一種在性能化防火設(shè)計(jì)中人員疏散問題的研究方法

1、一種在性能化防火設(shè)計(jì)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(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥 230026摘 要本文提出了一種在性能化防火設(shè)計(jì)中人員疏散問題的解決辦法, 該方法是把火災(zāi)煙氣運(yùn) 動(dòng)規(guī)律、 建筑物的結(jié)構(gòu)和人員疏散的特點(diǎn)結(jié)合的研究成果, 分別計(jì)算建筑物中不同單元內(nèi)的 火災(zāi)荷載閾值在發(fā)生火災(zāi)時(shí), 煙氣達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)的時(shí)間和人員疏散所用的時(shí)間, 比較這兩個(gè) 時(shí)間, 來確定建筑物防火設(shè)計(jì)是否達(dá)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(nèi)火災(zāi)荷載的多少和建筑物的結(jié)構(gòu)出發(fā), 在現(xiàn)行的計(jì)算軟件的基礎(chǔ)上, 容易實(shí)現(xiàn), 可用 于實(shí)際的火災(zāi)安全工程設(shè)計(jì)和火災(zāi)安全咨詢。主

2、題詞 :建筑火災(zāi) 人員疏散 性能化防火設(shè)計(jì) 火災(zāi)荷載閾值中國圖書分類號 :X928.03基金項(xiàng)目名稱:國家“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目:城市火災(zāi)與重大化學(xué)災(zāi)害事故防范與控制技術(shù) 的研究;項(xiàng)目編號:2001BA803B單 位 名 稱:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室單 位 地 址:安徽省合肥市黃山路中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)西區(qū)郵 編:230027聯(lián) 系 電 話 Method for Study ofEvacuation第一作者簡介:陳智明 (1977-,男,安徽岳西人?，F(xiàn)為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn) 實(shí)驗(yàn)室碩士研究生,主要從事建筑火災(zāi)中的人員疏散及性能化防火設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的根本出發(fā)點(diǎn)就是盡量減少火災(zāi)中造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失, 是一種 系統(tǒng)的分析建筑物火災(zāi)安全問題的方法。 建筑物中的安全疏散是性能化防火設(shè)計(jì)中的一個(gè)子 系統(tǒng),其目標(biāo)是在火災(zāi)煙氣未達(dá)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(jì)算和評估建筑物的安全疏散時(shí)間時(shí), 都使用了一種比較普遍的方法, 即在一個(gè)建 筑物中設(shè)定一個(gè)一定規(guī)模的火災(zāi), 然后計(jì)算這種情況下人員安全疏散所需的時(shí)間。 也就是說 在一個(gè)預(yù)定好的建筑物內(nèi)發(fā)生火災(zāi), 人員進(jìn)行疏散, 其人員的可用逃生時(shí)間就要根據(jù)建筑物

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

8、所用的時(shí)間。 第二個(gè)過程是根據(jù)第一個(gè)過程計(jì)算出的疏散時(shí)間, 計(jì)算該建筑物內(nèi)相應(yīng)單元中, 當(dāng)煙氣到達(dá)危險(xiǎn)值時(shí)刻所用的火災(zāi)荷載量,并定義該值為建筑物中相應(yīng)單元的火災(zāi)荷載閾 值。2、問題的提出從源頭控制危險(xiǎn)是控制危險(xiǎn)的有效方法。 在建筑物中控制建筑物內(nèi)火災(zāi)荷載, 也就是控 制火災(zāi)危險(xiǎn)源的大小, 通過這種方式來控制建筑中火災(zāi)危險(xiǎn)的大小。 目前, 在研究建筑物內(nèi) 人員疏散問題的時(shí)候, 大多是在一個(gè)物品配備完好的建筑物內(nèi)或一個(gè)定義火災(zāi)危險(xiǎn)源的建筑 內(nèi)進(jìn)行討論和計(jì)算人員疏散問題。 從源頭控制火災(zāi)危險(xiǎn)源來研究人員疏散問題的辦法是:預(yù) 先在討論和計(jì)算人員疏散的時(shí)候, 根據(jù)建筑物的特點(diǎn)來計(jì)算出該類型的建筑在不同的

9、部位完 成逃生所需要的時(shí)間,設(shè)為 t n,i ;然后再計(jì)算在不同部位的火災(zāi)荷載閾值在發(fā)生火災(zāi)時(shí),發(fā) 展到對建筑物內(nèi)的人員產(chǎn)生危害所需的時(shí)間,設(shè)為 t n,j ;只要保證建筑物內(nèi) j n i n t t , , 即可。 在這里, t n,i 的值可以根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)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(jì)算出來, 因?yàn)榻ㄖ锏慕Y(jié)構(gòu)給定, 并且使用建筑物的人員給定, 所以每個(gè)單 元內(nèi)人員的疏散時(shí)間是確定的。 t n,j 的值可以根據(jù)第 n 單元內(nèi)的所要存放的火災(zāi)荷載數(shù)量以 及存在的可燃物的種類計(jì)算出來。用這種控制火災(zāi)危險(xiǎn)源的方法來計(jì)算建筑物內(nèi)火災(zāi)人員疏散的時(shí)間, 即控制建筑

10、物內(nèi)的 第 n 單元的火災(zāi)荷載的量, 不超過該類物質(zhì)在燃燒時(shí), 造成對建筑物內(nèi)人員產(chǎn)生危險(xiǎn)時(shí)間 t n,j 所需要的火災(zāi)荷載閾值 Q ,就可以保證建筑物內(nèi)的人員在發(fā)生火災(zāi)的時(shí)候能夠進(jìn)行安全疏 散。 這樣, 在對建筑物進(jìn)行防火設(shè)計(jì)的時(shí)候, 就可以通過兩個(gè)途徑來解決建筑物發(fā)生火災(zāi)時(shí) 人員疏散的問題。其一,在建筑物的設(shè)計(jì)時(shí),規(guī)劃好建筑物的用途,計(jì)算好建筑物內(nèi)將要放 置的火災(zāi)荷載,然后計(jì)算出 t n, j ,在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)建筑物內(nèi)人員疏散通道,使得人員能夠在 預(yù)定的時(shí)間內(nèi)疏散初建筑物; 其二, 在建筑物的設(shè)計(jì)時(shí), 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(shí)間,再根據(jù)設(shè)

11、計(jì)好的方案,計(jì)算出疏散所用 的時(shí)間 t n,i ,并以此為標(biāo)準(zhǔn)來確定建筑物所能夠承受的火災(zāi)荷載。3、疏散時(shí)間和火災(zāi)荷載閾值人員安全疏散時(shí)間 t n,i 包括兩個(gè)部分,第一個(gè)部分是疏散前的滯后時(shí)間 t n,i,1,不同的建 筑結(jié)構(gòu)、探測系統(tǒng)和人員群體,這個(gè)滯后時(shí)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(shí)間 t n,i,2, 解決這個(gè)時(shí)間的辦法是結(jié)合建筑物的特點(diǎn)選用一些比較成熟的適合建筑物特點(diǎn)的 疏散軟件來計(jì)算, 進(jìn)而得到此值。 如 EV ACNET4和 CRISP 等模型適用于計(jì)算辦公樓等類型 的建筑物的人員

12、疏散 4,5?；馂?zāi)荷載的閾值是一個(gè)建筑物內(nèi)火災(zāi)荷載的等效值。 火災(zāi)中危害人身安全的是火災(zāi)產(chǎn)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(zāi)產(chǎn)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(gè)閾值時(shí), 可以 從火災(zāi)荷載所產(chǎn)生的熱量和生成的有毒性氣體的量這兩個(gè)方面著手計(jì)算, 即根據(jù)危及人員生 命安全的熱量值和煙氣層的高度為標(biāo)準(zhǔn)。 當(dāng)煙氣層高于人眼特征高度, 180200的煙氣層 產(chǎn)生的熱輻射將會(huì)對人造成嚴(yán)重灼燒; 當(dāng)煙氣層低于人眼特征高度, 110120的煙氣層將會(huì)對人造成直接燒傷; 在煙氣層低于人眼特征高度時(shí), 還可以根據(jù)可能產(chǎn)生的

13、某種有害燃燒 產(chǎn)物的濃度臨界濃度判定是否達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)。 在火災(zāi)中, 這三種危險(xiǎn)狀況哪一個(gè)先到達(dá)就采 取哪一個(gè)為判斷依據(jù)。當(dāng)前,在模擬煙氣運(yùn)動(dòng)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(jù)不同的要求可以采用不同類型的模擬程序進(jìn)行計(jì)算。4、計(jì)算實(shí)例我們采用某高校學(xué)生宿舍樓為例。宿舍樓有 7層,每層有 39個(gè)宿舍,其平面結(jié)構(gòu)如圖 1所示。每個(gè)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(xiǎn)的情況為例進(jìn)行模擬計(jì)算, 即當(dāng)東頭的樓梯不開放時(shí)的情況, 因此在計(jì)算時(shí)它只是 一個(gè)煙氣的通道, 而不是疏散通道。 運(yùn)用 EVACNET4模擬計(jì)算該宿舍樓疏散時(shí)間。 將 39個(gè)宿 舍簡化成 1圖所示的 10個(gè)房間 R1R10,其中一些參數(shù)如表 1所示。表 1 宿舍樓基本參數(shù)表 通過 EVACNET4程序計(jì)算得, 整個(gè)樓層居住的 864人, 在 355s 內(nèi)疏散出建筑。 計(jì)算的一些 典型結(jié)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(shí)間是不一樣的, 而該 建筑物的整個(gè)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(duì)等

15、待疏散。以上所計(jì)算的疏散時(shí)間是 t n,i 的第二部分時(shí)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(shí)間變化曲線(room1起火時(shí)間 圖 2 不同樓層人員疏散完畢所用時(shí)間變化曲線在某些重要出口的等待時(shí)間,所以這個(gè)疏散時(shí)間還得加上 t n,i 的第一部分時(shí)間 t n,i,1。國內(nèi)外一 些疏散專家學(xué)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(xiàn)得到。本建筑物是某高 校的學(xué)生宿舍樓, 其居住者都是青年學(xué)生, 他們的火災(zāi)意識較強(qiáng), 而且能夠比較快捷的采取 疏散行動(dòng),設(shè)該時(shí)間為 90s 3,則整個(gè)疏散過程所用的時(shí)間為 445s 。運(yùn)用 CFAST401模擬計(jì)

16、算建筑物內(nèi)火災(zāi)煙氣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。分別設(shè)定火災(zāi)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?qū)ㄖY(jié)構(gòu)的劃分不一致, 為了便于計(jì)算, 現(xiàn)將宿舍 簡化成如圖 3所示的房間,進(jìn)行煙氣有關(guān)特性的模擬計(jì)算。通過調(diào)查和簡化,得到的現(xiàn)存每 個(gè)單元內(nèi)的火災(zāi)荷載如表 1所示,首先計(jì)算現(xiàn)存在的這些火災(zāi)荷載在發(fā)生火災(zāi)的時(shí)候到達(dá)危 險(xiǎn)狀態(tài)的時(shí)間是否超過人員疏散所用的時(shí)間 t n,i , 然后以這個(gè)火災(zāi)荷載為基礎(chǔ), 來確定該建筑 物的火災(zāi)荷載閾值。 在這個(gè)算例中, 模擬計(jì)算了由現(xiàn)有的火災(zāi)荷載在發(fā)生火災(zāi)時(shí)所產(chǎn)生的有 毒性氣體 CO 的濃度、不同單元內(nèi)空氣中 O 2的濃度、不同單元內(nèi)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(yùn)用 CFAST 計(jì)算時(shí)該建筑的簡化圖圖 4顯示了不同時(shí)刻不同房間內(nèi)上層空氣中 CO 濃度隨時(shí)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(jié)果表明只有當(dāng) CO 的濃度超過 3200ppm 時(shí)才會(huì)在短時(shí)間 內(nèi)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(gè) 不同房間起火時(shí), 不同房間內(nèi)煙氣層高度隨時(shí)間的曲線。 為了不使火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣影響疏散,在疏散結(jié)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(biāo)準(zhǔn)滿足關(guān)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(jì)算中,設(shè)定著火位置為 0.7m 處,因此 s 的值為 1.76m 。 由 EVACNET4模型計(jì)算出來的疏散時(shí)間表明六樓人員全部疏散完畢所用的時(shí)間為 210s , 而這些 人都必須通過樓梯井即 room6,但是 room6在 160s 的時(shí)候煙氣層便下降到 1.64m ,即表明該數(shù) 據(jù)可以作為判定標(biāo)準(zhǔn)。 圖 7和圖 8分別是 room1和 room4起火時(shí), 不同房間內(nèi)下層溫度隨時(shí)間變 化的曲線, 如圖所示, room6在 210s 時(shí)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(shí),不同房間內(nèi)上層溫度隨時(shí)間 變化的曲線。研究表明,要確保人員安全疏散,則應(yīng)當(dāng)滿足如下關(guān)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(shí)間, 4×103是 結(jié)合 Harber 法則和將老鼠暴露在高溫空氣的實(shí)驗(yàn), 暴露溫度與不能行走時(shí)間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得 到的回歸方程的常數(shù)項(xiàng)。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(shí)間

20、的變化曲線可以近似看成是一條溫度 隨時(shí)間變化直線,結(jié)合圖 9和圖 10,該直線為b t K +=3. 0(3式中, b 是個(gè)常數(shù)。將 3式代入 2式進(jìn)行計(jì)算得:=tedt t dt T 03210155221099. 4 3. 0( (4顯然, 4式計(jì)算出來的結(jié)果明顯大于 2式中給出的結(jié)果。 因此, 這個(gè)結(jié)果也表明該情況下 的火災(zāi)荷載數(shù)量是超過了火災(zāi)荷載的閾值范圍的。至于求解該建筑物的火災(zāi)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(guān) 系不再累述。以 room4著火為例,該單元內(nèi)的火災(zāi)荷載閾值為:紙張 2200Kg ,木材 2200Kg ,纖維 1200Kg 。這些物質(zhì)的熱釋放速率

21、、發(fā)煙量等都是以 CFAST401模型中的標(biāo)準(zhǔn)來定量的。5 、分析上面的算例給出了比較完整的分析計(jì)算過程和明確的結(jié)論判斷。 火災(zāi)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(jié)構(gòu)特點(diǎn) 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(shí)間變化曲線(room1起火 /圖 10 上層溫度隨時(shí)間變化曲線(room4起火 圖 7 下層溫度隨時(shí)間變化曲線(room1起火 溫度 /溫度 /圖 8 下層溫度隨時(shí)間變化曲線(room4起火有著較大的關(guān)系。 它們之間的這些關(guān)系現(xiàn)在還沒

22、有完全弄清楚, 需要進(jìn)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(yùn)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(gè)中廳就相當(dāng)于一個(gè)很大 的煙氣通道, 結(jié)合煙氣在中庭式運(yùn)動(dòng)規(guī)律, 能夠比較容易的計(jì)算出不同樓層內(nèi)所能承載的火 災(zāi)荷載 8。實(shí)際火災(zāi)中,是通過建筑物內(nèi)的火災(zāi)荷載來的熱釋放速率來判定火災(zāi)的大小的, 但是這個(gè)參數(shù)在實(shí)際的工程應(yīng)用中比較難以控制, 而熱釋放速率的大小取決于火災(zāi)荷載。 因 此,在工程應(yīng)用中可以通過設(shè)定一個(gè)比例系數(shù) K 來確定熱釋放速率和火災(zāi)荷載之間的關(guān)系。 在確定火災(zāi)荷載閾值時(shí), 可以先參考已經(jīng)計(jì)算

23、了的例子, 然后根據(jù)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(chǔ)進(jìn)行修改,來得 到所需要的火災(zāi)荷載閾值。 這樣可以減少尋找火災(zāi)荷載閾值的工作。 同時(shí), 還可以根據(jù)建筑 物中所需要放置物品的種類, 進(jìn)行不同類型的火災(zāi)荷載閾值的轉(zhuǎn)換, 以達(dá)到工程的需要。 對 于那些需要放置較多超過火災(zāi)荷載閾值的單元, 還可以通過更改建筑物的結(jié)構(gòu)方式來滿足性 能化防火設(shè)計(jì)的需要。如,擴(kuò)大疏散通道、實(shí)行防火防煙分區(qū)、增大排煙系統(tǒng)的功率,以達(dá) 到工程應(yīng)用的目標(biāo)。6、結(jié)論建筑火災(zāi)中人員安全疏散的研究是一個(gè)很復(fù)雜的問題。本文基于性能化防火設(shè)計(jì)的思 想, 結(jié)合建筑物的結(jié)構(gòu)、 建筑物內(nèi)

24、的火災(zāi)荷載和火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)的規(guī)律來研究火災(zāi)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(nèi)的火災(zāi)荷載的方式來研究建筑物火災(zāi)中人員 疏散問題, 有機(jī)的將建筑物火災(zāi)中人員疏散與所產(chǎn)生煙氣、 熱量等結(jié)合起來, 從理論的角度 上保證了在發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員能夠安全的疏散出建筑物。 在煙氣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、 熱量的傳播以及 火災(zāi)中產(chǎn)生的有毒有害性氣體研究方面, 國內(nèi)外的專家學(xué)者作了很多的研究, 這為分析與研 究火災(zāi)中人員疏散提供了另一個(gè)良好的鍥機(jī)。 同時(shí), 在對這些問題本身的研究以及如何與疏散結(jié)合起來還需要開展大量的實(shí)驗(yàn)研究工作。 參考文獻(xiàn) 1 陳智明,霍然,王浩波,曾德云.某教學(xué)樓火災(zāi)中人員安全疏散時(shí)間德預(yù)

25、測J.火災(zāi)科 學(xué),2003,(1:40-45. 2 袁 理 明 , 范 維 澄 . 建 筑 火 災(zāi) 中 人 員 安 全 疏 散 時(shí) 間 的 預(yù) 測 J. 自 然 災(zāi) 害 學(xué) 報(bào),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.