某历史文化街区人员火灾安全疏散时间计算及研究

2023-06-30王振鑫王珺

智能建筑与工程机械 2023年2期

王振鑫王珺

摘要：历史文化街区内建筑建设年代久远，建设时采用木质等可燃材料多，耐火等级不高；建设年代无规划，且随着时间的推移，防火间距不足、经营用途复杂多样、火灾荷载大、致灾因素多、消防设施匮乏的问题日益突出，一旦发生火灾，将严重影响人员安全疏散和火灾扑救。根据多年成熟研究成果，发生火灾后，现场人员能否快速有效的疏散逃生是减少火灾人员伤亡的关键因素。结合历史文化街区的实际开发、保护，针对不同现状，采用疏散模拟软件分析计算，并考虑最不利情况下的报警和反应时间，得出从不同防火区域、单元安全疏散的时间，以及从整个街区安全疏散的时间。并增加一系列有针对性地疏散引导设施或措施，缩短人员的疏散时间，为历史文化街区的开发提供技术支持。

关键词：历史文化街区；安全疏散；疏散时间；数值模拟；建议对策

中图分类号：TU998.1 文献标识码：A 文章编号：2096-6903（2023）02-0125-04

0 引言

文物是人类社会历史发展的沉淀，是人类宝贵的文化遗产[1，2]。为实现对历史文化街区内文物建筑价值的延续和提升，既要兼顾文物建筑的修缮保护，又要引入更具活力的产业业态，促进文商旅融合发展[3]。但历史文化街区内建筑消防设施欠缺，使用风险隐患十分突出。在保护街区原貌的前提下，通过改造提升使街区具备基本消防安全，确保一旦发生火灾，街区内人员在短时间内能够成功逃生，是当前迫切需要解决的问题[4]。本研究针对历史文化街区现状模拟分析人员紧急状态下疏散情况，并根据模拟分析结果提出建议，以提升紧急状态下人员的疏散能力。

1 工程概况

某历史文化街区始建于明洪武三十一年（1398），于明建文二年（1401年）投入使用，后历经明、清两代扩充建设，为北部沿海最重要的海防守御门户之一[5]。该街区整体为省级文物保护单位，距今600余年，总建筑面积为5.4万m2。整个街区有文物建筑本体院落34处，历史建筑院落40处，一般历史院落132处，布置情况如图1所示。本次研究针对该历史文化街区内呈十字形交叉的两条大街，如图2所示。此区域总占地面积约2.25万m2，总计64栋建筑物，总建筑面积约1.0374万m2，每栋建筑面积为38～580m2，层数大都为一层。该研究区域内建筑结构形式为传统单层砖木结构，建筑墙体采用火烧砖砌筑，采用不外露木结构做为支撑柱，采用裸露木结构做为屋顶承重构架，屋顶木承重构架上铺设芦苇、高粱杆等，再以麦秸泥压顶后铺瓦。依据《建筑设计防火规范》[6]，本街区内建筑为四级耐火等级建筑物。

结合该研究区域建筑分布特点，将该研究区域划分为4个独立的防火控制区，如图3所示。每个防火控制区之间街巷宽度均不小于 4 m。每个防火控制区又划分成多个独立的防火组团，各防火组团内建筑物的占地面积总和不超过3 000 m2。结合该研究区域特点，事前获取文物保护部门批准，将该区域划分成9个防火组团，如图4所示。每个防火控制区之间、组团之间等不同使用功能的场所进行防火分隔，组团间及组团内改造的历史建筑加强措施。

由于该研究街区内存在数量众多的文物建筑，所以参照《文物建筑防火设计导则（试行）》，街区内设置室外消火栓，室外消火栓的间距不大于60 m，保护半径不超过80 m。同时沿街布置消防软管卷盘，相邻消防软管卷盘的间距不大于50 m。每栋文物建筑内设置局部应用喷水灭火系统，设计火灾危险等级为中危险I级。街区内消防用水取自市政给水管网，市政给水压力不小于0.45 MPa，管径不小于300 mm。街区内设置消防控制室，按规范要求设置应急照明、疏散指示标志系统、火灾自动报警系统。内部装修使用难燃或不燃材料。

2 研究内容

本研究从该历史文化街区现状出发，参照国家相关标准及国内外成熟研究方法，对街区内的人员疏散行为及时间进行分析研究。通过采用PathFinder软件模拟分析，同时考虑不同场景的最不利因素，从而得出从不同防火组团安全疏散所需的时间和整个街区所有人员安全疏散所需的时间，并采取有针对性的疏散引导方案，提升人员疏散效率，减少最不利情况下人员疏散所需时间，提升历史文化街区的本质消防安全。

3 研究方案

3.1 分析方法

采用美国ThunderHead Engineering公司研发的人员紧急疏散逃生评估系统PathFinder 2022，模拟分析该历史文化街区内人员整体疏散的情况，计算出人员从各防火组团紧急疏散至安全区域的时间和路径，计算结果为分析和改善各防火组团内人员安全疏散的能力提供依据和改进措施，优化提升街区内人员的整体安全疏散能力，确保在发生火灾或紧急情况下，人员能从街区内成功疏散至街区外的安全区域。

3.2 参数设置

3.2.1人数确定

本研究根据该历史文化街区现状及各防火组团内建筑的使用功能，结合国家现行标准规范的相关规定，按照最不利原则，确定各区域需要疏散的总人数，确保模拟分析切合实际又留有余量。

依据《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）计算商业建筑疏散人数：商店营业区疏散人数＝各营业厅建筑面积×疏散人员密度。住宅部分疏散人数主要依据设计单位和业主单位提供资料同时结合项目实际情况确定。

综上所述，依据现行国家相关标准及借鉴同类成熟经验，根据该历史文化街区现状及各防火组团内建筑的使用功能，按照最不利原則，选择最大的人员荷载，确定疏散人数，计算其极限情况下的容纳人数，确保疏散人数的统计具有一定的安全余量。疏散人员数量统计详见表1。

3.2.2 人员疏散速度

参照美国消防工程师协会《消防工程手册》中关于疏散的相关参数，确定人员的疏散速度。当人员密度在 0.54～3.8 人/m2之间时，人员疏散速度为 k（1－0.266D），其中，D为人员密度，人/m2；k为常数，当位于走道、安全出口、坡道等平缓疏散路径时k=1.4，当位于楼梯类疏散路径时，根据楼梯梯蹬高度和宽度不同，k从取值范围1.00～1.23取值。

3.2.3安全出口的计算宽度

沿用传统经验做法，参照美國消防工程师协会的《消防工程手册》提出的通道宽度计算折减方法，得到各防火组团内不同使用功能场所安全出口的有效疏散宽度，作为建立三维疏散模型的初始边界条件。

3.3 必需疏散时间

人员疏散所需时间综合考虑报警时间、响应时间和疏散行走时间3个部分。考虑疏散过程的不利因素影响，有必要对行走时间进行适度安全补偿，本研究的人员疏散安全系数按1.5考虑，即人员疏散的必需疏散时间 TRSET＝报警时间TA＋响应时间TR＋1.5×软件模拟计算所得的时间TM。街区的各种工况下，各模拟分析区域内均设置有自动喷水灭火系统、火灾自动报警系统，房间建筑面积不大，人员能够在较短时间感知火灾的发生，报警系统提示的重要性不明显，故本次研究报警时间取60 s。

人员在不同场所对火灾反应的时间不同，随着场所内报警系统的灵敏度的升高，人员响应火灾，做出反应所需的时间缩短。按照惯例参照美国消防安全工程常用的各种用途建筑物在不同火灾报警系统下的人员响应时间，该街区内功能主要为商业营业厅，少量住宅，街区内设有广播类简易火灾报警系统。考虑街区内目标疏散人群可能对建筑内的报警系统和疏散设施不熟悉，本研究将人员疏散的响应时间确定为 120 s。

3.4 模拟计算分析

本研究采用美国PathFinder模拟计算软件进行模拟疏散和计算分析，根据各项参数建立三维网络模型，高效仿真模拟人员在紧急状况下的疏散路径和疏散行为，分析计算疏散时间，为实际工程的安全改善和提升提供依据和指导。该工程软件的高还原度和可信度，被广泛接受用于各类复杂、疑难、特殊建设工程的疏散模拟计算。结合以上分析和各参数指标的确立，建立出该历史文化街区整体疏散的三维模型，如图5所示。

将各疏散场景条件带入建立的疏散模型中，得到不同场景下各组团及整个街区的必需疏散时间。街区内人员的疏散过程如图6所示。

3.5 小结

通过采用疏散模拟分析软件对该历史文化街区内各防火组团内人员疏散过程的模拟和计算分析，计算得到人员从不同防火组团疏散到安全区域的时间，进而得到该街区整体安全疏散时间。结果汇总见表2。

4 结语

通过此次研究对该历史文化街区内人员的疏散模拟计算和分析，人员从整个街区安全疏散的必需疏散时间约为 5.4 min。为进一步缩短人员疏散时间，提升整个街区消防安全水平，提出以下3点建议和改善措施。

第一，在街区内设置消防应急广播系统，在紧急情况下通报火情，指挥人员安全疏散，缩短人员疏散相应时间。

第二，街区各巷道内进一步增设一定数量的疏散指示标志或疏散引导设施，引导游客迅速疏散，快速逃离火场。

第三，街区内各巷道增设应急照明设施，提升夜间疏散效率，缩短夜间整体街区的人员疏散时间。

参考文献

[1] 黄亚岚.凤凰古城火灾危险性及预防措施探析[J].武警学院学报，2013，29（2）：59-61.

[2] 吴佳乐.浅析老城区消防安全问题及对策[J].武警学院学报，2013，29（8）：65-66.

[3] 王翠.浅谈历史街区火灾原因及策略[J].智能建筑与智慧城市，2021（1）：103-104.