基于FDS的火災產物對人員疏散影響的研究

黃 凱，李雪微，徐 蕾

(大連民族大學 土木工程學院，遼寧 大連 116650)

火災在人類災害中發生頻繁，造成的后果嚴重。高校教學樓人口集中，學生安全意識薄弱，加上設施老化，一旦發生火災，不僅會造成巨大的經濟損失，更會威脅學生生命安全。因此，對教學樓等人群密集建筑的防火和疏散一直是校園安全的重要問題。

國內外已有諸多學者致力于火災疏散的研究。Choi S[1]等以社會力模型和微觀模擬技術，研究高層建筑疏散警報信息化水平和疏散效率的相互關系，結果顯示，住所位置越佳的人越能提前獲取疏散信息。Seungcheol Lee[2]等使用SIMULEX對高層建筑進行仿真模擬結合實驗測試，得出在樓梯間增加機械排煙系統有助于保護高層建筑疏散人員。Ahmed F[3-4]等對大型購物中心的火災場景和疏散方案進行分析，結果表明，煙霧的蔓延與建筑物及其內部活動有關，走廊與樓梯在疏散過程中至關重要。楊雨婷[5]等對商業綜合體特定火災場景下的人員疏散進行數值模擬分析，根據分析結果結合現狀提出火災防控技術措施。王海蓉[6]等以商業中心為例，基于火災煙氣溫度、CO濃度等參數討論人員逃生行為，結果表明，增加消防樓梯并加以疏散引導有利于減少人員傷亡。大部分傳統的火災煙氣蔓延與人員疏散模擬研究沒有結合火災產物對疏散速度所造成的影響，火災模擬與人員疏散的動畫沒有同時展示，不能很好的反應疏散過程中火場煙氣等變化。

因此，本文利用火災數值模擬軟件Pyrosim和人員疏散模擬軟件Pathfinder對某教學樓樓一層全尺寸模型進行火災和疏散模擬，引入速度系數的概念，分析火災產物對疏散速度的影響，并將火災模擬結果與疏散結果耦合進行可視化展示，真實的還原火災疏散過程。以期為高校火災人員疏散提供一定的理論依據。

1 火災產物對疏散速度的影響

火災過程會釋放大量熱、煙氣，對火場中的人員心理和生理產生極大影響，阻礙人員疏散。本文選取火災過程中的溫度、CO、能見度作為影響人員疏散的主要因素。引入溫度影響系數f1(T)、CO濃度影響系數f2(ρ(co))、能見度影響系數f3(Kc)。[7]并將對疏散人員的影響轉換為對疏散速度的影響。用公式表示為：v=v0×f1(T)×f2(ρco)×f3(Kc)。其中，代表疏散速度v/ m·s-1；v0代表無火災正常步行速度v/(m·s-1)。

1.1 溫度影響分析

火災造成的高溫對人員疏散速度產生的影響每個階段不同。美國學者Mike[8]基于煙氣溫度于乘客行走速度的數據的研究上，得出了不同溫度范圍對疏散速度的影響系數計算公式為

(1)

式中：Ts表示火場溫度℃；T0表示室外常溫，本文取20 ℃；v0表示正常行走速度，本文取1.2 m·s-1；vmax表示最大行走速度，本文取5 m·s-1；Te1表示造成不適的溫度，本文取30 ℃；Te2表示造成傷害的溫度，本文取60 ℃；Td表示致死溫度，本文取120 ℃。當溫度大于120 ℃時，f1(T)為0[7]。

1.2 CO濃度影響分析

火災發生會產生大量有毒氣體，其中對人體威脅最大的是CO，Mike通過實驗獲取了不同CO濃度下的乘客速度數據，認為CO對人員疏散得影響主要體現在疏散速度上。朱書敏[9]在Mike研究的基礎上，給出相應的疏散速度影響公式為

(2)

式中：ρ為CO體積濃度，t為暴露時間。

1.3 能見度影響分析

火災發展會產生大量煙氣，使得疏散環境的能見度下降，阻礙人員疏散。煙氣濃度用減光系數Kc表示，煙氣濃度越大，Kc越大，能見度越低。本文參照的能見度與減光系數的關系如下：Kc=3/S,S表示能見度[10]；日本學者Jim和Yamada通過大量實驗得到減光系數與步行速度的關系[11]。根據朱書敏[9]的總結，將減光系數對疏散速度的影響系數計算公式為

(3)

式中，Kc為減光系數(1/m)。

2 安全疏散依據

2.1 疏散時間組成

發生火災時，建筑內人員能否安全疏散，取決于必須安全疏散時間(REST)和可用安全疏散時間(ASET)。必須安全疏散時間(REST)指人員從火災開始到疏散到室外的時間，可用安全疏散時間(ASET)指火災開始到威脅人生命安全的時間[9]。安全疏散時間標準如圖1。

圖1 安全疏散時間標準

通常情況下火場內人員疏散時間包括報警時間TA/s、響應時間TA/s以及行走時間TA/s，即

RSET=TA+TR+TM。

(4)

本文中報警時間取30 s，響應時間著火房間取30 s，其余房間均為120 s[12]。

2.2 危險判定條件

依據《中國成年人人體尺寸》(GB/T10000-1988)[13]采用人眼高度平均值1.6 m作為臨界高度，在出口距地面1.6 m處設置溫度、CO濃度、能見度探測器，達到以下任一條件即視為危險[14]：溫度>60℃,CO濃度大于0.1%;能見度<5 m。選取三個時間中最小數值作為本文的可用安全疏散時間(ASET)。

3 火災模型建立與分析

3.1 火災場景布置

使用火災數值模擬軟件Pyrosim建立某高校教學樓一層全尺寸模型。總長84.75 m，南北總長為32.7 m，層高3.6 m。火源位于某一房間內,火源面積為0.5 m×0. 5 m。共450 016個網格。依據美國消防協會標準NFPA 204M《Standard of Smoke and Heat Venting》中定義的4 種標準火災選取“快速火”進行計算，對應的火災增長系數為0.0469 kw·s-2，設定為t2火災增長模型[15]。根據《建筑防排煙技術規程》(DGJ08-88-2006)[16]，本次模擬設定為無噴淋自然排煙，選取6 MW作為計算火災規模，火災達到最大熱釋放速率時間為357 s[15]。模型布置圖如2，使用24組探測器將模型劃分為24個區域，每個區域距地1.6 m設值三個監測器，分別監測相應區域的溫度、CO體積濃度和能見度，同時在出口內測1.6 m高度放置上述三種探測器，用于安全疏散時間(ASET)的計算。

按照最不利條件，本文工況為僅所有門開啟，窗戶關閉，該工況下又分為2個疏散場景，即不考慮火災產物影響與考慮火災產物影響。模擬時間為600 s。

圖2 模型布置圖

3.2 模擬結果分析

可用安全疏散時間(ASET)由出口監測器監測可得，根據圖3結合詳細數據分析可知在整個模擬過程中，出口處的溫度和CO濃度均保持在危險值以下，能見度于329 s降至5 m以下，已到達本文之前所設定的危險判定條件。因此，本文使用能見度到達危險值的時間作為可用安全疏散時間(ASET),即329 s。

圖3 出口處火災產物變化

4 疏散模型建立與分析

4.1 人員參數設定

根據SFPE建議，結合實際情況，本文模擬疏散對象設定為成年男性50%、成年女性50%[17]。根據根據《中國成年人人體尺寸》(GB/t10000-1988)[13]對上述兩類人群的身高和肩寬進行設置：成年男性:1.75 m×0.52 m；成年女性:1.65 m×0.42 m。兩者的初始速度分別為1.2 m·s-1和0.95m·s-1。相關研究表明，人員安全疏散的最大人流密度為S=3.57人/m2[18]。本文模擬對象為教育功能性建筑，一般人員密度0.7～1.0人/m2。[19]因此，本文模擬教學樓的實際情況，設置模擬人數為700人。

4.2 疏散場景設置

將Pyrosim模型導入疏散軟件Pathfinder并進行簡化得到人員疏散模型如圖4。將Pyrosim火災模擬得到的溫度、CO濃度和能見度數據經Matlab數據處理得到速度系數導入Pathfinder中的區域速度修改器作為影響人員疏散的速度系數，以此來建立火災產物影響下的人員疏散模型。默認為初始值為1，即人員初始速度不受影響，在火災過程中，隨著火勢的發展，火災產物對人員造成影響轉變為對人員運動速度的影響，速度系數不斷減小直到變為0，此時人員失去行走能力。由火災模擬結果分析可知區域3與區域24受火災產物影響較大，人員疏散速度變化較明顯，因此文本以區域3和區域24為例進行分析，其他區域不做贅述。區域3與區域24部分時間速度系數值見表1和表2。

表1 區域3速度系數變化

表2 區域24速度系數變化

4.3 疏散模擬分析

2種場景下人員的疏散情況如圖5，由圖結合具體實驗數據可知，考慮火災產物影響條件下的人員疏散時間明顯大于不考慮火災產物影響條件下的人員疏散時間。而人員能否安全疏散取決于可用安全疏散時間(ASET)與必須安全疏散時間(RSET)的比值，為保障人員能夠安全疏散，就必須要RSET329 s，人員未能全部順利疏散。因此，在可用安全時間內，考慮火災產物影響的人員疏散模擬出現了部分人員受困的情況，比不考慮安全疏散的時間多了38.7 s。

圖5 疏散結果曲線

火災產物影響的疏散情況圖如圖6。當不考慮火災產物影響下人員在318.8 s疏散完畢時，考慮火災產物影響下人員才疏散了666人，仍剩余34人；當到達可用安全疏散時間ASET=329 s時，不考慮火災產物影響下人員全部疏散完畢，考慮火災產物影響下只成功疏散了676人，24人未能成功安全疏散。由上述結果可知，考慮火災產物影響下人員的疏散時間比傳統的疏散結果更貼近真實情況，火災產物對人員的疏散情況直接產生了影響。

a)T=318.8 s疏散結果 b)T=329 s疏散結果

區域3和區域4的速度系數變化圖如圖7。由圖7可以看出，整個火災模擬過程，區域3和區域24的CO速度系數均保持不變，都為1，表明CO對人員疏散不會造成影響；區域3由于是著火房間，能見度系數于132.6 s就降至0.25，與此同時，區域24作為離著火房間最近的走廊，能見度系數也于230 s降至0.25，結合圖7變化趨勢可知，在區域4和區域24總速度系數與降至0.25前的能見度速度系數變化大體一致；由2個區域的溫度系數變化可知，在火災初期，溫度對疏散人員有積極影響，能加快人員的疏散速度，但隨著火災的發展，溫度最先到達臨界點，著火房間的溫度系數降至0，此時，區域3的總速度系數為0，已不能進行疏散任務，區域24的疏散系數也在0～0.5之間徘徊，嚴重降低人員疏散速度。由此可知，區域3即著火房間內人員應于238 s前完成從房間撤離，238 s后房間已不具備疏散功能，將會威脅屋內人員生命安全；區域24即著火房間外的走廊260 s前走廊內的人員疏散速度不會受火情影響太大，應及時疏散，260 s后將嚴重影響走廊內人員的疏散速度，甚至威脅人身安全。

a)區域3速度系數

b)區域24速度系數

5 火災及疏散場景耦合的可視化展示

受技術條件限制，以往的疏散軟件只能單獨進行疏散模擬，不能結合火災，模擬結果不能顯示人員疏散過程中周圍的火場變化情況。隨著技術的不斷升級，可以利用Payrosim和Pathfinder實現在模擬人員疏散的同時觀察周圍的火災煙氣等火場變化情況。

本文將火災與疏散場景耦合，實現在三維壞境下查看火災發展與人員疏散結果，可視化展示火災情況下人員的疏散過程。省去了大量的數據處理，有助于救援人員的在線決策，極大的方便了救援工作。

為了更直觀的展示火災中的人員疏散情況，一樓模型進行設置為線框，整體展示火災煙氣蔓延下的人員疏散情況如圖8。同時，Pyrosim還支持繪制3D數據，火源動態效果和熱釋放速率3D數據展示如圖9。Pathfinder默認情況下會根據人員添加的先后順序給人員進行編號，在疏散結果中，可以任意選取一個人員視角進行第三人稱觀察。本文以“566號”疏散人員為例進行第三人稱視角的觀察，可以更真實的反應火災發生時，火場內每一個人員的疏散情況如圖10。

圖8 火災煙氣與人員疏散同時展示

a)火源 b)熱釋放速率

圖10 “566”號人員疏散視角

6 結 論

本文對某教學樓一層全尺寸模型進行了火災模擬與人員疏模擬研究，引入速度系數概念，將火災產物對人員疏散的影響轉化為對人員疏散速度的影響，通過Pyrosim火災數值模擬分析得到的火災產物變化數據結合Pathfinder建立火災產物影響下的人員疏散模型，對比分析了700人疏散情況下兩種疏散場景的結果。結論如下:

(1)相比于以往的研究方法，將火災產物轉化為對人員疏散速度影響的人員疏散模型所需疏散時間更長，在人員數量到達一定量的時候甚至會出現部分人員疏散失敗的情況，該方法更貼近真實火災場景中的人員疏散情況。

(2)在火災發生初期，溫度對人員疏散速度產生積極影響，稀釋了CO和能見度對人員疏散速度的消極影響，隨著火勢的發展，能見度系數最先開始降低，降至最低值后，人員疏散速度主要受溫度的影響。

(3)將火災模擬與人員疏散結果耦合進行可視化展示，真實的展現了火災過程中建筑內人員的疏散情況，能更直觀協助工作人員熟悉火災場景下應該怎么樣開展疏散工作。