基于FDS的火灾产物对人员疏散影响的研究
2021-10-15李雪微
黄 凯，李雪微，徐 蕾
(大连民族大学 土木工程学院，辽宁 大连 116650)
火灾在人类灾害中发生频繁，造成的后果严重。高校教学楼人口集中，学生安全意识薄弱，加上设施老化，一旦发生火灾，不仅会造成巨大的经济损失，更会威胁学生生命安全。因此，对教学楼等人群密集建筑的防火和疏散一直是校园安全的重要问题。
国内外已有诸多学者致力于火灾疏散的研究。Choi S[1]等以社会力模型和微观模拟技术，研究高层建筑疏散警报信息化水平和疏散效率的相互关系，结果显示，住所位置越佳的人越能提前获取疏散信息。Seungcheol Lee[2]等使用SIMULEX对高层建筑进行仿真模拟结合实验测试，得出在楼梯间增加机械排烟系统有助于保护高层建筑疏散人员。Ahmed F[3-4]等对大型购物中心的火灾场景和疏散方案进行分析，结果表明，烟雾的蔓延与建筑物及其内部活动有关，走廊与楼梯在疏散过程中至关重要。杨雨婷[5]等对商业综合体特定火灾场景下的人员疏散进行数值模拟分析，根据分析结果结合现状提出火灾防控技术措施。王海蓉[6]等以商业中心为例，基于火灾烟气温度、CO浓度等参数讨论人员逃生行为，结果表明，增加消防楼梯并加以疏散引导有利于减少人员伤亡。大部分传统的火灾烟气蔓延与人员疏散模拟研究没有结合火灾产物对疏散速度所造成的影响，火灾模拟与人员疏散的动画没有同时展示，不能很好的反应疏散过程中火场烟气等变化。
因此，本文利用火灾数值模拟软件Pyrosim和人员疏散模拟软件Pathfinder对某教学楼楼一层全尺寸模型进行火灾和疏散模拟，引入速度系数的概念，分析火灾产物对疏散速度的影响，并将火灾模拟结果与疏散结果耦合进行可视化展示，真实的还原火灾疏散过程。以期为高校火灾人员疏散提供一定的理论依据。
1 火灾产物对疏散速度的影响
火灾过程会释放大量热、烟气，对火场中的人员心理和生理产生极大影响，阻碍人员疏散。本文选取火灾过程中的温度、CO、能见度作为影响人员疏散的主要因素。引入温度影响系数f1(T)、CO浓度影响系数f2(ρ(co))、能见度影响系数f3(Kc)。[7]并将对疏散人员的影响转换为对疏散速度的影响。用公式表示为：v=v0×f1(T)×f2(ρco)×f3(Kc)。其中，代表疏散速度v/ m·s-1；v0代表无火灾正常步行速度v/(m·s-1)。
1.1 温度影响分析
火灾造成的高温对人员疏散速度产生的影响每个阶段不同。美国学者Mike[8]基于烟气温度于乘客行走速度的数据的研究上，得出了不同温度范围对疏散速度的影响系数计算公式为
(1)
式中：Ts表示火场温度℃；T0表示室外常温，本文取20 ℃；v0表示正常行走速度，本文取1.2 m·s-1；vmax表示最大行走速度，本文取5 m·s-1；Te1表示造成不适的温度，本文取30 ℃；Te2表示造成伤害的温度，本文取60 ℃；Td表示致死温度，本文取120 ℃。当温度大于120 ℃时，f1(T)为0[7]。
1.2 CO浓度影响分析
火灾发生会产生大量有毒气体，其中对人体威胁最大的是CO，Mike通过实验获取了不同CO浓度下的乘客速度数据，认为CO对人员疏散得影响主要体现在疏散速度上。朱书敏[9]在Mike研究的基础上，给出相应的疏散速度影响公式为
(2)
式中：ρ为CO体积浓度，t为暴露时间。
1.3 能见度影响分析
火灾发展会产生大量烟气，使得疏散环境的能见度下降，阻碍人员疏散。烟气浓度用减光系数Kc表示，烟气浓度越大，Kc越大，能见度越低。本文参照的能见度与减光系数的关系如下：Kc=3/S,S表示能见度[10]；日本学者Jim和Yamada通过大量实验得到减光系数与步行速度的关系[11]。根据朱书敏[9]的总结，将减光系数对疏散速度的影响系数计算公式为
(3)
式中，Kc为减光系数(1/m)。
2 安全疏散依据
2.1 疏散时间组成
发生火灾时，建筑内人员能否安全疏散，取决于必须安全疏散时间(REST)和可用安全疏散时间(ASET)。必须安全疏散时间(REST)指人员从火灾开始到疏散到室外的时间，可用安全疏散时间(ASET)指火灾开始到威胁人生命安全的时间[9]。安全疏散时间标准如图1。
图1 安全疏散时间标准
通常情况下火场内人员疏散时间包括报警时间TA/s、响应时间TA/s以及行走时间TA/s，即
RSET=TA+TR+TM。
(4)
本文中报警时间取30 s，响应时间着火房间取30 s，其余房间均为120 s[12]。
2.2 危险判定条件
依据《中国成年人人体尺寸》(GB/T10000-1988)[13]采用人眼高度平均值1.6 m作为临界高度，在出口距地面1.6 m处设置温度、CO浓度、能见度探测器，达到以下任一条件即视为危险[14]：温度>60℃,CO浓度大于0.1%;能见度<5 m。选取三个时间中最小数值作为本文的可用安全疏散时间(ASET)。
3 火灾模型建立与分析
3.1 火灾场景布置
使用火灾数值模拟软件Pyrosim建立某高校教学楼一层全尺寸模型。总长84.75 m，南北总长为32.7 m，层高3.6 m。火源位于某一房间内,火源面积为0.5 m×0. 5 m。共450 016个网格。依据美国消防协会标准NFPA 204M《Standard of Smoke and Heat Venting》中定义的4 种标准火灾选取“快速火”进行计算，对应的火灾增长系数为0.0469 kw·s-2，设定为t2火灾增长模型[15]。根据《建筑防排烟技术规程》(DGJ08-88-2006)[16]，本次模拟设定为无喷淋自然排烟，选取6 MW作为计算火灾规模，火灾达到最大热释放速率时间为357 s[15]。模型布置图如2，使用24组探测器将模型划分为24个区域，每个区域距地1.6 m设值三个监测器，分别监测相应区域的温度、CO体积浓度和能见度，同时在出口内测1.6 m高度放置上述三种探测器，用于安全疏散时间(ASET)的计算。
按照最不利条件，本文工况为仅所有门开启，窗户关闭，该工况下又分为2个疏散场景，即不考虑火灾产物影响与考虑火灾产物影响。模拟时间为600 s。
图2 模型布置图
3.2 模拟结果分析
可用安全疏散时间(ASET)由出口监测器监测可得，根据图3结合详细数据分析可知在整个模拟过程中，出口处的温度和CO浓度均保持在危险值以下，能见度于329 s降至5 m以下，已到达本文之前所设定的危险判定条件。因此，本文使用能见度到达危险值的时间作为可用安全疏散时间(ASET),即329 s。
图3 出口处火灾产物变化
4 疏散模型建立与分析
4.1 人员参数设定
根据SFPE建议，结合实际情况，本文模拟疏散对象设定为成年男性50%、成年女性50%[17]。根据根据《中国成年人人体尺寸》(GB/t10000-1988)[13]对上述两类人群的身高和肩宽进行设置：成年男性:1.75 m×0.52 m；成年女性:1.65 m×0.42 m。两者的初始速度分别为1.2 m·s-1和0.95m·s-1。相关研究表明，人员安全疏散的最大人流密度为S=3.57人/m2[18]。本文模拟对象为教育功能性建筑，一般人员密度0.7～1.0人/m2。[19]因此，本文模拟教学楼的实际情况，设置模拟人数为700人。
4.2 疏散场景设置
将Pyrosim模型导入疏散软件Pathfinder并进行简化得到人员疏散模型如图4。将Pyrosim火灾模拟得到的温度、CO浓度和能见度数据经Matlab数据处理得到速度系数导入Pathfinder中的区域速度修改器作为影响人员疏散的速度系数，以此来建立火灾产物影响下的人员疏散模型。默认为初始值为1，即人员初始速度不受影响，在火灾过程中，随着火势的发展，火灾产物对人员造成影响转变为对人员运动速度的影响，速度系数不断减小直到变为0，此时人员失去行走能力。由火灾模拟结果分析可知区域3与区域24受火灾产物影响较大，人员疏散速度变化较明显，因此文本以区域3和区域24为例进行分析，其他区域不做赘述。区域3与区域24部分时间速度系数值见表1和表2。
表1 区域3速度系数变化
表2 区域24速度系数变化
4.3 疏散模拟分析
2种场景下人员的疏散情况如图5，由图结合具体实验数据可知，考虑火灾产物影响条件下的人员疏散时间明显大于不考虑火灾产物影响条件下的人员疏散时间。而人员能否安全疏散取决于可用安全疏散时间(ASET)与必须安全疏散时间(RSET)的比值，为保障人员能够安全疏散，就必须要RSET
图5 疏散结果曲线
火灾产物影响的疏散情况图如图6。当不考虑火灾产物影响下人员在318.8 s疏散完毕时，考虑火灾产物影响下人员才疏散了666人，仍剩余34人；当到达可用安全疏散时间ASET=329 s时，不考虑火灾产物影响下人员全部疏散完毕，考虑火灾产物影响下只成功疏散了676人，24人未能成功安全疏散。由上述结果可知，考虑火灾产物影响下人员的疏散时间比传统的疏散结果更贴近真实情况，火灾产物对人员的疏散情况直接产生了影响。
a)T=318.8 s疏散结果 b)T=329 s疏散结果
区域3和区域4的速度系数变化图如图7。由图7可以看出，整个火灾模拟过程，区域3和区域24的CO速度系数均保持不变，都为1，表明CO对人员疏散不会造成影响；区域3由于是着火房间，能见度系数于132.6 s就降至0.25，与此同时，区域24作为离着火房间最近的走廊，能见度系数也于230 s降至0.25，结合图7变化趋势可知，在区域4和区域24总速度系数与降至0.25前的能见度速度系数变化大体一致；由2个区域的温度系数变化可知，在火灾初期，温度对疏散人员有积极影响，能加快人员的疏散速度，但随着火灾的发展，温度最先到达临界点，着火房间的温度系数降至0，此时，区域3的总速度系数为0，已不能进行疏散任务，区域24的疏散系数也在0～0.5之间徘徊，严重降低人员疏散速度。由此可知，区域3即着火房间内人员应于238 s前完成从房间撤离，238 s后房间已不具备疏散功能，将会威胁屋内人员生命安全；区域24即着火房间外的走廊260 s前走廊内的人员疏散速度不会受火情影响太大，应及时疏散，260 s后将严重影响走廊内人员的疏散速度，甚至威胁人身安全。
a)区域3速度系数
b)区域24速度系数
5 火灾及疏散场景耦合的可视化展示
受技术条件限制，以往的疏散软件只能单独进行疏散模拟，不能结合火灾，模拟结果不能显示人员疏散过程中周围的火场变化情况。随着技术的不断升级，可以利用Payrosim和Pathfinder实现在模拟人员疏散的同时观察周围的火灾烟气等火场变化情况。
本文将火灾与疏散场景耦合，实现在三维坏境下查看火灾发展与人员疏散结果，可视化展示火灾情况下人员的疏散过程。省去了大量的数据处理，有助于救援人员的在线决策，极大的方便了救援工作。
为了更直观的展示火灾中的人员疏散情况，一楼模型进行设置为线框，整体展示火灾烟气蔓延下的人员疏散情况如图8。同时，Pyrosim还支持绘制3D数据，火源动态效果和热释放速率3D数据展示如图9。Pathfinder默认情况下会根据人员添加的先后顺序给人员进行编号，在疏散结果中，可以任意选取一个人员视角进行第三人称观察。本文以“566号”疏散人员为例进行第三人称视角的观察，可以更真实的反应火灾发生时，火场内每一个人员的疏散情况如图10。
图8 火灾烟气与人员疏散同时展示
a)火源 b)热释放速率
图10 “566”号人员疏散视角
6 结 论
本文对某教学楼一层全尺寸模型进行了火灾模拟与人员疏模拟研究，引入速度系数概念，将火灾产物对人员疏散的影响转化为对人员疏散速度的影响，通过Pyrosim火灾数值模拟分析得到的火灾产物变化数据结合Pathfinder建立火灾产物影响下的人员疏散模型，对比分析了700人疏散情况下两种疏散场景的结果。结论如下:
(1)相比于以往的研究方法，将火灾产物转化为对人员疏散速度影响的人员疏散模型所需疏散时间更长，在人员数量到达一定量的时候甚至会出现部分人员疏散失败的情况，该方法更贴近真实火灾场景中的人员疏散情况。
(2)在火灾发生初期，温度对人员疏散速度产生积极影响，稀释了CO和能见度对人员疏散速度的消极影响，随着火势的发展，能见度系数最先开始降低，降至最低值后，人员疏散速度主要受温度的影响。
(3)将火灾模拟与人员疏散结果耦合进行可视化展示，真实的展现了火灾过程中建筑内人员的疏散情况，能更直观协助工作人员熟悉火灾场景下应该怎么样开展疏散工作。
