顧正軍

（1.南京工業(yè)大學(xué)；2.中安建設(shè)集團(tuán)）

1 引言

會(huì)展中心具有會(huì)展、經(jīng)營(yíng)和辦公等多種功能，人員密集，一旦發(fā)生火災(zāi)，如人員不能快速疏散至安全區(qū)，可能造成嚴(yán)重人員傷亡。建筑防火設(shè)計(jì)首要考慮防止起火，其次要考慮在起火后及時(shí)撲滅或控制火災(zāi)，還要考慮在火災(zāi)時(shí)盡快疏散人員至安全區(qū)域。但超大面積的會(huì)展類場(chǎng)館，需要借助消防性能化設(shè)計(jì)手段進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，給出符合安全水平的設(shè)計(jì)方案。

2 功能設(shè)計(jì)

2.1 平面布置

某會(huì)展中心為大型展覽項(xiàng)目，總建筑面積約43475m2，地上包括第一至第四展區(qū)、常設(shè)展區(qū)及餐飲接待區(qū)組成。除常設(shè)展廳區(qū)外安全疏散距離均符合規(guī)范要求，本文將重點(diǎn)分析常設(shè)展廳區(qū)的安全疏散距離超標(biāo)情況，常設(shè)展廳平面布置見圖1、圖2，建筑基本情況見表1。

圖1 常設(shè)展區(qū)一層平面圖

圖2 常設(shè)展區(qū)二層平面圖

表1 常設(shè)展區(qū)建筑基本情況

2.2 安全疏散

《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB50016‐2014）第5.5.17 條規(guī)定最大安全疏散距離不應(yīng)超過(guò)37.5m。常設(shè)展廳一層展廳中間部位、二層休閑平臺(tái)部分位置最大疏散距離為55m（見圖3）。

圖3 常設(shè)展區(qū)一層37.5m疏散距離圖

2.3 消防設(shè)施

該展廳設(shè)置火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)、固定消防炮滅火系統(tǒng)、室內(nèi)消火栓給水系統(tǒng)，對(duì)于各展廳由于跨度和進(jìn)深大所致的消火栓保護(hù)范圍盲區(qū)問題，在調(diào)研和論證的基礎(chǔ)上，采用地坑式消火栓；設(shè)置火災(zāi)應(yīng)急照明、疏散指示標(biāo)志、地面連續(xù)燈光疏散指示標(biāo)志、機(jī)械排煙系統(tǒng)。

3 消防性能化設(shè)計(jì)應(yīng)解決的問題

常設(shè)展廳的建筑面積和進(jìn)深較大，導(dǎo)致常設(shè)展廳一層大廳、二層休閑平臺(tái)的安全疏散距離超過(guò)規(guī)范要求。

4 研究方法[1-3]

①對(duì)比分析了相關(guān)規(guī)范對(duì)消防設(shè)計(jì)的規(guī)定，對(duì)某會(huì)展中心各展廳的煙氣控制方案進(jìn)行了分析，提出了疏散流線和疏散樓梯設(shè)置建議。

②根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求和實(shí)際情況分析多種火災(zāi)場(chǎng)景，結(jié)合火災(zāi)模擬軟件進(jìn)行性能化分析。

③結(jié)合火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)計(jì)疏散方案，采用性能化分析的方法對(duì)其合理性進(jìn)行了論證。

5 性能化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

性能化設(shè)計(jì)是基于火災(zāi)科學(xué)研究、借助消防安全工程學(xué)的方法和手段，在對(duì)具體建筑物的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)、火災(zāi)場(chǎng)景及主動(dòng)和被動(dòng)防火措施的實(shí)際效果進(jìn)行評(píng)估的基礎(chǔ)上確定該建筑所需要的消防措施的設(shè)計(jì)方法。

①采用火災(zāi)模擬軟件（FDS）對(duì)設(shè)定的火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行煙氣運(yùn)動(dòng)模擬，以此為基礎(chǔ)對(duì)排煙系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并為人員疏散設(shè)計(jì)方案提供火災(zāi)模擬場(chǎng)景。

②使用專業(yè)的疏散軟件（PathFind‐er），模擬各疏散場(chǎng)景下人員疏散的情況，并計(jì)算出所需疏散時(shí)間。通過(guò)計(jì)算人員疏散所需時(shí)間，以及與環(huán)境內(nèi)可以維持的人員耐受時(shí)間進(jìn)行比較，確定人員是否可以安全疏散。

③性能化消防設(shè)計(jì)的生命安全目標(biāo)是：在所設(shè)置的消防系統(tǒng)和設(shè)施保護(hù)下，發(fā)生可信的不利（Worse‐credible）火災(zāi)時(shí)，須確保人員疏散的安全性，即可用安全疏散時(shí)間ASET>必需安全疏散時(shí)間RSET，并留有充足的安全裕度[4]。

5.1 火場(chǎng)耐受環(huán)境判定標(biāo)準(zhǔn)[5-9]

①煙氣層位于必須的清晰高度以上（該會(huì)展中心展廳按照較大空間計(jì)算，采用清晰高度h=1.6+0.1H（大空間建筑高度）；火場(chǎng)中能見度不小于10m，較小空間能見度不小于5m），煙氣輻射量不超過(guò)2.5kW/m2（即煙氣層溫度不超過(guò)180℃）。

②下部空氣層能見度不小于必須的安全疏散要求，亦即能見度不小于10m；

③下部清晰層溫度不超過(guò)50℃，CO濃度不超過(guò)500ppm。

6 會(huì)展中心煙氣控制方案設(shè)計(jì)與分析

6.1 FDS理論基礎(chǔ)[10-11]

FDS 專門從數(shù)值計(jì)算方面解決一系列適合于熱驅(qū)動(dòng)、低速流動(dòng)的Navier‐Stokes方程，重點(diǎn)適用于火災(zāi)導(dǎo)致的熱煙傳播和蔓延的數(shù)值模擬。FDS 軟件建立的模型能夠體現(xiàn)火場(chǎng)的空間幾何形狀和尺寸，并能夠借助NIST 開發(fā)的前處理軟件DXF2FDS來(lái)輔助建立幾何形狀復(fù)雜火場(chǎng)模型。將實(shí)際消防安全工程中的物理參數(shù)和設(shè)施，如火場(chǎng)溫度及速度、火源、火災(zāi)探測(cè)器、風(fēng)機(jī)、擋煙設(shè)施、噴頭等在模型中建立，并模擬火災(zāi)中動(dòng)作時(shí)序，與真實(shí)火災(zāi)相似性大。

6.2 設(shè)計(jì)火災(zāi)

6.2.1 設(shè)計(jì)火災(zāi)規(guī)模（見表2）

表2 某會(huì)展中心各展館設(shè)計(jì)火災(zāi)

6.2.2 設(shè)計(jì)火災(zāi)——燃燒熱及產(chǎn)煙率的確定（見表3）

根據(jù)表3，將火災(zāi)的燃燒熱確定為20MJ/kg、發(fā)煙率保守地確定為0.05。

表3 典型可燃物的燃燒熱和產(chǎn)煙率

6.2.3 設(shè)計(jì)火災(zāi)——機(jī)械排煙量的確定

對(duì)于較大空間機(jī)械排煙系統(tǒng)排煙量的確定有兩個(gè)基本方法：火災(zāi)規(guī)模與清晰高度法和換氣次數(shù)法。火災(zāi)規(guī)模與清晰高度法重點(diǎn)考慮火災(zāi)規(guī)模（MW）和清晰高度（m）兩個(gè)參數(shù)，并不能夠體現(xiàn)建筑的空間形狀和面積幾何尺寸，其排煙面積的計(jì)算結(jié)果需要與其他計(jì)算方法比較使用。換氣次數(shù)法通過(guò)建筑體積間接考慮建筑的幾何尺寸，但又缺少對(duì)火災(zāi)規(guī)模的考慮，設(shè)計(jì)排煙量時(shí)缺乏定量的參數(shù)依據(jù)，同樣具有缺點(diǎn)。有必要運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)CFD（Computational Fluid Dynamics）軟件對(duì)煙氣控制進(jìn)行模擬，以驗(yàn)證和優(yōu)化所設(shè)計(jì)的排煙率，最終確定排煙策略，實(shí)際設(shè)計(jì)各展廳機(jī)械排煙量見表4。

表4 實(shí)際設(shè)計(jì)各展廳機(jī)械排煙量

6.2.4 設(shè)計(jì)火災(zāi)——火災(zāi)場(chǎng)景的選取（見表5）

表5 火災(zāi)場(chǎng)景選取

7 煙氣控制方案與分析

7.1 場(chǎng)景選取——常設(shè)展廳大廳

火災(zāi)場(chǎng)景F3.1發(fā)生在常設(shè)展廳大廳，其火源設(shè)置如圖4所示。

圖4 火源設(shè)置

7.1.1 基本參數(shù)設(shè)置（見表6）

表6 火災(zāi)場(chǎng)景F3.1的基本參數(shù)設(shè)置表

7.1.2 火災(zāi)煙氣模擬結(jié)果與分析——能見度（見圖5）

圖5 火災(zāi)場(chǎng)景F3.1豎直方向截面煙氣能見度進(jìn)程圖

根據(jù)能見度模擬結(jié)果可知，常設(shè)展廳大廳在模擬設(shè)置的機(jī)械排煙下能夠有效排煙，1200s 內(nèi)將煙氣至少控制在二層樓板以上2.5m 范圍（10m 能見度計(jì)，此時(shí)煙氣層高度趨于穩(wěn)定），1200s內(nèi)將煙氣至少控制在大廳地面以上4m 范圍（10m 能見度計(jì)，此時(shí)煙氣層高度趨于穩(wěn)定）

7.1.3 火災(zāi)煙氣模擬結(jié)果與分析——煙氣溫度（見圖6‐7）

圖6 火災(zāi)場(chǎng)景F3.1豎直方向截面溫度分布（以60℃為最高標(biāo)尺）

圖7 火災(zāi)場(chǎng)景F3.1豎直方向截面溫度分布（以180℃為最高標(biāo)尺）

根據(jù)溫度模擬結(jié)果可知，除火羽流外，火場(chǎng)清晰層溫度不超過(guò)50℃，煙氣層溫度不超過(guò)180℃。因此，常設(shè)展廳一層可以有1200s火場(chǎng)耐受時(shí)間供人員安全疏散，即可用安全疏散時(shí)間ASET=1200s；二層可以有1200s火場(chǎng)耐受時(shí)間供人員安全疏散，即可用安全疏散時(shí)間ASET=1200s。

8 疏散方案設(shè)計(jì)與分析

8.1 PathFinder軟件簡(jiǎn)介

PathFinder軟件利用美國(guó)工程師防火協(xié)會(huì)（SFPE）的《防火工程手冊(cè)》給出的公式對(duì)疏散的過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真并用圖形界面形式輸出。采用典型的水力模型和行為模型，綜合考慮了人與人，人與建筑之間的相互作用，能夠較準(zhǔn)確地反應(yīng)火災(zāi)時(shí)人員疏散的真實(shí)情景。動(dòng)態(tài)疏散分析對(duì)于暴露于火場(chǎng)中的人員疏散至關(guān)重要?？梢愿淖儏?shù)并易于進(jìn)行重新模擬，可研究疏散方向和疏散出口位置多種變化組合的疏散情況。Pathfinder 還可以模擬出口被火或煙氣堵塞的情況。該軟件適用于大型綜合商場(chǎng)、辦公大樓、展覽館、體育館、地鐵站等的人員疏散仿真模擬。

8.2 疏散時(shí)間的確定

人員疏散所需的時(shí)間RSET由以下部分組成：探測(cè)時(shí)間、報(bào)警時(shí)間、人員識(shí)別時(shí)間、人員反應(yīng)時(shí)間和人員從開始疏散到安全地點(diǎn)的行動(dòng)時(shí)間。

RSET=△ta+△tpre+K×△te

式中，△ta為報(bào)警時(shí)間。結(jié)合工程項(xiàng)目實(shí)際，在此基礎(chǔ)上假設(shè)探測(cè)時(shí)間約為60s；△tpre為人員疏散預(yù)動(dòng)作時(shí)間，該會(huì)展查表取3min；△te為疏散行動(dòng)時(shí)間，即疏散行動(dòng)從開始到疏散至室外出口所需的時(shí)間，包括人員移動(dòng)時(shí)間和在出口的排隊(duì)等候時(shí)間。K為安全系數(shù)，一般取1.5～2。

8.3 人員疏散場(chǎng)景

8.3.1 常設(shè)展廳人員疏散場(chǎng)景

常設(shè)展廳防火分區(qū)1 的人員疏散，考慮西南側(cè)側(cè)出口不能利用的情況。常設(shè)展廳火災(zāi)場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的人員疏散場(chǎng)景見圖8。

圖8 火災(zāi)場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的人員疏散場(chǎng)景

在火災(zāi)場(chǎng)景F3.1 下，從圖9 模擬結(jié)果中可以看出，一旦常設(shè)展廳地面層發(fā)生火災(zāi)，在有組織人員進(jìn)行誘導(dǎo)的情況下，人員將通過(guò)各樓梯和疏散出口進(jìn)行疏散，在219s時(shí)全部（首層）疏散至室外安全區(qū)域。其中二層休閑餐飲平臺(tái)人員在125s 時(shí)全部疏散至室外（或樓梯間）。

圖9 人員疏散運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬典型時(shí)刻截圖

2）人員疏散安全判定

常設(shè)展廳及二層展覽模擬結(jié)果顯示，考慮西南側(cè)出口不能使用、大廳及二層休閑及展覽平臺(tái)人員整體疏散及同時(shí)疏散時(shí)，一層大廳內(nèi)疏散行動(dòng)時(shí)間為219s，則對(duì)應(yīng)的整個(gè)大廳防火分區(qū)內(nèi)人員的RSET=219×1.5+240=569s；其中，二層人員全部疏散離開本層的時(shí)間為125s，保守起見，取全部疏散至室外（時(shí)間為219s）方為安全，則對(duì)應(yīng)的RSET=219×1.5+240=569s。

對(duì)比火災(zāi)場(chǎng)景F3.1 的煙氣控制效果CFD模擬結(jié)果表明，常設(shè)展廳的：

一 層：ASET＝1200s，RSET＝569s，安全裕度ASET－RSET＝631s；

二 層：ASET＝1200s，RSET＝569s，安全裕度ASET－RSET＝631s；

9 主要結(jié)論

1）人員疏散模擬結(jié)果與分析

①我國(guó)相關(guān)規(guī)范普遍給出了防火分區(qū)、安全疏散、消防設(shè)施等消防安全設(shè)計(jì)的要求，但是關(guān)于大空間建筑防火分區(qū)和安全設(shè)施設(shè)計(jì)，還不能夠直接借鑒普通規(guī)范，還需要結(jié)合性能化設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合分析。

②本文通過(guò)對(duì)比煙氣運(yùn)動(dòng)控制模擬結(jié)果和人員疏散模擬結(jié)果，在設(shè)定的可信不利火災(zāi)場(chǎng)景下，現(xiàn)有設(shè)計(jì)的機(jī)械排煙系統(tǒng)可以為火災(zāi)時(shí)人員安全疏散提供較長(zhǎng)時(shí)間的安全環(huán)境，且有較大安全裕度解決疏散距離問題。

③對(duì)實(shí)際案例的分析結(jié)果表明，通過(guò)性能化分析的方法，量化和比較可用安全疏散時(shí)間和必需安全疏散時(shí)間來(lái)判斷疏散方案的安全性，并找出影響安全的因素，采取改進(jìn)措施提高可用安全疏散時(shí)間或降低必需安全疏散時(shí)間以實(shí)現(xiàn)人員安全疏散。