基于計算機模擬技術(shù)的電子廠房疏散設計研究

齊應茹 趙長勇

(陜西消防總隊延安支隊，陜西延安 716000)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和電子產(chǎn)品的日益增多，我國出現(xiàn)了大量體量龐大、功能復雜的大型電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠房。這些廠房在使用功能、建筑材料、結(jié)構(gòu)形式等方面與傳統(tǒng)的電子廠房都有很大不同，建筑設計方案已無法滿足我國規(guī)范的要求。現(xiàn)行國家規(guī)范GB 50016-2006建筑設計防火規(guī)范第3.7.4條對廠房內(nèi)任一點到最近安全出口的距離進行了明確規(guī)定，但是如果按照此規(guī)定執(zhí)行，很多廠房的設計方案將無法滿足此要求。本文以某項目疏散問題為研究對象，采用性能化消防設計的方法進行論證，以期找到解決類似工程問題的方法。

1 工程概況

某電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠房的火災危險性分類為丙類，建筑占地面積92 153 m2，建筑面積357 855 m2，采用鋼框架結(jié)構(gòu)，按一級耐火等級進行防火設計。生產(chǎn)廠房分為大跨度的核心凈化生產(chǎn)區(qū)、支持區(qū)與辦公區(qū)。其中核心凈化生產(chǎn)區(qū)3層，建筑高度28 m。

按照國家規(guī)范GB 50016-2006建筑設計防火規(guī)范第3.7.4條規(guī)定，本項目生產(chǎn)區(qū)最大疏散距離均超過40m，最遠距離為90m，疏散距離不滿足規(guī)范要求。另外，樓梯在首層無法直通室外，此難點也無法滿足規(guī)范規(guī)定，如圖1所示。

圖1 標準層平面圖

2 解決方案

綜合上面分析的因素，按照前文所提到的新型數(shù)字化建筑防火設計方法，對原方案提出修改調(diào)整，并通過理論分析，來論證此方案的科學性和可行性。

2.1 防火分區(qū)

現(xiàn)行國家標準GB 50472電子工業(yè)潔凈廠房設計規(guī)范第6.2.3條規(guī)定:“潔凈廠房內(nèi)防火分區(qū)的劃分，應符合現(xiàn)行國家標準GB 50016-2006建筑設計防火規(guī)范(以下簡稱《建規(guī)》)的有關(guān)規(guī)定。丙類生產(chǎn)的電子工業(yè)潔凈廠房的潔凈室(區(qū))，在關(guān)鍵生產(chǎn)設備設有火災報警和滅火裝置以及回風氣流中設有靈敏度嚴于0.01%obs/m的高靈敏度早期火災報警探測系統(tǒng)后，其每個防火分區(qū)的最大允許建筑面積可按生產(chǎn)工藝要求確定。”第6.2.4條規(guī)定:“潔凈室的上技術(shù)夾層、下技術(shù)夾層和潔凈生產(chǎn)層，當按其構(gòu)造特點和用途作為同一防火分區(qū)時，上、下技術(shù)夾層的面積可不計入防火分區(qū)的建筑面積，但應分別采取相應的消防措施。”

本建筑內(nèi)關(guān)鍵生產(chǎn)設備自帶火災報警和滅火裝置以及在回風氣流中設有靈敏度嚴于0.01%obs/m的高靈敏度早期火災報警探測系統(tǒng)。根據(jù)上述規(guī)定，本項目防火分區(qū)可按實際工藝要求進行設置，三層核心區(qū)及下夾層劃為一個防火分區(qū)。

2.2 疏散設計

《電規(guī)》第6.2.7條第3款規(guī)定:“丙類生產(chǎn)的電子工業(yè)潔凈廠房，在關(guān)鍵生產(chǎn)設備自帶火災報警和滅火裝置以及回風氣流中設有靈敏度嚴于0.01%obs/m的高靈敏度早期火災報警探測系統(tǒng)后，安全疏散距離可按工藝需要確定，但不得大于本條第2款規(guī)定的安全疏散距離的1.5倍(60 m)。”基于廠房疏散距離過長，首層中部部分疏散樓梯不能直通室外，現(xiàn)在原方案基礎上增加安全疏散走道，利用安全走道將疏散樓梯與室外安全出口進行連接，以保障人員的安全疏散，如圖2所示。

圖2 安全走道的范圍示意圖

同時，為確保安全通道的安全性，根據(jù)首層安全走道的范圍及相關(guān)規(guī)范的要求，提出以下加強措施:1)走道樓板的耐火極限不低于1.50 h，兩側(cè)隔墻采用防火墻;2)走道直通室外的出口不少于2個，并設置在不同方向;3)走道的凈寬度不小于任一防火分區(qū)通向走道的設計疏散總凈寬度;4)走道內(nèi)部裝修材料的燃燒性能為A級;5)走道內(nèi)設置消火栓、消防應急照明、應急廣播和消防專線電話;6)一層支持區(qū)安全疏散出口均直接向室外開啟，人員直接向室外進行疏散。

3 對方案安全分析

通過對原設計方案的修改，增加了安全疏散通道和防煙樓梯間等措施，如何判斷該方案是否滿足人員安全疏散的目標，則需要對方案進行安全分析。首先分析待評估建筑的火災危險性，并根據(jù)火災危險性設定合理的火災場景;然后用計算機模擬程序?qū)υO定火災場景下的火災煙氣、溫度等火災動力學參數(shù)進行計算，得到人員可用疏散時間TASET;再根據(jù)設定火災場景設置相應的人員安全疏散場景，并利用人員安全疏散模擬軟件對設定疏散場景下的人員疏散情況進行計算，得到人員必需疏散時間TRSET;最后證明TASET＞TRSET是否成立。即如TASET＞TRSET，則可以認為在設計的設定火災場景條件下，建筑內(nèi)的人員能在火災產(chǎn)生的不利因素影響到生命安全之前全部疏散到安全區(qū)域。反之，則判定現(xiàn)消防設計方案不能滿足人員安全疏散的要求，需要進行修改。

3.1 火災模擬過程分析

3.1.1 建筑火災研究

火災研究采用由美國國家標準與技術(shù)研究院(NIST)開發(fā)的FDS軟件進行分析。首先對建筑進行三維建模，然后對建筑內(nèi)火源位置、火災曲線、火災功率、建筑消防設備等內(nèi)容進行設定。在此基礎上，定量模擬分析出該建筑在火災狀態(tài)下火災蔓延、空氣層溫度和煙氣濃度等特性。

3.1.2 火災設計

為考察安全通道的安全性，原設計確定了10個火源位置共30個火災場景進行論證，同時考慮了自動滅火系統(tǒng)和機械防排煙系統(tǒng)的不同工況組合。本文選取其中具有代表性的2個火災場景進行說明。

1)火源位置。

火源位置A:該場景設定火災發(fā)生在一層電氣室，主要考慮電氣設備發(fā)生火災對安全通道的影響。火源位置B:該場景設定火災發(fā)生在一層核心區(qū)，考慮火源附近的安全通道被封堵的不利情形。

2)火災增長曲線。

火災增長曲線的數(shù)學模型采用t2火災模型，如式(1)所示:

其中，Q為火源熱釋放速率，kW;α為火災增長速率，kW/s2;t為火災的燃燒時間，s。

對于t2火災的類型，國際標準ISO/TS 16733中根據(jù)火災增長系數(shù)的值定義了4種標準t2火災:慢速火、中速火、快速火和超快速火，保守考慮，火災按快速火發(fā)展考慮，取α=0.046 89 kW/s2。

3)火災功率。

火災工況考慮有噴淋保護，火災功率則參照上海市工程建設規(guī)范DGJ 08-88-2006民用建筑防排煙技術(shù)規(guī)程進行選取。無噴淋保護則參照托馬斯轟燃公式進行計算，如式(2)所示:

其中，Q為發(fā)生轟燃時的熱釋放速率，kW;At為房間的內(nèi)表面積，m2;Aw為通風口面積，m2;Hw為通風口高度，m。綜上所述，設定火災場景如表1所示。

表1 火災場景設定

3.1.3 火災模擬分析

影響人員安全疏散的主要性能參數(shù)包括煙氣層高度、對流熱、熱輻射、能見度、煙氣毒害性等方面。通過分析燃燒結(jié)果中特性參數(shù)，量化影響人員安全疏散的判定數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 人員安全判據(jù)

通過對設定火災場景的模擬分析，可得到火災中影響人員安全的各項參數(shù)值，量化為安全時間來表示，具體如表3所示。

表3 人員疏散安全性判定

3.2 人員疏散研究

人員疏散研究采用由英國開發(fā)的pathfinder來進行分析。首先對建筑進行數(shù)字化三維建模，然后通過設定火災場景、人員數(shù)量、密度、位置、速度等參數(shù)模擬人員的實際疏散行為。模擬輸出結(jié)果包括人員疏散所用時間，選擇的出口位置、人員構(gòu)成、人員個體屬性、通過各樓梯或出口的人數(shù)等。

在設定火災場景條件下，人員能在火災影響到生命安全以前全部疏散到安全區(qū)域，則可認為方案可行;反之，則認為現(xiàn)有消防設計方案不能滿足人員安全疏散的要求，需要進行改進。即:TRSET＜TASET。

由表3中可以看出由于設定了安全走道，在各種工況下，人員均能安全疏散。通過分析可知，消防設備的有效對于建筑內(nèi)人員安全疏散極其重要。在消防設計中，應加強自動噴水滅火系統(tǒng)、機械排煙系統(tǒng)的設置，在實際運行中也應保證其能完好有效。

綜上所述，本節(jié)利用計算機輔助方法，通過分析火災條件下的人員安全疏散過程及其與火災發(fā)展、煙氣蔓延時間的關(guān)系，論證了安全走道的可行性。

4 結(jié)語

大型廠房功能復雜，如何劃分防火分區(qū)，正確合理布置安全走道和疏散樓梯，確保其安全性，是其防火設計的難點。運用建筑火災安全工程學的基本原理，以計算機為輔助，引入安全走道等新型設計理念，利用新型建筑防火設計方法可以很好的解決這些難點。本文經(jīng)論述可知，利用“安全走道”的疏散設計方案，可以幫助解決電子廠房疏散距離過長的問題，實現(xiàn)人員的安全疏散。

［1］ GB 50016-2006，建筑設計防火規(guī)范［S］.

［2］ GB 50045-95，高層民用建筑設計防火規(guī)范［S］.

［3］ DBJ 50-054-2006，上海市防排煙技術(shù)規(guī)程［S］.

［4］ 李引擎.建筑防火性能化設計［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2005.