire risk assessment method of the enclosed chamber is proposed. A simulation of fire evacuation was carried out for a certain cabin, and the number of casualties was predicted, and the fire risk assessment was carried out. Based on the simulation results and the fire risk assessment results, the optimal arrangement of the evacuation facilities in the enclosed cabin is given. The research shows that the proposed model and method can help to verify and improve the safe evacuation performance of the enclosed cabin, and can be used as an auxiliary tool for the design of fireproof cabin in closed chamber.

enclosed cabin; fire; risk; evacuation; casualty

X932

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.05.002

2095-3852(2017)05-0511-04

A

2017-06-13.

肖霞(1985-),女,江苏如皋人,上海船舶电子设备研究所工程师,主要研究方向为船舶消防安全.

房志明(1986-)，男，山东武城人，上海市建筑科学研究院高级工程师，主要研究方向为突发事件下人员疏散安全.

“十三五”国家重点研发计划课题基金项目(2016YFC0802508);上海市科委基金项目(16DZ1200106).

XIAOXiaEngineer; Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute, Shanghai 201108, China.