以性能化分析手段研究主动防火系统对人员疏散环境的影响程度

蒋科明

上海建工集团工程研究总院 上海 201114

性能化分析是一种借助计算机软件，对建筑进行等比例建模，设置关键参数，模拟周围环境或某特定因素对建筑物及其内部人员的影响程度，并分析模拟结果的一种手段。譬如结构设计时用到的PKPM受力分析软件，方案设计时用到的CFD风环境模拟软件、Ecotect日照分析软件、FDS火灾烟气模拟软件，运维管理时用到的Pathfinder人员疏散模拟软件等。性能化分析不仅可以作为方案比选的一种直观显现手段，其对设计思想的走向、应急预案的制定、建筑性能的评估等也提供了很大帮助。性能化分析的最大优势在于能够借助计算机模拟出现实中难以进行的试验（譬如火灾），收集试验结果及相关数据，从而“预知”某些特殊事件的发展过程及对建筑的影响情况，并提前在设计、管理等方面寻找解决方案，以最大化消除事件发生时对建筑物的负面影响。

本文以性能化分析为手段，以上海市某办公楼为实际案例，研究不同主动防火系统对火灾时人员安全疏散的影响情况。

1 研究背景

1.1 消防性能化分析

消防性能化分析旨在研究火灾情况下火灾生成物对建筑物及其内部人员疏散环境的影响情况，以此来辅助设计师对主动防火系统和被动防火系统的设计。

由于火灾模拟试验全程在计算机上进行，因此，设计师可轻松改变任一消防系统的性能参数，并观察其对火灾发展状态的影响程度。

一般而言，消防性能化分析分为火灾烟气模拟和人员应急疏散模拟[1-2]。前者实质为模拟火灾产生的各类有毒有害烟气（含CO2、CO、SO2、固态颗粒等）在建筑内的蔓延情况，该模拟手段被广泛应用于建筑防火分隔、挡烟垂壁、自动喷水灭火系统（简称“喷淋系统”）、防烟排烟系统等设计的合理性检验；后者实质为模拟紧急情况发生时建筑物内人员的疏散情况，一般被用于辅助制定火灾、大型聚会等容易造成人员拥堵、踩踏事件的应急预案，如图1所示。

图1 消防性能化分析

在实际生活中，由于设备生锈老化、年久失修、人为因素等原因可能导致部分主动防火系统在火灾发生时无法及时启动，例如物业管理人员将本应处于“自动起泵”状态的消防水泵调至“手动起泵”状态，导致火灾发生时虽已触发自动喷水灭火系统喷头动作，却因水泵未及时启动而导致喷头无法出水，延误火灾扑救。这就是本文研究所对应的现实背景。

1.2 主动防火系统

主动防火系统和被动防火系统是建筑防火工程（消防工程）的重要组成部分。

主动防火系统主要由自动喷水灭火系统、火灾自动报警系统、防烟排烟系统、消防控制室等设施设备组成。其作用为及时感知火灾的发生，通报火灾发生地点，并主动扑灭初期火灾或限制火灾的发展规模，减少火灾对建筑物造成的破坏和对人员生命健康的危害。被动防火系统则是指通过提高或增强建筑构件、材料承受火灾破坏的能力，达到防止火灾扩大、减少过火面积、增强疏散能力的目的，如合理确定防火间距、提高建筑物的耐火等级、设置防火/防烟分区、合理布置疏散通道等。

本文案例建筑为结构完工建筑，被动防火系统已无太大调整空间，因此本文从建筑主动防火系统出发，展开研究论述。

1.3 火灾模拟软件Pyrosim

受限于计算机算力及时间成本，消防工程计算机火灾模拟试验一般不考虑建筑火势的蔓延，仅考虑烟气的扩散，因此火灾模拟也被称为烟气模拟。

目前用于建筑火灾模拟的性能分析软件较多，如美国NIST开发的场模拟软件FDS、区域模拟软件CFAST、网络模拟软件CONTAMW，英国火灾研究站开发的场模拟软件JASMINE等。其中以流体力学和燃烧学相关公式为核心算法的场模拟软件FDS最受业界认可，接受程度较高。美国Thunderhead Engineering公司以FDS为基础，开发了另一款火灾模拟软件Pyrosim，在完整保留FDS全套算法的同时，提供了更为友好的可视化建模界面和结果处理界面，很大程度上降低了软件操作的门槛，使得建模和数据分析过程更为便利。

2 办公建筑火灾烟气模拟

2.1 项目概况

本文所选案例为上海市某Ⅰ类高层办公建筑，选用标准层第22层作为研究对象。

具体建筑防火设计情况如下所述。

2.1.1 防火分隔

该层建筑面积为3 958 m2，被防火墙和耐火极限不低于3 h的防火卷帘（水平式侧向防火卷帘）划分为2个防火分区，设有6个安全出口（每个防火分区各3个），分别通向该建筑的4个防烟楼梯间。

2.1.2 防烟排烟系统

采用密闭式吊顶设计，吊顶下方设高500 mm挡烟垂壁，整层被划分为4个防烟分区，防烟分区未超越防火分区（图2）。办公区由4台排烟量33 000 m3/h排烟风机负责排烟（按防烟分区均布），围绕核心筒周围的走道区设2台排烟量15 000 m3/h排烟风机排烟（按防火分区均布），设2台补风量32 000 m3/h补风机（按防火分区均布）。

图2 防火防烟分区示意

2.1.3 火灾自动报警系统

火灾自动报警系统由感烟火灾探测器、感温火灾探测器、手动报警装置、消防广播、闭路电视、消防控制室等组成，火灾发生时能有效联动控制各消防系统设施。

2.1.4 自动喷水灭火系统

自动喷水灭火系统按防火分区分区设计，每个防火分区由1根独立干管引出，采用吊顶隐蔽式下喷头设计，选用68℃快速响应型喷头。

2.1.5 联动控制逻辑

为了提高火灾响应的灵敏性，当烟气触发任一防烟分区1支感烟火灾探测器时，启动负责该防烟分区的排烟系统；触发任一防烟分区2支独立感烟火灾探测器时，启动防火卷帘。

2.2 设计火灾场景

该楼实行全楼禁烟制度，由烟头引发火灾的可能性较小，该层为商业办公区，办公用电设备较多，不排除因用电设备线路老化或员工违规使用大功率电器而导致的电气火灾，因此，可将用电设备短路引燃桌椅作为此次火灾模拟的燃烧物。

为分析不同主动防火系统对火灾发展的影响情况，本文以控制变量法为原则，交替模拟排烟系统、喷淋系统失效的火灾场景，此外再设置排烟、喷淋均有效和排烟、喷淋均失效场景作为对照试验（表1）。

2.2.1 火源设计

火源为用电设备老化引起的电气火灾，主要燃烧物为硬壳塑料、泡沫坐垫和刨花面板，经查阅《Handbook of Fire Protection Engineering》[3]及NFPA 101A《Guide on Alternative Approaches to Life Safety》[4]中有关建材燃烧烟气成分的测定结果，将该类型混合燃烧物的CO生成率设为0.016 g/g，烟粒子释放率为0.035 g/g，火源尺寸为2.0 m ×1.5 m（图3）。

图3 火源位置示意

根据GB 51251—2017《建筑防烟排烟系统技术标准》第4.6节规定[5]，该类型火灾适用于火灾增长系数α＝0.011 kW/s2的中速发展火灾，火源达到稳态时的热释放速率（最大热释放速率）分别为1.5 MW（有喷淋）、6.0 MW（无喷淋）。

火源热释放速率随时间变化的公式为：

将火灾场景1—4所对应的最大热释放速率Q及火灾发展系数α分别代入式（1），计算可得各场景火源达到稳态燃烧所需时间t，如表2所示。

表2 Pyrosim火源参数设置

2.2.2 最小清晰高度

清晰高度指烟气层下边缘至室内地面的高度，一般而言，火灾发生时，当烟气层下边缘低于设计最小清晰高度时即可认为烟气已开始对人员造成影响。GB 51251—2017《建筑防烟排烟系统技术标准》第4.6节中指出，储烟仓底部距地面的高度应大于安全疏散所需的最小清晰高度[5]，清晰高度应按式（2）计算确定：

该层建筑层高为4.5 m，采用封闭式吊顶，吊顶底至室内地面的高度为3.0 m，计算最小清晰高度Hq时，H′应取值3.0 m，代入式（2）计算可得Hq＝1.9 m。在火灾模型中于室内地坪标高1.9 m处设置二维探测切片（2D Slice），用以探测火灾模拟过程中最小清晰高度处烟气层危害值的变化情况。

2.2.3 危害因素及危害值的确定

在火灾烟气模拟中烟气层对人体的危害（危害因素）宜从毒性、高温性、减光性这3个方面进行考虑。本次模拟试验选用CO浓度作为烟气层毒性参数，人体危害值设为754 mg/kg；选用温度作为烟气层高温性参数，人体危害值设为60 ℃；选用能见度作为烟气层减光性参数，人体危害值设为10 m。当某区域内的3项危害因素任一项达到危害值时即可认为烟气已达人体的耐受极限，滞留人员将因难以忍受烟气的危害性而自发转移，前往未被烟气侵袭的安全出口寻求逃生。

结合各火灾场景实际模拟结果来看，上述3项危害因素指标中能见度指标达到设计危害值所需的时间最少，远小于其他2项危害值超标所需时间，因此，本文着重记录能见度指标在火灾模拟过程中的变化情况。

2.3 火灾场景1：喷淋有效、排烟有效

本火灾场景为自动喷水灭火系统有效、排烟系统有效模型，火源最大热释放速率为1.5 MW，火灾增长系数为0.011（中速火），火灾发展时间为369.27 s，模拟持续时间1 200 s，选取各安全出口附近清晰高度处能见度依次达到危害值的时间作为关键时间点，模拟结果如图4所示。

图4 火灾场景1模拟结果

由模拟结果可知，当火灾持续至334.8 s时，北侧安全出口及其附近区域清晰高度处能见度已降至10 m以下，达到设计危害值，人员疏散开始受到影响，滞留人员因无法耐受烟气危害而自发转移至其他安全出口寻求疏散；当火灾持续至503.3 s时，西侧安全出口及其附近区域清晰高度处能见度降至10 m以下，滞留人员转移至南侧安全出口寻求疏散；当火灾持续至1 200.0 s时，南侧安全出口及其附近区域清晰高度处能见度维持在10 m以上，可以认为此区域内烟气尚不对滞留人员构成危害，人员尚有更多疏散时间可用。

2.4 火灾场景2：喷淋有效、排烟失效

本火灾场景为自动喷水灭火系统有效、排烟系统失效模型，火源最大热释放速率为1.5 MW，火灾增长系数为0.011（中速火），火灾发展时间为369.27 s，模拟持续时间1 200 s，选取各安全出口附近清晰高度处能见度依次达到危害值的时间作为关键时间点，模拟结果如图5所示。

图5 火灾场景2模拟结果

由模拟结果可知，当火灾持续至185.6 s时，北侧安全出口及其附近区域清晰高度处能见度已降至10 m以下，达到设计危害值，人员疏散开始受到影响，滞留人员因无法耐受烟气危害而自发转移至其他安全出口寻求疏散；当火灾持续至375.5 s时，西侧安全出口及其附近区域清晰高度处能见度降至10 m以下，滞留人员转移至南侧安全出口寻求疏散；当火灾持续至449.0 s时，南侧安全出口及其附近区域清晰高度处能见度降至10 m以下。

至此，所有安全出口及其附近区域的烟气层均达到人体耐受极限，滞留人员完全暴露在烟气之下，烟气将造成该层尚未逃生人员的伤亡。

2.5 火灾场景3：喷淋失效、排烟有效

本火灾场景为自动喷水灭火系统失效、排烟系统有效模型，火源最大热释放速率为6.0 MW，火灾增长系数为0.011（中速火），火灾发展时间为738.55 s，模拟持续时间1 200 s，选取各安全出口附近清晰高度处能见度依次达到危害值的时间作为关键时间点，模拟结果图6所示。

图6 火灾场景3模拟结果

由模拟结果可知，当火灾持续至315.5 s时，北侧安全出口及其附近区域清晰高度处能见度已降至10 m以下，达到设计危害值，人员疏散开始受到影响，滞留人员因无法耐受烟气危害而自发转移至其他安全出口寻求疏散；当火灾持续至462.6 s时，西侧安全出口及其附近区域清晰高度处能见度降至10 m以下，滞留人员转移至南侧安全出口寻求疏散；当火灾持续至687.2 s时，南侧安全出口及其附近区域清晰高度处能见度降至10 m以下。

至此，所有安全出口及其附近区域的烟气层均达到人体耐受极限，滞留人员完全暴露在烟气之下，烟气将造成该层尚未逃生人员的伤亡。

2.6 火灾场景4：喷淋失效、排烟失效

本火灾场景为自动喷水灭火系统失效、排烟系统失效模型，火源最大热释放速率为6.0 MW，火灾增长系数为0.011（中速火），火灾发展时间为738.55 s，模拟持续时间1 200 s，选取各安全出口附近清晰高度处能见度依次达到危害值的时间作为关键时间，模拟结果如图7所示。

图7 火灾场景4模拟结果

由模拟结果可知，当火灾持续至186.9 s时，北侧安全出口及其附近区域清晰高度处能见度已降至10 m以下，达到设计危害值，人员疏散开始受到影响，滞留人员因无法耐受烟气危害而自发转移至其他安全出口寻求疏散；当火灾持续至365.0 s时，西侧安全出口及其附近区域清晰高度处能见度降至10 m以下，滞留人员转移至南侧安全出口寻求疏散；当火灾持续至430.2 s时，南侧安全出口及其附近区域清晰高度处能见度降至10 m以下。

至此，所有安全出口及其附近区域的烟气层均达到人体耐受极限，滞留人员完全暴露在烟气之下，烟气将造成该层尚未逃生人员的伤亡。

3 模拟结果分析

对火灾场景1—4的模拟结果加以总结，得出火灾情况与人员可用疏散时间（ASET）的对应关系如表3所示。

表3 火灾场景与可用疏散时间（ASET）对应关系

通过对比表3数据不难发现，自动喷水灭火系统、排烟系统对于火灾时人员疏散时间的争取均有积极作用，其中，排烟系统对于人员疏散时间的争取效果十分明显，喷淋系统对于疏散时间的争取效果则较弱。这是因为喷淋系统主要通过抑制火灾发展，限制火源达到稳态时的最大热释放速率来控制烟气产生的快慢，其主要影响阶段为火源达到稳定燃烧之后的阶段，对烟气的影响较为间接；排烟系统则通过直接抽取吊顶下方储烟仓内的烟气来达到延缓烟气积累的效果，其对烟气的影响更为直接，无论火源是否达到稳定燃烧，只要烟气触发火灾自动报警系统排烟联动控制程序，即开始产生影响。

4 结语

综合上述分析，从人员可用疏散时间（ASET）的争取角度来看，主动防火系统均成功启动时，对人员疏散环境的改善效果最显著，均未启动（失效）时，火灾环境最危险；排烟系统产生的正面效果相较于自动喷水灭火系统更为明显。

值得注意的是，性能化分析具有针对性，即此次模拟试验得出的结论仅仅只针对该层建筑的防火设计情况有效，并不具备普适性，譬如某些建筑物在满足规范条件的前提下甚至可以不设置机械排烟系统，此时排烟系统与喷淋系统对火灾抑制的贡献程度将不具备可比性。因此，若想研究不同消防系统对火灾发展的影响程度，或单纯分析火灾在现有建筑防火条件下的发展情况，还需合理搭建不同的火灾模型，这也正是性能化分析的实际价值之所在——以计算机为平台调整不同变量形成对照试验，而无需搭建相应数量的实体火灾场景。