歷史建筑性能化防火設計分析

【摘? ? 要】：為提升歷史建筑的消防安全水平，以實際工程為例，利用性能化防火設計方法，對火災場景下人員疏散和火災煙氣流動模擬數據進行量化分析計算，找出影響人員疏散效率的不利因素，提出具有針對性的優化策略。

【關鍵詞】：歷史建筑；防火；人員疏散；煙氣流動

【中圖分類號】：TU998.1【文獻標志碼】：C【文章編號】：1008-3197（2023）01-70-05

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.01.020

Study of Performance-based Fire Safety Design of Historic Building

LI Na

（Taiyuan University of Technology Architectural Design and Research Institute Co. Ltd.， Taiyuan 030024， China）

【Abstract】：In order to promote the fire safety level of historic building， the paper analyses and calculates the simulation data of safe evacuation and smoke movement under the fire scenario which reveals the negative factor of safety evacuation efficiency， then raises the targeted optimization strategy， using the method of performance-based fire safety design and combining fire-fighting system of a reconstructed and updatedtrain station project.

【Key words】：historic building； fire safety； personnel evacuation； smoke movement

許多作為城市地標性歷史建筑的老火車站候車廳因使用功能和平面結構的限制，無法按現行消防規范劃分防火分區、布置安全出口。候車廳的空間特點是挑高高、單層面積大，不同功能區相互連通不易分隔，火災時煙氣蔓延更加迅速；同時候車廳內人員密集且構成復雜，對安全出口位置和逃生路線不了解，易形成擁堵，導致踩踏事故，造成的人員傷亡、財產損失和社會負面影響遠高于其他公共場所，因此發生火災時如何順利逃生則至關重要。

某火車站始建于20世紀初，20世紀50年代和70年代兩次重建，2011年被列入城市歷史建筑名錄保護使用，其中高架候車廳于1994年建成運營，后經數次建筑使用功能改造及局部改擴建，現有消防設施幾乎處于癱瘓狀態，無法保證人員安全，需根據現行防火規范結合車站現狀使用要求進行全面消防改造。本文通過人員疏散和火災煙氣模擬軟件，定量分析人員疏散時間、易擁堵位置、煙氣溫度、能見度和有害氣體濃度之間的關系，探索優化消防改造方案。

1 工程概況

火車站高架候車廳平面布局南北對稱，以中央通道和南北側走道分為5部分，包括中間中央通道及4個候車廳。高架候車廳南北側各4個安全出口，東側1個安全出口，西側2個安全出口，共計11個；進站口東西側各1個；每個候車廳與中央通道連通門1個，與南北側走道連通門2個，共計12個。東側的進站口與安全出口位置重合，西側的進站口與安全出口位置相近。見圖1。

現狀防火分區較多，相應防火措施設置較多；而現代交通建筑的特點是內部空間開闊并且大多數為開放性空間，室內的隔斷要盡量少；為適應現代交通建筑的特點，將高架候車廳考慮按照1個防火分區進行劃分，防火分區面積約為 13 480 m2，大于國家標準的規定，是否會降低建筑的消防安全性能，需要采取哪些技術保證措施來確保建筑的消防安全，需經研究分析確定。

2 性能化防火設計

利用性能化防火設計進行定量分析時，首先應計算該建筑火災的荷載、類型和最大熱釋放速率等，確定合理的火災場景；再利用計算機模擬軟件對特定火災場景下煙氣的溫度、有毒氣體（CO、HCN、CO2等）濃度和能見度等參數進行模擬計算和分析評估，得到人員可用疏散時間TASET，即從火災發生到火災發展至威脅人員安全疏散時的時間間隔，主要取決建筑結構及其材料、控火或滅火設備等，與火災蔓延以及煙氣流動密切相關；再根據設定火災場景設置相應的人員安全疏散場景并利用人員安全疏散模擬軟件進行計算，得到人員必需疏散時間TRSET，即人員從火災發生到疏散至安全區域所需要的時間間隔。若TASET>TRSET，則可認為在設定的火災場景下，建筑內人員能在火災影響到生命安全之前全部疏散到安全區域；反之，說明建筑現有的消防設計方案不能滿足人員安全疏散的要求，需要調整消防設計方案[1]。通過火災煙氣流動模擬軟件Pyrosim和人員疏散模擬軟件Pathfinder進行仿真模擬。

2.1 模型的建立

2.1.1 計算網格劃分

計算區域網格的劃分將直接影響模擬的精度，網格劃分越小，模擬計算的精度會越高，需要的計算時間會呈幾何級增加；網格劃分過大，可縮短計算時間，計算精度卻無法保證。在綜合考慮經濟性與滿足工程計算精度的前提下，采用均勻網格劃分方法，網格尺寸為0.5 m×0.5 m×0.5 m。

2.1.2 火災荷載

火災的增長速度與可燃物的數量、擺放形式、燃燒性質及建筑內是否有自動滅火系統和排煙系統等因素有關?；疖囌救肟谟袊栏竦陌矙z措施，高架候車廳區域基本沒有可燃氣體和液體，主要是衣物、食品等纖維和塑料制品類。在建筑防火性能化設計中，一般不考慮火災前期陰燃階段，僅從火災有效燃燒后開始?；馂脑鲩L系數的值定義了慢速火、中速火、快速火和超快速火4種標準t2火災（t為火災增長時間）[2]；候車廳快速火時火災增長系數取值0.044 kW/m2?；馂臒後尫潘俾适侵竼挝粫r間內火源放出的熱量，候車廳在自動滅火系統有效時的火災熱釋放速率確定為2.5 MW ，自動滅火系統失效時為8.0 MW[2]。

2.1.3 人員參數

城市內新建的高鐵南站已投入運營多年，高鐵西站也在規劃建設中，該火車站的實際旅客數量遠小于按規范計算值；根據火車站運營部門提供的實時數據，現狀節假日最高峰人數為4 626人，增加10%安全余量，工作人員占乘客人數的4%，則高架候車廳總人數為5 292人。疏散人員構成按照成年男士∶成年女士∶老人∶兒童 =4∶4∶1∶1的比例設置[3]。

2.1.4 出口

候車廳與室外月臺的高差為7.5 m左右且室外疏散門的寬度遠大于室外樓梯寬度，因人員的水平疏散速度大于樓梯下行速度，在利用Pathfinder軟件計算人員疏散行動時間時，已增加人員通過室外樓梯下至月臺的時間。

2.1.5 切片設置

在滿足室內最小清晰高度，距離地面2.1 m處設置溫度、能見度和CO濃度的切片。

2.2 模擬分析

2.2.1 人員疏散

按照Pathfinder程序設置輸入疏散人員數量、疏散速度、人員構成比例和疏散通道或疏散門的有效寬度等相關參數。

火災發生時間為5 s時，1#～4#候車廳30%的人向中央通道疏散，70%的人直接從南北側出口疏散；135 s時，30%的人全部疏散至中央通道，東西側出口人員擁堵，密度云圖呈紅色，70%的人直接從南北側出口疏散，密度云圖的紅色區域小于東西側出口；205 s時東西側出口擁堵人員數量增加，密度云圖紅色區域增大，南北側出口人員全部疏散至室外通向月臺的樓梯，南北側出口處基本無擁堵現象；430 s時，南北東三側人員已全部疏散至室外月臺安全區域，西側安全出口仍有部分人員滯留，密度云圖的紅色區域變小，至588 s時才全部疏散至室外月臺安全區域。見圖2。

南北側出口疏散門處擁堵時間150 s，室外樓梯通行時間50～450 s，人員疏散行動總時長450 s；東側出口疏散門處擁堵時間400 s，室外樓梯通行時間50～580 s，人員疏散行動總時長530 s；西側出口疏散門處擁堵時間350 s，室外樓梯通行時間0～450 s，人員疏散行動總時長450 s。南北側出口人流量最大4.5人/s，東側出口人流量最大6人/s；西側出口人流量最大6人/s。對比分析東西側人流密度最大，是南北側人流密度的1.35倍；東西側人員疏散行動時長是南北側的1.18倍；東西側疏散人員數量是南北側的50%，東西側人員疏散行動總時長是南北側的1.30倍。

由于出口位置及與月臺的高差原因，候車廳南北側疏散總距離大于東西側，會有部分人員就近從東西側出口疏散；但因東西側出口樓梯數量少且寬度不夠，大量人員會出現擁堵，增加了疏散時間和形成安全隱患的概率；同時候車人員從東西側進站口進站，由于對候車廳平面布局不熟悉，火災時無人員及時疏導，會本能的原路返回；與軟件模擬結果相契合。

2.2.2 煙氣流動

在進行煙氣流動模擬時，首先要根據火車站候車廳的用途，可燃物數量、類型和分布，結合建筑功能布局、空間高度、平面結構、防火分隔和主動消防設施的設置確定合理地設定火災場景；再利用Pyrosim模擬軟件對火災及煙氣蔓延情況進行模擬計算，得到各場景下火災蔓延及煙氣流動狀態。

能見度造成的不利影響遠大于溫度和CO濃度。候車廳最高溫度為26.5 ℃，遠遠小于溫度限值60 ℃，最高溫度區域為火源正上方，其他區域溫度為20 ℃，利于人員疏散；最高CO濃度為15×103 mg/m3，遠遠小于CO濃度限值500×103 mg/m3；而最低能見度為12.5 m，大于能見度限值10 m，最不利區域為火源正上方、擋煙垂壁和墻壁轉角處，其他區域能見度均＞10 m[4]。見圖3。

因安全出口靠近墻壁轉角，煙氣在墻壁轉角處下沉形成紊流，能見度局部下降，對人員疏散影響大。

2.3 人員安全疏散判定

結合高架候車廳的平面布局、結構特征、人員流動情況和使用管理要求等基本條件確定疏散場景。疏散場景的設計原則為找出火災發生后，影響人員安全疏散的最不利情況，提供優化人員疏散方案的參考意見，共設置了3個疏散場景。見圖4。

將Pyrosim火災煙氣模擬結果與Pathfinder人員疏散模擬結果進行耦合，不同火災場景下人員疏散的必須疏散時間TRSET與人員可用疏散時間TASET綜合比較分析，判斷各區域內人員疏散的安全性。見表1。

3 利于人員疏散的優化策略

3.1 人員安全疏散策略

候車廳區域人員密度大、構成復雜，有火情時，安全值班員應引導人員分別從南側和北側的8個出口，有序、快速直接疏散至室外安全區域，不與中央通道的人員發生交叉。南北側走道的辦公區域發生火情后，與北側走道相連的候車室1和3的連通口關閉，候車室1和3的人分階段疏散至候車室2和4，再從候車室2和4的南側4個出口疏散至室外月臺；北側走道的辦公區域工作人員從北側4個出口疏散至室外月臺；這種疏散場景的用時最長，但能很好分隔火源區域和安全區域，利于人員安全疏散。

3.2 加強措施

3.2.1 防火隔間

考慮火車站人員構成復雜，會有部分老、弱、病、殘、孕人員火情發生時沒有能力及時疏散；根據候車廳的平面布局，將兩個候車廳連通區域的母嬰候車室、休閑候車室及衛生間設置為防火隔間，給這類人員在火災初期提供一個相對安全的避難區域，在保證其生命安全的同時，進一步采取有效疏散策略。

防火隔間隔墻采用耐火極限不低于2.0 h的不燃燒體，屋頂采用耐火極限1.5 h的不燃燒體，與其他空間進行防火分隔；隔墻上開設門窗時，采用甲級防火門窗，外窗有不小于地面面積 2% 的有效可開啟扇。

3.2.2 防火隔離帶

防火隔離帶可以阻止火災煙氣通過熱對流和熱輻射等傳熱形式引燃隔離帶對側可燃物，防止或減緩火災水平方向蔓延。中央通道設置防火隔離帶[5]，防火隔離帶內不得設置任何固定可燃物，寬度≮9 ｍ[6]，將防火隔離帶與其他區域進行有效區分，采用涂層、不同顏色地磚或內墻上標注等方法對防火隔離帶設置明顯標志。

3.2.3 防火艙

防火艙將火災影響限制在局部范圍，最大限度地避免危及生命、財產、運營安全的事件發生，以實現大空間開敞布局的需要。將中央通道中的商鋪設置為防火艙，每間建筑面積≯50 m2，每個防火艙間距≮8 m，隔墻采用耐火極限不低于2.0 h的不燃燒體，頂部設置耐火極限不低于1.5 h的不燃燒體罩棚。商鋪開口部位設置防火卷簾，分兩步降落。防火艙設置火災自動報警系統、自動噴水滅火系統。

3.2.4 防火分隔

南北兩端的走道和辦公服務用房采用耐火極限 2.0 h 防火隔墻和乙級防火門與走道進行分隔，設備間采用防火墻和甲級防火門與走道進行分隔，增加南北疏散走道的安全性。

3.3 日常管理建議

消防系統和設施是建筑內人員能夠在有火情時及時安全疏散的重要保證，日常應加強對自動噴水滅火系統、防排煙系統和火災自動報警系統等消防設施的維護保養，保證有火情時消防設施能有效發揮作用。運營管理單位應定期對工作人員進行消防安全培訓和滅火、疏散演習，提高報火警和滅初起火的能力，提高引導旅客安全疏散、識別和消除火災隱患的能力；同時制定建筑的整體消防應急預案，定期進行演練、加強管理人員滅火訓練和疏散引導演練，保證火災時人員的有序疏散。

4 結語

本文分析了火車站的火災特點和危險性，將Pyrosim火災煙氣模擬與Pathfinder人員疏散模擬的數值進行耦合分析，提出在消防設施均有效啟動時人員整體疏散策略的安全性；在高峰時段人員密集、分布不均、疏散距離長或部分消防設施失效時，結合分階段疏散的策略會進一步增加性能化防火設計的可實施性。

參考文獻：

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[2] GB 51251—2017，建筑防煙排煙系統技術標準[S].

[3] 高? ? 歌. 大型商場火災人員安全疏散及仿真模擬研究[D].長沙：中南大學，2009.

[4] 李文莉. 大型購物中心煙氣運動FDS模擬[J]. 消防科學與技術，2012，31（4）：352-354.

[5] 謝? ? 飛，褚新穎. 談大型展廳利用防火隔離帶劃分防火分區[J]. 消防科學與技術，2008，27（6）：406-408.

[6] 王躍琴.防火隔離帶寬度及影響因素分析[J]. 消防科學與技術，2017，36（7）：933-936.

收稿日期：2022-05-26

作者簡介：李娜（1981 - ）， 女， 高級工程師， 從事暖通空調和消防安全設計工作。