基于FDS+EVAC的宿舍火災和人員疏散模擬研究

耿 聰，趙道亮，崔慧敏，謝欣彧，魯 云，周 鵠

（上海應用技術大學 城市建設與安全工程學院, 上海 201418）

隨著城市規模的擴張，超高層建筑已經成為常見的房屋構造形式之一，隨之而來的人員與設施安全問題也日益突出。這些建筑一旦發生火災，很容易造成嚴重的人員傷亡。緊急條件下的人員安全疏散是公共安全的一個重要研究領域，當前國內外有許多學者運用數值仿真技術[1]，針對建筑火災以及人員疏散進行使用各種算法模擬計算。鄒馨捷等[2]模擬了宿舍樓的火災和疏散過程，得出消防設施是否有效以及宿舍窗戶是否打開對于人員的疏散的安全性影響較大的結論。丁厚成等[3]模擬研究高層建筑煙氣流動以及相關參數的變化，分析了火災煙氣蔓延對于人員疏散的影響。郭阿敏等[4]模擬了綜合圖書館的火災以及人員疏散，得出不同工況下的人員疏散時間。李琰等[5]分析了在每年高校招收人數越來越多的大背景下，復雜連體宿舍樓發生火災時的煙氣蔓延情況以及不同樓體之間的相互影響，指出連廊對于整棟樓的安全十分重要，必須加強對連廊的消防管理。楊海明等[6]模擬高層宿舍樓人員疏散過程，將模擬結果與經驗公式計算形成對照，分析結果的差異性，并針對建筑的火災危險性提出相關建議。Lee等[7]模擬了許多情況下的人員疏散情況，分析了著火對人員出口選擇和人員疏散時間瓶頸的影響。Kirik等[8]將疏散模擬運用到日常的消防檢查與建筑設計當中。

在現實情況下，發生火災的原因及其發展過程往往十分復雜，人員疏散會受到較多因素的影響[9-12]。高校宿舍樓作為學生日生活學習的重要場所，存在著結構單一、人員密集、管理混亂、可燃物眾多等問題，極易發生火災事故[10]。緊急情況下的人員疏散往往呈現出一種高密度且無序的狀態，人群流動復雜多變，受到多種因素的影響。在以往的模擬試驗研究中，往往只是單一針對火災或者單一針對人員疏散進行研究，往往會忽略火災對于人員造成的影響，并且不能夠很好的表達火災情況下的人員疏散過程；單一模擬分析數據的可靠性，往往無法得到驗證。FDS+EVAC軟件基于人員疏散的出口計算和流體動力學組合計算模型，適合模擬人員疏散情況[1-16]。因此，本文針對某高校宿舍樓火災人員疏散問題，進行從單個房間到單層，最后到整棟樓的模擬試驗，并將模擬結果與經驗公式計算結果對照，從而對實際火災中的人員疏散提供科學的指導。

1 軟件模擬建立

一共進行了3組模擬實驗，分別為：單房間、單層、6層宿舍樓的火災疏散模擬。

3個模型的可燃物大致相同，書桌、書柜、木板床材質是黃松木，被子是纖維，地板為混凝土。房間著火點設置在了3號床的位置。根據相關文獻[11]，選取每單位面積熱釋放燃燒速率為5 000 kW/m2。網格長10 m，寬8 m，高3 m。非緊急條件下女生步行速度通常為0.6～0.9 m/s，男生為0.8～1.1 m/s；緊急條件下女生步行速度為0.9～1.1 m/s，男生的步行速度為1.1～1.5 m/s。房間人數設置為4人。模型圖以及火源位置如圖1所示。單層模型共有4個網格，長寬保持一致。其中1個是火災網格，長43.34 m，寬15.3 m，高3 m；另外3個是疏散網格，高為0.9～1.1 m，包含Z偏移1 m。其中學生寢室一共12間，共48人。

圖1 單層物理模型圖Fig. 1 Single layer physical model diagram

6層樓模型共有21個房間，18個學生寢室、1個盥洗室、1個廁所和1個小型浴室。6層模型一共可建立13或者14個網格，第1個為火災網格，剩下其中6個網格為每層樓的疏散網格。第1層高0.9～1.1 m，之后的每層依次往上遞增3 m。剩余5個網格為樓梯間的疏散網格，2樓到1樓高度為3.9～4.1 m，之后的每層依次往上遞增3 m，剩下1個或者2個網格為疏散出口網格。整棟樓一共348人。

2 軟件模擬結果

2.1 房間疏散模擬結果

在非緊急條件下，房間內人員疏散時間為7.4 s，即得到疏散命令開始，到第4個人通過安全疏散門口的時間為7.4 s。緊急條件下，人員疏散時間為6.2 s。如圖2所示，從整個疏散時間來看，后面3個人在緊急條件下通過安全出口花費的時間比非緊急條件下短，平均短1 s左右。在1.6 s時，煙氣在桌子上空產生，向書桌上方蔓延，但并沒有擴散到疏散過道，人眼視線正常。在2.1 s時，煙氣擴散到疏散走道，影響了人員疏散。在3.4 s時，煙氣基本擴散到房間內，影響人眼視線，從而影響疏散。在6 s時，煙氣已擴散至整個房間。緊急條件下，此時只有最后1名人員還在房間內，其他3名疏散人員已到達安全區域。

圖2 房間疏散時間Fig. 2 Room evacuation time

由圖3可知，當疏散人員做出反應，開始逃離時，煙氣已經達到房間內高層，能見度基本在8 m以下，達到危險狀態。雖然火源左側和右側的能見度低于9 m，但是疏散過道不包括書桌以上區域，所以不妨礙疏散。而在人眼特征高度的Z軸平面，能見度為6～20 m。在5 s時，疏散過道的能見度在10 m左右，所以會局部影響疏散，會使疏散人員造成恐慌，減緩步速。具體是否影響疏散，取決于人員的具體位置。

圖3 能見度切面Fig. 3 The visibility section

觀察疏散門口能見度的情況（見圖4），分析能見度是否對人員疏散造成影響。在安全疏散出口的人眼特征高度位置，在4.3 s時能見度保持在30 m左右，說明此時房間內的煙氣并沒有蔓延到疏散門口，但在4.3 s以后，能見度急劇下降到6 m左右，說明這個時刻煙氣擴散到了房間出口，影響了能見度；短時間內能見度波動降低到10 m左右，然后仍舊繼續波動下降，直至實驗結束，能見度一直呈下降趨勢。由疏散人員對應的疏散時間得知，本實驗疏散時間為6.3 s，即最后1個人安全通過疏散出口的時間為6.3 s。而能見度在4.3 s以后急劇下降到了10 m以下，達到能影響疏散的臨界值。所以在4.3～6.3 s這2 s時間內，能見度對人員疏散造成了一定影響。而在4.3 s時，第2、3、4名人員均在房間內，所以后面這3名人員都受到了能見度的影響。

圖4 人眼特征高度門口能見度Fig. 4 Human eye characteristic height doorway visibility

分析房間內的溫度對人員疏散的影響，距房門1.4 m處溫度隨時間變化如圖5所示。溫度達到最高值350 ℃耗時7 s，而此時，人員已經全部疏散至室外。據相關研究表明，煙氣達到180 ℃，即能給人體帶來強烈的熱感反應，達到人體耐受極限。而在4.5～7 s之間，溫度呈逐步上升趨勢，部分時刻達到180 ℃，而4.5～6.3 s之間，仍有2人逗留在房間中，溫度會對此刻的疏散造成影響，即在此情況下，疏散人員能感覺到溫度的強烈，會加快步行速度迅速離開房間。

圖5 房間門口1.4 m處溫度隨時間變化圖Fig. 5 The temperature at 1.4 m at the door of the room changes over time

另外通過對房間煙氣的沉降高度、CO體積分數及其對人體產生影響的時間的模擬分析，對比房間內人員疏散時間，發現在房間疏散過程中，這些火災參數均不能對疏散造成影響。

2.2 單層疏散模擬結果

表1所示為單層疏散的設定，圖6所示為不同場景下的疏散時間。每次結果均為3次及以上實驗平均結果。非緊急情況下的疏散時間明顯要多于緊急情況下的疏散時間；另外當出現緊急情況時，不同位置的火源設置對于疏散時間影響不大，原因在于人數的在1層樓的不同位置數量大體相同，發生火災時，疏散人員會從火災的反方向逃離，所以只有1個出口時，兩邊的疏散人數大致相同。2個安全出口同時使用的情況下，東面發生火災所用的疏散時間比西面發生火災所用的疏散時間短。東面發生火災時，對人員選擇出口沒有多大影響，依舊是就近原則。而當西面發生火災時，火源在東西面出口之間，會嚴重影響東西面出口之間的人選擇出口。原則上，疏散人員會選擇反火源方向逃離，所以東面出口以西，火源以東的人肯定會選擇東面出口，在這種情況下，選擇東面出口的人明顯比選擇西面出口的人多很多，給東面出口造成很大壓力，造成了擁堵。

表 1 單層疏散的不同場景Tab. 1 Single-storey evacuation in different scenarios

圖6 不同場景下的疏散時間Fig. 6 Evacuation time in different scenarios

以西面火源2個出口為例，當整個疏散過程當中，走廊與樓梯口的溫度維持在20 ℃到30 ℃之間，除了房間的能見度下降到10 m以外，走廊，樓梯口均沒有到達臨界值。因此，火災中相關溫度、能見度等均不能對疏散造成影響，必須安全疏散時間少于可用安全疏散時間。

2.3 6層疏散模擬結果

6層樓疏散一共分為9個場景（見表2）。截取了相關條件下人員疏散情況，如圖7所示。通過計算機模擬得出男女生的疏散時間，如圖8所示。在男生步行速度明顯比女生步行速度快的情況下，男女生所用的疏散時間差異較大。在非緊急條件下疏散時間相比緊急情況的疏散時間更長。當西面樓梯故障時，只能采用東面樓梯進行疏散，人員擁堵嚴重，排隊現象明顯，所以所花的疏散時間也明顯增多。當關閉西面出口時，人員從西面樓梯疏散至1層，又要從西面樓梯處步行至東面出口，增加了疏散距離，同時又增加了東面出口的疏散壓力，從而增加了疏散時間。通過以上數據得知，在東西2個樓梯同時運行，且東西2個出口均能安全疏散時，疏散時間所用最短。

表 2 6層疏散場景設置Tab. 2 Sixth floor evacuation scene setting

圖7 火災條件下人員疏散情況（7.1 s）Fig. 7 Evacuation under fire conditions (7.1 s)

圖8 6層樓不同場景下男女生疏散時間Fig. 8 Evacuation time of male and female students in different scenes of a six story building

不同的疏散樓梯數量和出口數量，同樣會對疏散時間和疏散效率產生影響，如圖9、圖10和圖11所示。不管是1個樓梯1個出口，還是2個樓梯1個出口又或者2個樓梯2個出口，第1個人到達安全出口的時間都在10 s之內。從1個樓梯1個出口的疏散曲線圖得知，100 s之前疏散速度較快，而后疏散速率緩和，由于100 s以后疏散人員基本都集中擁堵在疏散樓梯上，所以影響的疏散效率。而在2個樓梯1個出口或者2個樓梯2個出口的情況下，不論是東面發生火災還是西面發生火災，對疏散時間影響不大，因為2個樓梯同時使用，人員具有更多的選擇性，能第一時間做出反應，選擇合理的疏散樓梯逃生。另外，同等的疏散條件下，東面著火的疏散時間均少于西面著火的疏散時間。原因在于，西面火源位于2個樓梯之間，在首層東面火源以西的人都要穿過火源房間，而房間里的煙氣彌漫到疏散走廊，會對人的能見度造成影響，降低疏散效率。

圖9 1個樓梯1個出口的疏散情況Fig. 9 Evacuation situation with one stairway and one exit

圖10 2個樓梯1個出口的疏散情況Fig. 10 Evacuation situation with two stairway and one exit

圖11 2個樓梯2個出口疏散情況Fig. 11 Evacuation situation with two stairway and two exit

不同的人員特征對疏散時間、疏散效率也有不同的影響。如圖12所示，在非緊急條件下僅使用東面樓梯與東面出口進行疏散時，男女生的疏散效率是相當的，但是，由于男生的步行速度明顯比女生的步行速度快，模擬6層所有人員到達疏散樓梯間的時間，男生比女生用時更短。此時擁堵在疏散樓梯間的人員比女生少，等待時間也就比女生少，總的疏散時間比女生快。男生在2個樓梯間1個出口或2個樓梯間2個出口的情況下所花的疏散時間，都比女生快25 s左右。

圖12 非緊急條件下男女生疏散時間對比Fig. 12 Comparison of evacuation time of male and female students under non-emergency conditions

從整個6層樓疏散情況來看，當疏散人員完全疏散至安全區域后，影響人員疏散的因素包括溫度、能見度等。西面樓梯間的疏散行動時間大于疏散允許時間。東面樓梯間的煙氣明顯比西面樓梯間少，東面樓梯間更安全。當只使用1個樓梯間1個出口時，即最不利的情況：只有東面樓梯間東面出口進行疏散時，火災的相關介質同樣沒有達到傷害人員的臨界值。所以人員均能在規定時間內安全疏散至安全區域。

3 經驗公式計算結果

在相同情況下，利用經驗公式計算疏散時間，對比模擬結果與經驗公式計算結果，與模擬結果相互驗證，提高數據的可靠性。

3.1 安全疏散水力模型計算

利用水力模型計算方法[12]計算疏散各個過程中的疏散時間，最終求和得出整個過程的疏散時間。

以某宿舍樓疏散場景7為例，計算疏散時間。房間最遠的距離為4 m，房間出口的寬度采用有效寬度，B1=1 m。樓梯梯度α=23.2°，高度為3.5 m ，整棟宿舍樓樓梯疏散距離為28 m，樓梯間安全出口有效寬度B2=1.6 m。正常情況下，通過系數N一般不超過2 人/(m·s-1)；當N＜1 人/(m·s-1)時，人流屬于緊急行進擁堵狀態。本研究中依據實際情況，正常行進狀態下，N選取1.1 人/(m·s-1)，緊急行進擁堵狀態下，疏散走廊的通過系數N選取0.8人/(m·s-1)，疏散樓梯間的通過系數N選取0.7人/(m·s-1)。

取首層疏散樓梯至室外最遠距離疏散人員從疏散樓梯間出口到達準安全區至室外出口的距離為8 m，選取4倍安全系數。參考這些數據，可得出：

第1階段，是指房間內的人員接到火災警報或廣播信號后，離開所在位置向房間出口移動，然后通過出口到達疏散通道的過程。房間內人員移動到房間出口所需的時間由式（1）計算。

式中：lmax·room為房間最遠工作點到房間出口的路程，單位為m；v1為人在水平方向步行的速度，單位為m/s。

第2階段，是指進入疏散通道的所有人員均沿疏散通道向疏散樓梯間移動（每個房間內人數為Proom），并依次通過樓梯間的門口進入樓梯間的過程，最后1個人跨過樓梯間門之時，即認為安全疏散過程結束。由于樓梯間門口處與樓梯間內部均存在著擁堵情況，因此整個第2階段疏散時間由下式計算。

從房間出口到達該層疏散樓梯間所需時間：

不同樓層的所有人員通過疏散樓梯間的所需時間：

第3階段，是指人員通過一層“準安全區”通道疏散至室外所需時間：

通過以上計算得知，場景7條件下，即只有1個安全出口1個疏散樓梯間作用的情況下，所有人員全部疏散至室外的總疏散時間為：

參照以上場景7的計算，得出表3所示的所有情況下的女生疏散水力模型計算結果。

表 3 所有情況下女生疏散水力模型計算結果Tab. 3 Calculation results of hydraulic model for female evacuation under all conditions

3.2 與模擬結果的對比

疏散時間計算機模擬結果與經驗公式計算結果對比如圖13所示，可以看出水力模型的計算結果與計算機模型的計算結果相近。2種計算方法相互補充，能夠為性能化防火設計中的人員安全疏散計算提供更可靠的數據。

圖13 所有情況下女生疏散實驗模擬與水力模型計算對比Fig. 13 Comparison of experimental simulation and hydraulic model calculation of female evacuation in all cases

4 結語

通過模擬發現，火災發生過程中，煙氣通過房門沿著通道、樓梯繼續向上蔓延，人員疏散與煙氣蔓延同時進行，并可得出以下結論：

（1） 房間內溫度、能見度會對疏散人員造成一定影響，其余參數在整個疏散過程中均沒有給疏散帶來影響。

（2） 相同疏散條件下，男生的疏散時間少于女生。發生火災情況下，不論是男生還是女生都可以在可用安全疏散時間內通過安全出口到達安全區域。

（3） 不同的火源位置影響人員對于路徑的選擇，進而影響出口的選擇。人員會選擇遠離火源的出口進行疏散，因此與火源位置相背離的出口往往會出現擁堵的情況，影響整體的疏散時間。另外，不同的樓梯數量對疏散的影響很大，任何情況下，樓梯全部可以使用時，疏散時間都遠少于單個樓梯可以使用的情況。