高层建筑安全疏散问题研究
2022-05-30张峰
张峰
摘要：文章围绕高层建筑发生火灾时内部人员的疏散问题，以人员疏散设施及辅助设备的设计、使用、维护和管理为切入点，深入研究了高层建筑人员疏散相关理论，包括可用安全疏散时间、必须安全疏散时间和人员运动时间的特征参数等，并基于FDS+Evac软件对人员安全疏散问题进行数值化模拟，量化了影响人员安全疏散的基本要素，为高层建筑的消防安全管理研究提供了必要的理论基础。
关键词：高层建筑;安全疏散;消防安全管理;FDS+Evac
高层建筑安全疏散问题，是消防安全管理研究的重点内容，也是评定火灾风险大小的重要依据[1]。高层建筑人员密度大、流动性高，一旦发生火灾，势必造成内部人员的恐慌，在这种心理作用下，往往会给人员疏散带来极大的困难，容易引起并发（如人员踩踏）事件的发生。因此，如何科学合理地疏导拥堵人员，既能够给火灾扑救争取时间，又能够确保建筑内部人员的生命和财产安全，是高层建筑防火设计中需要考虑的首要问题[2]。
一、高层建筑火灾安全疏散影响因素分析
由高层建筑火灾中热风压、火风压以及火烟蔓延、扩散的运动规律可知，高层建筑一旦起火，若未能在火灾发展初期采取有效的灭火措施，使火灾发展到成长期乃至后期，将会造成重大人员生命财产损失[3]。因此，如何在允许的时间内采取有效措施，使建筑内部的人员生命和财产免遭火灾损害，是高层建筑防火安全的一个重要课题。
高层建筑安全疏散就是使室内人员和重要物资在一定安全时间内，在热、烟污染来到之前，通过特定的安全空间，才能确保其安全的迁移和运动。由走道、楼梯间前室、楼梯间等安全空间，将室内人员和重要物资转移到安全场所。
（一）安全疏散与避难设施
火灾会造成建筑材料的燃烧，释放大量的热和有毒烟雾，同时建筑内部的电缆、照明等设施也会相继损坏，给人员的安全疏散带来极大的不便。此外在遭遇火灾时，建筑内部人员会产生不同程度的心理压力，从而影响其应对突发事件的能力[4]。
火烟是造成人员伤害和影响人员迅速撤离的主要因素，据研究表明，在火災中，当火烟进入通道，使环境温度超过45℃以上，就已超出人体可忍耐的限度，从而引起人体出现出汗、脱水、疲劳、心跳加快的现象发生[5]。根据我国模拟火场试验，火烟污染环境对人体生理作用的实测，在火烟所污染的通道和开门的房间中，一氧化碳的浓度为1.28%，或二氧化碳的浓度为10%，或房间温度达到149℃时，任何一项指标均可以造成室内人员获救生还的时间极限范围为2.1～11.5min[6]。因此，在火灾发展过程中，自始至终保持安全疏散通道中的安全环境，是保证人员迅速撤离的关键，为了确保火灾时人员安全疏散，减少人员伤亡，高层建筑进行防火设计时需设置消防设施和安全疏散设施。
建筑的安全疏散和避难设施主要包括疏散走道、疏散楼梯、疏散出口、避难层、避难间以及消防照明系统等，安全疏散和避难设施的设置与建筑的高度、区域的面积及内部布置、室内空间高度和可燃物的数量等密切相关，对满足人员安全疏散起到至关重要的作用。
1.安全出口
安全出口主要是指楼梯间、室内外楼梯的出入口等，火灾发生时安全出口的重要性不言而喻，《高层民用建筑设计防火规范》[7]《建筑设计防火规范》[8]等相关规范对高层防火设计时针对安全出口的间距、面积等重要参数做出了规定，此外工作人员必须做到定期检查并对相关设施进行维护。
2.疏散出口
高层建筑层高较高、楼层多，有些高层建筑体型相对复杂，在建筑设计时开设的疏散出口数量、形式需要根据拟建建筑的用途、人员密度等情况进行确定，必须满足人员撤离时的最小间距。常见的疏散通道主要指疏散门，在门的开设位置，应当根据人员疏散时的方便性而定。
3.安全疏散距离
安全疏散间距是根据建筑物内的用途、人口密度进行确定的，人在火灾情况下易出现恐惧，逃离火灾现场的行为会表现出逃生无组织、慌乱的现象，若安全疏散距离过长，势必造成人员更加恐惧的心理。
4.疏散走道
疏散走道应当保证具有一定的宽度，在一定的人口密度下，火灾紧急情况能够使人在较窄的疏散走道内发生拥堵、踩踏等事件，为了避免此类现象的发生，应当结合实际情况进行设计，保证其宽度满足要求。
5.消防照明系统
消防照明系统是用于建筑内人员的安全疏散、逃生、避难和消防作业等应急行动的重要消防设施。其主要功能是在火灾发生时，为人员的逃生提供照明，同时又为灭火救援工作的持续开展提供应急照明。
（二）室内人员密度
房间中人员密度大小，直接影响到该房间内的人员安全迅速撤离房间进入安全疏散通道中的时间长短，即安全疏散时间的长短。各种不同用途房间的人员密度如表1所示。
上述各种用房的人员密度，决定了一旦发生火灾，每层楼所需要进入疏散通道中的人数以及群集迁移时的流动速度，也是疏散通道尺寸大小和出口宽度的主要设计依据。
（三）辅助疏散手段
高层建筑一旦发生火灾，紧急疏散和撤离全部人员需要较长时间，特别是“9·11”事件中，世贸中心双塔内的被困人员绝望中从100多层纵身跳下的惨烈情景震撼人心，激发了世界各国对高层建筑辅助消防设施的重视。
1.轿厢式疏散设备
轿厢式疏散设备是一种高层建筑紧急疏散和逃生装置，无需外部电源，紧急情况下只需简便滑出后即可实现群体疏散自救，其结构主要包括速度调节系统、拽引轮、复绕轮、轿厢、承重及换向定滑轮、配重绳及换向定滑轮。常见的轿厢式室外疏散设备根据速度调节原理的不同有空气阻尼式和磁阻尼式。
2.柔性救生滑道
柔性救生滑道是一种能使多人依次从高处在其内部缓慢滑落的逃生用具，采用摩擦限速原理，达到降落的目的。通常在其内部的导套具有抗静电性能，可以避免人体滑落时因摩擦热而灼伤，外部具有一定的防火性能和抗辐射性能。该装置可以供多人同时使用、成本低廉，但是受高度限制，需要经常检查维护。
3.自动救生充气垫
该装置是一种利用充气产生缓冲效果的高空救生设备。其材料为高强度的纤维材料，由高压气瓶提供气源，该装置构造简单、可以供多人反复使用，气垫充气并抛到楼下后人往上跳起即可逃生，但是该装置仅限于高度为3～4层的楼房使用。
二、人员安全疏散相关理论
人员从着火的建筑物中疏散到安全区域所需要的时间为必需安全疏散时间（RSET），火灾对人体构成威胁的时间为可用安全疏散时间（ASET）。人员能否安全疏散取决于着火建筑物的人员是否能在火灾发展到对人体构成危险之前到达安全区域[9]。
（一）必需安全疏散时间（RSET）
必需安全疏散时间表示从起火时刻到人员疏散到安全区域的时间。
RSET=Tdet+Talarm+Tpre+Tmove（1）
式中：Tdet為火灾探测时间;Talarm为接受警报时间;Tpre为人员预动作时间;Tmove为人员疏散时间。
（二）可用安全疏散时间（ASET）
可用安全疏散时间表示从起火时刻开始到火灾对人员安全构成威胁的时间，该时间的判定指标有辐射热、烟气温度、有毒气体等。
ASET = min{Ta，Tb，Tc，Td，Te，Tf} （2）
式中：Ta为人体达到不能承受的热辐射通量临界状态的时间;Tb为人体达到不能承受的烟气温度临界状态的时间;Tc为组织人员逃生的能见度状态来临时间;Td为人体达到不能承受的有毒气体临界状态时间;Te为达到任何一种有害燃烧产物的临界浓度时间;Tf为其他危险有害因素临界状态到达的时间。
（三）人员运动时间基本特征参数
人员的流动系数和人员移动速度是计算人员从建筑物内某一个地方运动到另一个地方时间的关键。人流密度、疏散通道宽度和人员的行走速度的乘积值为某一时间段内通过某一个定点的人员流量，疏散通道宽度和人流密度影响人员在疏散通道内的运动速度，若疏散通道很窄，疏散通道内的人流密度会相应地增加，疏散人员运动速度就会相应地降低。人员的空间要求、人员密度、人员流量和人员移动速度构成了研究人员疏散基本参数。下文列出了一些经验公式中常用的基本特征量与它们之间的关系。
1.人员空间要求
人员活动的重要方面之一是一个人所占空间的面积。一定的空间被一个人占据，当这个人走动时，会有规律地释放并再次占据一定空间。除此以外，一个人与其周围的环境以及其他行人需要保持一定的距离，因此还存在一定的缓冲空间。
2.人员密度
单位面积人员的数量就是人员的密度。人员密度是确定疏散通道大小及各层楼进入疏散通道的人数的重要依据。为：
D = N/LW（人/m2）（3）
式中：N为人流的人员流量;L为人流长度;W为人流的密度。
人员密度分类如表2所示。
3.人员流量
在空间的单位宽度、单位时间内能够通过的人数定义为人员的流动系数，计算公式为：
S=V×D×L（4）
人员在楼梯的步行速度是指人员沿着楼梯斜面步行的实际速度。人员的步行速度与人员的密度相关，人与人之间的间距越大，人员密度就越小，人员行走速度就相对较快，反之，人员的移动就会相对较缓。
4.人流的移动速度
单位时间内人流的行走距离就是人流移动的速度。因为在发生火灾进行疏散时人们都会处在群集的状态，而在群集的场合，人群密度决定了人员移动速度。通常情况下，建筑中如果人员的密度越大，人移动的速度就越慢，进行疏散需要时间就越长。人员行走速度表示为：
S=K×（1-0.226M）（5）
式中K为常数，具体取值如表3所示。
三、安全疏散模拟
文章基于FDS+Evac软件构建高层建筑火灾安全疏散模型，其中FDS软件用于搭建火灾模型，通过对影响火灾中危险因素的量化分析，计算出可用安全疏散时间;Evac软件则用于搭建疏散模型，计算出必需安全疏散时间，利用上述2个来源的数据，综合判断建筑物安全性。
（一）模型的建立
在设计火灾场景时，可以用物质分解率、物质分解物、火灾增长速率、热释放速率等参数来表现其特征。
火灾增长曲线是概括设计火灾特征的最常用方法。单位时间内火源所释放的热能被描述为热释放速率，热释放速率是认定火灾危险性的重要参数、是火灾模拟研究的基础参数，对可用疏散时间也有重要的影响，其随着时间变化的典型火灾增长曲线可以分为火灾增长期、稳定燃烧期和衰减期等阶段。
现阶段描述火灾的发展，国内外通常采用稳态和非稳态的两类模型，其中稳态模型将整个火灾发展过程中的热释放速率看作一个定值，即将整个火灾过程理想化。t2火模型是非稳态模型的典型代表。而火灾时实际的燃烧过程是由火灾初期缓慢增长的孕育期和中后期显著增长的燃烧期组成的。
其模型公式为：
Qf=α（t-t0）2（6）
式中：Qf为热释放速率;α为火灾增长因子;t为火灾有效燃烧发生后的时间;t0为开始有效燃烧所需的时间。
火灾增长因子α应当考虑可燃物载荷密度（αf）及墙和吊顶的影响（αm），即：
α=αm+αf（7）
αf= 2.6×10-6q5/3（8）
文章拟对设有喷淋的高层建筑进行数值模拟，主要分析火灾发生时室内有毒气体、温度、能见度等相关指标对安全疏散的影响。基于文献中的案例，最大热释放速率为1500kW，标准场景设置为t2火，且α值为0.04689;根据式（5～6）得t = 178.65s，即火源功率在0～178.65s由0增长到1500kW，并假定火源增长到最大功率后保持稳定状态。
（二）模拟结果分析
1.标准场景人员疏散模拟
图1为标准场景疏散人数曲线图，从图中可以看出，进入北侧楼梯的第一个疏散人员为22s，最后一个疏散人员为47s，北侧楼梯用了25s疏散24人;进入南侧楼梯的第一个疏散人员为23.5s，最后一个疏散人员为43.5s，南侧楼梯用了20s疏散24人，说明南侧楼梯的疏散效率高于北侧楼梯。若在疏散时有人合理地进行疏散引导将会有效缩短疏散所用时间。在47s时疏散人员已经全部进入疏散楼梯，再加上疏散试验假设的接受火警时间和人员预动作时间为15s，故所需安全疏散时间为62s。
2.不同因素对疏散时间的影响
（1）性别因素
标准场景设置全为男生，为了研究性别因素对疏散时间的影响，可以设置全部为女生的情况，如图2所示。
从图2可知，49s时南侧楼梯疏散了22人，53s时北侧楼梯疏散26人，此时人员全部疏散完毕，再加上疏散试验假设的接收火灾报警时间和人员预动作时间为15s，故全部为女生时的所需疏散时间为68s，比全部为男生时疏散时间长了6s，这说明在相同的场景下，男生疏散过程中比女生的运动速度要快。
（2）疏散出口人数的影响
从图3可知，当只有一个南侧疏散楼梯出口可以疏散时，建筑物内人员在55s时全部疏散完成。加上疏散试验假设的接收火灾报警时间和人员预动作时间15s，故该楼层只有南侧一个疏散楼梯出口时的所需疏散时间为70s。这說明该层只存在南侧一个疏散楼梯出口时需要的疏散时间比标准场景延迟了8s。
从图4可知，当只有一个北侧楼梯出口时，建筑物内人在58s时全部疏散完成。加上疏散试验假设的接收火灾报警时间和人员预动作时间15s，故该楼层只有北侧一个疏散楼梯时的所需疏散时间为73s。这说明该层只存在北侧一个疏散楼梯出口时需要的疏散时间比标准场景延迟11s。
四、结语
文章针对高层建筑的人员安全疏散问题进行研究，在详细剖析影响人员安全疏散的诸多因素的基础上，结合人员安全疏散时间、必须安全疏散时间、人员运动时间基本特征参数等相关理论，采用FDS+Evac软件建立高层建筑人员安全疏散数值模型，并通过模型分析了性别因素和疏散出口数对疏散时间的影响，对消防安全的科学管理研究具有一定的指导意义。
参考文献：
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[2]陈娟娟，方正，谢涛等.典型建筑火灾风险评估体系及其软件开发[J].中国安全科学技术，2015，01（25）：116-120.
[3]张树平.建筑防火设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.
[4]张靖岩，肖泽南.既有建筑火灾风险评估与消防改造[M].北京：化学工业出版社，2014.
[5]中华人民共和国公安部.火灾自动报警系统设计规范（GB 50116-2013）[S].北京：中国计划出版社，2013.
[6]赵德朝，李俊梅，李炎峰.建筑火灾风险评估中火灾安全管理者的影响因素分析[J].消防科学与技术，2008，3（23）：184-187.
[7]GB 50045-1995 高层民用建筑设计防火规范[S].中华人民共和国住房和城乡建设部，1995.
[8]GB 50016-2014 建筑设计防火规范[S].中华人民共和国住房和城乡建设部，2014.
[9]王爱莎.高层建筑火灾时的人员安全疏散研究[D].淮南：安徽理工大学，2013.
