既有建筑改造前室门宽对人员疏散影响的数值模拟分析

2022-11-07刘永亮

安全 2022年10期

刘永亮

(北京市东城区消防救援支队，北京 100061)

0 引言

随着城市发展进入中后期，国家对于建筑业发展的政策指向已经由大规模增量建设转变为存量提质改造和增量结构调整并重，为此大量的建筑由于业态变更、功能布局调整以及经营主体变化等原因需要进行改造升级。同时，随着国家工程建设消防技术标准的不断完善，相关标准在完善过程形成许多版本，对于建成年代不同的建筑而言，其遵循的消防技术标准各有不同。通常情况下，无论建筑何时进行改造，改造时均应符合现行消防技术标准的规定。但由于现行消防技术标准的内容和要求已发生较大改变，既有建筑改造在许多方面难于符合其规定，面临着使用功能需求与现行消防技术标准要求之间的矛盾。如何在尊重既有建筑的历史前提下尽可能保障消防设计的可靠性和安全性，给既有建筑改造的消防设计带来许多难题。安全疏散事关人员的生命安全，是建筑消防设计中尤为重要的一个因素。既有建筑改造时常常面临着楼梯间宽度和前室门宽不符合现行消防技术标准的问题，但由于种种原因又难于对楼梯间进行改造或增设室外疏散楼梯。因此，有必要深入分析疏散宽度不足对人员安全疏散的影响程度，在此基础上综合考虑既有建筑的火灾危险性、建筑特性、使用功能、人员情况等，从多个方面采取适当的补强措施，提高建筑的整体消防安全水平。Pathfinder是人员安全疏散模拟软件，许多研究人员运用该软件进行人员疏散安全研究[1-3]，在国内的工程项目性能化消防设计的人员疏散安全分析中得到较多应用[4-5]。本文以某既有办公建筑改造时面临的楼梯间宽度和前室门宽不符合现行设计规范的要求为例，运用Pathfinder分析宽度不足对人员安全疏散能力的影响，在此基础上提出合理的消防措施。

1 建筑概况

改造办公区域所属建筑东西向长约52m，南北向宽约32m；建筑高度约41m，总共8层，其中顶层为设备层；每层建筑面积约1 100m2；建筑设有2部疏散楼梯，位于东西两侧位置，楼梯间净宽度为1.15m，楼梯间为防烟楼梯间，设有楼梯间前室，前室的疏散门净宽度为0.8m；东西两侧各有一部消防电梯，候梯厅南北两侧各有一个连通1-7层的中庭；改造办公区域位于建筑的3层和4层。改造区域所在建筑东西两侧各有一座建筑，东侧建筑高度约60m，西侧约80m，改造区域建筑与东西两侧的建筑共用墙体，属于一栋建筑的不同区域，从形态上看，改造区域所在建筑类似于连接东西两侧建筑的裙楼。根据原始建筑设计图纸，该建筑设计时间为2005年，建筑高度为80m，建筑类别属于一类高层建筑，建筑耐火等级不应低于一级。

2 安全疏散设计核算

2.1 人员数量核算

JGJ/T 67—2019《办公建筑设计标准》第5.03条规定，办公建筑疏散总净宽度应按总人数计算，当无法额定总人数时，可按其建筑面积9m2/人计算。改造办公建筑设置有单人办公室、共用办公室、开敞办公区、会议室以及接待室等功能用房。

(1)按额定工位核算。按照单人办公室、共用办公室以及开敞办公区进行核算，3层总人数为67人；3层设置有一个可容纳100人的大会议室，考虑到日常办公中可能会召开较多人参加的会议，按大会议室满座核算，即最大总人数为100人。4层共设置有5个业务部门办公室，9个单人办公室和3个会议室，按业务部门办公室和单人办公室核算为44人；3个会议室中可容纳人数最多的为中型会议室，最大可容纳34人。按最不利情况，每个业务部门和单人办公室有2人来访，则4层总人数为72人。

(2)按建筑面积核算。建筑中的设备用房和储物间均按照规范设置有防火门与办公区域分隔，去除这些设备用房和储物间的建筑面积后，办公区域每层建筑面积约为900m2。按9m2/人核算，3层、4层总人数各为100人。

(3)总人数确定。按额定工位和建筑面积核算，3层总人数2种核算方式均为100人；4层人数分别为72人和100人，存在较大差异，按最不利原则取值，4层总人数取100人。由于本次改造为3层和4层的局部改造，不涉及建筑的其他区域，因此其他区域的具体使用功能及人员情况不明确。但是，在考虑火灾情况下的建筑整体疏散时，其他区域的人员对于整体疏散的能力存在较大影响。因此，需要对其他层的人员数量情况进行估算。改造区域建筑的8层为设备用房，平时无人，只有在进行设备维修、保养等工作时才会有人员进入，故按照每个维保班次2名人员核算。首层的房间具有直接对外的安全出口，不通过楼梯间的出口向外疏散，因此首层的人数不计入疏散模拟的总人数范围内。其他各层按建筑面积估算，取每层100人。因此，改造区域所在建筑的总人数为602人。

2.2 疏散宽度核算

按照GB 50016—2014《建筑设计防火规范》(2018年版)第5.5.18的规定，高层公共建筑内楼梯间的首层疏散门、首层疏散外门、疏散走道和疏散楼梯的最小净宽度1.2m，改造区域建筑疏散楼梯的净宽度为1.15m，前室门净宽度为0.8m，不满足规范对于最小净宽度的要求。

2.3 疏散时间核算

参照GB 50016—2014《建筑设计防火规范》(2018年版)给出的计算方式，人员从一、二级耐火等级建筑疏散至安全区域(本文为疏散至楼梯间前室)的时间为不大于2min，每股人流需要0.55m，每股人流通过能力为43人/min。当前室门宽为1.2m时，2个出口共4股人流，则疏散时间为34.8s；当前室门宽为0.8m时，2个出口共2股人流，则疏散时间为69.6s。由于前室2种出口宽度下可供通行的人流股数相差一倍，计算得到的所需疏散时间相差也是一倍。

3 安全疏散设计改造难点

按照一般消防设计审查要求，既有建筑改造时应当遵循现行的消防设计规范。根据改造区域所在建筑原设计图纸，该建筑消防设计于2005年8月，至今已有十几年，期间建筑设计防火规范进行了多次修订，该建筑已不符合现行的消防设计规范。经分析该办公建筑改造时面临着安全疏散的难题有3点：一是不符合现行规范要求的疏散楼梯及其前室属于建筑的公共部分，不在本次改造区域的范围内；二是疏散楼梯的改造涉及到建筑结构的变动，在不对建筑进行拆改的情况下无法对疏散楼梯进行改造；三是如加设符合要求的室外疏散楼梯，会对建筑的整体风貌产生巨大影响。

4 人员疏散数值模拟分析

为解决既有建筑改造时面临的难题，许多省市出台了有关既有建筑改造工程消防设计指南性文件，其中明确改造工程保留的疏散楼梯在满足一定条件的情况下，可以维持不变，这为既有建筑改造提供了可行路径。但是，不符合规范要求的楼梯间宽度和前室门宽会影响紧急情况下人员安全疏散的能力，需要根据受影响程度，改善安全疏散条件或采取其他补偿措施。因此，需要综合考虑人员疏散行为等因素，深入分析出口宽度对人员疏散能力的影响，提出相应措施，以保障建筑改造后的消防安全水平。

4.1 人员疏散分析模型

该既有办公建筑改造项目仅涉及3层和4层，其中1-3层层高为5m，4-8层为3.95m，由于首层房间均具有直接对外的安全出口，无需使用楼梯间疏散，因此，在进行模型设置时，仅考虑2-8层的人员疏散；2层和3层设置为具有相同功能布局的办公空间，4-7层设置为具有相同功能布局的办公空间。根据建筑设计图纸建立人员疏散模型，如图1。

图1 办公楼人员疏散模拟分析模型

4.2 人员特性分析

4.2.1 人员类型

根据前文建筑人员核算，该办公建筑总人数取602人，其中2人为8层的维修保养人员。该建筑为办公建筑，建筑内人员基本上是成年人和部分老年人。因此，将疏散人员类型设定为老年人占10%，成年男性和成年女性各占45%，见表1。

表1 人员类型

4.2.2 人员体型特征

该改造建筑为普通办公建筑，办公人员均为中国成年人。参考GB 10000—1988《中国成年人人体尺寸》的数据和实践案例，设定成年男性身高为170cm，肩宽为45cm；成年女性身高为160cm，肩宽为40cm；老年人身高160，肩宽为40cm，见表2。

表2 人员体型特征

4.2.3 人员行走速度

人员的行走速度受人群状态、人员心理、通道特点等多种因素的影响，参考注册消防工程师资格考试辅导教材《消防安全技术实务》(2020年版)[6]，结合我国人员的特点，确定人员的行走速度取值，见表3。

表3 人员行走速度

4.3 疏散所需时间

由于楼梯间受条件限制难以改善，因此仅分析不同前室门宽度条件下的人员疏散能力。Pathfinder提供Steering和NFPA 2种行为模式，其中Steering考虑了人员碰撞和路径选择等因素的影响，其模拟结果更接近实际情况，因此，本文采用Steering行为模式进行人员疏散模拟。疏散模拟按照分层独立疏散和整楼同时疏散2种情形进行。分层独立疏散时，每层可以独立使用全部楼梯间宽度，楼梯间不会出现拥堵；整楼同时疏散时，各层人员同时进入楼梯间时会产生拥堵，2种疏散情形下每层人员进入前室的时间会有所差别。8层设定仅有从事维保的2个人，前室门宽对所需的疏散时间几乎没有影响。分层独立疏散时各层疏散至前室所需的时间，见表4；整楼同时疏散时各层疏散至前室所需的时间，见表5。