1火災(zāi)發(fā)展與人員疏散的時(shí)間聯(lián)系國(guó)際應(yīng)急管理學(xué)會(huì)TIEMS

1、大型商場(chǎng)火災(zāi)與人員疏散數(shù)值模擬分析 基金項(xiàng)目：國(guó)家“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAK03B05）；國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃項(xiàng)目（91024031）；中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目（2013JBKY04）國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（71103162）徐永莉（首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院，北京，100070）摘要：為了研究大型商場(chǎng)火災(zāi)時(shí)人員疏散方式對(duì)安全疏散的影響，以某大型商場(chǎng)為例，采用4種疏散方式，使用火災(zāi)模擬軟件PyroSim模擬分析火災(zāi)時(shí)可用安全疏散時(shí)間，并使用疏散模擬軟件Pathfinder分析各種疏散方式所需安全疏散時(shí)間。結(jié)果表明：火源位于

2、三層中庭處時(shí)，使用停運(yùn)的自動(dòng)扶梯作為安全疏散設(shè)施并分層進(jìn)行疏散，可以確保商場(chǎng)內(nèi)全部人員的人身安全。關(guān)鍵詞：大型商場(chǎng)；火災(zāi)；數(shù)值模擬；安全疏散Fire and personnel evacuation numerical simulation analysis of one emporiumXU Yong-li(School of Safety and Environment Engineering, Capital University of Economics and Business, Beijing 100070, China)Abstract: In order to study th

3、e influence of evacuation way for safety evacuation when the fire occurs in one emporium, in the case of emporium, four styles of evacuation are used. Available safety egress time is simulated and analyzed by fire simulation software PyroSim, when the fire happened. Then required safety egress time

4、of four styles of evacuation is analyzed by evacuation simulation software Pathfinder. The results show that the safety of all people are ensured in emporium by using the shut down the escalator as safety evacuation facilities and layered for evacuation when the fire in the three layers of atrium.Ke

5、y words: emporium; fire; numerical simulation; safety evacuation近年來(lái)，大型綜合商場(chǎng)越來(lái)越多，規(guī)模越來(lái)越也大，在給人們帶來(lái)方便的同時(shí)，由于其人員密集、可燃物質(zhì)多、電氣設(shè)備及線路繁多和人員疏散難度大，也帶來(lái)了很大的火災(zāi)危險(xiǎn)，并且容易造成群死群傷?；馂?zāi)事故調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，大部分人員傷亡都是由于人員不能及時(shí)疏散，致使發(fā)生煙氣窒息、高溫灼傷和踩踏。因此，筆者以某大型商場(chǎng)為研究對(duì)象，用PyroSim軟件和Pathfinder軟件對(duì)商場(chǎng)某位置火災(zāi)時(shí)CO質(zhì)量濃度、溫度、能見(jiàn)度和人員疏散情況進(jìn)行模擬，分析火災(zāi)情況下如何對(duì)人員進(jìn)行及時(shí)和有效的疏散。1火

6、災(zāi)發(fā)展與人員疏散的時(shí)間聯(lián)系建筑物發(fā)生火災(zāi)后，人員能否安全疏散主要取決于兩個(gè)時(shí)間參數(shù)，即所需安全疏散時(shí)間（RSET）和可用安全疏散時(shí)間（ASET）。當(dāng)RSETASET時(shí)，建筑物內(nèi)的人員在火災(zāi)時(shí)可以安全疏散；反之，則說(shuō)明建筑物內(nèi)的部分人員在火災(zāi)時(shí)會(huì)遇到危險(xiǎn)1。RSET（tR）包括三個(gè)部分，即tR= t1+ t2+ t3。t1為從起火到發(fā)出報(bào)警時(shí)間，由火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)決定。商場(chǎng)一般采用感煙探測(cè)器，考慮到火災(zāi)報(bào)警器發(fā)出警報(bào)的時(shí)間及工作人員確認(rèn)火災(zāi)并報(bào)警的時(shí)間，將t1設(shè)定為90s2；t2為從火災(zāi)報(bào)警后到人采取行動(dòng)的時(shí)間，即人的預(yù)動(dòng)作時(shí)間。Charters在對(duì)火災(zāi)事故調(diào)查基礎(chǔ)上得出不同場(chǎng)所人員疏散預(yù)動(dòng)作時(shí)間的

7、統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表13。t2設(shè)定為1.81min；表1 不同建筑類(lèi)型的人員疏散預(yù)動(dòng)作時(shí)間統(tǒng)計(jì)建筑類(lèi)型疏散預(yù)動(dòng)作時(shí)間均值/（min）疏散預(yù)動(dòng)作時(shí)間范圍/（min）統(tǒng)計(jì)火災(zāi)次數(shù)/（次）辦公室1.890919商店和商業(yè)場(chǎng)所1.810716公共娛樂(lè)場(chǎng)所2.000928t3為人員從采取行動(dòng)到抵達(dá)安全區(qū)域的時(shí)間，可由人員疏散模擬得到?？紤]到火災(zāi)時(shí)有的出口由于CO質(zhì)量濃度、溫度和能見(jiàn)度的影響不具備安全疏散所需的條件，需要一定的安全系數(shù)作為對(duì)疏散時(shí)間的補(bǔ)償。參考澳大利亞消防工程指南，安全系數(shù)取為1.54。ASET（tA）可由火災(zāi)模擬得到，但需要人員安全判定指標(biāo)。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑火災(zāi)中大部分人員傷亡都是由于煙氣中的

8、CO、高溫?zé)煔夂湍芤?jiàn)度所致，因此選擇CO質(zhì)量濃度、溫度和能見(jiàn)度作為衡量人員安全的指標(biāo)。由文獻(xiàn)5給出的血液中碳氧血紅蛋白濃度與中毒癥狀的關(guān)系和空氣中CO質(zhì)量濃度、吸入時(shí)間與血液中碳氧血紅蛋白濃度的關(guān)系， CO質(zhì)量濃度的安全判定值選取為1.0×10-3kg/m3。對(duì)于溫度，Cranee推薦了溫度與人體極限忍受時(shí)間的關(guān)系式，如式（1）所示。t=4.1×108/（TB2）/B13.61 （1）式中：t表示極限忍受時(shí)間，min；T為空氣溫度，；B1和B2分別為常數(shù)1.0和06，考慮到實(shí)際情況，安全系數(shù)取為0.6，式（1）整理為式（2）。t=2.46×108/T3.61 （2

9、）根據(jù)式（2）計(jì)算，溫度的安全判定值選取為70。在某些情況下，煙氣的溫度并不是很高，但是能見(jiàn)度很低，這會(huì)對(duì)人員的安全疏散產(chǎn)生影響，能見(jiàn)度的安全判定值選取為10m7?；馂?zāi)發(fā)生之后，煙氣逐漸上升，在蔓延過(guò)程中煙氣層下降，當(dāng)煙氣層下降到人員呼吸的高度，CO質(zhì)量濃度、煙氣和能見(jiàn)度溫度達(dá)到人體極限時(shí)，會(huì)導(dǎo)致人員傷亡。因此，判斷CO質(zhì)量濃度、溫度和能見(jiàn)度是否對(duì)人構(gòu)成危險(xiǎn)，通常是以人眼特征處的值作為判斷依據(jù)。人眼的特征高度為1.21.8m8，取人眼特征高度為1.8m。2模型建立某大型商場(chǎng)地處繁華地段，地下有一層，為設(shè)備層（對(duì)火災(zāi)人員疏散影響較小，不予考慮）；地上共五層，一層建筑面積為5654.4 m2，高為

10、5m；二層至五層建筑面積均為5952 m2，高均為4.5m。商場(chǎng)一層有13個(gè)出口，分別位于東側(cè)（1個(gè)）、南側(cè)（5個(gè)）、西側(cè)（2個(gè)）和北側(cè)（4個(gè)）；共有5部剪刀樓梯，分別位于南側(cè)（2個(gè)）、北側(cè)（3個(gè)）；有7部電梯，其中2部貨梯、1部消防電梯、4部普通電梯；還有4臺(tái)自動(dòng)扶梯，如圖1所示。圖1 某大型商場(chǎng)一層平面圖2.1 PyroSim建模在人員疏散過(guò)程中，大部分人集中在三層和四層，并且煙氣蔓延先是上升到最頂端再向下蔓延，把火源設(shè)在三層和四層進(jìn)行模擬對(duì)比發(fā)現(xiàn)，設(shè)在三層時(shí)能見(jiàn)度下降快。因此，根據(jù)“火災(zāi)危險(xiǎn)性最大原則”，將火源放置在三樓中庭處9。按照上海市地方標(biāo)準(zhǔn)DGJ08-88-2006建筑防排煙技術(shù)

11、規(guī)程10中的規(guī)定，火源熱釋放速率取4.0MW，火災(zāi)增長(zhǎng)模型為t2火模型，火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)大小為0.047kW/s2，火源面積為8m2。由于計(jì)算空間較大，考慮到計(jì)算量，將計(jì)算網(wǎng)格尺寸設(shè)定為0.5m×0.5m×0.5m11，火災(zāi)模擬時(shí)間設(shè)定為2400s，ProySim模型如圖2所示。圖2 某大型商場(chǎng)ProySim模型2.2 Pathfinder建模根據(jù)GB50016-2006建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范12中規(guī)定：商店的疏散人數(shù)應(yīng)按每層營(yíng)業(yè)廳建筑面積乘以面積折算值和疏散人數(shù)換算系數(shù)計(jì)算，地上商店的面積折算值宜為50%70%。但因其對(duì)每層疏散人數(shù)換算系數(shù)的規(guī)定已不符合現(xiàn)在的商業(yè)建筑情況，而根據(jù)文

12、獻(xiàn)13的研究成果知，疏散人數(shù)換算系數(shù)為：第一、二層為0.40.6；第三層為0.30.5；第四層及以上各層為0.20.4。因此，面積折算值取0.6，疏散人數(shù)換算系數(shù)取每層最大值。因二層有一個(gè)240m2的空庭，將其單獨(dú)減去。在人員疏散過(guò)程中，由于年齡、性別等的不同，運(yùn)動(dòng)速度是不同的，現(xiàn)根據(jù)BuildingEXODUS利用Fruin的研究成果設(shè)定的不同年齡段和性別人員下樓梯的速度設(shè)定人員速度3。按照上述，各層疏散人員情況見(jiàn)表2。表2 各層疏散人員情況樓層計(jì)算面積（m2）疏散人數(shù)（人）男士百分比（%）及速度（m/s）女士百分比（%）及速度（m/s）1.010.860.670.7550.6650.595

13、3030505030305050一層339220351020322387二層33311999202515102010三層357117865123155015四層357114281483402510五層357114281616428288據(jù)我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB-10000-88中國(guó)成年人人體尺寸14，成年男子肩寬取41.5cm，成年女子肩寬取38.7m。大型商場(chǎng)和自動(dòng)扶梯的Pathfinder模型見(jiàn)圖3，模擬時(shí)間為1500s。圖3 某大型商場(chǎng)和自動(dòng)扶梯的Pathfinder模型2.3 方案設(shè)計(jì)為分析商場(chǎng)火災(zāi)時(shí)各個(gè)疏散通道處CO質(zhì)量濃度、溫度和能見(jiàn)度隨時(shí)間和位置的變化情況，在每一層的樓梯口、自動(dòng)扶梯口

14、及一層每個(gè)出口設(shè)置CO質(zhì)量濃度、溫度和能見(jiàn)度探測(cè)器，距離地面1.8m。在很多商場(chǎng)火災(zāi)事故調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，消防系統(tǒng)總多有失效，考慮到最危險(xiǎn)的情景，假設(shè)商場(chǎng)消防系統(tǒng)全部失效。方案一：建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范中規(guī)定自動(dòng)扶梯和電梯不應(yīng)作為安全疏散設(shè)施，因此，只將5部樓梯和消防電梯作為疏散通道。 方案二：據(jù)資料15可知，停運(yùn)的自動(dòng)扶梯有作為安全疏散樓梯的必要性，而美國(guó)現(xiàn)行的軌道交通客運(yùn)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)2007版中規(guī)定自動(dòng)扶梯允許用作疏散設(shè)施16。因此，將5部樓梯、消防電梯和停運(yùn)的自動(dòng)扶梯作為安全疏散通道。 方案三：考慮到發(fā)生火災(zāi)時(shí)煙氣的流動(dòng)和人員擁堵，在方案一的基礎(chǔ)上，先對(duì)五層人員進(jìn)行疏散；當(dāng)五層人員至三層以下時(shí)，對(duì)三層和

15、四層人員進(jìn)行疏散；當(dāng)三層和四層人員疏散至二層以下時(shí)，對(duì)二層人員進(jìn)行疏散；在五層人員疏散時(shí)，一層人員通過(guò)非樓梯直對(duì)出口疏散。方案四：在方案三的基礎(chǔ)上，將停運(yùn)的自動(dòng)扶梯作為安全疏散通道。3模擬結(jié)果分析3.1 ProySim模擬結(jié)果通過(guò)模擬可知，每層CO質(zhì)量濃度和溫度在2400s內(nèi)各出口附近最大值分別為4.29×104 kg/m3和54.82，沒(méi)有達(dá)到其臨界值，則說(shuō)明CO質(zhì)量濃度和溫度在這段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有對(duì)人構(gòu)成傷害。因此，只將能見(jiàn)度作為衡量所需安全疏散時(shí)間的指標(biāo)。見(jiàn)圖4。 a t=280.8s b t=492s 圖4 五層能見(jiàn)度隨時(shí)間變化情況280.8s時(shí)，樓梯2和3的樓梯口處在一定范圍內(nèi)，

16、能見(jiàn)度開(kāi)始下降到10m以下。492s時(shí)，樓梯間和自動(dòng)扶梯處能見(jiàn)度均降到10m以下，這時(shí)五層所有的疏散出口已不適于人員疏散，人員處于危險(xiǎn)狀態(tài)。隨著時(shí)間的增加，能見(jiàn)度將逐漸下降，人員要在這之前疏散到下個(gè)樓層，才能保證人身安全。其他樓層作同樣分析，如表3所示。表3 三層至五層能見(jiàn)度達(dá)到臨界值時(shí)間（ASET）表時(shí)間樓層所有樓梯間能見(jiàn)度達(dá)到臨界值的時(shí)間/s自動(dòng)扶梯處能見(jiàn)度達(dá)到臨界值的時(shí)間/s五492492四6121300三111618963.2 Pathfinder模擬結(jié)果方案一和方案二各層人員疏散出本樓層所需安全疏散時(shí)間tR1，按各部分的組成可根據(jù)tR1=90s+108.6s+1.5t3計(jì)算。而方案三

17、和方案四，在計(jì)算三層和四層的人疏散時(shí)將五層人員疏散至三層以下所用時(shí)間加上；在計(jì)算二層人員疏散時(shí)間時(shí)將三層和四層疏散到二層以下所用時(shí)間加上，如表4所示。3.3 結(jié)果分析從表4可知，各方案中的一層和二層的RSET均小于2400s，說(shuō)明一層和二層一直處于安全狀態(tài)，因此對(duì)其不做分析。表4 各層所需安全疏散時(shí)間（RSET）表時(shí)間樓層各層所需安全疏散時(shí)間/s方案一方案二方案三方案四五1481.11308.6519.6479.1四1541.11341.61255.31136.4三1593.61427.11311.31208.4二1646.11475.11752.41563.9一1697.11519.3188

18、6.41619.4對(duì)于方案一，從人員疏散整體來(lái)看，雖然人員疏散總時(shí)間小于一層出口達(dá)到危險(xiǎn)的時(shí)間，但是從各層疏散時(shí)間情況來(lái)看，卻存在危險(xiǎn)。五、四、三層的REST均大于ASET，并且五層和四層的RSET約是ASET的3倍，如圖5所示。這說(shuō)明在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，以此方式疏散，五、四、三層大部分人員將處于非常危險(xiǎn)狀態(tài)。從模擬過(guò)程可以看出，雖然一層有13個(gè)出口，但是在疏散時(shí)，二層以上人員只會(huì)選擇5部樓梯直對(duì)的5個(gè)出口，使一層其他出口在一層人員疏散至安全區(qū)域后沒(méi)有起到疏散作用。同時(shí)，在這5個(gè)出口處出現(xiàn)大量人員擁堵現(xiàn)象，使人員處于危險(xiǎn)狀態(tài)。圖5 方案一的ASET與RSET對(duì)比圖對(duì)于方案二，雖然增加了疏散通道，三層

19、人員可以安全疏散，但由于樓梯間大量擁堵，五層和四層的人仍無(wú)法在危險(xiǎn)到達(dá)前疏散到安全區(qū)域，特別是五層，RSET約是自動(dòng)扶梯處ASET的2.7倍，如圖6所示。這說(shuō)明雖將自動(dòng)扶梯作為疏散通道減少了RSET，但仍不能滿足安全需要。圖6 方案二的ASET與RSET對(duì)比圖比較方案三與方案一各層對(duì)應(yīng)的RSET可知，方案三大大減少了五層所需安全疏散時(shí)間，同時(shí)四層和三層所需安全疏散時(shí)間也減少約280s。但五、四、三層仍有部分人員處于危險(xiǎn)狀態(tài)，特別是四層，如圖7所示。這說(shuō)明采取分層疏散仍不能滿足安全疏散。圖7 方案三的ASET與RSET對(duì)比圖比較方案四與方案一各層對(duì)應(yīng)的RSET可知，方案四種五層疏散時(shí)間減少了2/

20、3，四層和三層疏散時(shí)間減少了約400s；比較方案四與方案三各層對(duì)應(yīng)的RSET可知，五層疏散時(shí)間減少了39.9s，四層和三層疏散時(shí)間減少約100s，如圖8所示。圖8 方案四與方案一和三的RSET對(duì)比圖比較方案四的RSET與自動(dòng)扶梯處的ASET可知，各層RSET均小于ASET。這說(shuō)明采用此方式進(jìn)行人員疏散可以保證每層人員及時(shí)到達(dá)安全區(qū)域，如圖9所示。圖9 方案四的RSET與自動(dòng)扶梯處的ASET對(duì)比圖4結(jié)論與展望本文所研究的商場(chǎng)空間大，三層中庭著火時(shí)，各層的溫度和CO質(zhì)量濃度達(dá)不到危險(xiǎn)值。因此，在采取安全措施時(shí)要以降低能見(jiàn)度作為主要目標(biāo)，以五層為重點(diǎn)，同時(shí)將三層和四層作為安全管理的重點(diǎn)。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)

21、，若將停運(yùn)的自動(dòng)扶梯作為樓梯用于人員疏散，人員可以通過(guò)自動(dòng)扶梯進(jìn)入一層，通過(guò)一層其他（非樓梯直對(duì)）出口疏散，減少所需安全疏散時(shí)間。這就要求設(shè)計(jì)者在自動(dòng)扶梯的設(shè)計(jì)和位置設(shè)置時(shí)將其作為人員疏散的樓梯考慮。根據(jù)火災(zāi)發(fā)生位置產(chǎn)生的危險(xiǎn)情況，安排不同樓層人員的疏散路線，減少擁堵。對(duì)人員疏散的安排：將停運(yùn)的自動(dòng)扶梯作為疏散通道的前提下，五層人員疏散至三層以下時(shí)，三層和四層人員進(jìn)行疏散，當(dāng)三層和四層人員疏散至二層以下時(shí)，二層人員進(jìn)行疏散；在五層人員疏散時(shí)，一層人員通過(guò)非樓梯直對(duì)出口疏散。這樣可以保證每層人員在能見(jiàn)度達(dá)到臨界值之前疏散到安全區(qū)域。筆者只考慮了一個(gè)火源位置和一種疏散方式，若火源位置不同，則疏散路線不同，并且一個(gè)火源位置有多種疏散方案。應(yīng)找出不同方案的最小所需安全疏散時(shí)間，對(duì)不同火源位置的最小所需安全疏散時(shí)間統(tǒng)計(jì)，規(guī)劃出不同火源位置最佳的疏散路線，將其列入火災(zāi)應(yīng)急指揮系統(tǒng)，并對(duì)商場(chǎng)工作人員按其進(jìn)行應(yīng)急演練。這樣在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，應(yīng)急指揮系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的判斷疏散路線，指導(dǎo)商場(chǎng)工作人員引導(dǎo)顧客進(jìn)行疏散，保證所有人的安全。參考文獻(xiàn)1 李琳,程遠(yuǎn)平,吳蕾等.高校學(xué)生宿舍消防安全疏散J.消防科學(xué)與技術(shù),2010,29(2):122-125.2 李鈺.大型商業(yè)建筑性能化防火設(shè)計(jì)研究D.西安:西安建筑科技大學(xué),2005.3 徐方,魏東,魏星.公眾聚集場(chǎng)所人群疏散基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的分析J.中國(guó)安