【摘? ? 要】：為提升歷史建筑的消防安全水平，以實際工程為例，利用性能化防火設(shè)計方法，對火災(zāi)場景下人員疏散和火災(zāi)煙氣流動模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行量化分析計算，找出影響人員疏散效率的不利因素，提出具有針對性的優(yōu)化策略。

【關(guān)鍵詞】：歷史建筑；防火；人員疏散；煙氣流動

【中圖分類號】：TU998.1【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：C【文章編號】：1008-3197（2023）01-70-05

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.01.020

Study of Performance-based Fire Safety Design of Historic Building

LI Na

（Taiyuan University of Technology Architectural Design and Research Institute Co. Ltd.， Taiyuan 030024， China）

【Abstract】：In order to promote the fire safety level of historic building， the paper analyses and calculates the simulation data of safe evacuation and smoke movement under the fire scenario which reveals the negative factor of safety evacuation efficiency， then raises the targeted optimization strategy， using the method of performance-based fire safety design and combining fire-fighting system of a reconstructed and updatedtrain station project.

【Key words】：historic building； fire safety； personnel evacuation； smoke movement

許多作為城市地標(biāo)性歷史建筑的老火車站候車廳因使用功能和平面結(jié)構(gòu)的限制，無法按現(xiàn)行消防規(guī)范劃分防火分區(qū)、布置安全出口。候車廳的空間特點(diǎn)是挑高高、單層面積大，不同功能區(qū)相互連通不易分隔，火災(zāi)時煙氣蔓延更加迅速；同時候車廳內(nèi)人員密集且構(gòu)成復(fù)雜，對安全出口位置和逃生路線不了解，易形成擁堵，導(dǎo)致踩踏事故，造成的人員傷亡、財產(chǎn)損失和社會負(fù)面影響遠(yuǎn)高于其他公共場所，因此發(fā)生火災(zāi)時如何順利逃生則至關(guān)重要。

某火車站始建于20世紀(jì)初，20世紀(jì)50年代和70年代兩次重建，2011年被列入城市歷史建筑名錄保護(hù)使用，其中高架候車廳于1994年建成運(yùn)營，后經(jīng)數(shù)次建筑使用功能改造及局部改擴(kuò)建，現(xiàn)有消防設(shè)施幾乎處于癱瘓狀態(tài)，無法保證人員安全，需根據(jù)現(xiàn)行防火規(guī)范結(jié)合車站現(xiàn)狀使用要求進(jìn)行全面消防改造。本文通過人員疏散和火災(zāi)煙氣模擬軟件，定量分析人員疏散時間、易擁堵位置、煙氣溫度、能見度和有害氣體濃度之間的關(guān)系，探索優(yōu)化消防改造方案。

1 工程概況

火車站高架候車廳平面布局南北對稱，以中央通道和南北側(cè)走道分為5部分，包括中間中央通道及4個候車廳。高架候車廳南北側(cè)各4個安全出口，東側(cè)1個安全出口，西側(cè)2個安全出口，共計11個；進(jìn)站口東西側(cè)各1個；每個候車廳與中央通道連通門1個，與南北側(cè)走道連通門2個，共計12個。東側(cè)的進(jìn)站口與安全出口位置重合，西側(cè)的進(jìn)站口與安全出口位置相近。見圖1。

現(xiàn)狀防火分區(qū)較多，相應(yīng)防火措施設(shè)置較多；而現(xiàn)代交通建筑的特點(diǎn)是內(nèi)部空間開闊并且大多數(shù)為開放性空間，室內(nèi)的隔斷要盡量少；為適應(yīng)現(xiàn)代交通建筑的特點(diǎn)，將高架候車廳考慮按照1個防火分區(qū)進(jìn)行劃分，防火分區(qū)面積約為 13 480 m2，大于國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，是否會降低建筑的消防安全性能，需要采取哪些技術(shù)保證措施來確保建筑的消防安全，需經(jīng)研究分析確定。

2 性能化防火設(shè)計

利用性能化防火設(shè)計進(jìn)行定量分析時，首先應(yīng)計算該建筑火災(zāi)的荷載、類型和最大熱釋放速率等，確定合理的火災(zāi)場景；再利用計算機(jī)模擬軟件對特定火災(zāi)場景下煙氣的溫度、有毒氣體（CO、HCN、CO2等）濃度和能見度等參數(shù)進(jìn)行模擬計算和分析評估，得到人員可用疏散時間TASET，即從火災(zāi)發(fā)生到火災(zāi)發(fā)展至威脅人員安全疏散時的時間間隔，主要取決建筑結(jié)構(gòu)及其材料、控火或滅火設(shè)備等，與火災(zāi)蔓延以及煙氣流動密切相關(guān)；再根據(jù)設(shè)定火災(zāi)場景設(shè)置相應(yīng)的人員安全疏散場景并利用人員安全疏散模擬軟件進(jìn)行計算，得到人員必需疏散時間TRSET，即人員從火災(zāi)發(fā)生到疏散至安全區(qū)域所需要的時間間隔。若TASET>TRSET，則可認(rèn)為在設(shè)定的火災(zāi)場景下，建筑內(nèi)人員能在火災(zāi)影響到生命安全之前全部疏散到安全區(qū)域；反之，說明建筑現(xiàn)有的消防設(shè)計方案不能滿足人員安全疏散的要求，需要調(diào)整消防設(shè)計方案[1]。通過火災(zāi)煙氣流動模擬軟件Pyrosim和人員疏散模擬軟件Pathfinder進(jìn)行仿真模擬。

2.1 模型的建立

2.1.1 計算網(wǎng)格劃分

計算區(qū)域網(wǎng)格的劃分將直接影響模擬的精度，網(wǎng)格劃分越小，模擬計算的精度會越高，需要的計算時間會呈幾何級增加；網(wǎng)格劃分過大，可縮短計算時間，計算精度卻無法保證。在綜合考慮經(jīng)濟(jì)性與滿足工程計算精度的前提下，采用均勻網(wǎng)格劃分方法，網(wǎng)格尺寸為0.5 m×0.5 m×0.5 m。

2.1.2 火災(zāi)荷載

火災(zāi)的增長速度與可燃物的數(shù)量、擺放形式、燃燒性質(zhì)及建筑內(nèi)是否有自動滅火系統(tǒng)和排煙系統(tǒng)等因素有關(guān)?；疖囌救肟谟袊?yán)格的安檢措施，高架候車廳區(qū)域基本沒有可燃?xì)怏w和液體，主要是衣物、食品等纖維和塑料制品類。在建筑防火性能化設(shè)計中，一般不考慮火災(zāi)前期陰燃階段，僅從火災(zāi)有效燃燒后開始。火災(zāi)增長系數(shù)的值定義了慢速火、中速火、快速火和超快速火4種標(biāo)準(zhǔn)t2火災(zāi)（t為火災(zāi)增長時間）[2]；候車廳快速火時火災(zāi)增長系數(shù)取值0.044 kW/m2?；馂?zāi)熱釋放速率是指單位時間內(nèi)火源放出的熱量，候車廳在自動滅火系統(tǒng)有效時的火災(zāi)熱釋放速率確定為2.5 MW ，自動滅火系統(tǒng)失效時為8.0 MW[2]。

2.1.3 人員參數(shù)

城市內(nèi)新建的高鐵南站已投入運(yùn)營多年，高鐵西站也在規(guī)劃建設(shè)中，該火車站的實際旅客數(shù)量遠(yuǎn)小于按規(guī)范計算值；根據(jù)火車站運(yùn)營部門提供的實時數(shù)據(jù)，現(xiàn)狀節(jié)假日最高峰人數(shù)為4 626人，增加10%安全余量，工作人員占乘客人數(shù)的4%，則高架候車廳總?cè)藬?shù)為5 292人。疏散人員構(gòu)成按照成年男士∶成年女士∶老人∶兒童 =4∶4∶1∶1的比例設(shè)置[3]。

2.1.4 出口

候車廳與室外月臺的高差為7.5 m左右且室外疏散門的寬度遠(yuǎn)大于室外樓梯寬度，因人員的水平疏散速度大于樓梯下行速度，在利用Pathfinder軟件計算人員疏散行動時間時，已增加人員通過室外樓梯下至月臺的時間。

2.1.5 切片設(shè)置

在滿足室內(nèi)最小清晰高度，距離地面2.1 m處設(shè)置溫度、能見度和CO濃度的切片。

2.2 模擬分析

2.2.1 人員疏散

按照Pathfinder程序設(shè)置輸入疏散人員數(shù)量、疏散速度、人員構(gòu)成比例和疏散通道或疏散門的有效寬度等相關(guān)參數(shù)。

火災(zāi)發(fā)生時間為5 s時，1#～4#候車廳30%的人向中央通道疏散，70%的人直接從南北側(cè)出口疏散；135 s時，30%的人全部疏散至中央通道，東西側(cè)出口人員擁堵，密度云圖呈紅色，70%的人直接從南北側(cè)出口疏散，密度云圖的紅色區(qū)域小于東西側(cè)出口；205 s時東西側(cè)出口擁堵人員數(shù)量增加，密度云圖紅色區(qū)域增大，南北側(cè)出口人員全部疏散至室外通向月臺的樓梯，南北側(cè)出口處基本無擁堵現(xiàn)象；430 s時，南北東三側(cè)人員已全部疏散至室外月臺安全區(qū)域，西側(cè)安全出口仍有部分人員滯留，密度云圖的紅色區(qū)域變小，至588 s時才全部疏散至室外月臺安全區(qū)域。見圖2。

南北側(cè)出口疏散門處擁堵時間150 s，室外樓梯通行時間50～450 s，人員疏散行動總時長450 s；東側(cè)出口疏散門處擁堵時間400 s，室外樓梯通行時間50～580 s，人員疏散行動總時長530 s；西側(cè)出口疏散門處擁堵時間350 s，室外樓梯通行時間0～450 s，人員疏散行動總時長450 s。南北側(cè)出口人流量最大4.5人/s，東側(cè)出口人流量最大6人/s；西側(cè)出口人流量最大6人/s。對比分析東西側(cè)人流密度最大，是南北側(cè)人流密度的1.35倍；東西側(cè)人員疏散行動時長是南北側(cè)的1.18倍；東西側(cè)疏散人員數(shù)量是南北側(cè)的50%，東西側(cè)人員疏散行動總時長是南北側(cè)的1.30倍。

由于出口位置及與月臺的高差原因，候車廳南北側(cè)疏散總距離大于東西側(cè)，會有部分人員就近從東西側(cè)出口疏散；但因東西側(cè)出口樓梯數(shù)量少且寬度不夠，大量人員會出現(xiàn)擁堵，增加了疏散時間和形成安全隱患的概率；同時候車人員從東西側(cè)進(jìn)站口進(jìn)站，由于對候車廳平面布局不熟悉，火災(zāi)時無人員及時疏導(dǎo)，會本能的原路返回；與軟件模擬結(jié)果相契合。

2.2.2 煙氣流動

在進(jìn)行煙氣流動模擬時，首先要根據(jù)火車站候車廳的用途，可燃物數(shù)量、類型和分布，結(jié)合建筑功能布局、空間高度、平面結(jié)構(gòu)、防火分隔和主動消防設(shè)施的設(shè)置確定合理地設(shè)定火災(zāi)場景；再利用Pyrosim模擬軟件對火災(zāi)及煙氣蔓延情況進(jìn)行模擬計算，得到各場景下火災(zāi)蔓延及煙氣流動狀態(tài)。

能見度造成的不利影響遠(yuǎn)大于溫度和CO濃度。候車廳最高溫度為26.5 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于溫度限值60 ℃，最高溫度區(qū)域為火源正上方，其他區(qū)域溫度為20 ℃，利于人員疏散；最高CO濃度為15×103 mg/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于CO濃度限值500×103 mg/m3；而最低能見度為12.5 m，大于能見度限值10 m，最不利區(qū)域為火源正上方、擋煙垂壁和墻壁轉(zhuǎn)角處，其他區(qū)域能見度均＞10 m[4]。見圖3。

因安全出口靠近墻壁轉(zhuǎn)角，煙氣在墻壁轉(zhuǎn)角處下沉形成紊流，能見度局部下降，對人員疏散影響大。

2.3 人員安全疏散判定

結(jié)合高架候車廳的平面布局、結(jié)構(gòu)特征、人員流動情況和使用管理要求等基本條件確定疏散場景。疏散場景的設(shè)計原則為找出火災(zāi)發(fā)生后，影響人員安全疏散的最不利情況，提供優(yōu)化人員疏散方案的參考意見，共設(shè)置了3個疏散場景。見圖4。

將Pyrosim火災(zāi)煙氣模擬結(jié)果與Pathfinder人員疏散模擬結(jié)果進(jìn)行耦合，不同火災(zāi)場景下人員疏散的必須疏散時間TRSET與人員可用疏散時間TASET綜合比較分析，判斷各區(qū)域內(nèi)人員疏散的安全性。見表1。

3 利于人員疏散的優(yōu)化策略

3.1 人員安全疏散策略

候車廳區(qū)域人員密度大、構(gòu)成復(fù)雜，有火情時，安全值班員應(yīng)引導(dǎo)人員分別從南側(cè)和北側(cè)的8個出口，有序、快速直接疏散至室外安全區(qū)域，不與中央通道的人員發(fā)生交叉。南北側(cè)走道的辦公區(qū)域發(fā)生火情后，與北側(cè)走道相連的候車室1和3的連通口關(guān)閉，候車室1和3的人分階段疏散至候車室2和4，再從候車室2和4的南側(cè)4個出口疏散至室外月臺；北側(cè)走道的辦公區(qū)域工作人員從北側(cè)4個出口疏散至室外月臺；這種疏散場景的用時最長，但能很好分隔火源區(qū)域和安全區(qū)域，利于人員安全疏散。

3.2 加強(qiáng)措施

3.2.1 防火隔間

考慮火車站人員構(gòu)成復(fù)雜，會有部分老、弱、病、殘、孕人員火情發(fā)生時沒有能力及時疏散；根據(jù)候車廳的平面布局，將兩個候車廳連通區(qū)域的母嬰候車室、休閑候車室及衛(wèi)生間設(shè)置為防火隔間，給這類人員在火災(zāi)初期提供一個相對安全的避難區(qū)域，在保證其生命安全的同時，進(jìn)一步采取有效疏散策略。

防火隔間隔墻采用耐火極限不低于2.0 h的不燃燒體，屋頂采用耐火極限1.5 h的不燃燒體，與其他空間進(jìn)行防火分隔；隔墻上開設(shè)門窗時，采用甲級防火門窗，外窗有不小于地面面積 2% 的有效可開啟扇。

3.2.2 防火隔離帶

防火隔離帶可以阻止火災(zāi)煙氣通過熱對流和熱輻射等傳熱形式引燃隔離帶對側(cè)可燃物，防止或減緩火災(zāi)水平方向蔓延。中央通道設(shè)置防火隔離帶[5]，防火隔離帶內(nèi)不得設(shè)置任何固定可燃物，寬度≮9 ｍ[6]，將防火隔離帶與其他區(qū)域進(jìn)行有效區(qū)分，采用涂層、不同顏色地磚或內(nèi)墻上標(biāo)注等方法對防火隔離帶設(shè)置明顯標(biāo)志。

3.2.3 防火艙

防火艙將火災(zāi)影響限制在局部范圍，最大限度地避免危及生命、財產(chǎn)、運(yùn)營安全的事件發(fā)生，以實現(xiàn)大空間開敞布局的需要。將中央通道中的商鋪設(shè)置為防火艙，每間建筑面積≯50 m2，每個防火艙間距≮8 m，隔墻采用耐火極限不低于2.0 h的不燃燒體，頂部設(shè)置耐火極限不低于1.5 h的不燃燒體罩棚。商鋪開口部位設(shè)置防火卷簾，分兩步降落。防火艙設(shè)置火災(zāi)自動報警系統(tǒng)、自動噴水滅火系統(tǒng)。

3.2.4 防火分隔

南北兩端的走道和辦公服務(wù)用房采用耐火極限 2.0 h 防火隔墻和乙級防火門與走道進(jìn)行分隔，設(shè)備間采用防火墻和甲級防火門與走道進(jìn)行分隔，增加南北疏散走道的安全性。

3.3 日常管理建議

消防系統(tǒng)和設(shè)施是建筑內(nèi)人員能夠在有火情時及時安全疏散的重要保證，日常應(yīng)加強(qiáng)對自動噴水滅火系統(tǒng)、防排煙系統(tǒng)和火災(zāi)自動報警系統(tǒng)等消防設(shè)施的維護(hù)保養(yǎng)，保證有火情時消防設(shè)施能有效發(fā)揮作用。運(yùn)營管理單位應(yīng)定期對工作人員進(jìn)行消防安全培訓(xùn)和滅火、疏散演習(xí)，提高報火警和滅初起火的能力，提高引導(dǎo)旅客安全疏散、識別和消除火災(zāi)隱患的能力；同時制定建筑的整體消防應(yīng)急預(yù)案，定期進(jìn)行演練、加強(qiáng)管理人員滅火訓(xùn)練和疏散引導(dǎo)演練，保證火災(zāi)時人員的有序疏散。

4 結(jié)語

本文分析了火車站的火災(zāi)特點(diǎn)和危險性，將Pyrosim火災(zāi)煙氣模擬與Pathfinder人員疏散模擬的數(shù)值進(jìn)行耦合分析，提出在消防設(shè)施均有效啟動時人員整體疏散策略的安全性；在高峰時段人員密集、分布不均、疏散距離長或部分消防設(shè)施失效時，結(jié)合分階段疏散的策略會進(jìn)一步增加性能化防火設(shè)計的可實施性。

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收稿日期：2022-05-26

作者簡介：李娜（1981 - ）， 女， 高級工程師， 從事暖通空調(diào)和消防安全設(shè)計工作。