李 琰 ，張 燕

(西安科技大學(xué) 管理學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

近年來，隨著全國各大城市“人才戰(zhàn)略”及“搶人戰(zhàn)略”措施實(shí)施，全國各大城市的人口密度越來越大，對(duì)高層住宅樓的需求越來越大，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，2008—2018年，我國高層建筑火災(zāi)事故高達(dá)3.1萬起，死亡474人，直接財(cái)產(chǎn)損失15.6億元。 2015—2018年，在住宅火災(zāi)事故中，火災(zāi)致死的比例逐年升高，僅在2016年的住宅火災(zāi)事故中就有1 269人死亡，高達(dá)火災(zāi)致死總數(shù)的80.21%，再加上不適當(dāng)?shù)娜藛T疏散又會(huì)造成嚴(yán)重的二次傷害，比如踩踏傷亡事故，從而造成更大的損失和傷害[1]。在住宅樓中，有1類宿舍樓，特點(diǎn)是多棟樓之間設(shè)有連廊，稱為“連體宿舍樓”。這類宿舍樓的結(jié)構(gòu)比一般宿舍樓更為復(fù)雜，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，往往會(huì)造成更大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，對(duì)連體宿舍樓的火災(zāi)疏散進(jìn)行研究具有重要意義。

國內(nèi)外很多學(xué)者[2-4]運(yùn)用數(shù)值仿真技術(shù)FDS和PyroSim對(duì)各類建筑物，比如：宿舍樓、隧道、火車站等進(jìn)行了火災(zāi)疏散仿真模擬，并取得了重要的研究成果。其中，Lui C H等[5]運(yùn)用Simulex and FDS+Evac論證了三維生活空間的配置與疏散居民所需時(shí)間之間的關(guān)系，驗(yàn)證了總疏散時(shí)間最短的最佳樓層和剖面形狀；Panindre Prabodh等[6]運(yùn)用FDS研究了在高層建筑火災(zāi)中正向風(fēng)壓對(duì)火災(zāi)的影響，得出部署PPV風(fēng)扇以緩解熱量流動(dòng)并降低主要有利位置處(樓梯間和公共走廊)的溫度；龍新峰等[7]運(yùn)用PyroSim和Pathfinder對(duì)某大學(xué)宿舍樓進(jìn)行火災(zāi)和疏散模擬，對(duì)比分析“所有窗戶和門打開”與“著火房間窗戶關(guān)閉”時(shí)的煙氣蔓延特性，結(jié)果表明，在窗戶關(guān)閉的情況下，起火室溫度和熱流量遠(yuǎn)高于開窗時(shí)，這對(duì)發(fā)生火災(zāi)時(shí)門窗的關(guān)閉提供指導(dǎo)；Lei Wenjun等[8]研究表明，走廊和出口的平均最小寬度是影響寢室疏散的2個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，并且運(yùn)用FDS+Evac軟件對(duì)某高校某宿舍樓進(jìn)行應(yīng)急疏散仿真模擬，提出宿舍樓的最佳疏散樓道寬度為3 m，最佳出口寬度為2.5～3 m。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用FDS和PyroSim對(duì)宿舍樓進(jìn)行了仿真模擬研究，但大多數(shù)研究是針對(duì)單一的高層或者超高層建筑物，對(duì)設(shè)有連廊的復(fù)雜宿舍樓的研究相對(duì)較少，故本文應(yīng)用PyroSim火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模型，并結(jié)合疏散模擬軟件Pathfinder對(duì)高校復(fù)雜連體宿舍樓的火災(zāi)應(yīng)急疏散進(jìn)行仿真模擬，以期為復(fù)雜連體宿舍樓的消防措施、建筑設(shè)計(jì)以及宿舍樓應(yīng)急管理提供理論指導(dǎo)和科學(xué)依據(jù)。

1 建筑物描述

選取某高校連體樓作為研究對(duì)象進(jìn)行模擬仿真，該樓體建設(shè)年代比較久遠(yuǎn)，消防系統(tǒng)比較落后，無噴水滅火系統(tǒng)和防排煙設(shè)施，樓體由餐廳、超市、2棟宿舍樓和中間連廊構(gòu)成，總建筑面積為16 968 m2。其中，5號(hào)宿舍樓為男女生混住宿舍樓，1～3層居住為女生；4～12層居住為男生；3層和4層之間樓梯口被關(guān)閉；總面積約為10 368 m2；共12層，樓高36 m；在宿舍樓的2邊設(shè)有電梯及樓梯。6號(hào)樓1～3層為餐廳，其中在1層設(shè)有1個(gè)小超市；4～12層為女生宿舍；3層和4層之間是隔開狀態(tài)；6號(hào)樓建筑面積為6 480 m2；在宿舍樓2側(cè)設(shè)有樓梯，1側(cè)設(shè)有電梯。在5號(hào)樓和6號(hào)樓之間，從4層開始，每層設(shè)有1個(gè)5 m×2 m×3 m的連廊，但由于5號(hào)宿舍樓居住者主要是男生，6號(hào)宿舍樓居住者為女生，故每層的連廊都一直處于關(guān)閉狀態(tài)。

2 宿舍樓火災(zāi)仿真模擬

2.1 參數(shù)設(shè)置

1)火災(zāi)類型和火災(zāi)規(guī)模?；谒奚針撬奚醿?nèi)物質(zhì)可燃性大、易燃物品多等特點(diǎn)，選取“快速火”進(jìn)行計(jì)算，具有2 MW的火災(zāi)規(guī)模[9]。

2)模擬時(shí)間。根據(jù)疏散模擬的分析，在改進(jìn)后的宿舍樓疏散狀態(tài)下，人員可以在1 000 s內(nèi)完成疏散，因此將火災(zāi)模擬的疏散時(shí)間設(shè)置為1 000 s。

2.2 火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)置

考慮到該連體宿舍樓的復(fù)雜結(jié)構(gòu)特性以及樓內(nèi)的宿舍、超市和餐廳存在日常生活用品、紙制品和織物等大量可燃物，為了研究各樓體發(fā)生火災(zāi)對(duì)其他樓體及整棟樓產(chǎn)生的影響，分別設(shè)置火災(zāi)場(chǎng)景A、場(chǎng)景B和場(chǎng)景C。

1)火災(zāi)場(chǎng)景A：火災(zāi)發(fā)生在6號(hào)樓1層餐廳靠近右側(cè)安全出口位置處，自動(dòng)噴淋設(shè)施和機(jī)械排煙設(shè)施均無效。

2)火災(zāi)場(chǎng)景B：火災(zāi)發(fā)生在4層連廊中間位置，自動(dòng)噴淋設(shè)施和機(jī)械排煙設(shè)施均無效。

3)火災(zāi)場(chǎng)景C：火災(zāi)發(fā)生在5號(hào)宿舍樓1層右側(cè)樓梯口，自動(dòng)噴淋設(shè)施和機(jī)械排煙設(shè)施均無效。

綜上所述，各火災(zāi)場(chǎng)景情況統(tǒng)計(jì)如表1所示，各場(chǎng)景火源點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖1所示。

圖1中所顯示的為建筑物部分平面圖，左側(cè)為6號(hào)樓平面圖，中間為連廊平面圖，右側(cè)為5號(hào)樓部分平面圖。圖中方塊代表火源點(diǎn)，火源點(diǎn)中心點(diǎn)位置坐標(biāo)如圖1

表1 火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)置情況統(tǒng)計(jì)Table 1 The statistics of fire scene setting

圖1 火源點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置Fig.1 The location of fire source and monitoring point

所示；圖中圓點(diǎn)代表監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在6號(hào)樓監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位置如圖1所示，分別設(shè)置在高度為1層(記為6-1)、4層(6-4)、8層(6-8)和12(6-12)層位置處；連廊處監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在4層(Ⅱ-4)、8層(Ⅱ-8)和12層(Ⅱ-12)位置處；5號(hào)樓監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在1層(5-1)、4層(5-4)、8層(5-8)、12層(5-12)。

2.3 火災(zāi)生命安全評(píng)判的標(biāo)準(zhǔn)

火災(zāi)生命安全評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)[10]主要包括煙氣層高度、煙氣層溫度、煙氣能見度等，可歸納如表2所示。

表2 火災(zāi)生命安全評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)Table 2 The assessment criteria of fire safety

2.4 火災(zāi)模擬結(jié)果分析

2.4.1 煙氣擴(kuò)散情況

3種場(chǎng)景在t=300 s時(shí)的煙氣擴(kuò)散情況分別如圖2(a)，(b)，(c)所示。由圖2可以看出，當(dāng)t=300 s時(shí)，6號(hào)樓和5號(hào)樓發(fā)生火災(zāi)對(duì)其他部分的影響不大，而當(dāng)連廊處發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙氣快速地?cái)U(kuò)散到整個(gè)宿舍樓，降低整棟樓的疏散效率。

圖2 3種場(chǎng)景在t=300 s時(shí)的煙氣擴(kuò)散情況Fig.2 The Scattering of smoke in three scenes at t=300s

2.4.2 煙氣層溫度

研究發(fā)現(xiàn)，3種火災(zāi)場(chǎng)景下，除著火點(diǎn)外，煙氣層上下層溫度達(dá)到危險(xiǎn)溫度時(shí)的時(shí)間均大于1 000 s，說明煙氣層溫度對(duì)火災(zāi)疏散的影響不大。

2.4.3 煙氣層高度和能見度

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處，煙氣層高度和能見度達(dá)到危險(xiǎn)點(diǎn)的時(shí)間分別如圖3(a)，(b)所示。

由圖3(a)可以看出，當(dāng)6號(hào)樓發(fā)生火災(zāi)時(shí)，6號(hào)樓煙氣層高度在300 s內(nèi)迅速降到2 m以下，而連廊處和5號(hào)樓煙氣層高度基本沒有變化；當(dāng)5號(hào)樓發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙氣層高度對(duì)連廊處和6號(hào)樓的影響也較小；而當(dāng)連廊處發(fā)生火災(zāi)時(shí)，5號(hào)樓和6號(hào)樓1層到8層均會(huì)在300 s內(nèi)降到2 m以下，會(huì)對(duì)整棟樓造成較大的影響。

由圖3(b)可以看出，5號(hào)樓、6號(hào)樓和連廊處發(fā)生火災(zāi)時(shí)，能見度均會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)降到10 m以下，會(huì)對(duì)整個(gè)連體宿舍樓的所有人員疏散造成較大的影響。

圖3 3種場(chǎng)景下煙氣層高度和能見度變化規(guī)律Fig.3 The change of smoke height and visibility under three scenarios

通過以上對(duì)煙氣擴(kuò)散、煙氣層溫度、煙氣層高度和能見度隨時(shí)間變化規(guī)律的研究，總結(jié)得出，對(duì)于連體樓，中間連廊發(fā)生火災(zāi)對(duì)整棟樓造成的危害最大。

3 宿舍樓人員疏散仿真模擬

3.1 疏散參數(shù)設(shè)置

1)安全疏散時(shí)間。人員的安全疏散時(shí)間主要包括火災(zāi)報(bào)警時(shí)間、人員疏散的預(yù)動(dòng)時(shí)間和人員從開始疏散到達(dá)安全地點(diǎn)的行動(dòng)時(shí)間，計(jì)算公式如式(1)所示。

RSET=talarm+tresp+taction

(1)

式中：talarm表示火災(zāi)報(bào)警時(shí)間；tresp表示人員的疏散預(yù)動(dòng)時(shí)間；taction表示人員疏散行動(dòng)時(shí)間。

根據(jù)GB50116-98《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，本文將火災(zāi)報(bào)警時(shí)間talarm設(shè)置為60 s；根據(jù)英國《BS DD240:1997,Fire Safety Engineering in Buildings》的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，本文將人員疏散預(yù)動(dòng)時(shí)間設(shè)置為60 s。

2)疏散人數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查走訪以及向宿舍樓管理人員的咨詢，得知5號(hào)和6號(hào)宿舍樓每間房間居住4人，2棟宿舍樓共居住2 844人，根據(jù)最不利原則，當(dāng)時(shí)正是吃飯時(shí)間，餐廳人數(shù)較多，為300人，該復(fù)雜建筑物一共3 144人。

3.2 疏散場(chǎng)景設(shè)置

為研究該連體復(fù)雜建筑物當(dāng)前實(shí)際的應(yīng)急疏散性能，本文主要設(shè)計(jì)A，B，C 3種疏散狀態(tài)。

1)狀態(tài)A(當(dāng)前實(shí)際狀態(tài))：由于6號(hào)宿舍樓居住者為女性，5號(hào)宿舍樓4～12層居住者為男性，所以2棟樓中間的連廊處于關(guān)閉狀態(tài)。

2)狀態(tài)B：重新安排居住人員，使2棟樓居住人員為同性，從而使2棟樓中間的連廊處于開啟狀態(tài)。

3)狀態(tài)C：在狀態(tài)B的基礎(chǔ)上，在5號(hào)和6號(hào)樓中間的2層和3層也設(shè)置連廊，并且在2層連廊設(shè)置備用的可移動(dòng)式的懸掛式樓梯。

其中，狀態(tài)A和狀態(tài)B是為了驗(yàn)證在復(fù)雜連體建筑物中連廊正常開啟的重要性；狀態(tài)C是為了驗(yàn)證在較高的復(fù)雜建筑物中設(shè)置備用的可移動(dòng)式的懸掛式樓梯的重要性。為研究復(fù)雜連體宿舍樓疏散和電梯疏散的效率，本文主要設(shè)計(jì)A1，A2，B1，B2，C1，C2 6種疏散場(chǎng)景，其中電梯的疏散順序?yàn)閺母邔拥降蛯?。各疏散?chǎng)景情況統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 疏散場(chǎng)景統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 The statistics of evacuation scene

3.3 疏散模擬結(jié)果分析

通過對(duì)比分析疏散狀態(tài)A，B，C中的疏散場(chǎng)景A1，B1和C1可知：連廊開啟與連廊關(guān)閉時(shí)相比，總疏散時(shí)間減少了438.5 s；而如果增加外掛樓梯，則總疏散時(shí)間減少了511.5 s；而進(jìn)一步分析5號(hào)樓的疏散時(shí)間發(fā)現(xiàn)，當(dāng)增加外掛樓梯時(shí)，5號(hào)樓的疏散時(shí)間反而增加，這是因?yàn)镻athfinder軟件設(shè)定人員選擇距離最近的出口進(jìn)行疏散，而5號(hào)樓的大部分人員距離外掛樓體較遠(yuǎn)，導(dǎo)致只有一少部分人選擇外掛樓梯進(jìn)行疏散，由場(chǎng)景C1的疏散過程可知，疏散時(shí)間在206.7 s之后，懸掛式樓梯不再有人出現(xiàn)，如圖4所示。

圖4 場(chǎng)景C1疏散過程Fig.4 The evacuation process of Scence C1

通過對(duì)比分析疏散場(chǎng)景A1和A2，可以明顯看出，場(chǎng)景A1的總疏散時(shí)間比場(chǎng)景A2的總疏散時(shí)間多1 085.3s，6號(hào)樓疏散時(shí)間多了將近1 600 s，這說明：當(dāng)使用電梯疏散時(shí)，大部分人員擁堵在電梯門口等待，而樓梯不能有效利用，時(shí)間主要浪費(fèi)在擁堵和等待上，從而導(dǎo)致疏散時(shí)間增加，疏散效率降低，該擁堵現(xiàn)象如圖5所示。通過對(duì)比分析疏散場(chǎng)景B1和B2，C1和C2，也可以有效證明這一點(diǎn)。而全部使用樓梯疏散，盡管可以在很大程度上降低疏散時(shí)間，但是也會(huì)造成較大的擁堵，如圖6所示。

圖5 場(chǎng)景A1擁堵狀況Fig.5 The congestion situation of Scene A1

圖6 場(chǎng)景A2的擁堵狀況Fig.6 The congestion situation of Scene A2

4 結(jié)論

1)通過火災(zāi)模擬分析可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于復(fù)雜連體宿舍樓，連廊的安全性能直接關(guān)系到整體的安全性能。因此，建議宿舍管理部門在加強(qiáng)各宿舍管理的同時(shí)，著重加強(qiáng)對(duì)連廊的消防管理，禁止堆放任何易燃可燃物品，消除一切火源，確保連廊的正常使用。

2)通過對(duì)應(yīng)急疏散的仿真模擬，得出復(fù)雜連體宿舍樓不適合男女混住。為了提高疏散效率，建議2棟樓的居住人員全部為女生或者全部為男生，從而確保中間連廊的正常開啟以及建筑物3～4層之間的樓梯正常通行。

3)通過分析該建筑物結(jié)構(gòu)以及疏散過程仿真模擬可以發(fā)現(xiàn)，大部分人員會(huì)同時(shí)選擇樓梯或電梯進(jìn)行疏散，進(jìn)而造成擁堵，不利于疏散；同時(shí)，增加外掛樓梯可以減少總疏散時(shí)間，降低疏散效率，但由于外掛樓梯距離5號(hào)樓的大部分人員較遠(yuǎn)，選擇外掛樓梯進(jìn)行疏散的人員較少，導(dǎo)致疏散效率不高。因此，為了使人們合理的選擇疏散工具并使得外掛樓梯發(fā)揮最優(yōu)的作用，進(jìn)而達(dá)到最優(yōu)的疏散效率，建議宿舍樓管理部門培訓(xùn)專門的應(yīng)急疏散人員，在發(fā)生火災(zāi)等緊急事故時(shí)，根據(jù)各樓梯和電梯的擁堵和疏散狀況，引導(dǎo)逃生人員合理選擇正確的疏散工具，從而有效提高疏散效率。