某市拟建教育局办公楼会议厅火灾逃生研究
2024-11-09张天抢李秀秀冯善举
摘 要：大型会议厅已经是现代办公楼设计必不可少的功能分区。为研究大型会议厅发生火灾情况下的烟气扩散规律，本文以某市教育局办公楼会议厅为研究对象，根据会议厅常用装饰设置可燃物，采用FDS火灾分析软件进行数值模拟。重点模拟了会议厅因电路短路造成的起火，并通过设置温度、可见度、CO浓度测点，分析火灾发生后温度、烟气的变化规律。希望本文能为会议厅装饰、桌椅布置及人员逃生提供建议。
关键词：会议厅；FDS；数值模拟；人员逃生文章编号：2095-4085（2024）10-0221-03
0 引言
近年来，办公楼、高档酒店为提供日常会议活动和举办各类学术报告均设置有会议厅，此类会议厅具有建筑面积大、容许人数多、装修用材量大及使用设备多等特点。其装修用材和用电设备多为可热材料，燃烧后会产生多种有毒有害化学物质，短时间内就能对人员造成伤害。为研究起火后的厅内逃生环境，本文采用FDS对会议厅及可燃物进行建模模拟，通过分析火灾中各项数据的变化为会议厅装修、设备安排及人员逃生提供建议。
由于火灾实验是破坏性的，且全尺寸实验成本高、耗时长、危险性大，甚至不具有可行性。而运用数值仿真软件模拟火灾过程是一种可行的研究方法［1］。目前，国内外很多学者均采用该软件进行模拟火灾，如Ji和Xu等人利用FDS模拟研究了不同倾斜角度和通风风速对隧道火灾发展的影响，得出了隧道倾斜角度和烟气流动的关系以及隧道火灾最佳通风速率等结论［2-3］。单桂薇和刘勇等对酒店火灾进行数值仿真模拟分析，精准探究了酒店发生火灾时烟气运动、温度分布和能见度的变化规律［4-5］。杨云春等利用FDS研究了高层建筑最佳组合延期控制模式［6］。姚浩伟等对某大型餐厅不同火源位置的火灾危险性进行了模拟研究［7］。
1 办公楼概况
此办公楼位于北方某市，年主导风向为东南风，为单体建筑，周边无建筑物相互影响，总建筑面积4 000m2左右，层数为5层。首层层高3.9m，设有办公室、接待室、档案室、阅览室、值班室等多种房间。大会议室位于首层西南角，前后各设一扇宽1m、高2.5m的普通门；南侧设置宽1.5m、高1.8m、离地1m的普通窗两扇；走廊宽3m，设置宽2.7m、高2.5m的玻璃门；对面为卫生间和楼梯间，可燃物较少。
2 火灾场景的确定原则
通常分析的火灾场景必须是最不利的情况，而这种火灾场景需要危险系数最高、发生的概率最大。所以，符合以下3个条件就可以确定为火灾场景。
（1）是真实火灾的再现。
（2）一定要着重考虑火源特性。
（3）谨慎充分考虑影响火灾发展的各个因素［8］。
3 火灾发展影响因素的确定
（1）建筑构造的影响。不同的建筑构造对火灾的发展会有很大影响。比如木制结构建筑就比混凝土建筑更易发生火灾。
（2）建筑使用功能的影响。建筑物功能不同所发生的火灾类型也不一样。如加油站发生火灾一般是由汽油等易燃物引发；而普通居民楼的火灾很可能是由于电线老化短路引发。
（3）外界环境因素的影响。建筑物地理位置和气候条件的不同对火势的发展也会产生影响。比如晴天比雨天更容易起火；顺风能够让火蔓延得更快。
（4）建筑消防设备的影响。有无喷淋系统对火势发展都会产生影响［9］。
4 火灾模型建立及参数设置
采用FDS软件对①～⑤轴线范围内建筑物以1∶1尺寸建立模型，在会议厅西南侧设置着火点，然后根据实际情况设置反应类型、材料参数、温度、表面类型、设备及Slices等相关参数。为有效进行分析，根据建筑物实际尺寸进行建模。墙体为混凝土材质，办公桌椅均为木质材料，地板为混凝土材料，办公桌及墙壁上均设置可燃物，以此模拟衣物、书本、设备、窗帘等，其他材料有PVC、XLP及FOAM等。室内初始温度20℃，环境压力为一个标准大气压，空气密度1.205kg/m3。网格划分大小为0.5m×0.5m×0.5m。会议厅前后门常开状态，走廊门设置在起火后30s打开。当周边温度达到300℃ 时，南侧窗户玻璃破裂，窗户打开（如图1）。
为研究火灾发生后人员逃生环境，设置多种探测设备，着重研究会议厅及过道内各个位置的温度、CO浓度及可见度的变化。通过分析各个探测设备数据变化，总结火灾发生规律，为大空间人员密集区域装修装饰提供依据。
5 模拟结果分析
5.1 温度变化情况
分别选取会议室内各个位置的温度进行分析，发现当火灾发生后大约300s内火灾温度达到峰值，之后总体成下降趋势；当时间在500s左右时个别测点温度会有局部升高，分析原因可能是由于窗户因为高温被破坏，室内氧气含量增加，造成未完全燃烧的余烬充分进行燃烧，从而导致温度有局部升高。由室内测点1号、12号、15号可以看出，室内整体温度变化较快，最高温度在800℃以上；由10号、13号走廊温度测点可以看出，走廊温度升温也较快，最高温度也在500℃以上，均已超过人体承受温度（见图2）。
会议厅左前策设备仪器有较多线路，火灾风险性较大，设定为起火位置。起火后，温度快速增长，在100s左右时，周边烟气温度达到150℃，在300s左右达到最大值850℃，此后因可燃物燃尽温度开始下降。火灾发生后，温度会先由火源周边迅速升高，并快速向周边发展。由于门窗洞口的存在或火灾后打开，高温烟气会通过洞口向周边房间扩散。尤其是相邻房间，其虽不是起火房间，但最高温度达到了700～800℃，因此，在没有火源的情况下，也可能发生起火，造成火灾范围扩大。
根据相关文献，人体在干燥的空气环境中所能承受的最高温度极限大约116℃。由温度变化曲线可以看出，100s时室内部分位置温度就可以达到这个限值，这也是人员逃生的最佳时间。
5.2 烟气变化情况
（1）会议厅内不同时刻的火灾烟气分部情况。在火灾发生70s时，烟气已经到达会议厅各个位置；100s时烟气进一步扩散充满这个空间。此时火源附近能见度为0.1m；前门处可见度2m；后门处可见度为3.7m；走廊可见度未受影响仍为30m。
（2）根据相关文件，在较为熟悉的环境人员安全逃生的可见距离为30m；在不熟悉的环境中为5m，低于5m时，人难以辨别方向，不利于人员逃生。火灾发生后，由于人们处于紧张着急状态，加上可见度较低，更加不利于人员逃生。
（3）前门可见度低于5m大约需50s，后门大约为80s。前期烟气发展速度比温度发展快，是火灾发展初期影响人员逃生的重要因素。
6 结语
基于以上分析，本文提出以下几点结果。
（1）当火灾发生在一楼会议厅前端时，窗户的启闭会对房间内的温度变化带来影响，但这种影响只持续较短时间。因为，根据火灾发展规律，其发生会有一个快速发展的阶段，但随着房间内氧气含量的降低，会抑制火灾的进一步发展；当窗户玻璃因为高温或其他因素打开时，新的空气进入室内增加了氧气含量，又进一步促进了火灾发展；随着室内可燃物减少，火势会逐渐下降直至熄灭。
（2）温度的变化。房间窗户处于关闭状态时，高温烟气在房间内积聚并逐步充满整个房间，同时又会促进火势的发展，内部温度增长速度较快；当窗户打开后，外部空气进入室内，会对室内高温烟气起到冷却作用，但由于室内压力比室外较大，冷空气对室内温度的影响有限。并且新鲜空气又会促进余烬进一步燃烧，产生更多的高温烟气，总体不会影响温度的发展。
（3）烟雾会影响人员逃生的路线。当火灾发生后极短时间就会产生大量烟气并快速向周边蔓延，扩散速度较快。由于烟气会通过门窗洞口，逐步向其它房间和楼层扩散，从而严重影响人员逃生及救援。可见度2m是人员逃生的基本可见距离，由于烟雾产生速率较快，出口处可见度很快会低于2m，室内可见度低于2m则更快。加上火灾发生后人们会更加紧张，可能会不知所措，进而影响逃生时间。
（4）火灾发生时，由于高温气体的扩散，在没有设置点火源的房间仍有可能起火。这是因为火灾烟气扩散过程中，带有未完全燃尽的可燃物余烬，这些余烬温度甚至可达到300℃。当这些余烬随着烟气扩散到其它房间时，就有可能成为新的点火源。所以，当实施灭火时，除对明火采取措施外，对空中的烟气喷水降温仍是非常重要的。
（5）本文分析的烟雾和温度是影响人员逃生的常见因素。实际火灾中，从起火到人员发现后的逃生所用时间较短，人员会有足够时间进行逃生。但是仍有很多人不能安全撤离，这是因为烟雾影响视线，导致选错逃生路线，或者其他障碍物阻挡耽误了时间。因此，室内桌椅布局时，务必确保中间通道畅通，要避免仅留两侧通道，以免影响中间座位人员在紧急情况下的疏散时间。
参考文献：
［1］肖国清，姚泽胜，邓洪波.基于FDS的加油站便利店火灾模拟［J］.中国安全生产科学技术，2018，14（1）：143-149.
［2］JI J，WAN H，LI K，et al.A numerical study on upstream maximum temperature in inclined urban road tunnel fires［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2015，88（1）：516-526.
［3］XU Z S，YOU W，KONG J，et al.A study of fire smoke spreading and control in emergency rescue stations of extra-long railway tunnels［J］.Jouranal of Loss Preventiong in the Process Industries，2017（49）：155-161.
［4］单桂薇，葛政.基于FDS的快捷酒店房间火灾数值模拟［J］.武警学院学报，2014，30（4）：62-64.
［5］刘勇，徐志胜.基于FDS的某酒店火灾致死原因分析［J］.安全与环境学报，2014，14（4）：40-44.
［6］杨云春，何嘉鹏.高层建筑火灾中烟气组合控制设置参数的研究［J］.安全与环境学报，2012，12（2）：201-204.
［7］姚浩伟，赵哲，郑远攀.不同火源位置的火灾危险性模拟研究［J］.消防科学与技术，2016，35（3）：313-315.
［8］孙华玲.图书馆建筑消防安全分级方法研究［D］.安徽：中国科学技术大学，2008.
［9］张江涛.基于FDS的办公大楼火灾数值模拟研究［D］.邯郸：河北工程大学，2015.
