大型商業綜合體火災煙氣及疏散模擬

鄭冠霞，楊 漪，趙舒野，文 虎

(西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054)

0 引 言

隨著經濟快速增長，為了順應中國市場經濟的持續發展和人民生活需求的多樣化，大型商業建筑的規模也隨之擴大，功能越來越復雜，在滿足人們日常生活所需的同時逐漸成為城市的地標性建筑[1]。大型商業綜合體設有貫通的中庭，具有人員密集、功能復雜、商品豐富、電氣線路錯綜復雜、火災蔓延快等特點。城市大型商業綜合體火災危險性較大，發生火災會導致人員疏散困難，極可能造成群死群傷和大量財產損失[2]。因此，提高大型商業綜合體的消防安全刻不容緩。

目前國內外學者對商場火災進行了相關研究。詹金良和慕洋洋通過數值模擬研究了電影院放映廳出口的數量、寬度、布局等對疏散速率的影響[3]；湯煜等對大型商場進行疏散模擬，探究了出口數量及寬度對安全疏散的影響[4]；馬子超等對大型商場中庭火災進行了煙氣與疏散模擬研究，探究了中庭附近排煙設施對人員疏散的影響[5]；胡玉玲等模擬了大空間建筑物內噴淋裝置和排煙裝置對火災發展的影響[6]；何欣和常力運用Pathfinder對商場進行模擬，提出了分層疏散，通過開閉不同樓梯間來提高疏散效率[7]；EASIR等運用Pyrosim模擬商場火災，火災設置場景為商場中心池火，根據模擬仿真預測了發生火災時人員總疏散時間[8]；ANTHONY等研究了大型中庭發生火災的情況下不同自然排煙系統對煙氣層溫度的影響[9]；AYALA等對中庭火災進行了全尺寸火災實驗，通過與FDS模擬進行對比，發現實驗與模擬的熱釋放速率與排煙效率具有一致性[10]。

以上國內外學者對商場進行了模擬和火災實驗，研究了出口數量、出口寬度、排煙設施、噴淋設施等對火災發展和人員疏散的影響，研究場景大多為沒有分隔的商鋪或中庭，隨著近幾年大型商業綜合體的多元化發展，上下層連通商鋪和電影院數量增多，連通的商鋪布局、電影院布局和特殊的中庭設計在很大程度上會影響煙氣蔓延。文章以占地面積較大、火災危險性較高、人員較為密集的某大型商業綜合體為研究對象，將排煙系統有效和失效2種工況做對比，選用一二層連通服裝商鋪和4層電影院2種場所作為火災發生場景，進行火災煙氣蔓延和人員疏散模擬仿真研究，分析煙氣在商鋪內和在中庭下的蔓延規律以及人員疏散特征，并針對大型商業綜合體消防安全提出火災危險管控建議，為大型商業綜合體的科學化火災防控提供理論依據。

1 Pyrosim火災煙氣模擬

1.1 建筑概況

以西安市某大型商業綜合體為研究對象。該大型商業綜合體地上4層，地下3層，建筑高度22.2 m，面積96 277.97 m2。建筑設有室內步行街，長350 m，寬9～15 m，形成貫通首層至4層、高22.2 m的中庭，作為1個防火分區，以商鋪外墻防火卷簾作為防火分隔。該建筑屬于多層公共建筑，鋼筋混凝土結構，耐火等級為一級。各層占地面積及業態分布見表1。

表1 某大型商業綜合體業態分布及步行街面積

1.2 確定火源及測點位置設計

通過火災隱患排查，經過后期裝修改造，破壞了原先防火分區，形成了2層聯通的商鋪，且在店內扶梯的聯通口處未設擋煙垂壁。從燃燒空間上看，服裝大多懸掛放置，可燃物幾乎布滿整個店鋪，火災載荷大。因此設定首層服裝商鋪火災作為研究場景一，火源位于首層。圖1(a)中1～4為首層服裝店設置的測點，相鄰間隔5 m，5～8為與其相同水平坐標上的二層測點。

此外，該商業綜合體4層電影院，主要可燃物為軟席座椅和隔音裝修材料，日常人流量大且人員高度集中，因此設定電影院火災作為研究場景二，火源位于4層放映廳。由于電影院放映廳皆為單獨可封閉的空間，放映廳的煙氣極有可能對連通的走道、售票廳、樓梯前室的人員造成危害，除火源位置的放映廳內測點間距離5 m，還在走道、樓梯前室、售票大廳和步行街共設置了8個測點，如圖1(b)所示。

圖1 測點分布Fig.1 Layout of the detection points

1.3 建立火災物理模型

文章根據某大型商業綜合體的CAD平面圖運用Pyrosim軟件按1∶1的比例進行建模，網格尺寸采用1 m×1 m×1 m。某大型商業綜合體地上4層火災煙氣模型如圖2所示。

圖2 某大型商業綜合體模型Fig.2 A model of a large commercial complex

1.4 火災場景參數設計

環境初始溫度為23 ℃，初始風速為0 m/s。每間商鋪設有排煙口，排煙方式為機械排煙，排煙口尺寸為0.8 m×0.4 m。火源為尺寸1 m×1 m的障礙物，根據《建筑防煙排煙系統技術標準》(GB51251—2017)[11]中關于火災增長系數的說明，更為符合大型商業綜合體的可燃材料的火災類別為快速火，快速火火災增長速率為0.044 kW/s2。

火源熱釋放速率一般是非穩態的，通常采用t2火災模型[12]描述火災增長階段

Q=αt2

(1)

式中Q為熱釋放速率，kW；α為火災增長系數，kW/s2；t為火災增長時間,s。

火災在充分發展階段的最大熱釋放速率為

Qmax=q×Ac

(2)

式中Qmax為最大熱釋放速率，MW；q為單位面積的熱釋放速率，首層服裝商鋪和4層電影院根據文獻[11]取值10 MW/m2；Ac為可燃物所占面積，取值為1 m2。故最大熱釋放速率Qmax為10 MW。

火災煙氣模擬主要考慮機械排煙對人員疏散的影響，每個場景設置機械排煙失效和有效2種工況，2個場景共4種火源工況，首層和4層火災不同時發生，模擬根據工況分為4次進行，見表2。

表2 火災工況設計

2 火災煙氣模擬結果分析

人體耐受極限的因素可用煙氣能見度、溫度和CO濃度來衡量，通過分析這3種參數的臨界值判斷是否達到火災的危險狀態[13]，判斷各因素達到危險狀態的范圍見表3。

表3 各因素達到危險狀態的范圍

2.1 能見度分析

圖3(a1)、(a2)、(a3)、(a4)為首層火災1～4層機械排煙有效時的能見度切片圖，在火災發生的377.7 s和601.0 s后，首層和二層商鋪內能見度達到10 m以下。火災發生的1 800 s內，3層、4層能見度均未達到10 m以下，人員能安全疏散。圖3(b1)、(b2)、(b3)、(b4)為首層火災1～4層機械排煙失效時的能見度切片圖，在火災發生361.2，559.0，1 528.7，1 554.2 s后，1～4層能見度達到10 m以下。煙氣逐漸向上擴散至整個中庭，但3，4層煙氣在經過中庭的擴散，濃度較低，為人員爭取了充足疏散時間。

圖3 首層火災能見度Fig.3 Visibility of the first floor fire

圖4中(a)、(b)為4層火災發展到1 800 s時機械排煙有效和失效的能見度圖，機械排煙有效時，僅放映廳、對面的房間、走道處能見度達到了10 m以下；機械排煙失效的情況下，電影院所有區域、附近的中庭能見度均達到了10 m以下。說明機械排煙能有效控制煙氣濃度。

圖4 4層火災能見度Fig.4 Visibility of the forth floor fire

圖5(a)和(b)分別為排煙失效和排煙有效時首層火災能見度隨時間變化曲線圖，圖中虛線框為局部放大區，能見度數值越小，危險性越高，能見度達到10 m為人體耐受極限的臨界值。A，B，C，D分別為測點V2，V1，V6，V5達到能見度臨界值的坐標，當機械排煙失效時，首層商鋪內測點能見度分別在429.6，444.4，698.1，743.9 s時達到臨界值；當機械排煙有效時，首層測點V2，V1，V6，V5能見度達到臨界值的時間分別增加了0.5，1，117.3，124.8 s。

圖5 測點處能見度變化折線圖 Fig.5 Variation curves of visibility with time

圖5(c)和(d)分別為排煙失效和排煙有效時4層火災能見度隨時間變化曲線圖，A，B，C，D，E，F，G分別為測點V2，V1，V3，V4，V5，V6，V7達到能見度臨界值的坐標，當機械排煙失效時，4層電影院測點分別在260.6，284.4，606.5，619.5，939.6，1 011.0，1 211.8 s時達到臨界值；當機械排煙有效時，僅測點V2，V1，V4達到能見度臨界值，并分別增加了56.3，44.1，60.8 s。

2.2 溫度分析

圖6對比了首層服裝商鋪和4層電影院在機械有效和無效2種工況下，測點處溫度隨時間變化折線圖，圖中虛線框為局部放大區，溫度值與火災危險性成正比，溫度達到60 ℃為人體耐受極限的臨界值。圖6(a)和(b)中，A，B分別為測點T2，T1達到能見度臨界值的坐標，排煙失效時和排煙有效達到溫度的臨界值60 ℃的時間均為329 s左右，人員應及時疏散至商鋪外。

圖6 測點處溫度變化折線圖Fig.6 Variation curves of temperature with time

圖6(c)和(d)中，A，B，C，D分別為測點T2，T1，T4，T3達到能見度臨界值的坐標。機械排煙失效時，4層放映廳和走道的測點T2，T1，T4，T3的溫度達到臨界值，人員需在192.8 s內疏散至放映廳外；機械排煙有效時，4層僅放映廳的測點T1，T2達到臨界值，人員需在328.7 s內疏散至放映廳外。

2.3 CO濃度分析

圖7對比了首層服裝商鋪和4層電影院在排煙有效和無效2種工況下，測點處CO濃度的變化折線圖，火災危險性隨CO濃度值增高而增高，CO濃度達到500×10-6為人體耐受極限的臨界值。

對比圖7(a)和(b)可知，首層服裝商鋪排煙失效和有效時，測點CO濃度始終低于500×10-6。對比圖7(c)和(d)可知，4層電影院發生火災時，僅著火房間內測點的CO濃度上升到500×10-6，其他區域測點CO濃度均在500×10-6以下。排煙有效時，測點C2在597.6 s達到500×10-6；排煙失效時，測點C2在820.9 s達到500×10-6。

圖7 測點處CO濃度變化折線圖Fig.7 Variation curves of CO concentration with time

因此，排煙有效時測點達到能見度、溫度臨界值的時間均增加，說明有效的排煙設施能為人員爭取更多的安全疏散時間；機械排煙有效和無效2種工況下4層電影院能見度、溫度、CO濃度達到人體耐受極限臨界值的時間均小于首層服裝商鋪，說明電影院的危險性大于服裝商鋪；步行街測點能見度、溫度、CO濃度始終未達到臨界值，說明煙氣溢出商鋪后經中庭擴散迅速降低了煙氣濃度。

由于商業綜合體獨特的中庭設計，若發生火災，煙氣從商鋪向步行街溢出，在貫穿一至四層的中庭擴散，煙氣濃度迅速減小。大空間的中庭降低了煙氣對人員造成的危害，除了電影院有內部疏散通道，空間狹小，人員在短時間內處于危險狀態，其他疏散樓梯的逃生路線均需要通過中庭，人員若能迅速逃離發生火災的商鋪，就能脫離危險。故能達到人員危險狀態的地點為發生火災的商鋪內以及電影院內的疏散通道和發生火災的房間。根據火災煙氣模擬分析結果，分別對比同一工況、同一地點、3種不同因素下的測點在達到危險狀態臨界值的最小時間，得出人員可用疏散時間(TASET)。

3 Pathfinder人員疏散模擬

3.1 人員疏散模型構建

完成PyroSim模型建立之后，在CAD上對每一層圖紙進行修改，并導入PathFinder軟件中，快速建立幾何模型，分別在首層服裝商鋪和4層電影院內添加一個封閉的房間模擬火源，人員在火源四周繞行疏散，疏散模型如圖8所示。

圖8 某大型商業綜合體疏散模型Fig.8 Evacuation model of a large commercial complex

3.2 疏散參數的確定

根據《建筑防火設計規范》[14]，對疏散人數進行計算，結果見表4。

表4 疏散人數匯總表

不同人員類型及體型尺寸的參數設置會對人員疏散仿真模擬造成一定的影響，根據國內學者對大型商業綜合體人員疏散及人體體型尺寸的研究和調查[15-16]，對模擬疏散仿真涉及到的人員參數進行設置，見表5。

表5 人員參數設定表

4 人員疏散模擬結果分析

根據學者研究[17]，人員的必需疏散時間(TRSET)一般包含了幾個不同時間參數：報警時間(TA)、響應時間(TR)和疏散行走時間(TM)。即人員疏散的必需疏散時間(TRSET)可按(3)公式計算。

TRSET=TA+TR+1.5×TM

(3)

式中TA取值60 s。因該大型商業綜合體內設置了廣播系統，TR取值120 s。一般情況下，TM為軟件模擬所得的時間。因現實情況下受到人員疏散時很多突發事件的發生和人的行為不受控等因素的影響[18]，取補償系數為1.5。

首層服裝商鋪、4層電影院疏散模擬的總時間分別為893 s和881 s。通過分析疏散模擬結果，得出不同區域疏散模擬時間，計算出人員必需疏散時間，見表6。

5 PyroSim與Pathfinder結果對比

將火災煙氣模擬得出的TASET和人員疏散模擬TRSET對比，最后驗證TASET>TRSET是否成立[19]。若TASET>TRSET，則可以認為：在所設定的條件下，處在商場內的人員在火災產生的危險因素達到危險狀態的臨界值前能夠疏散至安全的區域。反之，則判定不能達到人員疏散的安全時間[20]，對比結果見表6。

表6 PyroSim與Pathfinder模擬結果對比

首層商鋪排煙失效和有效的情況下，首層的人員可用疏散時間均約為329 s，人員必需疏散時間為334.4 s，相差5.4 s；4層電影院放映廳排煙失效和排煙有效人員可用疏散時間為192.8 s和214.2 s，比人員必需疏散時間相差29.7 s和8.3 s，故排煙失效和排煙有效時，著火房間內人員均處于危險狀態。

6 結 論

1)對比不同工況同一場所的火災，排煙失效時，電影院放映廳、走道、樓梯前室、售票大廳測點分別在260.6,606.5,939.6,1 211.8 s時能見度達到10 m。排煙有效時，電影院放映廳和走道測點在316.9 s和667.3 s能見度達到10 m，排煙有效時達到臨界值的時間較長。因此，機械排煙能有效控制著火房間內的煙氣濃度。建議加強日常對排煙設施檢修，保證排煙系統發生火災可以有效啟動。

2)對比同一工況不同場所的火災，機械排煙系統有效和失效2種工況下，電影院相對于服裝商鋪達到危險狀態下所需的臨界時間分別降低了114.5 s和135.7 s。這表明電影院的危險性大于服裝商鋪，且電影院人員集中，垂直方向疏散易出現擁堵的情況，建議在電影院內單獨設置通往室外的疏散通道。

3)首層服裝商鋪火災，人員需893 s完成全員疏散，4層電影院火災，人員需881 s完成全員疏散。在排煙失效的情況下，煙氣從商鋪溢出后，自下往上擴散至整個中庭，且堆積在頂層，首層火災發生在1 528.7 s和1 554.2 s后，3層和4層能見度達到人體耐受極限的臨界值，此時已完成商業綜合體全員疏散，全員處于安全狀態。因此，中庭在很大程度上降低了煙氣濃度，若各商鋪門處安裝防火卷簾，避免火災向鄰近商鋪蔓延，能在一定程度上保證人員安全。

4)通過對比人員可用疏散時間和人員必需疏散時間，僅著火房間內首層服裝商鋪和4層電影院放映廳人員可用疏散時間小于人員必需疏散時間，人員處于危險狀態。若將人員必需疏散時間中的報警及響應時間縮短29.7 s，所有工況下的人員都能完成疏散，故應加強商場工作人員的消防安全培訓，減低報警時間和響應時間，為人員疏散爭取更多時間，保證全員安全疏散。