耦合消防设施的航站楼火灾演化机理研究

宋洋，张楷文，姜红肖

（中国民航大学a.交通科学与工程学院，b.安全科学与工程学院，天津 300300）

民航业发展是中国建设交通强国的重要一环，也是助力国民经济发展的催化剂。航站楼作为旅客转换陆上交通与空中交通的基础设施，在整个机场运行中扮演着重要角色[1]。航站楼空间大且具有较为复杂的功能分区[2]。因此，针对耦合消防设施的火灾演化机理展开研究，不仅可为航站楼消防设施设计优化提供思路，还可为制定航站楼不同场景和区域的应急疏散预案提供参考。

张莹等[3]把建筑信息模型（BIM，building information modeling）与Pyrosim 结合，将建立的地铁站BIM模型转换为三维CAD 格式后导入Pyrosim 中进行仿真模拟，从而提高仿真的准确度；陈立林等[4]通过火灾动态模拟器（FDS，fire dynamics simulator）和Pathfinder软件对地铁站12 种场景下的火灾模拟进行分析，最终得到7 种较为危险的场景，并根据仿真结果制定了疏散方案；巩臻聪等[5]对无火灾报警设备的火锅店进行火灾模拟，分析烟气高度、温度及能见度等数据，以此制定了火锅店消防设施优化方案；魏晓鸽等[6]利用FDS 针对水喷淋系统对火场内温度和烟雾浓度的影响进行研究；王乐[7]对火场关键指标进行量化并通过Pyrosim 软件模拟仓库火灾，分析了无排烟无喷淋、仅排烟、仅喷淋3 种方式对火场变化的影响，实现了较为精细化的火灾仿真与模拟。

现阶段，针对医院、地铁、餐厅等建筑类型的火灾模拟研究相对较多，关于航站楼这种高大公共建筑火灾模拟的研究相对较少，且现有研究主要倾向于烟气或喷淋系统的模拟，对耦合消防设施的火灾演化机理研究较少。本文利用Pyrosim 软件模拟得到耦合消防设施和消防设施未启动两个场景的喷淋、烟气层高度、能见度、热释放速率等指标的变化曲线，进而分析不同情况下的火灾演化机理。

1 航站楼候机厅消防设计概况

1.1 喷淋系统设计

《建筑设计防火规范》[8]（GB 50016—2014）并未针对航站楼候机厅类的建筑制定具体要求，但规范中要求面积大于1 500 m2的厂房、二层公共建筑等宜设置自动喷淋系统。故根据《自动喷水灭火系统设计规范》[9]（GB 50084—2017）的要求，当中庭、体育馆和航站楼等场所最大净空高度大于8 m、小于等于12 m时，自动喷水灭火系统的喷水强度设为12 L/（min·m2）。本文采用标准覆盖面积快速响应喷头，喷头在候机厅内平均分布，高度为7 m，共设置330个，额外在起火点周围设4 个喷头，位置如图1 所示，当达到触发温度68.33 ℃时喷淋系统自动开启。

图1 起火点周围喷头位置Fig.1 The location of the fire sprinklers around ignition point

1.2 防烟分区划分

依据《建筑防烟排烟系统技术标准》（GB 51251—2017）要求，公共建筑防烟分区的最大允许面积及长边最大允许长度如表1 所示，当公共建筑中的走道宽度不大于2.5 m时，其防烟分区的长边长度不应大于60 m，且当空间净高大于9 m时，防烟分区之间可不设置挡烟设施[10]。本文的研究对象长200 m、宽40 m、高10 m，故根据规范要求，将研究对象分为4 个相同的长50 m、宽40 m、高10 m 的防烟分区。

表1 不同空间净高下公共建筑防烟分区的最大允许面积及长边最大允许长度Tab.1 The maximum allowable area and length of the long side of the smoke prevention zone of the public building under different clear height

1.3 排烟系统设计

根据《建筑设计防火规范》，自然排烟窗口面积约占自然排烟区水平投影面积的2%，故每个防烟分区的自然排烟口面积应为40 m2，设计5 个自然排烟口，设置2 个以上的机械排烟口，故在每个分区两个相对的方向各设1 个机械排烟口。机械排烟口的面积设置由排烟管道的排烟量决定，排烟量为防烟分区的面积与排烟量的乘积。防烟分区的面积为2 000 m2，排烟量设置为120 m2/h[9]，计算得出机械排烟管道内排烟总量为240 000 m2/h。进而得出每个机械排烟口的排烟量为120 000 m2/h，再加上机械排烟口附近的最大风速不宜超过10 m/s，则一个方向的机械排烟口面积为120 000/（3 600×10）=1.7 m2。通过计算可得每个分区两个方向的机械排烟口面积共为3.4 m2。

2 航站楼候机厅火灾模型构建

2.1 基于BIM 的航站楼候机厅模型

本文以中国某大型航站楼为原型，建立其中一条指廊的三维BIM 模型，如图2 所示，该建筑长200 m、宽40 m、高10 m，面积80 000 m2。指廊内设有10 个宽1.6 m、高2.5 m 的登机口，其中：东侧开放（无登机口）、西侧2 个、北侧4 个、南侧4 个。候机厅内部有休闲吧、服装店、饰品店、候机座椅等。

图2 航站楼候机厅三维BIM 模型Fig.2 3D BIM model of airport terminal hall

2.2 基于Pyrosim 的火灾模型

将BIM 模型导入Pyrosim中，如图3 所示。在每个登机口及防烟分区布置能见度探测装置；在每个登机口及防烟分区2 m 处开始，每1.5 m 垂直间隔设置感温探测器；在东西两侧登机口和3 个防烟分区以及书店外侧设置垂直0～8 m 感烟探测器。采用多重网格设置，火源附近采用长、宽、高均为0.25 m 的网格，向外依次采用长、宽、高均为0.5 m、1.0 m 的两种网格，最终共有217 600 个网格。

图3 航站楼候机厅各区域布局Fig.3 Location of detectors in various areas of airport terminal hall

2.3 火灾场景设置

原始火源热释放速率方程如下

式中：t 为达到火源热释放率所需的时间（s）；Q（t）为火源热释放速率（kW）；α 为火灾增长系数（kW/s2）；t0为开始有效燃烧所需的时间（s）。

在不考虑火灾前期酝酿的情况下，火源热释放速率方程可以简化为

在进行Pyrosim 火灾模拟时，一般按照最不利原则，将起火点设置在建筑物的中部。因此，本文将起火点设置在候机厅中部的商铺中部，内设有皮质座椅、木架、书本、玩偶等物品。塑料、木板等材料起火，火势会快速蔓延，即α=0.046 98 kW/s2[12]。由表2 可得，在有喷淋情况下，商店、展览厅类建筑最大火源热释放速率为3.0 MW，由式（2）可得0.046 98 t2=3.0 MW，计算出达到3.0 MW所需时间为253 s。在没有设置喷淋的情况下，其最大火源热释放速率达到10 MW，所需时间为461.8 s。

表2 各建筑类别的最大火源热释放速率Tab.2 Heat release rate of various buildings

3 火灾演化机理分析

本文针对消防设施未启动和消防设施正常工作两种场景利用Pyrosim 软件进行模拟，火灾模拟的运行时间[11]设置为1 000 s，4 个防烟分区自左侧起依次称为区域1、区域2、区域3、区域4；场景1 是在消防设施未启动的情况下，场景2 是在消防设施均正常工作的情况下。两种场景下各区域布置的探测器均正常运行。通过Pyrosim 软件模拟运行得到喷淋系统运行、火源热释放速率变化、烟气层高度变化、能见度变化4种情况中的火灾演化特性分析。

3.1 喷淋系统运行情况分析

消防系统正常运行场景下的喷淋系统温度变化如图4 所示。起火点四周的喷头由商铺出口位置逆时针分别定义为S1、S2、S3、S4。分析可得，在前300 s中，起火点周围温度均小于40 ℃，随后60 s 火势逐渐变大，S4 首先达到喷淋温度，接着S1 被触发启动，由于S4 上方开有自然排烟口，S1 离商铺出口较近，空气流通性强，导致火势变大，温度升高，再加上通风口的作用，使火焰向右偏离，S2 的喷淋最终也被触发启动。所有消防设施正常工作约300 s后，温度呈现整体下降趋势。由于机械排烟、自然排烟和喷淋的消防设施耦合工作，S3 始终没达到触发温度。

图4 场景2 喷淋系统运行情况Fig.4 Sprinkler system operation of scenario 2

3.2 火源热释放速率分析

火源热释放速率曲线如图5 所示。在起火初期，由于休闲吧中的沙发座椅、书本杂志、装饰品等材料极易燃烧，同时空气流通较好，为火灾蔓延提供了快速发展的基础，故热释放速率曲线持续增长。随着火势逐渐变大，消防设施未启动的场景1下，热释放速率不断升高，在430 s 左右上升到10 MW，随后由于热辐射温度得不到释放，烟气排出有限，故而一直维持在10 MW 上下。相比之下，消防设施正常启动的场景2下，喷淋和排烟系统的共同作用使热释放速率得到控制，前期到达3 MW 之后一直处于稳定下降的过程。

图5 火源热释放率分析Fig.5 Analysis of heat release rate of fire

3.3 烟气层高度变化分析

烟气层高度的变化分析可以为人员安全疏散和救援提供数据支撑，对人员产生危害的烟气层临界高度计算如下

式中：Hc为对人员产生危害的烟气层临界高度；Hb为建筑物高度。由式（3）计算可得，对人员产生危害的烟气层临界高度为2.7 m。

区域1 和区域2 在不同场景下的烟气层高度变化趋势如图6 所示，图6（a）显示了区域1 的情况，区域1 位于候机厅最深处，前期由于区域2 的影响，烟气快速聚集并蔓延，中期由于消防设施的启动，场景2下区域1 的烟气层高度迅速下降且没有达到临界高度，而场景1 由于没有消防设施的作用，烟气层高度一直处于波动状态，没有到达临界高度。从图6（b）可知，区域2 右侧边缘处为起火点位置，且商铺出口位于区域2中，起火商铺上方设有自然排烟口，因此场景1 中当火势逐渐增大蔓延时，区域2 由于空气的流通，有利于烟气蔓延，烟气高度多次达到临界高度且小范围波动，场景2 由于消防设施的启动，中后期烟气层高度迅速下降，之后便一直处于安全高度中，未到达临界高度。而区域3 和区域4 由于商铺防火墙的阻隔，烟气难以蔓延到该区域，且该区域本身热释放速率较小，故前期基本不受烟气的影响，场景2 由于消防设施的启动，使得烟气累积缓慢并且烟气蔓延范围较小，因此烟气层高度均处在8 m 左右，虽存在小范围的波动，但影响不大，故在此不作展示。

图6 不同区域在不同场景下的烟气层变化曲线Fig.6 Change of smoke layer under different scenarios in different areas

两个场景中不同分区的烟气高度层变化如图7所示。由图7（a）可知：在场景1 消防设施未启动的情况下，区域2 为起火点蔓延的主要区域，烟气浓度最高，区域1 由于靠近起火商铺的入口受到影响较大，单一的自然排烟口已经不能满足其排烟要求，因此，区域1 和2 迅速到达临界高度且上下波动；区域4 由于连接候机厅的入口，可以看作一个半开放的空间，烟气的蔓延空间较大，再加上自然排烟口的设置，因此烟气层下降并不明显；区域3 由于远离起火商铺的入口，与区域4 的情况类似，烟气层高度没有明显的下降，在安全高度内小范围波动。由图7（b）可知：在场景2 消防设施正常工作的情况下，区域1 和区域2的烟气层高度到达临界高度范围时，机械排烟的作用使其迅速回到安全高度；区域3 和区域4 由于受到烟气蔓延的影响较小，消防设施的启动作用没有体现出来。综上，仅依靠自然排烟口不能满足火灾发生时的排烟需求，消防设施的设置可以有效控制烟气层高度保持在安全高度内，但仍在一段时间内达到了临界高度。

图7 不同场景下各区域的烟气层变化曲线Fig.7 Change of smoke layer of each area under different scenarios

3.4 能见度变化分析

能见度临界值设定需要参考安全疏散的临界，而针对安全疏散的临界各国存在不同的认定。参考澳大利亚《消防工程师指南》[13]制定的在空间大小不同、人员熟悉度不同时的能见度临界值数据，同时由于旅客对航站楼的构造及安全疏散路径并不了解，再加上航站楼属于大空间公共建筑，因此，将能见度临界值设定为10 m。

能见度分析对发生火灾时人员的疏散路径设计具有很大的帮助，因此，选择自候机厅最深处的东北侧登机口至候机厅入口路线上3 个区域进行演化机理分析。各区域在不同场景下的能见度变化情况如图8 所示。区域1 为距离候机厅入口最远的东北侧登机口，区域2 为起火点附近，区域3 为候机厅入口处，图8（a）中：由于区域1 位于整个候机厅的北侧，与起火商铺出口位于同一方向，因此会受到烟气蔓延的干扰，在场景1中，550 s 内能见度均处于临界值之上，且能见度逐渐降低并上下波动；在场景2中，整体能见度较场景1 有一定提高，且仅有少部分值低于临界点，这是由于消防设施的启动降低了烟气浓度使能见度提高，但场景2 中能见度提高并不明显，这说明消防设施针对区域1 的作用有限。图8（b）中：由于区域2 位于起火点附近，相较于区域1，在场景1 中此区域更快地达到了临界值，且一直处于临界值范围的波动中；在场景2中，此区域在400 s 时有明显的能见度下降趋势，但由于此处为起火点位置，后期能见度并没有持续提升，而是处于一个安全范围内波动。图8（c）中：区域3在场景1 中最低能见度为15 m 左右，可见此区域受烟气蔓延的影响较小，是由于候机厅入口处较为开放，加上自然排烟口的设置，有利于烟气排出和扩散，提高了能见度水平；在场景2中，消防设施的作用使区域3 的能见度水平较区域1 有更明显的提高，能见度一直处于20 m 以上。

图8 各区域在不同场景下的能见度变化曲线Fig.8 Visibility curve of each area in different scenarios

4 结语

基于航站楼候机厅BIM 模型，运用Pyrosim 火灾模拟平台，通过对耦合消防系统和消防系统不启动两个场景的火灾模拟，从喷淋系统、火源热释放速率、烟气层高度、能见度4 个角度分析了火灾演化机理，真实准确地表现了不同区域、不同场景下的火灾发展过程。通过对不同场景、不同区域的火灾模拟可以明显看出，火灾烟气的蔓延会受到自然排风口的影响，若自然排烟口设置不合理，可能会在火灾发生过程中影响烟气蔓延的方向，因此自然排烟口的设置应该综合考虑更多因素。同时可知，机械排烟和喷淋系统的耦合对排烟和能见度有较为明显作用，且机械排烟受其他因素干扰的可能性较小，更稳定。除此之外，能见度变化分析对人员疏散和应急救援具有指导作用，当发生火灾时，应当选择与起火点有防火墙相隔的方向为逃生路线。因此，本次模拟不仅可以为此类建筑的消防设计提供思路，还能为制定人员应急疏散方案提供更可靠的实验依据。