高層住宅安全疏散設(shè)計(jì)與優(yōu)化

李建霖，傅麗碧，施永乾

(1. 福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，福建 福州 350108; 2. 福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引言

隨著世界人口總數(shù)的不斷增長(zhǎng)，土地資源的有限性逐漸受到重視，高層住宅在近年城市建設(shè)中占據(jù)較高的比例[1]. 雖然高層建筑帶給人們方便，但由于高層住宅樓層高、 人群密度大及火災(zāi)載荷大等特點(diǎn)，當(dāng)其內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)時(shí)易造成嚴(yán)重?fù)p失[2]，同時(shí)，人員在應(yīng)激狀態(tài)下容易產(chǎn)生恐慌等情緒，難以冷靜分析局勢(shì)并做出決策[3]. 因此，優(yōu)化高層住宅安全疏散具有重要意義[4].

對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已展開了相關(guān)研究，1974年，美國(guó)學(xué)者Bazjanac[5]提出名為“另一條出路”的疑問，80年代末，美國(guó)和加拿大開展了火災(zāi)疏散中使用電梯時(shí)利用增壓方法測(cè)試煙火保護(hù)的可行性研究. 1994年，Klote等[6]首先提出了電梯緊急疏散系統(tǒng)(EEES系統(tǒng))，初步證明在高層建筑火災(zāi)中利用電梯進(jìn)行人員疏散的可行性. Sekizawa等[7]在1996年廣島高層公寓火災(zāi)的問卷調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，電梯的使用情況受到樓層的影響，樓層越高，火災(zāi)時(shí)傾向于使用電梯疏散的比例就越大. Kinsey等[8]通過調(diào)查問卷發(fā)現(xiàn)，火災(zāi)發(fā)生時(shí)，居住樓層越高越傾向于利用電梯進(jìn)行疏散. Gravit等[9]發(fā)現(xiàn)疏散沿樓梯方向呈線性發(fā)展，隨著建筑物高度的增加，采用聯(lián)合梯級(jí)疏散方式的必要性也越大. 李海[10]提出了在特定情況下高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)可使用安全的電梯. 王珂等[11]通過對(duì)電梯、 樓梯的疏散試驗(yàn)得出了一系列結(jié)論，如火災(zāi)情況下運(yùn)用電梯進(jìn)行人員疏散是可行的，對(duì)于高層樓房，通過樓梯疏散會(huì)形成高密度人流，易引起擁擠踩踏，故在電梯能使用的時(shí)候就應(yīng)該利用電梯疏散. 胡智劍[12]討論了高層建筑火災(zāi)煙氣的特點(diǎn)，并結(jié)合電梯疏散的缺點(diǎn)提出電梯防煙措施. 唐春雨[13]討論電梯疏散在火災(zāi)救援中的必要性、 安全性，并提出相關(guān)安全保障措施. 由此可看出，高層建筑疏散問題仍未得到一致的方案，仍需要深入研究.

為研究高層住宅發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員疏散的情況，本文采用FDS(fire dynamic simulation)和Pathfinder軟件進(jìn)行分析，研究在火災(zāi)時(shí)提高疏散效率的方法和方案.

1 高層住宅火災(zāi)模擬

1.1 研究對(duì)象介紹及火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)定

以某高層住宅為研究對(duì)象，此高層住宅每層高2.8 m，共33層，有兩部相鄰的電梯，僅有1個(gè)位于一樓的逃生出口(長(zhǎng)期開啟寬度為88 cm，全部開啟時(shí)寬度為133 cm)，在每層樓各設(shè)立四個(gè)防火門、 3個(gè)感煙探測(cè)器、 1個(gè)火災(zāi)報(bào)警器、 1個(gè)手動(dòng)報(bào)警器. 一樓有四戶住戶，二樓及以上每層均有六戶住戶.

因火災(zāi)場(chǎng)景具有代表性、 客觀性及遵循最不利原則[14]，選取一樓左下方房間為著火房間，且假設(shè)建筑中的噴淋裝置和防排煙系統(tǒng)失效. 同時(shí)在每層樓人員均會(huì)經(jīng)過的路上安放感煙探測(cè)器、 層分區(qū)裝置、 CO探測(cè)器和能見度、 CO體積分?jǐn)?shù)、 溫度切片. 具體布置如圖1～2所示.

圖1 一樓布置圖(紅色矩形為火源)Fig.1 Structure of the first floor

圖2 其余樓層布置圖Fig.2 Structure of the other floors

1.2 火源及危險(xiǎn)情況的設(shè)定

因火災(zāi)一般不會(huì)燃燒到所有可燃物燃盡，故采用t2模型來描述火災(zāi)增長(zhǎng)[15]，如下式所示.

Q=αt2

(1)

式中：Q為熱釋放速率，kW；α為火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)，kW·s-2；t為著火后的時(shí)間，s.

其中，最大熱釋放速率可通過理論計(jì)算法、 實(shí)驗(yàn)測(cè)定法、 估計(jì)法確定[16]，綜合比較后選取估計(jì)法進(jìn)行確定. 假設(shè)著火房間內(nèi)有4 m2的棉布、 5 m2的棉花、 4 m2的書、 4 m2的木制家具、 5 m2的軟聚氨酯在火災(zāi)發(fā)生時(shí)完全燃燒，根據(jù)文獻(xiàn)[17]，可得Q= 3 491 kW.

火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)可由下式確定：

(2)

式中：q為火災(zāi)荷載密度，可由房屋類型及其對(duì)應(yīng)的火災(zāi)荷載密度確定；αm可通過“αm與墻面裝修材料等級(jí)關(guān)系”確定[18]. 因研究對(duì)象的墻面裝修材料等級(jí)為難燃性，可得q= 780 MJ·m-2，αm=0.014 kW·s-2，αφ=0.171 8 kW·s-2，α=0.185 8 kW·s-2.

綜上，將相應(yīng)數(shù)據(jù)代入式(1)，可得從發(fā)生火災(zāi)到達(dá)到最大熱釋放速率的時(shí)間為137 s.

在本次模擬中，根據(jù)查閱的資料，規(guī)定將人員所處區(qū)域的某一參數(shù)超過規(guī)定值時(shí)視為危險(xiǎn)情況，具體參數(shù)及規(guī)定值設(shè)定為：1) 煙氣層距離地面的距離大于1.6 m； 2) 上層煙氣溫度大于180 ℃； 3) 下層煙氣溫度大于60 ℃； 4) 能見度小于5 m； 5) CO質(zhì)量濃度達(dá)到1 500 mg·L-1.

1.3 模擬結(jié)果分析

由于設(shè)備數(shù)目較多，故僅對(duì)各參數(shù)達(dá)到危險(xiǎn)值時(shí)進(jìn)行說明. 同時(shí)據(jù)模擬結(jié)果顯示，當(dāng)連續(xù)3個(gè)樓層的相同參數(shù)未達(dá)到危險(xiǎn)值，此后樓層的相同參數(shù)也不會(huì)達(dá)到危險(xiǎn)值，因此下列圖僅顯示前6樓的數(shù)據(jù).

各樓層對(duì)門過道煙氣層高度、 煙氣層上部溫度如圖3～4所示(注：對(duì)門過道指各層左右兩個(gè)房屋相對(duì)的過道). 由圖3可知，1樓對(duì)門過道煙氣高度在39 s時(shí)迅速降至1.28 m，之后一直在1.6 m左右小幅波動(dòng)，而2樓的在46 s時(shí)迅速降至0.9 m，之后呈不規(guī)則較大幅度波動(dòng)，煙氣層高度最低達(dá)到0.4 m，而從3樓開始，煙氣高度沒有變化，處于安全狀態(tài). 1樓對(duì)門過道上部煙氣溫度從38.4 s開始持續(xù)上升，在195 s達(dá)180 ℃，在148 s時(shí)達(dá)233 ℃，之后在215 ℃小幅波動(dòng).

圖3 各樓層對(duì)門過道煙氣層高度Fig.3 Height of smoke layer in the corridorof each floor

圖4 各樓層對(duì)門過道煙氣層上部溫度Fig.4 Upper temperature of the flue gas layer in the corridor of each floor

各樓層電梯口及上、 下樓梯平臺(tái)的煙氣層高度如圖5所示. 由圖5可知，1樓電梯口煙氣高度在105 s時(shí)下降至2 m，之后在1.65 m范圍內(nèi)波動(dòng). 2樓電梯口煙氣層高度在78 s時(shí)降到0.5 m，之后煙氣層高度在0.5～1.3 m波動(dòng)，之后的樓層煙氣層高度均在安全范圍內(nèi). 2樓的上樓梯平臺(tái)煙氣層高度在132 s時(shí)下降至1.53 m，之后在1.28～1.9 m之間變動(dòng)，但高度小于1.6 m以下的情況存在時(shí)間短，其余樓層的相應(yīng)位置均為允許范圍內(nèi). 2樓的下樓梯平臺(tái)煙氣層高度在155 s降至1.11 m，之后在1.1～1.5 m之間變動(dòng)，其余樓層均在允許范圍內(nèi).

圖5 各樓層電梯口及上、 下樓梯平臺(tái)的煙氣層高度Fig.5 The height of the smoke level at the elevator entrance, upper and lower landing on each floor

在火災(zāi)發(fā)生后的第243.7秒，2樓的樓道能見度已小于5 m，即達(dá)到危險(xiǎn)值，此時(shí)基本無法看見樓道環(huán)境. 在650 s時(shí)，各樓層的能見度均比正常狀況低，其中，2樓至12樓的樓道能見度已降低至5 m以下，若此時(shí)人員還未成功疏散，則之后各樓層能見度變會(huì)越來越低，導(dǎo)致無法疏散.

2 高層住宅疏散模擬

2.1 人員分布及參數(shù)設(shè)定

本次研究設(shè)置每個(gè)房屋有4人(1名兒童、 1名女青年、 1名男青年、 1名老人)，根據(jù)相關(guān)資料[19]，設(shè)置各自逃生速度分別為1.3、 1.74、 1.81、 1.2 m·s-1，該棟建筑共有196個(gè)房屋，總計(jì)784人.

2.2 僅通過樓梯疏散模擬結(jié)果分析

在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，因人們通常認(rèn)為此時(shí)不能坐電梯，因此往往通過樓梯進(jìn)行疏散，故對(duì)所有人員均使用樓梯疏散進(jìn)行模擬，人員疏散時(shí)間為661.3 s. 對(duì)疏散過程進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)人們?cè)跇堑纼?nèi)、 在逃生出口處擁擠是造成疏散時(shí)間長(zhǎng)的原因.

假設(shè)建筑物內(nèi)的人員熟悉建筑物，處于清醒狀態(tài)，結(jié)合研究對(duì)象是高層住宅且報(bào)警系統(tǒng)類型屬于現(xiàn)場(chǎng)廣播，根據(jù)“在不同火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)下不同人員在不同建筑物中的預(yù)動(dòng)作時(shí)間”，將預(yù)動(dòng)作時(shí)間設(shè)為60 s. 對(duì)于火災(zāi)報(bào)警時(shí)間，由FDS模擬結(jié)果，距離火災(zāi)場(chǎng)景最近的感煙探測(cè)器在42 s左右才開始感應(yīng)到煙氣，但對(duì)疏散過程觀察可知，在火災(zāi)發(fā)生后的第8.6 s時(shí)著火房屋內(nèi)的人員第一次走到手動(dòng)報(bào)警器的位置，故取火災(zāi)報(bào)警時(shí)間為8.6 s.

結(jié)合節(jié)1.3，將火災(zāi)各參數(shù)首次到達(dá)危險(xiǎn)值的情況記錄有6條. 1) 1樓、 2樓對(duì)門過道煙氣高度分別在39、 46 s時(shí)到達(dá)危險(xiǎn)值； 2) 1樓對(duì)門過道上部煙氣溫度在195 s時(shí)達(dá)到危險(xiǎn)值； 3) 2樓電梯門口煙氣層高度在78 s時(shí)到達(dá)危險(xiǎn)值； 4) 2樓的下樓梯平臺(tái)煙氣層高度在第155 s降至1.11 m； 5) 在第153 s時(shí)，1樓和2樓房間內(nèi)的CO體積分?jǐn)?shù)已超過危險(xiǎn)值； 6) 在火災(zāi)發(fā)生后的第243.7 s，2樓的樓道能見度已小于5 m，即達(dá)到危險(xiǎn)值.

對(duì)疏散過程進(jìn)行分析可發(fā)現(xiàn), 對(duì)于情況1)、 2)、 3)、 5)，在相應(yīng)參數(shù)到達(dá)危險(xiǎn)值之前，對(duì)應(yīng)區(qū)域已無人員通過； 而對(duì)于情況4)、 6)，其對(duì)應(yīng)的情況會(huì)對(duì)疏散人員造成威脅，因此取這兩種情況作為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)ASET的定義，取其為155 s. 當(dāng)ASET>RSET時(shí)，人員才能安全疏散. 而此時(shí)RSET=8.6+60+661.3=729.9 s，ASET=155 s，即ASET

3 人員疏散優(yōu)化措施

3.1 基于FDS的疏散措施建議

根據(jù)之前的描述，對(duì)疏散影響最大的是煙氣層高度及各樓層能見度的大小，而對(duì)于溫度以及CO體積分?jǐn)?shù)，在火災(zāi)發(fā)展中除了著火房間內(nèi)超過危險(xiǎn)值外，其余地方都安全. 因此抑制煙氣在樓道中的蔓延可使人員有更多時(shí)間利用樓梯逃生.

經(jīng)實(shí)地調(diào)查，在著火房屋通往逃生出口的路上設(shè)有兩個(gè)防火門，當(dāng)關(guān)閉時(shí)，因其與所在的墻面基本無空隙. 因此可在火災(zāi)發(fā)生時(shí)通過關(guān)閉對(duì)應(yīng)防火門來控制煙氣的擴(kuò)散.

通過將1樓的1號(hào)防火門，1、 2、 3、 4、 5樓的1號(hào)防火門及所有樓層的1號(hào)防火門關(guān)閉后進(jìn)行模擬，可知，隨著防火門關(guān)閉，各樓層各區(qū)域能見度下降程度減慢，并且隨著關(guān)閉防火門的樓層數(shù)增加，能見度降低程度越變?cè)叫? 當(dāng)關(guān)閉所有樓層的1號(hào)防火門時(shí)，各樓層樓道、 電梯、 以及上部?jī)蓚€(gè)房屋的能見度均未受到明顯影響，因此在599.6 s內(nèi)人員可正常通行.

3.2 基于Pathfinder的疏散措施建議

基于性別、 年齡以及樓層數(shù)的不同，共設(shè)立31種疏散方案，并通過Pathfinder進(jìn)行模擬，得出各方案下的疏散時(shí)間匯總于表1的“所用時(shí)間1”列. 除此之外，由1.1小節(jié)可知，研究對(duì)象僅有一個(gè)逃生出口，常開寬度為88 cm，當(dāng)將逃生出口調(diào)整為完全敞開時(shí)，其寬度為133 cm. 因此，在逃生出口寬度設(shè)置為133 cm的基礎(chǔ)上對(duì)各方案再次模擬，并將模擬結(jié)果匯總于表1的“所用時(shí)間2”列，如表1所示.

對(duì)比“所用時(shí)間1”可知，“所用時(shí)間2”中的各方案除了方案28的疏散用時(shí)增長(zhǎng)了9.8 s以外，其余方案所對(duì)應(yīng)的疏散時(shí)間均有所減少，其中減小幅度最小的是方案19，減少0.2 s，疏散效率提高了0.032%. 減小幅度最大的是方案3，減少了384.7 s，疏散效率提高了21.86%，而其余方案減少的時(shí)間也在幾秒到幾十秒不等，這些都表明逃生出口的寬度增加能夠有助于人員疏散. 因此，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，及時(shí)、 合理地增大疏散出口寬度能夠有助于疏散.

綜上，當(dāng)與研究對(duì)象具有相類似結(jié)構(gòu)的高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，可結(jié)合建筑物內(nèi)部人員的分布特點(diǎn)及行動(dòng)特征，對(duì)方案6、 18、 26、 27、 30、 31進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)采取適當(dāng)措施，選出高效合理的疏散方案，以便疏散人員迅速撤離.

表1 不同疏散方案模擬結(jié)果匯總

續(xù)表1

4 結(jié)語

高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙氣是阻礙人員疏散的主要原因，可通過關(guān)閉相應(yīng)的防火門等來對(duì)煙氣的蔓延進(jìn)行抑制，從而提升人員的可用安全疏散時(shí)間； 在可以使用電梯進(jìn)行疏散的情況下，合理地協(xié)調(diào)電梯和樓梯之間人員疏散的分配，能夠有效地提高疏散效率； 將逃生出口的寬度調(diào)整為合理的最大寬度可有效避免人員在逃生出口處擁堵的情況，從而降低人員的必須安全疏散時(shí)間.

本次研究仍存在一定的缺陷，如未考慮人員在疏散過程中可能發(fā)生的結(jié)伴、 互助、 從眾等行為，因此將來可從這一方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使得其更符合現(xiàn)實(shí)疏散情況.