大型商业综合体火灾烟气及疏散模拟

郑冠霞，杨 漪，赵舒野，文 虎

(西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054)

0 引 言

随着经济快速增长，为了顺应中国市场经济的持续发展和人民生活需求的多样化，大型商业建筑的规模也随之扩大，功能越来越复杂，在满足人们日常生活所需的同时逐渐成为城市的地标性建筑[1]。大型商业综合体设有贯通的中庭，具有人员密集、功能复杂、商品丰富、电气线路错综复杂、火灾蔓延快等特点。城市大型商业综合体火灾危险性较大，发生火灾会导致人员疏散困难，极可能造成群死群伤和大量财产损失[2]。因此，提高大型商业综合体的消防安全刻不容缓。

目前国内外学者对商场火灾进行了相关研究。詹金良和慕洋洋通过数值模拟研究了电影院放映厅出口的数量、宽度、布局等对疏散速率的影响[3]；汤煜等对大型商场进行疏散模拟，探究了出口数量及宽度对安全疏散的影响[4]；马子超等对大型商场中庭火灾进行了烟气与疏散模拟研究，探究了中庭附近排烟设施对人员疏散的影响[5]；胡玉玲等模拟了大空间建筑物内喷淋装置和排烟装置对火灾发展的影响[6]；何欣和常力运用Pathfinder对商场进行模拟，提出了分层疏散，通过开闭不同楼梯间来提高疏散效率[7]；EASIR等运用Pyrosim模拟商场火灾，火灾设置场景为商场中心池火，根据模拟仿真预测了发生火灾时人员总疏散时间[8]；ANTHONY等研究了大型中庭发生火灾的情况下不同自然排烟系统对烟气层温度的影响[9]；AYALA等对中庭火灾进行了全尺寸火灾实验，通过与FDS模拟进行对比，发现实验与模拟的热释放速率与排烟效率具有一致性[10]。

以上国内外学者对商场进行了模拟和火灾实验，研究了出口数量、出口宽度、排烟设施、喷淋设施等对火灾发展和人员疏散的影响，研究场景大多为没有分隔的商铺或中庭，随着近几年大型商业综合体的多元化发展，上下层连通商铺和电影院数量增多，连通的商铺布局、电影院布局和特殊的中庭设计在很大程度上会影响烟气蔓延。文章以占地面积较大、火灾危险性较高、人员较为密集的某大型商业综合体为研究对象，将排烟系统有效和失效2种工况做对比，选用一二层连通服装商铺和4层电影院2种场所作为火灾发生场景，进行火灾烟气蔓延和人员疏散模拟仿真研究，分析烟气在商铺内和在中庭下的蔓延规律以及人员疏散特征，并针对大型商业综合体消防安全提出火灾危险管控建议，为大型商业综合体的科学化火灾防控提供理论依据。

1 Pyrosim火灾烟气模拟

1.1 建筑概况

以西安市某大型商业综合体为研究对象。该大型商业综合体地上4层，地下3层，建筑高度22.2 m，面积96 277.97 m2。建筑设有室内步行街，长350 m，宽9～15 m，形成贯通首层至4层、高22.2 m的中庭，作为1个防火分区，以商铺外墙防火卷帘作为防火分隔。该建筑属于多层公共建筑，钢筋混凝土结构，耐火等级为一级。各层占地面积及业态分布见表1。

表1 某大型商业综合体业态分布及步行街面积

1.2 确定火源及测点位置设计

通过火灾隐患排查，经过后期装修改造，破坏了原先防火分区，形成了2层联通的商铺，且在店内扶梯的联通口处未设挡烟垂壁。从燃烧空间上看，服装大多悬挂放置，可燃物几乎布满整个店铺，火灾载荷大。因此设定首层服装商铺火灾作为研究场景一，火源位于首层。图1(a)中1～4为首层服装店设置的测点，相邻间隔5 m，5～8为与其相同水平坐标上的二层测点。

此外，该商业综合体4层电影院，主要可燃物为软席座椅和隔音装修材料，日常人流量大且人员高度集中，因此设定电影院火灾作为研究场景二，火源位于4层放映厅。由于电影院放映厅皆为单独可封闭的空间，放映厅的烟气极有可能对连通的走道、售票厅、楼梯前室的人员造成危害，除火源位置的放映厅内测点间距离5 m，还在走道、楼梯前室、售票大厅和步行街共设置了8个测点，如图1(b)所示。

图1 测点分布Fig.1 Layout of the detection points

1.3 建立火灾物理模型

文章根据某大型商业综合体的CAD平面图运用Pyrosim软件按1∶1的比例进行建模，网格尺寸采用1 m×1 m×1 m。某大型商业综合体地上4层火灾烟气模型如图2所示。

图2 某大型商业综合体模型Fig.2 A model of a large commercial complex

1.4 火灾场景参数设计

环境初始温度为23 ℃，初始风速为0 m/s。每间商铺设有排烟口，排烟方式为机械排烟，排烟口尺寸为0.8 m×0.4 m。火源为尺寸1 m×1 m的障碍物，根据《建筑防烟排烟系统技术标准》(GB51251—2017)[11]中关于火灾增长系数的说明，更为符合大型商业综合体的可燃材料的火灾类别为快速火，快速火火灾增长速率为0.044 kW/s2。

火源热释放速率一般是非稳态的，通常采用t2火灾模型[12]描述火灾增长阶段

Q=αt2

(1)

式中Q为热释放速率，kW；α为火灾增长系数，kW/s2；t为火灾增长时间,s。

火灾在充分发展阶段的最大热释放速率为

Qmax=q×Ac

(2)

式中Qmax为最大热释放速率，MW；q为单位面积的热释放速率，首层服装商铺和4层电影院根据文献[11]取值10 MW/m2；Ac为可燃物所占面积，取值为1 m2。故最大热释放速率Qmax为10 MW。

火灾烟气模拟主要考虑机械排烟对人员疏散的影响，每个场景设置机械排烟失效和有效2种工况，2个场景共4种火源工况，首层和4层火灾不同时发生，模拟根据工况分为4次进行，见表2。

表2 火灾工况设计

2 火灾烟气模拟结果分析

人体耐受极限的因素可用烟气能见度、温度和CO浓度来衡量，通过分析这3种参数的临界值判断是否达到火灾的危险状态[13]，判断各因素达到危险状态的范围见表3。

表3 各因素达到危险状态的范围

2.1 能见度分析

图3(a1)、(a2)、(a3)、(a4)为首层火灾1～4层机械排烟有效时的能见度切片图，在火灾发生的377.7 s和601.0 s后，首层和二层商铺内能见度达到10 m以下。火灾发生的1 800 s内，3层、4层能见度均未达到10 m以下，人员能安全疏散。图3(b1)、(b2)、(b3)、(b4)为首层火灾1～4层机械排烟失效时的能见度切片图，在火灾发生361.2，559.0，1 528.7，1 554.2 s后，1～4层能见度达到10 m以下。烟气逐渐向上扩散至整个中庭，但3，4层烟气在经过中庭的扩散，浓度较低，为人员争取了充足疏散时间。

图3 首层火灾能见度Fig.3 Visibility of the first floor fire

图4中(a)、(b)为4层火灾发展到1 800 s时机械排烟有效和失效的能见度图，机械排烟有效时，仅放映厅、对面的房间、走道处能见度达到了10 m以下；机械排烟失效的情况下，电影院所有区域、附近的中庭能见度均达到了10 m以下。说明机械排烟能有效控制烟气浓度。

图4 4层火灾能见度Fig.4 Visibility of the forth floor fire

图5(a)和(b)分别为排烟失效和排烟有效时首层火灾能见度随时间变化曲线图，图中虚线框为局部放大区，能见度数值越小，危险性越高，能见度达到10 m为人体耐受极限的临界值。A，B，C，D分别为测点V2，V1，V6，V5达到能见度临界值的坐标，当机械排烟失效时，首层商铺内测点能见度分别在429.6，444.4，698.1，743.9 s时达到临界值；当机械排烟有效时，首层测点V2，V1，V6，V5能见度达到临界值的时间分别增加了0.5，1，117.3，124.8 s。

图5 测点处能见度变化折线图 Fig.5 Variation curves of visibility with time

图5(c)和(d)分别为排烟失效和排烟有效时4层火灾能见度随时间变化曲线图，A，B，C，D，E，F，G分别为测点V2，V1，V3，V4，V5，V6，V7达到能见度临界值的坐标，当机械排烟失效时，4层电影院测点分别在260.6，284.4，606.5，619.5，939.6，1 011.0，1 211.8 s时达到临界值；当机械排烟有效时，仅测点V2，V1，V4达到能见度临界值，并分别增加了56.3，44.1，60.8 s。

2.2 温度分析

图6对比了首层服装商铺和4层电影院在机械有效和无效2种工况下，测点处温度随时间变化折线图，图中虚线框为局部放大区，温度值与火灾危险性成正比，温度达到60 ℃为人体耐受极限的临界值。图6(a)和(b)中，A，B分别为测点T2，T1达到能见度临界值的坐标，排烟失效时和排烟有效达到温度的临界值60 ℃的时间均为329 s左右，人员应及时疏散至商铺外。

图6 测点处温度变化折线图Fig.6 Variation curves of temperature with time

图6(c)和(d)中，A，B，C，D分别为测点T2，T1，T4，T3达到能见度临界值的坐标。机械排烟失效时，4层放映厅和走道的测点T2，T1，T4，T3的温度达到临界值，人员需在192.8 s内疏散至放映厅外；机械排烟有效时，4层仅放映厅的测点T1，T2达到临界值，人员需在328.7 s内疏散至放映厅外。

2.3 CO浓度分析

图7对比了首层服装商铺和4层电影院在排烟有效和无效2种工况下，测点处CO浓度的变化折线图，火灾危险性随CO浓度值增高而增高，CO浓度达到500×10-6为人体耐受极限的临界值。

对比图7(a)和(b)可知，首层服装商铺排烟失效和有效时，测点CO浓度始终低于500×10-6。对比图7(c)和(d)可知，4层电影院发生火灾时，仅着火房间内测点的CO浓度上升到500×10-6，其他区域测点CO浓度均在500×10-6以下。排烟有效时，测点C2在597.6 s达到500×10-6；排烟失效时，测点C2在820.9 s达到500×10-6。

图7 测点处CO浓度变化折线图Fig.7 Variation curves of CO concentration with time

因此，排烟有效时测点达到能见度、温度临界值的时间均增加，说明有效的排烟设施能为人员争取更多的安全疏散时间；机械排烟有效和无效2种工况下4层电影院能见度、温度、CO浓度达到人体耐受极限临界值的时间均小于首层服装商铺，说明电影院的危险性大于服装商铺；步行街测点能见度、温度、CO浓度始终未达到临界值，说明烟气溢出商铺后经中庭扩散迅速降低了烟气浓度。

由于商业综合体独特的中庭设计，若发生火灾，烟气从商铺向步行街溢出，在贯穿一至四层的中庭扩散，烟气浓度迅速减小。大空间的中庭降低了烟气对人员造成的危害，除了电影院有内部疏散通道，空间狭小，人员在短时间内处于危险状态，其他疏散楼梯的逃生路线均需要通过中庭，人员若能迅速逃离发生火灾的商铺，就能脱离危险。故能达到人员危险状态的地点为发生火灾的商铺内以及电影院内的疏散通道和发生火灾的房间。根据火灾烟气模拟分析结果，分别对比同一工况、同一地点、3种不同因素下的测点在达到危险状态临界值的最小时间，得出人员可用疏散时间(TASET)。

3 Pathfinder人员疏散模拟

3.1 人员疏散模型构建

完成PyroSim模型建立之后，在CAD上对每一层图纸进行修改，并导入PathFinder软件中，快速建立几何模型，分别在首层服装商铺和4层电影院内添加一个封闭的房间模拟火源，人员在火源四周绕行疏散，疏散模型如图8所示。

图8 某大型商业综合体疏散模型Fig.8 Evacuation model of a large commercial complex

3.2 疏散参数的确定

根据《建筑防火设计规范》[14]，对疏散人数进行计算，结果见表4。

表4 疏散人数汇总表

不同人员类型及体型尺寸的参数设置会对人员疏散仿真模拟造成一定的影响，根据国内学者对大型商业综合体人员疏散及人体体型尺寸的研究和调查[15-16]，对模拟疏散仿真涉及到的人员参数进行设置，见表5。

表5 人员参数设定表

4 人员疏散模拟结果分析

根据学者研究[17]，人员的必需疏散时间(TRSET)一般包含了几个不同时间参数：报警时间(TA)、响应时间(TR)和疏散行走时间(TM)。即人员疏散的必需疏散时间(TRSET)可按(3)公式计算。

TRSET=TA+TR+1.5×TM

(3)

式中TA取值60 s。因该大型商业综合体内设置了广播系统，TR取值120 s。一般情况下，TM为软件模拟所得的时间。因现实情况下受到人员疏散时很多突发事件的发生和人的行为不受控等因素的影响[18]，取补偿系数为1.5。

首层服装商铺、4层电影院疏散模拟的总时间分别为893 s和881 s。通过分析疏散模拟结果，得出不同区域疏散模拟时间，计算出人员必需疏散时间，见表6。

5 PyroSim与Pathfinder结果对比

将火灾烟气模拟得出的TASET和人员疏散模拟TRSET对比，最后验证TASET>TRSET是否成立[19]。若TASET>TRSET，则可以认为：在所设定的条件下，处在商场内的人员在火灾产生的危险因素达到危险状态的临界值前能够疏散至安全的区域。反之，则判定不能达到人员疏散的安全时间[20]，对比结果见表6。

表6 PyroSim与Pathfinder模拟结果对比

首层商铺排烟失效和有效的情况下，首层的人员可用疏散时间均约为329 s，人员必需疏散时间为334.4 s，相差5.4 s；4层电影院放映厅排烟失效和排烟有效人员可用疏散时间为192.8 s和214.2 s，比人员必需疏散时间相差29.7 s和8.3 s，故排烟失效和排烟有效时，着火房间内人员均处于危险状态。

6 结 论

1)对比不同工况同一场所的火灾，排烟失效时，电影院放映厅、走道、楼梯前室、售票大厅测点分别在260.6,606.5,939.6,1 211.8 s时能见度达到10 m。排烟有效时，电影院放映厅和走道测点在316.9 s和667.3 s能见度达到10 m，排烟有效时达到临界值的时间较长。因此，机械排烟能有效控制着火房间内的烟气浓度。建议加强日常对排烟设施检修，保证排烟系统发生火灾可以有效启动。

2)对比同一工况不同场所的火灾，机械排烟系统有效和失效2种工况下，电影院相对于服装商铺达到危险状态下所需的临界时间分别降低了114.5 s和135.7 s。这表明电影院的危险性大于服装商铺，且电影院人员集中，垂直方向疏散易出现拥堵的情况，建议在电影院内单独设置通往室外的疏散通道。

3)首层服装商铺火灾，人员需893 s完成全员疏散，4层电影院火灾，人员需881 s完成全员疏散。在排烟失效的情况下，烟气从商铺溢出后，自下往上扩散至整个中庭，且堆积在顶层，首层火灾发生在1 528.7 s和1 554.2 s后，3层和4层能见度达到人体耐受极限的临界值，此时已完成商业综合体全员疏散，全员处于安全状态。因此，中庭在很大程度上降低了烟气浓度，若各商铺门处安装防火卷帘，避免火灾向邻近商铺蔓延，能在一定程度上保证人员安全。

4)通过对比人员可用疏散时间和人员必需疏散时间，仅着火房间内首层服装商铺和4层电影院放映厅人员可用疏散时间小于人员必需疏散时间，人员处于危险状态。若将人员必需疏散时间中的报警及响应时间缩短29.7 s，所有工况下的人员都能完成疏散，故应加强商场工作人员的消防安全培训，减低报警时间和响应时间，为人员疏散争取更多时间，保证全员安全疏散。