大型体育场馆消防安全性能化评估研究

2022-07-07房小锋赵晓阳

工程与建设 2022年3期

房小锋，赵晓阳，张鑫

(1.陕西省消防救援总队西安市支队高新大队，陕西西安 710000 2.陕西省现代建筑设计研究院，陕西西安 710021)

0 引言

随着现代化工程建设技术的更新，越来越多的大型建筑涌现，体育场馆作为新时期建筑代表，不仅具有大空间、高层等结构，其功能也呈现出多元化表现形式。在此种条件下，如何实现对此类建筑安全设计的优化，保证建筑内群体生命安全，成了建设方的关注重点[1]。为了实现对此项工作的优化，本次研究将以某大型体育场馆作为研究案例，对此场馆的安全性能评估方法展开设计。

1 大型体育场馆火灾危险性分析与消防安全目标

在进行评估方法设计前，应分析此类建筑在运营中发生火灾事故的危险性。在深入对此方面展开研究后，提出下述两个危险性。

第一点，市场内大部分体育场馆具有举架高、跨度大等特点，并且在设计场馆屋顶时，设计方会采用多元化网架结构作为支撑，为了满足建筑设计时的美观性要求，通常会在顶部网架内架设大量的电缆、电线、电灯、电气，一旦出现火灾危险，这些电气设备便属于着火点。尤其在体育场馆室内环境处于对流风环境时，火势将在风力的作用下迅速变大且在一个较短的时间内覆盖室内环境，导致后续火灾救援工作的执行十分困难[2]。

第二点，大型体育场馆属于公共场所，具有人员密集、人员流动性大等特点，其中一部分人员首次来到场馆，不熟悉场馆内的安全疏散路线，更不了解建筑内部空间布局[3]。当场馆内发生火灾事故时，人员需要迅速撤离场馆，但由于馆内人员不懂得最近的逃生路线或安全出口，导致其出现惊慌，而此时场馆内的管理人员倘若没有做好对人员的疏散管理工作，不仅会影响火灾救援工作的顺利实施，还会造成馆内踩踏安全事故。

体育场馆内的可燃性或易燃性物品包括：沙发、座椅、地毯、电线等。

对场馆的消防安全能力进行评估，此项工作的根本性目的在于保证馆内人员在遇到突发性安全事故或面临火灾等重大灾害时的安全性，因此，对于此项工作的设计目标而言，应当为保障疏散时间，即场馆火灾有效疏散时间应大于馆内人员安全撤离所需时间。对此目标的描述，如图1所示：

图1 体育场馆消防安全设计目标描述

其中ASET代表火灾从发生到发展至对馆内群体人身安全造成威胁的时长，对人体造成损害的因素包括火灾浓烟、馆内温度、安全疏散通道的可见度、空间中一氧化碳气体浓度(含量)等[4]。对场馆安全性能的判断依据共由下述三个方面构成。第一，当馆内火灾烟气弥漫高度>1.8 m时，说明此时场馆的安全性较差，已影响到了人员安全疏散；第二，如果馆内烟气的弥漫高度<1.8 m，但馆内由于火灾充分燃烧，造成内部温度>60 ℃时，也可认为室内环境已对人体安全造成了威胁；第三，如果馆内烟气的弥漫高度<1.8 m，室内温度<60 ℃，但由于火灾释放了大量浓烟，导致馆内环境可见度已<10 m，也说明馆内存在安全威胁因素[5]。上述提出的各项指标中，需要将AEST作为人员最先达到危险的指标，当AEST不满足大于REST(必要安全疏散时间)的要求时，可在不分析上述指标的情况下，明确说明此场馆的安全存在隐患。

2 大型体育场馆消防安全性能化评估方法设计

2.1 安全性能化评估指标选择与评估体系构建

为实现对某大型体育场馆的消防安全性进行评估，引入性能化理论，针对该场馆在发生火灾时的各项参数进行明确，并将其作为评估其安全的指标，构建如图2所示的评价体系。

图2 安全性能化评估体系

首先，将发生火灾时场馆火灾荷载密度作为评估指标，其计算公式为：

q=∑Mv△H/At

(1)

式中：q为火灾荷载密度，MJ/m2；Mv为大型体育场馆当中单个可燃物的重量，kg；△H为场馆当中单个可燃物在燃烧过程中产生的有效热值，MJ/kg；At为场馆中地面面积，m2。根据上述公式，计算得出发生火灾时大型体育场馆中的火灾荷载密度[6]。由于在大型体育场馆中含有多种不同类型的可燃物，并且其燃烧的特性存在多样化。因此，在对这一评估指标进行测算时，还应当进行如下假设：计算过程中，将可燃物的分布看作始终平均分布；在发生火灾时假设所有可燃物均出现了着火现象；假设所有可燃物都会被燃烧殆尽[7]。同时，针对这一指标进行计算时，需要充分考虑到防火分区当中火灾载荷的具体情况，对于大型体育场馆而言，其固定的可燃物包括观众席、柜台等；不固定的可燃物包括各类装饰物、休息长凳等。

其次，将发生火灾时火灾的持续时间作为评估指标，为了更直观地对这一评估指标进行描述，选择将场馆当中可燃物的热释放速率作为计算量，其计算公式为：

Q=α(t-t0)2

(2)

式中：Q为场馆当中可燃物的热释放速率，kW；α为火灾增长趋势系数，kW；t为发生火灾的时间，s；t0为有效燃烧开始的时间，s。根据上述公式，计算可燃物在火灾中热释放速率，并将其作为火灾持续时间的描述数据，热释放速度越率，则说明火灾持续时间越短；反之热释放速率越慢，则说明火灾持续时间越长。

再次，将人员疏散作为评估指标，判断准则是火灾开始发生到对群体人身安全造成威胁的时间ASET是否大于从火灾开始发生到场馆当中人员完成全部疏散的时间RSET。在对这一评估指标进行计算时，将场馆当中需要疏散的人数设定为最大值，即假设在赛事进行中发生了火灾，在这一情况下的观众人数、运动员人数以及工作人员人数综合为疏散最大值。在对人员的安全疏散时间进行计算时，可根据如下公式计算得出：

RSET=talarm+tpre+tmove

(3)

式中：RSET为场馆中人员安全输送时间，s；talarm为场馆中火灾探测装置报警时间，s；tpre为场馆内所有人员预动作时间，s；tmove为场馆内所有人员疏散行动时间，s。根据上述公式，完成对人员安全疏散时间的计算。

最后，将烟气蔓延作为评估指标。在对这一指标进行测算时，引入FDS场景模拟软件，并在虚拟大型体育场馆模型当中设置多种火灾情况[8]。根据事先设定的安全判据，确定在特定条件下，火灾发生时烟气蔓延的具体情况。特定条件主要包括场馆内环境温度、大气压强、排烟口排烟量等。

2.2 构建消防安全性能化评估模型

根据上述论述内容，在完成对四个评估指标的选择后，为了实现对大型体育场馆消防安全性能总体评估，对其评估模型进行构建。同时，在构建模型前，需要明确各个评估指标在模型当中的权重，即对大型体育场馆消防安全的影响程度，权重越大，则说明影响程度越大；反之，权重越小，则说明影响程度越小。根据上述论述内容，确定在该评估体系当中，四个评估指标的权重如表1所示。

表1 消防安全性能化评估指标权重分配表

根据表1中的内容，确定各个消防安全性能化评估指标的权重后，构建如下评估模型：

(4)

式中：p为最终体育场馆的消防安全性能化评估结果；βi为某一指标i的计算结果；Xi为指标在评估体系中的权重；n为评估体系中的指标数量，根据上述论述，本文评估模型中评估指标数量为4，因此n的取值为4，以此完成对评估模型的构建。

2.3 大型体育场馆消防安全量化评估

在完成对消防安全性能化评估模型的构建后，在实际评估过程中，将上述公式(4)作为依据，根据火灾发生的具体情况对其进行综合评估。例如，第一项指标为发生火灾时场馆火灾荷载密度，一般情况下火灾增长处于初期阶段，因此其热释放的速率相对较小，如图3所示。

图3 场馆火灾热释放速率变化示意图

同时，在评估时，还应当考虑到场馆当中是否带有自动喷水灭火装置，若安装了自动喷水灭火装置，则评估应当采取较为保守的估计方式；若未安装自动喷水灭火装置，则评估应当采取相反的估计方式，以此确保评估结果能够更符合实际，实现对体育场馆消防安全更准确地描述[9]。同时，在对第四项评估指标进行测算时，由于本文引入的FDS场景模拟软件只能够针对规则图形和结构进行建模和计算，但在体育场馆当中包含了众多不规则的结构，因此针对这一类结构，可通过将多个规则几何模型进行拼接的方式进行模拟[10]。根据实际需要，几何模型的规格可选择边长均为0.5 m的立方体。在FDS场景模拟软件当中，将模拟的时间设定为1 200 s，充分满足对火灾发生情况的模拟，以此实现对大型体育场馆消防安全的量化评估[11]。

3 评估方法应用分析

选择某大型体育场馆作为此次评估的对象，此场馆中共包括8个主要运动区域，分别为击剑区、游泳馆、新闻赛事转播区、热源中心区、健身区、舞蹈区、篮球场、休息区域。此场馆的占地总面积为50 247.5 m2，隶属该地区甲等场馆，满足国家级别赛事的举办要求。在对此区域进行调查时发现，场所所属地区内，由地方政府举办的大型体育赛事活动大多在此场馆内举行，因此该场馆不仅需要具有多元化功能的优势，同时也应当具备高安全性能的特点。为了满足地方体育赛事的举办需求，在进行此场馆的施工设计时，建设方选择了高性能的防火材料作为施工材料，并按照《建筑施工与设计防火标准》文件，选择了铝合金材料代替传统易燃材料进行了整体安全设计。

在对此场馆安全性能进行评估时，参照前文第2.1节内容，选择对应的四个指标作为评估参数，按照计算公式(4)进行场馆内不同区域安全系数的计算，将计算后的结果与《建筑施工与设计防火标准》文件中的甲级建筑防火标准数值进行比对，其结果见表2。