基于性能化評估的地下實驗室防火方案研究

武建力，高 抗

中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056

1 項目概況

華中科技大學精密重力測量山洞實驗室作為“精密重力測量國家重大科技基礎設施”的重要組成部分，是“十二五”期間國家優先支持的16項重大科技基礎設施建設項目之一。項目建成運行后，可滿足我國地球科學、資源勘探、國家安全等對重力數據和重力基準的戰略需求，為建設國家科技創新中心和創新體系奠定堅實基礎。

山洞實驗室位于華中科技大學校園內的喻家山下，總體呈“L”形布置，總長525.5m，建筑面積為5943.71m2，實驗室在隧道內沿隧道流線并排布置，山洞實驗室最大埋深91.3m，南側為直通室外的出入口，西側與既有山洞實驗室銜接。

山洞實驗室分隔為三個不同的功能區：中間為5m寬的潔凈實驗室，右側為實驗人員和設備日常進出的走道，左側為火災時安全疏散的避難走道。

2 防火設計方案研究

2.1 消防難點

整個山洞實驗室呈“L”形長條狀布置，且埋深較大，消防難點主要體現在以下兩個方面。

（1）防火分區面積劃分沒有明確的依據。該項目總面積為5943.71m2，根據《建筑設計防火規范》（GB 50016—2014）（以下簡稱《防火規范》）要求一般地下建筑防火分區最大允許建筑面積為500m2，地下設備用房最大允許面積不大于1000m2，而對于地下營業廳、展覽廳的防火分區最大允許面積可不大于2000m2。華科山洞實驗室內主要物品為實驗儀器、計算機、實驗室臺，主要進行物理實驗，沒有易燃易爆危險化學品。一般情況下實驗室內儀器產生的數據均為自動上傳，無須人工干預，只有要對儀器進行安全檢查和維護等行為時，才會安排人員進入實驗室，因此實驗室內日常工作人員數量很少。綜合考慮以上因素，該工程分為3個防火分區，每個防火分區面積均不超過2000m2。

（2）直通室外安全出口設置條件有限，疏散距離長。該項目左側沿山洞設置避難走道，避難走道一端能夠直通室外，另一端與既有山洞實驗室連通。與高速公路隧道人行通道類似，避難走道與設備走道通過防煙前室相連，當發生火災時，實驗室人員從設備走道穿過防煙前室進入避難走道，疏散至室外或通過防煙樓梯間直通室外。根據《防火規范》要求，避難走道直通地面的出口不應小于2個，并應設置在不同方向；當避難走道僅與一個防火分區相通且該防火分區至少有1個直通室外的安全出口時，可設置1個直通地面的出口，任一防火分區通向避難走道的門至該避難走道最近直通地面的出口的距離不應大于60m。由于山洞實驗室呈長條狀布置，每個防火分區設置1個直通地面出口，不滿足距離不應大于60m的要求。

2.2 方案研究

針對以上難點，筆者設計了三種方案進行研究比較。

（1）方案一：5處豎井。此方案完全依照《防火規范》，滿足避難通道直通地面的出口的距離不應大于60m的要求。此時避難走道上共需設置5部疏散樓梯，任意兩部疏散樓梯之間間距均不大于120m，山洞實驗室設置5處豎井。山洞實驗室是要求振動、電磁干擾小，溫度恒定的場所。豎井設置過于密集，對山洞的溫度場、電磁場破壞嚴重，因此該方案可行性不大。

（2）方案二：1處豎井。考慮到山洞實驗室工作人員較少，人員單一，參照《地鐵設計防火標準》（GB 51298—2018）中站臺任意一點至地面疏散時間不大于6min，在避難走道靠近既有山洞實驗室附近設置一處豎井作為直通地面出口，此時山洞實驗進口和出口有兩處直通室外出口。華科山洞實驗室全長約525.5m，從最遠點到安全出口的距離約262.75m，每股人流按0.55m計，避難走道1.2m滿足兩股人流通行，地下室每100人疏散寬度為1.0m，頻率為1步半/s（60～100m/min、4～5km/h），正常人每分鐘步行速度約1m/s，步距約60～75cm，在緊急逃生時，逃生速度=步行+小跑速度=1.5m/s，故疏散時間共為256s+26s=282s=4.7min＜6min，滿足疏散要求。此時，雖然滿足疏散時間的要求，但是第二防火分區沒有一個直通室外的出口，火災情況下消防與救援人員不能及時進入火災現場，此方案可行性也不大。

（3）方案三：2處豎井。對方案一和方案二的防火設計進行優化后，同時考慮通風排煙需求，在洞身設置2處豎井。1#豎井作為通風排煙豎井，2#豎井設置消防電梯，作為消防救援人員進出通道。火災情況下，實驗人員可通過避難走道從出入口直通室外，或者經過聯絡通道逃至既有山洞實驗室。

3 消防性能化評估

消防性能化評估是指根據項目的功能特點，以一定的消防安全目標為要求，采用適用的計算分析工具和方法，基于綜合安全性能分析和評估后，最終確定防火設計方案的方法。

針對上述山洞實驗室防火設計的優化方案，還需要采用煙氣模擬及人員疏散模擬的量化方法對提出的兩處豎井方案進行評估，以驗證方案的可行性。

此外，針對山洞實驗室的特點，消防性能化評估的首要消防安全目標是人員安全，火災時確保所有人員能夠安全疏散。為了實現人員安全疏散的評估，將通過煙氣流動和人員疏散兩個方面的模擬，對比量化的人員安全疏散時間，最終判斷目標是否實現，即從火災發生到建筑物內人員全部安全疏散完畢的時間小于火災發展到人體耐受極限條件的時間，則人員的疏散過程是安全的。

3.1 火災場景分析

（1）煙氣流動模擬分析。該評估利用FDS軟件對火災發展過程及煙氣控制過程進行數值模擬計算，驗證煙氣控制系統是否能夠實現相應的性能化設計目標。根據山洞實驗設計圖紙以及火災場景的設置情況，建立第二防火分區FDS模型，如圖1所示。

圖1 第二防火分區FDS模型圖

針對上述設計的火災場景，計算并分析確定各火災場景的煙氣危險來臨時間，根據煙氣模擬結果，在采取消防措施并且排煙有效的情況下，能夠將煙氣控制在火災所在區域，達到控制煙氣的目的。

（2）人員安全疏散模擬分析。山洞實驗室的建設條件與高速公路山嶺隧道類似，并且人員荷載較小，安全疏散設計參考雙孔隧道中采用人行橫通道方式進行設計。人行橫通道的間隔要能有效保證隧道內的人員在較短時間內進入人行橫通道。結合相關的火災設計場景，該評估對應設立了4個疏散場景對山洞實驗室的疏散進行了模擬。①疏散場景一：封堵21#實驗室左側附近的安全出口，著火實驗室內無人員工作或參觀，對應于火災場景A。②疏散場景二：封堵21#實驗室左側附近的安全出口，著火實驗室內有人員工作或參觀該疏散場景對應于火災場景A。③疏散場景三：封堵激光測距實驗室附近的安全出口，著火實驗室內無人員工作或參觀，景對應于火災場景B。④疏散場景四：封堵激光測距實驗室附近的安全出口，著火實驗室內有人員工作或參觀，對應于火災場景B。

3.2 評估結論

通過對設定的火災場景進行模擬計算，并針對各火災場景相應設定的4個疏散場景人員的疏散過程進行模擬計算，可以得到危險來臨時間TASET和必須疏散時間TRSET對比表。通過對比可以看出，除工況A00，即山洞實驗室的滅火系統與排煙系統全部失效的情況下，人員疏散時間小于危險來臨時間外，其他工況人員均能在可提供的安全疏散時間內疏散完畢。

評估結果表明：在保障山洞實驗室安全疏散設施、機械排煙系統、自動滅火系統、火災自動報警系統等消防設施有效工作的情況下，火災時山洞實驗室內的煙氣能得到較好控制，人員能夠在危險來臨前疏散到安全區域。該防火設計方案可以保障人員疏散安全，實現了設定的安全目標。

4 結束語

文章通過對現有防火設計規程不完全適用的華中科技大學精密重力測量山洞實驗室的防火設計方案進行比較研究和性能化評估后，得到了可以滿足火災情況下實驗室安全運行和人員安全疏散的防火設計方案，可為該項目的設計、審查、審批提供依據，也可為類似工程的消防安全策略提供參考。