一種在性能化防火設計中人員疏散問題的研究方法

1、一種在性能化防火設計中人員疏散問題的研究方法 陳智明 *霍 然 游宇航(中國科技大學火災科學國家重點實驗室,合肥 230026摘 要本文提出了一種在性能化防火設計中人員疏散問題的解決辦法, 該方法是把火災煙氣運 動規(guī)律、 建筑物的結構和人員疏散的特點結合的研究成果, 分別計算建筑物中不同單元內的 火災荷載閾值在發(fā)生火災時, 煙氣達到危險狀態(tài)的時間和人員疏散所用的時間, 比較這兩個 時間, 來確定建筑物防火設計是否達到性能化防火中人員安全疏散的要求。 該方法從控制建 筑物內火災荷載的多少和建筑物的結構出發(fā), 在現行的計算軟件的基礎上, 容易實現, 可用 于實際的火災安全工程設計和火災安全咨詢。主

2、題詞 :建筑火災 人員疏散 性能化防火設計 火災荷載閾值中國圖書分類號 :X928.03基金項目名稱:國家“十五”科技攻關項目:城市火災與重大化學災害事故防范與控制技術 的研究;項目編號:2001BA803B單 位 名 稱:中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室單 位 地 址:安徽省合肥市黃山路中國科學技術大學西區(qū)郵 編:230027聯 系 電 話 Method for Study ofEvacuation第一作者簡介:陳智明 (1977-,男,安徽岳西人?，F為中國科學技術大學火災科學國家重點 實驗室碩士研究生,主要從事建筑火災中的人員疏散及性能化防火設計方面的In

3、 Performance-based fire safety designChen Zhiming Huo Ran You Yuhang(State Key laboratory of fire Science, University of Science and Technology of China HefeiABSTRACTBased on movement of smoke, structure of building and needed time of evacuation, a performance-based fire safety design method for eva

4、cuation in building fires has been presented. By calculating the time of fire smoke arrive to risk situation and occupant evacuation time respectively, and then to compare these two kind of values to ensure the fireproofing of building reach to require of occupant evacuation in performance-based fir

5、e safety design. According to building structure and control fire load value in building, this method is run on fire models. Because of its simplicity and easy operation, this method can help fire safety design and fire safety consulting.Key words: Building fire Occupant evacuation Performance-based

6、 fire safety designFire load threshold value1、引言性能化防火設計的根本出發(fā)點就是盡量減少火災中造成的人員傷亡和財產損失, 是一種 系統(tǒng)的分析建筑物火災安全問題的方法。 建筑物中的安全疏散是性能化防火設計中的一個子 系統(tǒng),其目標是在火災煙氣未達到傷害人員生命狀態(tài)之前,將所有人員安全疏散出建筑物。 目前, 在計算和評估建筑物的安全疏散時間時, 都使用了一種比較普遍的方法, 即在一個建 筑物中設定一個一定規(guī)模的火災, 然后計算這種情況下人員安全疏散所需的時間。 也就是說 在一個預定好的建筑物內發(fā)生火災, 人員進行疏散, 其人員的可用逃生時間就要根據建筑物

7、內的火災荷載來確定。 這與在一個有危險的區(qū)域工作, 盡量采取一些自身的防護措施, 使之 能夠滿足達到安全等級的要求的控制危險源的方法相似, 即沒有采用控制源頭危險源的方法 進行安全防護。 而在能夠控制源頭危險的情況下, 進行危險源的源頭控制是安全防護中最行 之有效的方法。同樣,在建筑火災人員疏散中,如果能夠控制火災的大小,就能有效的進行 人員安全疏散。 本文將從控制建筑物內的火災荷載方面著手, 討論性能化防火設計中人員疏 散問題。 在性能化防火設計中人員安全疏散可以分為兩個過程來考慮。 第一個過程是, 根據 建筑物的結構特點, 計算該建筑物中不同單元的人員在發(fā)生火災的情況下, 疏散到安全地帶

8、所用的時間。 第二個過程是根據第一個過程計算出的疏散時間, 計算該建筑物內相應單元中, 當煙氣到達危險值時刻所用的火災荷載量,并定義該值為建筑物中相應單元的火災荷載閾 值。2、問題的提出從源頭控制危險是控制危險的有效方法。 在建筑物中控制建筑物內火災荷載, 也就是控 制火災危險源的大小, 通過這種方式來控制建筑中火災危險的大小。 目前, 在研究建筑物內 人員疏散問題的時候, 大多是在一個物品配備完好的建筑物內或一個定義火災危險源的建筑 內進行討論和計算人員疏散問題。 從源頭控制火災危險源來研究人員疏散問題的辦法是:預 先在討論和計算人員疏散的時候, 根據建筑物的特點來計算出該類型的建筑在不同的

9、部位完 成逃生所需要的時間,設為 t n,i ;然后再計算在不同部位的火災荷載閾值在發(fā)生火災時,發(fā) 展到對建筑物內的人員產生危害所需的時間,設為 t n,j ;只要保證建筑物內 j n i n t t , , 即可。 在這里, t n,i 的值可以根據建筑物的結構和第 n 單元的人所在的位置以及使用該類建筑的人 員的一些特征計算出來, 因為建筑物的結構給定, 并且使用建筑物的人員給定, 所以每個單 元內人員的疏散時間是確定的。 t n,j 的值可以根據第 n 單元內的所要存放的火災荷載數量以 及存在的可燃物的種類計算出來。用這種控制火災危險源的方法來計算建筑物內火災人員疏散的時間, 即控制建筑

10、物內的 第 n 單元的火災荷載的量, 不超過該類物質在燃燒時, 造成對建筑物內人員產生危險時間 t n,j 所需要的火災荷載閾值 Q ,就可以保證建筑物內的人員在發(fā)生火災的時候能夠進行安全疏 散。 這樣, 在對建筑物進行防火設計的時候, 就可以通過兩個途徑來解決建筑物發(fā)生火災時 人員疏散的問題。其一,在建筑物的設計時,規(guī)劃好建筑物的用途,計算好建筑物內將要放 置的火災荷載,然后計算出 t n, j ,在此基礎上設計建筑物內人員疏散通道,使得人員能夠在 預定的時間內疏散初建筑物; 其二, 在建筑物的設計時, 盡量采用距離控制疏散過程來代替 瓶頸控制過程 1,這樣可以盡量縮短逃生所用時間,再根據設

11、計好的方案,計算出疏散所用 的時間 t n,i ,并以此為標準來確定建筑物所能夠承受的火災荷載。3、疏散時間和火災荷載閾值人員安全疏散時間 t n,i 包括兩個部分,第一個部分是疏散前的滯后時間 t n,i,1,不同的建 筑結構、探測系統(tǒng)和人員群體,這個滯后時間變化較大,但是可以針對具體的建筑物、探測 系統(tǒng)及其居住的群體來確定該值。 第二部分是疏散中通過某距離及其在某些重要出口的等待 時間 t n,i,2, 解決這個時間的辦法是結合建筑物的特點選用一些比較成熟的適合建筑物特點的 疏散軟件來計算, 進而得到此值。 如 EV ACNET4和 CRISP 等模型適用于計算辦公樓等類型 的建筑物的人員

12、疏散 4,5?；馂暮奢d的閾值是一個建筑物內火災荷載的等效值。 火災中危害人身安全的是火災產生 的火焰和煙氣的熱輻射、 煙氣層的高溫和有毒性氣體濃度, 要確保建筑中人員的安全, 就得 使火災產生的熱量和有毒性氣體危急人員之前撤離建筑物。 因此, 在確立這個閾值時, 可以 從火災荷載所產生的熱量和生成的有毒性氣體的量這兩個方面著手計算, 即根據危及人員生 命安全的熱量值和煙氣層的高度為標準。 當煙氣層高于人眼特征高度, 180200的煙氣層 產生的熱輻射將會對人造成嚴重灼燒; 當煙氣層低于人眼特征高度, 110120的煙氣層將會對人造成直接燒傷; 在煙氣層低于人眼特征高度時, 還可以根據可能產生的

13、某種有害燃燒 產物的濃度臨界濃度判定是否達到危險狀態(tài)。 在火災中, 這三種危險狀況哪一個先到達就采 取哪一個為判斷依據。當前,在模擬煙氣運動的程序中,有區(qū)域模擬程序如 CFAST 6和場模 擬程序如 FDS 。根據不同的要求可以采用不同類型的模擬程序進行計算。4、計算實例我們采用某高校學生宿舍樓為例。宿舍樓有 7層,每層有 39個宿舍,其平面結構如圖 1所示。每個房間的尺寸是 :5.4×3.0×3.0m 3,房間的門寬為 0.8m 。樓層之間由兩駕樓梯連 接, 每段樓梯有 20級, 單級樓梯的寬度為 0.3m , 樓梯出口的寬度為 1.3m , 出口的寬度 1.8m 。 圖

14、 1 宿舍樓一樓平面示意圖以最危險的情況為例進行模擬計算, 即當東頭的樓梯不開放時的情況, 因此在計算時它只是 一個煙氣的通道, 而不是疏散通道。 運用 EVACNET4模擬計算該宿舍樓疏散時間。 將 39個宿 舍簡化成 1圖所示的 10個房間 R1R10,其中一些參數如表 1所示。表 1 宿舍樓基本參數表 通過 EVACNET4程序計算得, 整個樓層居住的 864人, 在 355s 內疏散出建筑。 計算的一些 典型結果如圖 2所示。 從圖 2可以看出, 不同樓層的人員所需要的疏散時間是不一樣的, 而該 建筑物的整個疏散是由其西部樓梯的瓶頸控制疏散過程, 因此在每層樓的走廊上的人都需要 排隊等

15、待疏散。以上所計算的疏散時間是 t n,i 的第二部分時間 t n,i,2,即疏散中通過某距離及其 圖 4 上層空氣中 CO 濃度隨時間變化曲線(room1起火時間 圖 2 不同樓層人員疏散完畢所用時間變化曲線在某些重要出口的等待時間,所以這個疏散時間還得加上 t n,i 的第一部分時間 t n,i,1。國內外一 些疏散專家學者對 t n,i,1的值做了一些研究,它可以通過參考一些文獻得到。本建筑物是某高 校的學生宿舍樓, 其居住者都是青年學生, 他們的火災意識較強, 而且能夠比較快捷的采取 疏散行動,設該時間為 90s 3,則整個疏散過程所用的時間為 445s 。運用 CFAST401模擬計

16、算建筑物內火災煙氣的運動規(guī)律。分別設定火災發(fā)生在六樓的房 間 1和房間 4。 由于不同類型的模擬程序對建筑結構的劃分不一致, 為了便于計算, 現將宿舍 簡化成如圖 3所示的房間,進行煙氣有關特性的模擬計算。通過調查和簡化,得到的現存每 個單元內的火災荷載如表 1所示,首先計算現存在的這些火災荷載在發(fā)生火災的時候到達危 險狀態(tài)的時間是否超過人員疏散所用的時間 t n,i , 然后以這個火災荷載為基礎, 來確定該建筑 物的火災荷載閾值。 在這個算例中, 模擬計算了由現有的火災荷載在發(fā)生火災時所產生的有 毒性氣體 CO 的濃度、不同單元內空氣中 O 2的濃度、不同單元內上層煙氣的溫度、下層空氣 的溫

17、度以及煙氣層的高度曲線。 圖 3 運用 CFAST 計算時該建筑的簡化圖圖 4顯示了不同時刻不同房間內上層空氣中 CO 濃度隨時間變化的曲線,從圖中可以看出 空氣中含有 CO 沒有超過 500ppm ,研究結果表明只有當 CO 的濃度超過 3200ppm 時才會在短時間 內對人員造成傷害。 因此, 在此處可以不用考慮 CO 對人員造成的傷害。 圖 5和圖 6分別是兩個 不同房間起火時, 不同房間內煙氣層高度隨時間的曲線。 為了不使火災產生的煙氣影響疏散,在疏散結束之前,煙氣層不得下降到人員疏散的位置上。因此煙氣層高度 S 的標準滿足關系 式 7:(1. 06. 1h H s -+>(1式

18、中, s 是煙氣層分界處距疏散通道地面的高度(m , H 是頂棚距火源的高度(m , h 是 疏散地面距火源的高度(m 。在模擬計算中,設定著火位置為 0.7m 處,因此 s 的值為 1.76m 。 由 EVACNET4模型計算出來的疏散時間表明六樓人員全部疏散完畢所用的時間為 210s , 而這些 人都必須通過樓梯井即 room6,但是 room6在 160s 的時候煙氣層便下降到 1.64m ,即表明該數 據可以作為判定標準。 圖 7和圖 8分別是 room1和 room4起火時, 不同房間內下層溫度隨時間變 化的曲線, 如圖所示, room6在 210s 時的溫度沒有超過 110, 即在

19、此處可以不用考慮下層溫 度對人員造成的危害。圖 9和圖 10分別是 room1和 room4起火時,不同房間內上層溫度隨時間 變化的曲線。研究表明,要確保人員安全疏散,則應當滿足如下關系式 7:tedt T 032100. 4 (2式中, T 熱氣層的溫度上升值(K , te 是疏散人員暴露在熱氣層中的時間, 4×103是 結合 Harber 法則和將老鼠暴露在高溫空氣的實驗, 暴露溫度與不能行走時間的實驗數據所得 到的回歸方程的常數項。從圖 5和圖 6中得知, 160s 以后人員要從 room6中疏散出來,就得暴 露在熱煙氣層中。 從 155s 到 210s 期間, 上層溫度隨時間

20、的變化曲線可以近似看成是一條溫度 隨時間變化直線,結合圖 9和圖 10,該直線為b t K +=3. 0(3式中, b 是個常數。將 3式代入 2式進行計算得:=tedt t dt T 03210155221099. 4 3. 0( (4顯然, 4式計算出來的結果明顯大于 2式中給出的結果。 因此, 這個結果也表明該情況下 的火災荷載數量是超過了火災荷載的閾值范圍的。至于求解該建筑物的火災荷載閾值, 其具體的算法和上面求解方法雷同, 由于篇幅的關 系不再累述。以 room4著火為例,該單元內的火災荷載閾值為:紙張 2200Kg ,木材 2200Kg ,纖維 1200Kg 。這些物質的熱釋放速率

21、、發(fā)煙量等都是以 CFAST401模型中的標準來定量的。5 、分析上面的算例給出了比較完整的分析計算過程和明確的結論判斷。 火災荷載的閾值是針對 不同樓層不同單元而變化的, 它與樓層的高度、 起火所在的房間以及建筑物本身的結構特點 溫度 /圖 5 不同房間煙氣層高度曲線(room1 起火 圖 6 不同房間煙氣層高度曲線(room4起火/ 溫度 /圖 9上層溫度隨時間變化曲線(room1起火 /圖 10 上層溫度隨時間變化曲線(room4起火 圖 7 下層溫度隨時間變化曲線(room1起火 溫度 /溫度 /圖 8 下層溫度隨時間變化曲線(room4起火有著較大的關系。 它們之間的這些關系現在還沒

22、有完全弄清楚, 需要進一步的找出它們之間 的規(guī)律, 還需要在這方面作出較為大量的工作。 運用這種方式分析和研究人員疏散問題, 它 不適合于超高層建筑物。 對于目前比較普遍采用的中庭式建筑, 這個中廳就相當于一個很大 的煙氣通道, 結合煙氣在中庭式運動規(guī)律, 能夠比較容易的計算出不同樓層內所能承載的火 災荷載 8。實際火災中,是通過建筑物內的火災荷載來的熱釋放速率來判定火災的大小的, 但是這個參數在實際的工程應用中比較難以控制, 而熱釋放速率的大小取決于火災荷載。 因 此,在工程應用中可以通過設定一個比例系數 K 來確定熱釋放速率和火災荷載之間的關系。 在確定火災荷載閾值時, 可以先參考已經計算

23、了的例子, 然后根據這些例子中, 所能造 成對人員傷害的種類(如,煙氣層高度、溫度或有毒性氣體的量等為基礎進行修改,來得 到所需要的火災荷載閾值。 這樣可以減少尋找火災荷載閾值的工作。 同時, 還可以根據建筑 物中所需要放置物品的種類, 進行不同類型的火災荷載閾值的轉換, 以達到工程的需要。 對 于那些需要放置較多超過火災荷載閾值的單元, 還可以通過更改建筑物的結構方式來滿足性 能化防火設計的需要。如,擴大疏散通道、實行防火防煙分區(qū)、增大排煙系統(tǒng)的功率,以達 到工程應用的目標。6、結論建筑火災中人員安全疏散的研究是一個很復雜的問題。本文基于性能化防火設計的思 想, 結合建筑物的結構、 建筑物內

24、的火災荷載和火災煙氣運動的規(guī)律來研究火災中人員安全 疏散問題。 這種方法采用從根本上控制建筑物內的火災荷載的方式來研究建筑物火災中人員 疏散問題, 有機的將建筑物火災中人員疏散與所產生煙氣、 熱量等結合起來, 從理論的角度 上保證了在發(fā)生火災時人員能夠安全的疏散出建筑物。 在煙氣的運動規(guī)律、 熱量的傳播以及 火災中產生的有毒有害性氣體研究方面, 國內外的專家學者作了很多的研究, 這為分析與研 究火災中人員疏散提供了另一個良好的鍥機。 同時, 在對這些問題本身的研究以及如何與疏散結合起來還需要開展大量的實驗研究工作。 參考文獻 1 陳智明,霍然,王浩波,曾德云.某教學樓火災中人員安全疏散時間德預

25、測J.火災科 學,2003,(1:40-45. 2 袁 理 明 , 范 維 澄 . 建 筑 火 災 中 人 員 安 全 疏 散 時 間 的 預 測 J. 自 然 災 害 學 報,1997,(5:28-33. 3 Fahy,R.F,Proulx,G. Toward creating a database on delay times to start evacuation and walking speeds for use in evacuation modelingC.2nd International Symposium on Human Behavior in Fire, Boston, MA., U.S.A., March 2001,pp.175-183. 4 S.Gwynne, E.R.Galea, M.