基于人員疏散的防護(hù)工程消防噴淋系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

茅靳豐 余南田 周進(jìn) 鄧忠凱

陸軍工程大學(xué)國防工程學(xué)院

0 引言

防護(hù)工程是指具有抗高強(qiáng)度精確打擊能力的綜合保障地下防御工程[1]，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與一般地下建筑不同。防護(hù)工程發(fā)生火災(zāi)時(shí)，相對于地面其他建筑，防護(hù)工程內(nèi)部特殊的“口袋型”（單向通道）特點(diǎn)以及特有的通風(fēng)形式使得防護(hù)工程內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員疏散較地面普通建筑更為困難，人員及財(cái)產(chǎn)安全更難保證。因此，深入研究防護(hù)工程火災(zāi)時(shí)煙氣擴(kuò)散規(guī)律，確定人員疏散最佳方案，對防護(hù)工程性能化防火及確定人員安全具有重要價(jià)值。目前火災(zāi)安全問題的研究方法主要有三種：全尺寸實(shí)驗(yàn)，縮尺寸實(shí)驗(yàn)以及計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬[2]?；馂?zāi)實(shí)驗(yàn)具有較大的破壞性與危險(xiǎn)性，實(shí)驗(yàn)成本高，測量結(jié)果受到測點(diǎn)位置及儀器精度限制，一次實(shí)驗(yàn)只能得到有限的數(shù)據(jù)。因此，利用計(jì)算機(jī)軟件對火災(zāi)疏散問題進(jìn)行數(shù)值仿真研究成為了非常重要的研究手段，計(jì)算機(jī)仿真研究結(jié)果的正確性已經(jīng)被國內(nèi)外眾多學(xué)者認(rèn)可[3-6]。

筆者在計(jì)算機(jī)火災(zāi)模擬軟件FDS平臺(tái)上，基于大渦模擬算法采用Herbing社會(huì)力模型[7]對防護(hù)工程發(fā)生火災(zāi)時(shí)煙氣特性及人員逃生進(jìn)行了仿真分析。

1 軟件介紹及建模

1.1 FDS軟件介紹

FDS軟件是美國國家標(biāo)準(zhǔn)研究所NIST建筑火災(zāi)研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的模擬火災(zāi)中流體運(yùn)動(dòng)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件[8]。該軟件采用數(shù)值方法求解受火災(zāi)浮力驅(qū)動(dòng)的低馬赫數(shù)流動(dòng)的N-S方程，重點(diǎn)計(jì)算火災(zāi)中的煙氣和熱傳遞過程。軟件中FDS+EVAC模型是基于FDS平臺(tái)的火災(zāi)逃生模型，可以仿真模擬火災(zāi)中人員的逃生情況，它以Herbing社會(huì)力模型為基礎(chǔ)，用網(wǎng)格計(jì)算每個(gè)人的運(yùn)動(dòng)方程，從而仿真人員疏散行為。

1.2 物理模型設(shè)定

模型是根據(jù)某防護(hù)工程中某一防火分區(qū)建立的，如圖1。整個(gè)防火分區(qū)由一個(gè)長為40 m，寬2 m的走廊和走廊兩邊的房間組成，走廊的兩端為防火卷簾門，房間的大小為5 m×5 m，墻厚為0.2 m，層高為3 m?；鹪吹奈恢靡话阍O(shè)置發(fā)生在最不利工況處，即火源發(fā)生在建筑物其中的一個(gè)安全出口處，設(shè)置火災(zāi)場景為靠近防火卷簾門的一房間內(nèi)。在房間內(nèi)設(shè)置一個(gè)測點(diǎn)位置，在走廊處布置四個(gè)測點(diǎn)位置，分別為距離火源房間10 m，20 m，30 m和40 m處，測點(diǎn)的高度選擇人員低頭掩口呼吸時(shí)口鼻處的高度1.6m，每個(gè)位置設(shè)置三個(gè)測點(diǎn)分別為二氧化碳含量測點(diǎn)C，氧氣含量測點(diǎn)O和溫度測點(diǎn)T，除了火源房間以外其余的房門全部為關(guān)閉狀態(tài)，所選火源模型為t2火源模型，最大熱釋放率為Qmax=6 MW，火源增長系數(shù)為α=0.0469。

圖1 防火分區(qū)示意圖

1.3 人員模型設(shè)定

1）人員密度設(shè)定

人員密度一般指單位面積上的人員數(shù)量，單位為人/m2，主要用來確定進(jìn)行模擬時(shí)參與疏散的人數(shù)。由于防護(hù)工程內(nèi)部房間的功能不同，其人員密度不盡相同。通過調(diào)查及參考國內(nèi)外相關(guān)資料，統(tǒng)一選取室內(nèi)人員密度為0.3人/m2。

2）人員模型尺寸設(shè)定

EVAC中的疏散人員模型尺寸主要涉及人員的胸寬，胸厚及肩寬。此數(shù)據(jù)可參照《中國成年人人體尺寸》GB10000-88，該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)人類工效學(xué)要求提供了我國成年人人體尺寸的基礎(chǔ)數(shù)值，適用于工業(yè)產(chǎn)品，建筑設(shè)計(jì)，軍事工業(yè)以及工業(yè)的技術(shù)改造設(shè)備更新及勞動(dòng)安全保護(hù)[9]。表1為18～60歲人員模型的基本尺寸。

表1 人員模型的基本尺寸

圖2為EVAC中人員模型，參照上表選取99%人員所在的范圍，即胸厚為261 mm，胸寬為331 mm，肩寬為 415 mm，則 Rt=130 mm，Rd=207 mm，Rs=77 mm。

圖2 人體模型圖

3）人員初始速度設(shè)定

當(dāng)前版本的EVAC已經(jīng)將煙氣對人員行動(dòng)速度的影響以及煙氣的毒性影響考慮在內(nèi)，因此此速度的設(shè)定是指人員在沒有煙氣的情況下行進(jìn)的速度。國內(nèi)外的研究表明，人員的行進(jìn)速度與人員密度成一定的函數(shù)關(guān)系。在建筑物中，隨著人員密度的增大，由于人員心理（盲從、恐慌等）、周圍環(huán)境（通道的長短、門的寬窄）等因素影響人員疏散，導(dǎo)致散口處滯留、人與人的相互擁擠，使人員行進(jìn)速度降低。國內(nèi)學(xué)者吳春雨針對我國人員，以軍校學(xué)員為測試對象，研究了人員行進(jìn)速度與人員密度的關(guān)系，其結(jié)果如表2所示[10]。

表2 人員密度與行進(jìn)速度之間的關(guān)系

由于防護(hù)工程內(nèi)部人員多為軍人，所以采用學(xué)者吳春雨的研究數(shù)據(jù)較為可靠，設(shè)定人員行走速度為v=1.21 m/s。

2 結(jié)果與分析

本文中仿真過程取火災(zāi)發(fā)生后最不利工況，即防護(hù)工程中火災(zāi)由電線短路引起，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)失效時(shí)，人員在防火分區(qū)內(nèi)的疏散情況。研究的方法為選取不同長度的走廊，分析對比人員在不同長度走廊中疏散情況，主要參考依據(jù)是煙氣對人員的毒性作用有效劑量分?jǐn)?shù) FED（Fraction Effective Dose，F(xiàn)ED）值[11]，該值越大表明人員受到的煙氣毒害作用越大。火災(zāi)發(fā)生在緊挨防火卷簾旁的一個(gè)房間，人員向走廊另外一段的出口逃生，同時(shí)人員到達(dá)另一處的防火卷簾門時(shí)就可以認(rèn)為人員安全疏散了，如圖3。

圖3 人員疏散示意圖

2.1 未安裝消防噴淋系統(tǒng)的情況

模擬未安裝消防噴淋系統(tǒng)的防護(hù)工程發(fā)生火災(zāi)時(shí)，自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)失效情況下的人員疏散情況。因防護(hù)工程內(nèi)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)失效，無火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警則無法判斷人員開始疏散的時(shí)間，所以考慮其最不利工況，即人員在煙氣濃度最大時(shí)疏散。圖4為40 m，50 m和60 m走廊中人員在最大煙氣濃度時(shí)疏散，疏散人員的FED值隨時(shí)間的變化。

圖4 人員FED值隨時(shí)間的變化曲線

從圖4中可以看出隨著走廊長度的增加，最大FED值隨之增加，這是因?yàn)殡S著走廊長度的增加，人員在煙氣中待的時(shí)間增加。對比不同走廊長度的最大FED值可以發(fā)現(xiàn)，逃生過程中人員最大FED值與走廊長度并不是成一次函數(shù)關(guān)系，走廊長度增加FED值會(huì)隨著迅速上升，人員逃生危險(xiǎn)性會(huì)急劇增加。從人員安全疏散角度來講，兩防火卷簾門之間的距離越近越好，一般人防工程的防火規(guī)范中防護(hù)門間距不能大于40 m[12]。

從圖中還可以看到，不同長度走廊的FED值上升趨勢基本一致，這主要是因?yàn)椋呃葍?nèi)沒有消防噴淋系統(tǒng)，煙氣在走廊內(nèi)蔓延沒有受到阻礙，這對人員疏散極為不利。人員在40 m走廊中疏散用時(shí)71 s，在50 m走廊中疏散用時(shí)83 s，在60 m走廊中廊中疏散用時(shí)107 s，其行走速度都小于設(shè)定的人員初始速度1.21 m/s，這說明發(fā)生火災(zāi)后，疏散時(shí)人員相互擁擠以及煙氣蔓延帶來的能見度降低和毒性作用會(huì)使得人員心理和生理上受到影響，降低疏散速度。

2.2 安裝消防噴淋系統(tǒng)的情況

當(dāng)防護(hù)工程中裝有自動(dòng)噴水系統(tǒng)時(shí)，對火災(zāi)的熱釋放率，產(chǎn)煙量以及火災(zāi)煙氣的蔓延都會(huì)產(chǎn)生較大的影響，同時(shí)對火災(zāi)熄滅時(shí)氧氣，二氧化碳和一氧化碳最終濃度也會(huì)產(chǎn)生很大的影響。一些國家的防火設(shè)計(jì)規(guī)范對設(shè)有自動(dòng)噴水系統(tǒng)建筑內(nèi)的安全疏散距離有所增加，如新加坡防火法規(guī)規(guī)定：對于未設(shè)自動(dòng)噴水系統(tǒng)的建筑物內(nèi)最大安全疏散距離是45 m，有自動(dòng)噴水系統(tǒng)時(shí)可增大到60 m。

模擬安裝了消防噴淋系統(tǒng)的防護(hù)工程發(fā)生火災(zāi)時(shí)，自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)失效情況下的人員疏散情況。同樣由于自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)失效，無法確定其開始疏散時(shí)間，考慮其最不利工況，即人員在煙氣濃度最大時(shí)疏散。圖5為60 m，80 m，100 m和120 m走廊中人員在最大煙氣濃度時(shí)，疏散人員的FED值隨時(shí)間的變化，從圖中可以看出人員最大FED值隨走廊長度增加而增加。與未裝消防噴淋系統(tǒng)相似，最大FED值與走廊長度也不是成一次函數(shù)關(guān)系，走廊長度增加，人員危險(xiǎn)性會(huì)迅速上升。對比兩種情況下的最大FED值可以發(fā)現(xiàn)，裝了消防噴淋系統(tǒng)的走廊FED值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于未裝消防噴淋系統(tǒng)的走廊內(nèi)最大FED值。對比不同長度走廊FED值上升趨勢，可以看到，在人員疏散前期，60 m走廊中人員的FED值上升最慢，80 m走廊其次，而100 m走廊和120 m走廊上升速度最快，這五種工況的上升速度均小于未安裝消防噴淋系統(tǒng)情況下的上升速度，這是因?yàn)橄绹娏芟到y(tǒng)降低了煙氣前鋒速度，阻礙了煙氣蔓延。在人員疏散后期，五種工況人員的FED值上升速度相差不大，且都小于各自前期疏散時(shí)的FED值上升速度，利于人員疏散逃生。

圖5 人員FED值隨時(shí)間的變化曲線圖

3 結(jié)論

本文在基于大渦模擬算法的FDS平臺(tái)上，采用以網(wǎng)格為計(jì)算方法的Herbing社會(huì)力模型對防護(hù)工程火災(zāi)煙氣特性及人員疏散進(jìn)行了仿真，得到如下結(jié)論：

1）防護(hù)工程單室發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙氣會(huì)蔓延至走廊，所帶來的能見度降低及毒性作用會(huì)使人員逃生速度減慢，人員逃生威脅變大，因此單室發(fā)生火災(zāi)時(shí)，應(yīng)盡快關(guān)閉單室房門，防止煙氣蔓延至走廊。

2）消防噴淋系統(tǒng)對防護(hù)工程火災(zāi)時(shí)人員疏散極為重要。防護(hù)工程中的消防噴淋系統(tǒng)能減緩煙氣擴(kuò)散速度和煙氣毒性作用，提高了人員疏散安全性，同時(shí)在確保安全的情況下加大走廊相鄰防火門之間的距離，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

3）煙氣毒性作用隨著走廊相鄰防火門之間距離的增大而上升，在設(shè)置防火分區(qū)時(shí)，應(yīng)將防火分區(qū)與每個(gè)防護(hù)分區(qū)單元綜合考慮，使得防護(hù)工程在設(shè)計(jì)上更加合理。