某商業綜合體室內步行街火災初期煙氣危險性數值模擬

宗周文，李建華

(武警學院 a.研究生隊； b.消防指揮系，河北 廊坊 065000)

某商業綜合體室內步行街火災初期煙氣危險性數值模擬

宗周文a，李建華b

(武警學院 a.研究生隊； b.消防指揮系，河北 廊坊 065000)

運用PyroSim軟件，以某典型商業綜合體室內步行街為對象建立模型，以一氧化碳濃度、煙氣層溫度、能見度、可用安全疏散時間為指標，分別設定九組工況進行煙氣危險性數值模擬。對比分析了三組最不利工況條件下火災煙氣運動及特性參數變化情況，在此基礎上分析得到火災初期煙氣危險性主要表現為煙氣遮光性所帶來的能見度的迅速下降。

數值模擬；室內步行街；煙氣危險性；火災初期

0 引言

室內步行街作為商業綜合體的標志性建筑設計，起到連接各樓層、各區域，融合室內室外空間的作用。從防滅火角度看，室內步行街作為消防性能化設計中的“亞安全區”，既是人員疏散與逃生的主要通道，更是火災發生后消防員深入內部滅火救援的主要陣地。商業綜合體室內步行街一旦發生火災，滅火救援力量應及時在火災初期于步行街處展開行動。因此，深入分析商業綜合體室內步行街火災初期煙氣危險性，對于指導消防部隊制定火災現場人員疏散與救助方案，控制火勢進一步蔓延，最大限度減小火災危害和損失具有十分重要的意義。

1 火災場景模型設計

某商業綜合體室內步行街共三層，總建筑面積為35 148.49 m2，其中一層12 511.19 m2，二層10 909.6 m2，三層11 727.7 m2。三個樓層(含兩側商鋪)作為一個防火分區，面積遠遠超過《建筑設計防火規范》[1]對低多層防火分區建筑面積不超過5 000 m2的規定。步行街各層之間通過10個中庭上下貫通，其中8個矩形中庭，一個400 m2圓形中庭，一個600 m2橢圓形中庭。步行街模型及首層、二三層布局如圖1、圖2、圖3所示。步行街設有火災自動報警系統、機械排煙及加壓送風系統(商鋪內和中庭頂部設機械排煙口)、自動噴水滅火系統、智能定位水炮等消防設施。步行街兩側為商鋪、餐飲和生活配套用房。

1.1 火災模擬軟件

PyroSim[2]是由美國國家標準與技術研究院(NIST)研發的專門用于火災動態仿真模擬的軟件。該軟件以計算流體動力學為理論依據，為火災動態模擬提供了一個圖形用戶界面，可用來創建火災模擬，仿真模擬預測火災煙氣流動、火災溫度和有毒有害氣體濃度分布。

圖1 某商業綜合體室內步行街PyroSim模型

圖2 步行街首層示意圖

圖3 步行街二層、三層示意圖

1.2 火源位置設置

室內商業步行街兩側商鋪的火災荷載大，是容易發生火災的地方；步行街內的可燃物數量少，發生火災的概率小，但發生火災后容易影響兩側商鋪及人員通過步行街疏散的安全；三層相對于一層，煙氣溫度會更高。因此，確定火源位置時，需要考慮火災發生在步行街內、首層步行街兩側商鋪以及三層步行街兩側商鋪等不同位置。一般而言，把建筑發生火災后的15 min作為火災初期增長階段，對于商業綜合體這種大空間，火災蔓延發展需要更多時間，為了更好地研究火災初期煙氣危險性，本文模擬時間設定為1 200 s?；鹪次恢萌鐖D4所示，三層共有7個防煙樓梯間，分別編為1～7號，如圖5所示。

火源位置A：火源位于步行街首層右側橢圓形中庭，起火物或對象為步行街內臨時布置的裝飾物、座椅或售貨亭，主要用于模擬室內步行街中庭著火后煙氣蔓延情況。

圖4 火源位置示意圖

圖5 三層各安全出口位置

火源位置B：火源位于首層中間的安全出口附近精品店內，店內建筑面積大于300 m2，起火對象為服裝、貨架等，主要用于模擬在商鋪與步行街之間的防火分隔失效的情形下，沿主通道商鋪內發生火災后煙氣蔓延可能威脅首層圓形中庭附近安全出口的人員疏散的情況。

火源位置C：位于三層右側橢圓形中庭附近餐飲店內，起火對象為餐桌、桌椅和桌布等，主要用于模擬在餐飲店著火且防火分隔措施失效的情形下，火災發生在步行街另一端時煙氣的蔓延可能會出現的與火源位置A或B不同的情況。

1.3 火災場景設計

在設定三種不同的火源位置的基礎上，根據消防自動噴水滅火系統和機械排煙系統能否有效動作分為九組工況。根據公安部天津消防研究所做的服裝火災試驗、美國NIST和加拿大NRC(National Research Council)做的桌椅火災試驗的結果，保守地確定精品店、餐飲店、步行街發生火災時為t2快速發展火，火災增長系數α=0.046 89 kW·s-2。本模擬設計的火災場景匯總見表1。

表1 火災場景匯總

1.4 網格劃分

一般網格尺寸越小，計算精度越高，但網格尺寸過大或者過小均會引起較大的計算誤差。網格敏感性分析表明，網格尺寸的經驗值為特征火焰直徑的1/4～1/16較為合適，應用中可取1/8～1/12。綜合考慮時效性與滿足模擬計算精度的前提下，此次模擬設定的網格尺寸為0.5m×0.5m×0.5m。

1.5 煙氣危險性判據

1.5.1 煙氣層高度

火災案例和試驗表明，煙氣的熱作用、毒性和遮光性是造成人員傷亡的主要因素，所以，本文擬從能見度、毒性氣體的濃度、煙氣層溫度三個方面分析室內步行街火災初期煙氣危險性。發生火災后，只有當煙氣層位于人群頭部以上一定高度，才能保證人員疏散時不受熱煙氣流輻射熱的直接威脅。因此，本文設定人員疏散過程中煙氣層應該保持在距地面2.0m以上的位置。

1.5.2 能見度

能見度是衡量火場中人員能否自主疏散逃生的重要指標。據不完全統計，火場能見度臨界值，從1.5m到13m都有人提出過。美國消防工程師協會(SFPE)《消防工程手冊》[3]建議的火場能見度臨界值為13m。澳大利亞《消防工程師指南》建議能見度臨界值為小空間5m、大空間10m。因為商業綜合體室內步行街屬于大空間大跨度，所以本文能見度臨界值確定為10m。

1.5.3 一氧化碳濃度

一氧化碳濃度是反映人員在疏散過程中吸入有毒氣體而發生中毒程度的一個指標。當人體呼吸到一氧化碳后，一氧化碳會與人體內的血紅蛋白相結合，消耗血液中的氧，生成對人體有害的化合物，危害人的生命。美國消防工程師協會(SFPE)《消防工程手冊》指出人在一氧化碳濃度為1 000ppm的環境中的極限安全時間為30min，而500ppm作為相對較低的濃度，在該濃度下可允許停留的時間較長。保守起見，本文采用300ppm作為一氧化碳濃度危險值判定指標。

1.5.4 煙氣層溫度

火場中，當煙氣層下降到距離地面2m以下高度時，煙氣的熱作用是主要危險因素。美國消防工程師協會(SFPE)《消防工程手冊》指出：人在不高于60 ℃煙氣層環境中，可以堅持約30min，若建筑內部疏散距離較短，可以選擇較高的溫度值。由于商業綜合體內部疏散距離較長，因此本文確定煙氣層溫度極限值為60 ℃。

綜上所述，本文設定人員疏散過程中煙氣層應該保持在距地面2.0m以上的位置，確定的煙氣危險性指標判據見表2。

表2 煙氣危險性指標判據

2 數值模擬

2.1 模擬數據處理

該商業綜合體室內步行街共三層，分布有精品店、餐飲、娛樂設施等，人流密度較大。一旦發生火災，煙氣借助中庭、開口、豎井等迅速上升到三層然后沉降。模擬中，通過在三層各安全出口處設置測點，可以得到三層各安全出口處可用安全疏散時間tASET。本文著眼于分析最不利條件下(自動噴水滅火系統、機械排煙系統、兩側商鋪和步行街防火分隔均失效)室內步行街火災初期煙氣危險性，因此，分別選取三處不同火源位置，自動噴水滅火系統及機械排煙系統均失效條件下(A00工況、B00工況、C00工況)的煙氣運動情況進行對比分析。

2.1.1 煙氣發展蔓延

圖6～圖8分別截取了A00、B00、C00工況在300s和600s情況下的煙氣蔓延動態，對比了煙氣在不同火源位置條件下同一時間的蔓延變化情況。從圖中可以看到，大中庭是煙氣迅速向上層蔓延的主通道。

2.1.2 能見度變化

圖9～圖11分別截取了A00、B00、C00工況在三層距地面2m高度處300s和600s條件下煙氣能見度變化情況，對比了煙氣在不同火源位置條件下同一時間的能見度變化情況。從圖中可以看出，大中庭附近安全出口能見度下降較快。

圖6 火災場景A00煙氣蔓延情況

圖7 火災場景B00煙氣蔓延情況

2.2 模擬結果

2.2.1 可用安全疏散時間

圖8 火災場景C00煙氣蔓延情況

圖9 火災場景A00能見度變化情況

可用安全疏散時間即從火災發生到火災發展至威脅人員安全疏散時的時間間隔。在模擬時間1 200s內，煙氣層溫度及毒性氣體濃度均保持在危險臨界值以下。因此，以能見度下降至臨界值10m所需時間作為三層各安全出口處可用安全疏散時間，見表3(表中數據來源于模擬)。

2.2.2 煙氣蔓延特點及規律

圖6～圖8分別為截取的火災發生后三種工況在300s、600s時的煙氣蔓延情況。從圖中可以看出，首層一旦發生火災，煙氣迅速沿中庭上升至三層頂棚，然后沿著步行街向另一端蔓延擴散至整個步行街及兩側商鋪。

圖10 火災場景B00能見度變化情況

圖11 火災場景C00能見度變化情況

2.2.3 距地面2m高度處煙氣特性參數

圖12和圖13分別是A00工況、B00工況在三層距離地面2m高度處煙氣特性參數(CO濃度、溫度)變化情況。對于A00工況，三層測點3處煙氣特性參數數值較高，溫度最高值為63 ℃，CO濃度遠遠低于危險值；對于B00工況，三層測點7處煙氣特性參數數值較高，CO濃度最高值128ppm，溫度在1 200s內均低于60 ℃。

2.3 結果對比

參照圖6～圖13，從煙氣發展蔓延、能見度變化、可用安全疏散時間、煙氣特性參數四個方面對模擬工況進行對比，具體見表4和表5(表中數據來源于模擬)。

表3 三種工況下三層各安全出口tASET

圖12 A00工況三層各安全出口處CO濃度、溫度隨時間變化情況

3 結論

3.1 火災初期(1 200s模擬時間內)，最易受到火災煙氣威脅的是三層，室內步行街中庭是煙氣橫縱蔓延的主要途徑，特別是大中庭設計在火災條件下產生“煙囪效應”，易加速煙氣的蔓延。

圖13 B00工況三層各安全出口處CO濃度、溫度隨時間變化情況

3.2 當火源位置位于A，即右側橢圓形中庭處，三層距離火源最近的安全出口1、2、3最易受到威脅，可用疏散時間最短。當火源位置位于B，即左側圓形中庭附近精品店時，安全出口5、6、7最易受到威脅。當火源位置位于C，即三層餐飲店時，安全出口1、2、3最易受到威脅。

3.3 就火災危險性而言，室內步行街兩側精品店火災危險性大于室內步行街臨時設置的移動展臺、售貨亭的火災危險性；就起火位置而言，同樣是在首層，若首層中庭部位發生火災，將給煙氣上升蔓延帶來有利條件，特別是短時間內就會迅速降低三層各安全出口處的能見度，給人員疏散帶來嚴重威脅。

3.4 商業綜合體室內步行街屬于大跨度大空間，地上樓層由多個中庭貫通，一旦發生火災，煙氣會迅速向頂棚蔓延，火災初期(1 200s內)，在內部固定設施不能有效動作條件下，煙氣危險性主要表現在煙氣遮光性所導致的能見度的迅速下降。當能見度下降至臨界值(10m)以下時，會給室內人員疏散帶來不便和心理上的極大恐慌，特別是在主要疏散出口出現人員擁擠，樓梯間上下人員出現對沖。同時，能見度下降至臨界值以下也給現場消防員進入火場內部進行戰斗展開帶來極大困難：一是火情偵察困難，難以及時準確定位火點；二是人員搜救困難，難以快速有效到達人員被困部位；三是撤退避險困難，容易出現內攻人員迷失方向及被墜落物砸傷的情況。

[1]GB50016—2014,建筑設計防火規范[S].

[2] 呂淑然.火災與逃生模擬仿真中文教程與工程應用[M].北京:化學工業出版社,2014.

[3] 美國消防工程師協會(SFPE).消防工程手冊[M].

(責任編輯 李 蕾)

The Numerical Simulation of the Initial Fire Smoke Hazards in the Complex Commercial Indoor Pedestrian Streets

ZONG Zhouwena, LI Jianhuab

(a.TeamofGraduateStudent;b.DepartmentofFireCommanding,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

The paper uses the PyroSim software to model and simulates the smoke diffusion under fires in complex commercial indoor pedestrian streets. By setting nine different diffusion conditions and by using evaluation indexes of carbon monoxide, smoke layer temperature, visibility, available safety evacuation time, the fire smoke hazards in the early period of fire were evaluated. The smoke diffusion and characteristic parameters about three most unfavorable working conditions were analyzed. The simulation results indicate that the rapid decline of visibility because the smoke light-blocking is the main hazard in the early period of fire.

numerical simulation; indoor pedestrian street; smoke hazards; initial fire

表4 A00工況和C00工況對比分析

表5 A00工況和B00工況對比分析

2015-10-29

宗周文(1991— )，男，江蘇江都人，武警學院消防指揮學專業在讀碩士研究生； 李建華(1958— )，男，江西南昌人，教授。

D631.6

A

1008-2077(2015)12-0058-07

●消防安全評價