基于FDS+EVAC的宿舍火灾和人员疏散模拟研究

2023-06-17赵道亮崔慧敏谢欣彧

应用技术学报 2023年2期

耿聪，赵道亮，崔慧敏，谢欣彧，鲁云，周鹄

（上海应用技术大学城市建设与安全工程学院, 上海 201418）

随着城市规模的扩张，超高层建筑已经成为常见的房屋构造形式之一，随之而来的人员与设施安全问题也日益突出。这些建筑一旦发生火灾，很容易造成严重的人员伤亡。紧急条件下的人员安全疏散是公共安全的一个重要研究领域，当前国内外有许多学者运用数值仿真技术[1]，针对建筑火灾以及人员疏散进行使用各种算法模拟计算。邹馨捷等[2]模拟了宿舍楼的火灾和疏散过程，得出消防设施是否有效以及宿舍窗户是否打开对于人员的疏散的安全性影响较大的结论。丁厚成等[3]模拟研究高层建筑烟气流动以及相关参数的变化，分析了火灾烟气蔓延对于人员疏散的影响。郭阿敏等[4]模拟了综合图书馆的火灾以及人员疏散，得出不同工况下的人员疏散时间。李琰等[5]分析了在每年高校招收人数越来越多的大背景下，复杂连体宿舍楼发生火灾时的烟气蔓延情况以及不同楼体之间的相互影响，指出连廊对于整栋楼的安全十分重要，必须加强对连廊的消防管理。杨海明等[6]模拟高层宿舍楼人员疏散过程，将模拟结果与经验公式计算形成对照，分析结果的差异性，并针对建筑的火灾危险性提出相关建议。Lee等[7]模拟了许多情况下的人员疏散情况，分析了着火对人员出口选择和人员疏散时间瓶颈的影响。Kirik等[8]将疏散模拟运用到日常的消防检查与建筑设计当中。

在现实情况下，发生火灾的原因及其发展过程往往十分复杂，人员疏散会受到较多因素的影响[9-12]。高校宿舍楼作为学生日生活学习的重要场所，存在着结构单一、人员密集、管理混乱、可燃物众多等问题，极易发生火灾事故[10]。紧急情况下的人员疏散往往呈现出一种高密度且无序的状态，人群流动复杂多变，受到多种因素的影响。在以往的模拟试验研究中，往往只是单一针对火灾或者单一针对人员疏散进行研究，往往会忽略火灾对于人员造成的影响，并且不能够很好的表达火灾情况下的人员疏散过程；单一模拟分析数据的可靠性，往往无法得到验证。FDS+EVAC软件基于人员疏散的出口计算和流体动力学组合计算模型，适合模拟人员疏散情况[1-16]。因此，本文针对某高校宿舍楼火灾人员疏散问题，进行从单个房间到单层，最后到整栋楼的模拟试验，并将模拟结果与经验公式计算结果对照，从而对实际火灾中的人员疏散提供科学的指导。

1 软件模拟建立

一共进行了3组模拟实验，分别为：单房间、单层、6层宿舍楼的火灾疏散模拟。

3个模型的可燃物大致相同，书桌、书柜、木板床材质是黄松木，被子是纤维，地板为混凝土。房间着火点设置在了3号床的位置。根据相关文献[11]，选取每单位面积热释放燃烧速率为5 000 kW/m2。网格长10 m，宽8 m，高3 m。非紧急条件下女生步行速度通常为0.6～0.9 m/s，男生为0.8～1.1 m/s；紧急条件下女生步行速度为0.9～1.1 m/s，男生的步行速度为1.1～1.5 m/s。房间人数设置为4人。模型图以及火源位置如图1所示。单层模型共有4个网格，长宽保持一致。其中1个是火灾网格，长43.34 m，宽15.3 m，高3 m；另外3个是疏散网格，高为0.9～1.1 m，包含Z偏移1 m。其中学生寝室一共12间，共48人。

图1 单层物理模型图Fig. 1 Single layer physical model diagram

6层楼模型共有21个房间，18个学生寝室、1个盥洗室、1个厕所和1个小型浴室。6层模型一共可建立13或者14个网格，第1个为火灾网格，剩下其中6个网格为每层楼的疏散网格。第1层高0.9～1.1 m，之后的每层依次往上递增3 m。剩余5个网格为楼梯间的疏散网格，2楼到1楼高度为3.9～4.1 m，之后的每层依次往上递增3 m，剩下1个或者2个网格为疏散出口网格。整栋楼一共348人。

2 软件模拟结果

2.1 房间疏散模拟结果

在非紧急条件下，房间内人员疏散时间为7.4 s，即得到疏散命令开始，到第4个人通过安全疏散门口的时间为7.4 s。紧急条件下，人员疏散时间为6.2 s。如图2所示，从整个疏散时间来看，后面3个人在紧急条件下通过安全出口花费的时间比非紧急条件下短，平均短1 s左右。在1.6 s时，烟气在桌子上空产生，向书桌上方蔓延，但并没有扩散到疏散过道，人眼视线正常。在2.1 s时，烟气扩散到疏散走道，影响了人员疏散。在3.4 s时，烟气基本扩散到房间内，影响人眼视线，从而影响疏散。在6 s时，烟气已扩散至整个房间。紧急条件下，此时只有最后1名人员还在房间内，其他3名疏散人员已到达安全区域。

图2 房间疏散时间Fig. 2 Room evacuation time

由图3可知，当疏散人员做出反应，开始逃离时，烟气已经达到房间内高层，能见度基本在8 m以下，达到危险状态。虽然火源左侧和右侧的能见度低于9 m，但是疏散过道不包括书桌以上区域，所以不妨碍疏散。而在人眼特征高度的Z轴平面，能见度为6～20 m。在5 s时，疏散过道的能见度在10 m左右，所以会局部影响疏散，会使疏散人员造成恐慌，减缓步速。具体是否影响疏散，取决于人员的具体位置。

图3 能见度切面Fig. 3 The visibility section

观察疏散门口能见度的情况（见图4），分析能见度是否对人员疏散造成影响。在安全疏散出口的人眼特征高度位置，在4.3 s时能见度保持在30 m左右，说明此时房间内的烟气并没有蔓延到疏散门口，但在4.3 s以后，能见度急剧下降到6 m左右，说明这个时刻烟气扩散到了房间出口，影响了能见度；短时间内能见度波动降低到10 m左右，然后仍旧继续波动下降，直至实验结束，能见度一直呈下降趋势。由疏散人员对应的疏散时间得知，本实验疏散时间为6.3 s，即最后1个人安全通过疏散出口的时间为6.3 s。而能见度在4.3 s以后急剧下降到了10 m以下，达到能影响疏散的临界值。所以在4.3～6.3 s这2 s时间内，能见度对人员疏散造成了一定影响。而在4.3 s时，第2、3、4名人员均在房间内，所以后面这3名人员都受到了能见度的影响。

图4 人眼特征高度门口能见度Fig. 4 Human eye characteristic height doorway visibility

分析房间内的温度对人员疏散的影响，距房门1.4 m处温度随时间变化如图5所示。温度达到最高值350 ℃耗时7 s，而此时，人员已经全部疏散至室外。据相关研究表明，烟气达到180 ℃，即能给人体带来强烈的热感反应，达到人体耐受极限。而在4.5～7 s之间，温度呈逐步上升趋势，部分时刻达到180 ℃，而4.5～6.3 s之间，仍有2人逗留在房间中，温度会对此刻的疏散造成影响，即在此情况下，疏散人员能感觉到温度的强烈，会加快步行速度迅速离开房间。

图5 房间门口1.4 m处温度随时间变化图Fig. 5 The temperature at 1.4 m at the door of the room changes over time

另外通过对房间烟气的沉降高度、CO体积分数及其对人体产生影响的时间的模拟分析，对比房间内人员疏散时间，发现在房间疏散过程中，这些火灾参数均不能对疏散造成影响。

2.2 单层疏散模拟结果

表1所示为单层疏散的设定，图6所示为不同场景下的疏散时间。每次结果均为3次及以上实验平均结果。非紧急情况下的疏散时间明显要多于紧急情况下的疏散时间；另外当出现紧急情况时，不同位置的火源设置对于疏散时间影响不大，原因在于人数的在1层楼的不同位置数量大体相同，发生火灾时，疏散人员会从火灾的反方向逃离，所以只有1个出口时，两边的疏散人数大致相同。2个安全出口同时使用的情况下，东面发生火灾所用的疏散时间比西面发生火灾所用的疏散时间短。东面发生火灾时，对人员选择出口没有多大影响，依旧是就近原则。而当西面发生火灾时，火源在东西面出口之间，会严重影响东西面出口之间的人选择出口。原则上，疏散人员会选择反火源方向逃离，所以东面出口以西，火源以东的人肯定会选择东面出口，在这种情况下，选择东面出口的人明显比选择西面出口的人多很多，给东面出口造成很大压力，造成了拥堵。

表 1 单层疏散的不同场景Tab. 1 Single-storey evacuation in different scenarios

图6 不同场景下的疏散时间Fig. 6 Evacuation time in different scenarios

以西面火源2个出口为例，当整个疏散过程当中，走廊与楼梯口的温度维持在20 ℃到30 ℃之间，除了房间的能见度下降到10 m以外，走廊，楼梯口均没有到达临界值。因此，火灾中相关温度、能见度等均不能对疏散造成影响，必须安全疏散时间少于可用安全疏散时间。

2.3 6层疏散模拟结果

6层楼疏散一共分为9个场景（见表2）。截取了相关条件下人员疏散情况，如图7所示。通过计算机模拟得出男女生的疏散时间，如图8所示。在男生步行速度明显比女生步行速度快的情况下，男女生所用的疏散时间差异较大。在非紧急条件下疏散时间相比紧急情况的疏散时间更长。当西面楼梯故障时，只能采用东面楼梯进行疏散，人员拥堵严重，排队现象明显，所以所花的疏散时间也明显增多。当关闭西面出口时，人员从西面楼梯疏散至1层，又要从西面楼梯处步行至东面出口，增加了疏散距离，同时又增加了东面出口的疏散压力，从而增加了疏散时间。通过以上数据得知，在东西2个楼梯同时运行，且东西2个出口均能安全疏散时，疏散时间所用最短。

表 2 6层疏散场景设置Tab. 2 Sixth floor evacuation scene setting

图7 火灾条件下人员疏散情况（7.1 s）Fig. 7 Evacuation under fire conditions (7.1 s)

图8 6层楼不同场景下男女生疏散时间Fig. 8 Evacuation time of male and female students in different scenes of a six story building

不同的疏散楼梯数量和出口数量，同样会对疏散时间和疏散效率产生影响，如图9、图10和图11所示。不管是1个楼梯1个出口，还是2个楼梯1个出口又或者2个楼梯2个出口，第1个人到达安全出口的时间都在10 s之内。从1个楼梯1个出口的疏散曲线图得知，100 s之前疏散速度较快，而后疏散速率缓和，由于100 s以后疏散人员基本都集中拥堵在疏散楼梯上，所以影响的疏散效率。而在2个楼梯1个出口或者2个楼梯2个出口的情况下，不论是东面发生火灾还是西面发生火灾，对疏散时间影响不大，因为2个楼梯同时使用，人员具有更多的选择性，能第一时间做出反应，选择合理的疏散楼梯逃生。另外，同等的疏散条件下，东面着火的疏散时间均少于西面着火的疏散时间。原因在于，西面火源位于2个楼梯之间，在首层东面火源以西的人都要穿过火源房间，而房间里的烟气弥漫到疏散走廊，会对人的能见度造成影响，降低疏散效率。

图9 1个楼梯1个出口的疏散情况Fig. 9 Evacuation situation with one stairway and one exit

图10 2个楼梯1个出口的疏散情况Fig. 10 Evacuation situation with two stairway and one exit

图11 2个楼梯2个出口疏散情况Fig. 11 Evacuation situation with two stairway and two exit

不同的人员特征对疏散时间、疏散效率也有不同的影响。如图12所示，在非紧急条件下仅使用东面楼梯与东面出口进行疏散时，男女生的疏散效率是相当的，但是，由于男生的步行速度明显比女生的步行速度快，模拟6层所有人员到达疏散楼梯间的时间，男生比女生用时更短。此时拥堵在疏散楼梯间的人员比女生少，等待时间也就比女生少，总的疏散时间比女生快。男生在2个楼梯间1个出口或2个楼梯间2个出口的情况下所花的疏散时间，都比女生快25 s左右。

图12 非紧急条件下男女生疏散时间对比Fig. 12 Comparison of evacuation time of male and female students under non-emergency conditions

从整个6层楼疏散情况来看，当疏散人员完全疏散至安全区域后，影响人员疏散的因素包括温度、能见度等。西面楼梯间的疏散行动时间大于疏散允许时间。东面楼梯间的烟气明显比西面楼梯间少，东面楼梯间更安全。当只使用1个楼梯间1个出口时，即最不利的情况：只有东面楼梯间东面出口进行疏散时，火灾的相关介质同样没有达到伤害人员的临界值。所以人员均能在规定时间内安全疏散至安全区域。

3 经验公式计算结果

在相同情况下，利用经验公式计算疏散时间，对比模拟结果与经验公式计算结果，与模拟结果相互验证，提高数据的可靠性。

3.1 安全疏散水力模型计算

利用水力模型计算方法[12]计算疏散各个过程中的疏散时间，最终求和得出整个过程的疏散时间。

以某宿舍楼疏散场景7为例，计算疏散时间。房间最远的距离为4 m，房间出口的宽度采用有效宽度，B1=1 m。楼梯梯度α=23.2°，高度为3.5 m ，整栋宿舍楼楼梯疏散距离为28 m，楼梯间安全出口有效宽度B2=1.6 m。正常情况下，通过系数N一般不超过2 人/(m·s-1)；当N＜1 人/(m·s-1)时，人流属于紧急行进拥堵状态。本研究中依据实际情况，正常行进状态下，N选取1.1 人/(m·s-1)，紧急行进拥堵状态下，疏散走廊的通过系数N选取0.8人/(m·s-1)，疏散楼梯间的通过系数N选取0.7人/(m·s-1)。

取首层疏散楼梯至室外最远距离疏散人员从疏散楼梯间出口到达准安全区至室外出口的距离为8 m，选取4倍安全系数。参考这些数据，可得出：

第1阶段，是指房间内的人员接到火灾警报或广播信号后，离开所在位置向房间出口移动，然后通过出口到达疏散通道的过程。房间内人员移动到房间出口所需的时间由式（1）计算。

式中：lmax·room为房间最远工作点到房间出口的路程，单位为m；v1为人在水平方向步行的速度，单位为m/s。

第2阶段，是指进入疏散通道的所有人员均沿疏散通道向疏散楼梯间移动（每个房间内人数为Proom），并依次通过楼梯间的门口进入楼梯间的过程，最后1个人跨过楼梯间门之时，即认为安全疏散过程结束。由于楼梯间门口处与楼梯间内部均存在着拥堵情况，因此整个第2阶段疏散时间由下式计算。

从房间出口到达该层疏散楼梯间所需时间：

不同楼层的所有人员通过疏散楼梯间的所需时间：

第3阶段，是指人员通过一层“准安全区”通道疏散至室外所需时间：

通过以上计算得知，场景7条件下，即只有1个安全出口1个疏散楼梯间作用的情况下，所有人员全部疏散至室外的总疏散时间为：

参照以上场景7的计算，得出表3所示的所有情况下的女生疏散水力模型计算结果。