某學(xué)生宿舍火災(zāi)煙氣流動及人員疏散研究

某學(xué)生宿舍火災(zāi)煙氣流動及人員疏散研究

宿舍是一個人工密集的特殊建筑。學(xué)校地板上有很多燃料。學(xué)生中經(jīng)常發(fā)生非法使用消防，這使學(xué)生更容易起火。2003年武漢大學(xué)某宿舍突發(fā)大火,起火層22間宿舍被完全燒毀,造成經(jīng)濟損失十萬余元;2008年中央民族大學(xué)某宿舍發(fā)生火災(zāi),上千名學(xué)生被消防員緊急疏散;2008年上海商學(xué)院某女生寢室失火,因室內(nèi)火勢過大,4名女大學(xué)生跳樓并當(dāng)場死亡。高校宿舍樓火災(zāi)已經(jīng)引起了部分學(xué)者的關(guān)注,劉海濤、李亮分別對高校宿舍火災(zāi)的成因、特點和對策進行了分析;曹永煒采用火災(zāi)事故樹法對高校宿舍火災(zāi)隱患進行了初步研究;李昂等人則對高校宿舍火災(zāi)評估體系的構(gòu)建進行了探討。以上工作均局限于定性或半定量研究,具有一定的局限性。本文以某大學(xué)學(xué)生宿舍樓為對象,采用數(shù)值模擬方法對火災(zāi)情況下宿舍樓內(nèi)的煙氣蔓延和人員疏散情況進行了計算,研究了該宿舍樓的火災(zāi)危險性,定量地分析了常閉式防火門在日常消防安全管理中的重要作用,并對人員疏散提出了改進方案。1計算模型及計算建筑火災(zāi)最主要的危害是造成建筑中的人員傷亡,因此通常采用比較可用安全疏散時間(ASET)和所需安全疏散時間(RSET)的方法來判斷建筑火災(zāi)的危險性,如圖1所示。如果ASET大于RSET表明建筑內(nèi)人員能夠安全疏散,而ASET小于RSET則表明建筑內(nèi)人員無法全部安全疏散,處于危險狀態(tài)。對于可用安全疏散時間ASET,本文采用美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)開發(fā)的計算流體力學(xué)模擬軟件FDS5.0(FireDynamicsSimulator)為工具,針對某宿舍樓進行建模并模擬計算了火災(zāi)中的煙氣流動情況,根據(jù)模擬結(jié)果確定了宿舍樓內(nèi)各樓層到達危險時刻的時間。FDS5.0采用大渦模擬方法求解一組描述低速、熱驅(qū)動流動的Navier-Stokes方程,重點關(guān)注火災(zāi)導(dǎo)致的煙氣運動和傳熱過程,時間和空間均采取2階的顯式預(yù)估校正方法。大渦模擬的基本思想是選擇1個濾波寬度對控制方程進行濾波,把流場中的渦分為大渦和小渦,對大渦直接求解,對小渦采用Smagorinsky模型來求解。RSET則包括發(fā)現(xiàn)火災(zāi)時間、疏散準(zhǔn)備時間和疏散運動時間三部分。對于前兩部分通常取經(jīng)驗值,而人員運動時間則采用美國佛羅里達大學(xué)開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)疏散模型EVACNET4.0進行計算。EVACNET4.0將建筑單元如房間、樓梯等簡化為一個個節(jié)點,將連接分隔間的通道簡化為連接節(jié)點之間的弧線,對建筑內(nèi)的人員疏散進行計算,目前該模型在人員疏散領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。2增注下危險場景本文選擇的宿舍樓地上六層,主體高度20m,入住學(xué)生2336人。宿舍樓的標(biāo)準(zhǔn)層平面示意如圖2所示,樓內(nèi)共設(shè)置4部樓梯,分別是樓梯1、樓梯2、樓梯3、樓梯4。地上一層共設(shè)有3個安全出口,分別為位于宿舍樓西側(cè)的樓梯1的出口、位于東側(cè)的樓梯4的出口以及位于樓梯2和樓梯3中間的中部出口。宿舍樓的四部樓梯均為封閉樓梯間,但為了出入方便,樓梯1的防火門常年開啟。在火災(zāi)場景的設(shè)計中通?？紤]最不利原則,即考慮所有火災(zāi)場景中最危險的情況。對于建筑火災(zāi)其最危險的情況為起火房間發(fā)生轟燃,因此本文考慮以下兩個火災(zāi)場景。場景一:三層一宿舍發(fā)生火災(zāi)并發(fā)展到轟燃,起火房間位置如圖2所示,四部樓梯間防火門均關(guān)閉,火災(zāi)煙氣被限制在起火層內(nèi),四部樓梯均可以使用。場景二:三層一宿舍發(fā)生火災(zāi)并發(fā)展到轟燃,起火房間位置如圖2所示,樓梯1防火門開啟,火災(zāi)煙氣可沿該樓梯進入三層以上樓層,樓梯1在疏散中無法使用。熱釋放速率曲線的選擇是火災(zāi)場景設(shè)計中的重要內(nèi)容,本文中熱釋放速率曲線設(shè)置為t2-穩(wěn)定型,即火災(zāi)初期增長階段熱釋放速率滿足t2增長規(guī)律,發(fā)生轟燃后達到穩(wěn)定值。對于初期增長階段有:Qf=αt2(1)Qf=αt2(1)式(1)中Qf為熱釋放速率,α為火災(zāi)增長因子,t為火災(zāi)持續(xù)時間。其中火災(zāi)增長因子α需考慮可燃物荷載密度的影響αf以及墻和吊頂?shù)挠绊懄羗,即:α=αf+αm(2)α=αf+αm(2)對于未進行壁面裝修的宿舍αm值為0.0035,αf則由式(3)計算:αf=2.6×10?6q5/3(3)αf=2.6×10-6q5/3(3)式(3)中q為房間內(nèi)火災(zāi)荷載密度,其表達式為:q=∑MvΔhcAf(4)q=∑ΜvΔhcAf(4)式(4)中Mv為單個可燃物的質(zhì)量,Δhc為單個可燃物的燃燒熱,Af為建筑地板面積。由式(2)、式(3)、式(4)可計算出火災(zāi)增長因子α為0.08165。對于轟燃后的穩(wěn)定燃燒階段,火災(zāi)熱釋放速率可按Thomas提出的轟燃判據(jù)進行計算:Qf=7.8AF+378AWHW???√(5)Qf=7.8AF+378AWΗW(5)式(5)中AF室內(nèi)所有表面的總面積,AWHW???√AWΗW為該房間的通風(fēng)因子。綜合兩個階段可確定出熱釋放速率曲線如圖3所示。3結(jié)果和討論3.1疏散方案的確定本文采用煙氣能見度下降到10m作為達到危險時刻的判據(jù),根據(jù)FDS的模擬結(jié)果即可確定出ASET。圖4給出了火災(zāi)發(fā)生后起火樓層距離地面2m處煙氣能見度低于10m的區(qū)域。從圖4可以看出,火災(zāi)發(fā)生后263s,起火層所有樓梯口處均達到危險狀態(tài),此時該樓層人員無法繼續(xù)疏散,因此可以認(rèn)為此時ASET為263s。REST由三部分時間組成,考慮到宿舍樓內(nèi)人員密集,一旦發(fā)生火災(zāi)能夠被迅速發(fā)現(xiàn);同時樓內(nèi)學(xué)生對宿舍樓結(jié)構(gòu)非常熟悉,發(fā)現(xiàn)火災(zāi)后能夠很快開始疏散,因此本文將發(fā)現(xiàn)火災(zāi)時間和疏散準(zhǔn)備時間一共取為120s。而疏散運動時間則由EVACNET計算,首先考慮所有樓層同時疏散的方案,計算結(jié)果如表1所示。從中可以看出,在此疏散方案中由于上部樓層人員進入樓梯間后對三層人員疏散起到了阻礙作用,因此起火層人員需要480s的時間才能全部進入樓梯間,加上發(fā)現(xiàn)火災(zāi)時間和疏散準(zhǔn)備時間,RSET為600s,遠遠高于ASET值,起火層的人員處于危險狀態(tài)。為此本文提出了起火層優(yōu)先疏散的方案,在此方案下首先疏散起火層人員,然后起火層以上依次進行疏散,計算結(jié)果見表1。計算結(jié)果表明,采用起火樓層優(yōu)先疏散方案后,三層人員疏散時間從600s縮短至250s,能夠?qū)崿F(xiàn)起火層人員安全疏散,但RSET僅略小于ASET;而六層人員疏散時間由435s延長至640s。由于防火門阻擋了煙氣沿樓梯間蔓延至以上樓層,因此延長起火層以上人員疏散時間是可以接受的。3.2疏散方案的確定此場景中由于樓梯1防火門開啟,煙氣能夠沿樓梯井蔓延至以上樓層,威脅到各層人員安全,同時樓梯1由于被煙氣充滿,使得三至六層人員只能使用其余三部樓梯疏散,延長了疏散時間。采用煙氣能見度下降到10m作為達到危險時刻的判據(jù),根據(jù)FDS模擬結(jié)果確定出各樓層達到危險時刻的時間如圖5所示。采用所有樓層同時疏散方案時,由于僅有三部樓梯可用,起火樓層人員需要765s才能疏散完畢;遠大于ASET值。而火災(zāi)煙氣沿樓梯1進入上部各層后將在各層內(nèi)蔓延,第四至六層達到危險時刻的時間分別為466s、496s和613s,而各層人員疏散所需時間分別為650s、590s和545s,如表2。由此可見,采用該疏散方案時三至五層人員均處于危險狀態(tài)。而采用起火樓層優(yōu)先疏散方案后,三層人員疏散時間由765s降低至300s,小于ASET值。當(dāng)三層人員疏散完畢后,再按照四層、五層、六層的順序疏散,從計算結(jié)果可知采用此方案后,四至六層的人員疏散時間分別為480s、660s和840s,均大于ASET值。可見當(dāng)樓梯1防火門開啟時,起火層和上部樓層均處于危險中,而延長上部樓層人員疏散時間來保障起火層的人員疏散是不能夠接受的,因此在樓內(nèi)防火門必須處于關(guān)閉狀態(tài),將火災(zāi)煙氣限制在起火樓層內(nèi),否則難以保障樓內(nèi)人員安全。3.3樓梯間疏散連接人員疏散運動時間是由人員行走時間與擁堵時間決定的,在人員密集的場所,擁堵時間是總疏散時間的決定性因素。在宿舍人員向下疏散過程中,沿著宿舍-走廊-前室-樓梯間-大廳-大門的疏散路線進行的。在這個過程中任何一個節(jié)點發(fā)生了擁堵,都會延長疏散時間,這些發(fā)生擁堵的節(jié)點稱為疏散瓶頸。通過疏散瓶頸分析,找出主要的疏散瓶頸并對其采取改進措施能夠有效地減少疏散時間。從宿舍人員的疏散路線中可知,樓梯間是疏散路線中最容易發(fā)生擁堵的節(jié)點,各層人員通過前室進入該層樓梯間,同時上層人員也不斷向下層樓梯間疏散,這就導(dǎo)致下層樓梯間的疏散壓力增大,當(dāng)節(jié)點內(nèi)人員達到其容納上限后就會出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象;而下層樓梯間內(nèi)發(fā)生的擁堵反過來也會影響到上層人員的向下疏散。本文對宿舍采用整體疏散方案時,一層至三層各樓梯間作為疏散瓶頸的時間如表3所示?？梢娝奚醿?nèi)人員在向下疏散的過程中作為主要疏散瓶頸的是二層的樓梯間。二層至六層的人員都必須通過二層的樓梯間疏散至一層,而這些節(jié)點的疏散能力(即有效疏散寬度)遠不能滿足疏散的需要,其結(jié)果導(dǎo)致二至六層樓的梯間內(nèi)均發(fā)生擁堵,各樓層均有大量人員被堵在樓內(nèi)無法進入樓梯間。這就是造成人員疏散時間過長的最主要因素。從以上分析可以看出要減少人員疏散時間,最有效的方法是提高二層樓梯間的疏散能力,即增加該層樓梯的有效疏散寬度,如在二層樓梯間設(shè)置火災(zāi)時可直通室外的疏散出口等。為了驗證該方案的有效性,本文計算了將二層有效疏散寬度增加一半的情況,其結(jié)果如表4所示。由表4可以看出,當(dāng)二層樓梯有效疏散寬度增加以后,樓梯間內(nèi)的擁堵情況得到了很大的改善,3層人員全部進入樓梯間的時間縮短了110s,可見增加二層樓梯寬度是有效的。4注意常閉式防火門的開閉式本文對某大學(xué)學(xué)生宿舍樓火災(zāi)煙氣流動及人員疏散進行了數(shù)值模擬計算,計算結(jié)果表明:(1)封閉樓梯間的防火門