某大型商业综合体火灾模拟及人员疏散研究

邹 浩

(安徽理工大学 安全科学与工程学院，安徽 淮南 232001)

0 引言

大型商业综合体是指住宿、展览、娱乐、购物、餐饮等3种及以上业态有机搭配、相互依存、功能齐全、结构复杂、方便快捷的统一综合体商业建筑[1]。随着我国城镇化进程不断加快，能满足多种需求的商业综合体应运而生，其数量也在不断增加、面积也越来越大[2]。商业综合体带给人们高效便利的同时，也带来火灾及火灾时人员不能安全疏散出去的风险[3]。预防大型商业综合体火灾十分必要。

性能化防火设计是当前建筑防火领域先进技术之一，最早起源于20世纪70年代的欧美国家，到90年代中期我国才开始系统化研究。美国消防工程师协会(Society of Fire Protection Engineers，SFPE)编写的《SFPE Handbook of Fire Protection Engineering》不仅规范了性能化设计，而且还成为消防安全领域中最重要的参考书籍之一[4]；伍爱友等[5]阐述性能化设计体系及过程，并将性能化设计运用到大空间防火设计的实践中，取得满意的效果；姜学鹏等[6]通过对某地铁站进行火灾模拟，得到不同区域的安全疏散可靠度，验证其现有消防设施满足人员疏散的基本要求；史雷波[7]以西安某超高层建筑为例，通过对最具有代表性的2个区域进行研究，提出建议和措施来确保人员疏散的安全。以上研究对预防建筑火灾有重要意义，但对大型商业综合体中庭连通和首层疏散距离超过规范要求的特殊消防设计研究较少。基于此，本文以某大型商业综合体为例，采用PyroSim和Pathfinder软件对其进行模拟，研究其火灾烟气蔓延和人员疏散情况，判断该商业综合体首层下穿式避难走道和1-4层连通式中庭特殊消防设计的安全性，为此类设计的日常消防安全管理提供依据。

1 模拟参数选择及安全疏散判定准则

1.1 模拟参数

(1)火灾类型：根据现行国家标准《消防安全工程 第4部分：设定火灾场景和设定火灾的选择》(GB/T 31593.4-2015)并结合大型商业综合体中火灾荷载的特点，将其火灾按t2快速火增长设定[8]，其火灾增长系数α=0.046 89kW/s2。

(2)火灾功率：根据现行国家标准《建筑防烟排烟系统技术标准》(GB 51251-2017)，确定不同场所的火灾达到稳态时的热释放速率[9]。大型商业综合体有喷淋和无喷淋时功率分别为：3MW、10MW。

(3)疏散时间：当火灾发生时，并不是立刻开始人员疏散。研究表明[10]，人员必须安全疏散时间TRSET一般包括3个不同的时间间隔：报警时间TA、响应时间TR和疏散行走时间TM。人员疏散的必需疏散时间TRSET可按公式(1)计算。

TRSET=TA+TR+1.5×TM

(1)

式中：

TA—报警时间，取60s；

TR—响应时间，取120s；

TM—疏散行走时间，即为模拟所得的时间，s。

(4)人员疏散其他参数：人员疏散假设条件、疏散速度、人员体积[11]等参数设置，见表1。

表1 人员参数设置

1.2 人员疏散安全性判定准则

建筑物中人员疏散到安全区域所用时间TRSET小于火势发展到超出人体耐受极限的时间TASET，则符合人员安全疏散的要求。安全裕度为TS，裕度越大则表明人员疏散越安全。即保证安全疏散的判定准则为：

TRSET+TS

(2)

在分析火灾对疏散的影响时，一般从烟气温度、毒性气体的浓度、能见度等方面进行讨论[12-13]。人员疏散安全判据指标，见表2。

表2 人员疏散安全判据指标表

2 大型商业综合体消防设计

2.1 工程概况

以某大型商业综合体为案例，该建筑地上5层，地下2层，总建筑高度为23.95m，地下2层设计为车库。地上部分包括商业零售店铺、电影院、餐饮店铺、娱乐中心等，第1层高5.3m，2-4层高5.1m，第5层高3.2m。选取本建筑的地上部分为研究对象，其耐火等级为一级。地上部分设有贯通1-4层的异形中庭10个，与其周围环廊部分形成室内交通廊；建筑中部为中岛，内有一个露天内庭院。一层中庭环廊外环划分为6个防火分区；每层中岛划分为一个单独的防火分区。

2.2 研究对象存在的问题

(1)安全疏散：《建筑设计防火规范(2018年版)》(GB 50016-2014)第5.5.17条第2款规定：楼梯间应在首层直通室外，确有困难时，可在首层采用扩大的封闭楼梯间或防烟楼梯间前室。当层数不超过4层且未采用扩大的封闭楼梯间或防烟楼梯间前室时，可将直通室外的门设置在离楼梯间不大于15m处。

为保证人员疏散时不穿越防火分区，本建筑的中岛区域人员需通过疏散楼梯疏散至首层露天内庭院中，然后再通过走道疏散到室外。首层中岛区域为了能直通室外，导致疏散距离过长，超过规范数值要求。

(2)防火分区：《建筑设计防火规范(2018年版)》(GB 50016-2014)第5.3.1条规定：耐火等级为一、二级的单、多层民用建筑的防火分区最大允许建筑面积不应超过2 500m2，当建筑内设置自动灭火系统时，可按最大值的规定增加1.0倍；第5.3.2条规定：建筑内上下层通过开口相互连接贯通时需要将面积叠加计算，当叠加后面积超过规范第5.3.1条时应划分防火分区。

为满足该建筑的整体功能性要求，本建筑中沿着室内商业街设置多个中庭孔洞，连通1-4层，多个中庭连通后，防火分区叠加导致防火分区面积超过规范数值要求。

2.3 研究对象拟采用的措施

(1)安全疏散：在首层中岛内庭院区域设置2条下穿避难走道，宽度分别为6.25和5.65m，首层直通室外的总疏散宽度为23.9m。通过增加最大疏散宽度，以解决首层防火分区直通室外疏散距离大于规范数值要求的问题。

(2)防火分区：在室内商业街与其他各防火分区之间设置特级防火卷帘，同时在各防火分区内设置满足规范要求的自动喷水灭火系统、机械排烟系统等相关消防设施，且在中庭空洞上方设置面积不小于25%的自然排烟窗，通过增加自然排烟面积，以达到规范数值要求的相同效果。

3 火灾模拟及人员疏散分析

3.1 火灾场景设定

火源位置是火灾场景设定中最重要的因素之一。在进行火灾场景设置时，一般需要考虑建筑物的火灾危险性和几何结构特征等因素。在设置火源位置时，主要考虑建筑物内某处发生火灾后，火灾对人员疏散可能造成最不利影响的情况[14]。对该大型商业综合体内火灾荷载分布和几何特征进行分析，共设置6个火灾场景，见表3。

表3 火灾场景汇总表

具体防火分区，初始疏散路线、出口信息以及各火灾场景火源位置，如图1。

图1 火源1-5的位置示意图

3.2 疏散人数

疏散人数根据不同建筑的使用功能分别按密度或按照建筑设计容量进行选取，本文的模拟疏散人数来源于设计单位数据，见表4。

表4 疏散人数统计

3.3 火灾和人员疏散模拟结果

根据人员安全疏散判据，比较6个火灾场景中能见度、烟气温度和烟气中CO浓度，得到可用疏散时间TASET，见表5。

表5 可用疏散时间TASET

将模拟计算的疏散行走时间加上报警时间和响应时间，根据式(1)可得到必需疏散时间TRSET，见表6。

表6 必需疏散时间TRSET

4 结论

对该大型商业综合体进行定性和定量分析，结果表明：

(1)在喷淋和排烟系统均有效的情况下，1层中岛区域在增加穿越避难走道后，能保证商场内人员安全疏散。

(2)在喷淋和排烟系统均有效的情况下，中庭顶部设置大于25%的可开启自然排烟窗，可满足在各层中庭区域贯通时的排烟需求，能保证商场内人员安全疏散。

(3)在喷淋系统和防火卷帘均失效的情况下，烟气和热量会快速聚集，着火区域内人员疏散不安全。

(4)保证中庭区域不存在可燃物和各个防火分区内消防设施有效、完整是预防大型商业综合体火灾最基本的条件。