基于FDS大型體育場館火災與疏散研究

倪燕翎 陳代杰 楊毅 黃皓

摘要：大型體育場館聚集人數多，人群密度高，一旦突發狀況，大量人流的快速有效疏散成為首要安全問題。以某奧體中心項目為案例，分析大型體育場館的平面布局、空間類型、功能分布特點、火災防控的難點；利用FDS軟件pyrosim，進行火災動力學模擬，研究火災發生后場內煙氣溫度、CO濃度、煙氣的空間數值變化；依托Pathfinder對大型體育場館人群密集空間進行逃生實景演練，給出有針對性的、有效的疏散優化建議與解決方案。

關鍵詞：FDS? Pathfinder? 火災模擬? 疏散演練? 數字化

1、大型體育場館疏散影響因素

1.1、大型體育場館功能空間特點

運動場館是體能訓練和體育競賽的專業場所，為了適應訓練、競賽和各種運動消費的需要，具有體型龐大、結構復雜、人員密集的屬性，并具有功能復合化的特點。專業的體育場館一般具有高度標志性：為促進城市的發展、推動城市體育建設，大型綜合性運動體育場館通常精心設計，造型優美，屬于城市標志性建筑；功能多樣性：通常擁有鍛煉、比賽、娛樂、休閑等功能，其中體育場館以訓練和賽事為主；人員密集性：舉辦各類體育賽事和活動時，大型體育場館聚集人數往往數千甚至上萬，人員高度集中，密度極高。

大型體育場館在空間結構上同樣具有典型特征。場館功能分區明確：體育場館通常包括比賽場地、訓練場地、觀眾席、選手休息區、媒體區等功能分區，這些分區既考慮了各個區域的獨立性和互相關聯性，又必須確保場館滿足不同活動需求。建筑內大體積空間為主：體育場館空間，一是在豎直方向上通透，通過大型玻璃幕墻、大跨度鋼結構等元素使得活動分區規劃突出；二是在水平方向上滲透，樓梯、錯層等元素使得整個空間系統能夠有效互通，而共享空間也使得建筑總體具有統一性。觀眾席布局緊湊：體育場館的觀眾席通常為坡度看臺，兼顧觀眾的舒適度和安全性，以及滿足規劃人數要求。

1.2、大型體育場館防火防災隱患

由于體育場館的結構復雜性和空間復合性以及多功能性，火災防控難度很高；另一方面人員高度集中使得一旦火災發生帶來的損失難以預估。因此，對體育場館火災防控需要高度重視，排查所有安全疏散隱患。

（1）場館內的大空間利于火勢蔓延。

體育場館一般擁有龐大的立體空間，高曠的場館內循環著大量空氣，空間的相對密閉、人工通風，都會導致火災的迅速蔓延。

（2）鋼結構在火災中強度變化較大。

體育場館大多采用自重輕的大跨度鋼結構，火災溫度達200 ℃，鋼材強度就開始減弱，350℃時降低1/3；600℃時降低2/3；極易造成坍塌。

（3）可燃物易誘發火災事故。

體育館建筑內可燃材料較多，場館裝修和設施配備多采用木質結構材料，特別是場館地面和座椅，一旦遇到火點，很容易猛烈燃燒，火勢蔓延較快。

（4）相對集中和數量較多的用電設備造成火場負荷過大。

體育館為了滿足觀看比賽、音響效果、屏幕展示乃至直播拍攝等需要，對電力的要求高、需求量大，甚至可能燈具種類就多達幾十種。這些用電設施設備不僅增加了整體負荷，還極易造成局部負荷過大，線路短路而引發火災。

（5）復合材料多易引發氣體中毒。

我國體育館的建設在強化工藝、材料和設計上不斷突破，在體院場館建設中大量應用研發的新型復合材料，但火災發生時會產生多種成分復雜的有毒氣體，如CO、CO2、SO2等，造成逃生人員因復合材料成分多、化學成分復雜而發生氣體中毒。

1.3、人員疏散的影響因素

除了以上空間、材質、設施等火災隱患外，設計角度影響疏散安全的還有安全疏散距離、疏散寬度和疏散樓梯出口設置。

（1）安全疏散距離。

從最大容許距離的建筑物內到室外出口的最遠距離或樓梯，稱為安全疏散距離。體育場館體量較大，單層面積大，人流量巨大，且人流動線長，疏散距離不僅關系到疏散時間，疏散通路的順暢還是緩解人員密度的一個重要因素。根據《建筑設計防火規范》，體育館位于兩個安全出口之間的疏散門至最近安全出口的距離應遵循：一、二級建筑≤40m；三級≤35m；四級≤25m。

（2）安全疏散寬度。

根據《體育建筑設計規范》，體育館供觀眾疏散的所有內門、外門、樓梯和走道的各自總凈寬度，應根據疏散人數按每100人的最小疏散凈寬度不小于《建規》5.5.20-2的規定計算確定。

安全疏散距離是疏散時長度方向上的變量，則安全疏散寬度是其二維坐標系的寬度變量，對于降低人員密度也影響重大。

（3）安全出口設置。

《體育建筑設計規范》規定安全出口應平均安排1個，獨立看臺應至少安排2個，體育館內每個安全出口的撤離人數平均不超過400-700人。每個體育場安全出口的疏散人數平均不能超過1000-2000人。觀眾坐席走道的布置要與安檢口銜接順暢的觀眾坐席各分區的容量相適應。縱走道的設計寬度一般應與出口相等，才能通向出口。設計通過縱橫走道到達安全出口的人流量要與設計通過的人流量相等。綜上，在后續進行模擬時應從這些點著手完善模型、分析得出合理建議。

2、火災與疏散模擬理論與工具

2.1、火災動力學基本理論

計算機仿真火災的通用數學模型主要有四種：網絡模型、區域模型、場域模型和復合模型。該項目下受到多個因素的影響，因此，需要創建一個能夠準確描述火災全過程及整個過程中煙氣擴散和溫度變化情況的模型。利用離散封閉法進行計算參與火災動力學特征描述的參數。火區流場表征參數包括流場流速向量（U，V，W）、溫度（T）、煙氣濃度（C）和壓力（P）。火災發展階段涉及耦合物理化學反應、流體力學和傳熱學相互作用所產生的復雜動力場，因此場模型主要遵循幾個守恒方程：質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程和狀態方程，以牛頓流體核心的質量、能量和動量為理論基礎。

2.2、火災模擬軟件及其設計原理

PyroSim 是專門用于火災動態仿真模擬的軟件。它是一款互動式火災模擬軟件，基于計算流體動力學原理，對火災過程中煙霧、溫度、一氧化碳等物質的發生和發展規律進行預測。網格數量和幾何參數的設置是該項目應用過程中首先需要設置的；然后通過軟件模擬火災燃燒過程，根據相關運算數據，得出煙氣變化軌跡、擴散、溫度等參數的變化趨勢；最后，通過Excel等數據處理工具來獲取相關的火災模擬數據曲線，從而對數據進行處理和分析。

2.3、疏散模擬軟件及其設計原理

FDS同一公司開發的PathFinder 是一款目前應用最廣泛的安全疏散模擬仿真軟件。該軟件可加載逃生路徑，模擬每個人撤離的時間、軌跡，以及在大型場館應用逃生分析時，動態模擬撤離人數，形成研究人員參考的具體應急撤離方案。本項目分析了體育場館在時間段內合理范圍的人數情況，設置人數并使其隨機分布在看臺上或者運動場內。針對各個功能分區布局、樓梯的位置和分布、安全門的開閉情況和數量等設置相應參數，使其滿足建筑結構設計的特殊性。火災來臨時，人們對逃生路線的選擇比較復雜，因此在疏散大型場館火災時，選擇一種比較符合心理因素的方式逃生，這樣在疏散大型場館火災時，與現實中的情況也比較吻合。通過模擬運算，得出火災疏散的仿真結果。

3、PyroSim 火災分析

3.1、奧體中心項目概況

寧波奧體中心體育館為甲級大型體育建筑，耐火等級二級，體育館主體為48811㎡，分為6個防火分區，平臺下商業為1個防火分區。以首層為例，首層建筑面積17254㎡，主要功能為運動員及隨隊官員用房、貴賓用房、機房等，分為5個防火分區（該分區包括比賽大廳、觀眾看臺、觀眾休息廳等部分），本層面積為3670㎡。

3.2、火災場景設定

（1）著火點位置設置。

對于火災場景的設置，火災中起火原因有相似性，但受建筑形式、結構、消防設施、外界因素等影響，火災場景不存在相同之處，綜合考慮后選取主館一樓看臺右下角作為火源點。

（2）檢測點及切片設置。

因項目體量較大、通風口數量足夠多，經測試后發現煙氣擴散、溫度變化并非十分劇烈，所以項目設置4個測點分布在起火點5-10m范圍內，測量溫度以及CO濃度為人員疏散安全判定作為依據。在二、三層看臺處設置2D切片，測量CO濃度、可視度；3D切片用來監測以起火點為中心5m范圍的CO濃度和溫度變化。

3.3、模擬燃燒結果與分析

（1）煙氣擴散分析。

火災發生后煙氣受熱以垂直方向上升，到達場館頂部后沿頂部呈圓形向四周擴散，由于煙氣溫度較高，在體育館沿墻邊向下擴散過程中遇到溫度較低的空氣，產生熱浮力并逐漸停止向下擴散，煙氣在房頂處逐漸累積到一定程度后開始向下擴散。設置劇烈燃燒反應條件后，煙塵迅速蔓延，大部分的穹頂在100s時就已蔓延開來；200s聚集的煙霧開始彌漫下來；300s時煙塵厚度較厚，早已影響到上層看臺的撤離。

（2）溫度變化分析。

前期煙氣上升階段，體育館內部大部分區域溫度影響不大。2D切片表明100s時煙氣并未下沉，只有火源點煙氣形成的柱狀區域溫度升高；隨著火勢變大，煙氣逐漸擴散，160s主館四周溫度開始發生變化，隨著時間推移，火災影響范圍一步步增大，溫度從四周向中心逐步升高，上層看臺影響嚴重。3D切片顯示，6m×6m×28m長方體內溫度變化提高了一個數量級，因此在火源點周圍的人群不及時遠離會有極大危險。

（3）CO濃度、可視度變化分析。

CO主要是伴隨煙氣擴散的，3D切片以及測點結果顯示，火源點20m范圍內CO濃度變化不大，300s時仍然未超過極限值600ppm，因此只要按照安全疏散指示盡快離開體育館，基本不會受影響。

黑煙不斷擴散遮擋人員視線，是導致可視度逐漸降低的主要原因。設置的切片均在火源點上方，從可視化結果分析，100s左右上方看臺可視度變化不大，暫未受其影響；300s時煙氣蔓延到下方，影響了場館出口。

4、PathFinder疏散分析

4.1、人員與疏散參數設置

本次模擬設置最不利疏散環境，取設計人數上限1.5萬，劃分為兩層看臺，下方看臺4000人，上方看臺7000人，場館中央安排4000人。對于疏散出口設置，上層大看臺有28個疏散出口通往內部平臺，下層看臺直接通往平臺，最后所有疏散人員通過疏散樓梯離開體育館，在本次分析中主要測試看臺以及場地中央疏散情況。

撤離人員以就近出口方向逃離，其逃生速度參照《消防工程手冊》中的人員步行速度，實際上在撤離過程中，人員的步行速度會受到人員密度的影響，特別是心態慌亂情況下人員擁擠的樓梯、出口等位置，逃生速度大大低于理想值。

4.2、疏散模擬結果分析

撤離開始后，體育館內的人員選擇好各自的撤離路徑開始沿著選定的路線移動，由于選擇不同，人群出現了分塊現象，中心位置的人員形成了東南西北四個塊，多組隊列選擇了北側出口撤離；二層人群中，靠近出口的可以快速疏散到出口位置，而其他位置的人員只能隨人流緩慢移動；三層看臺人群則必須沿著看臺樓梯先向二層轉移。所有樓梯、道口人流通過達最大承載值、無法多人通過處，就是促使疏散速度慢下來并趨于平穩的關鍵。人員沿疏散路徑排成隊列有規律撤離，則中央地板人員在100s內可以完全疏散出體育館，看臺人員主要在下至一樓樓梯處產生堵塞情況，完全疏散需要337s。

5、綜合安全性判定及防火建議

5.1、人員疏散安全性判定

模擬結果顯示，火災發生時場館內的煙霧蔓延速度較快，熱量積聚嚴重。現有疏散通道、出口等設施還有待完善，才能保證人員迅速安全地疏散。根據火災模擬結果，我們對寧波奧體中心體育場館的安全性進行了評估，評估主要考慮了煙霧擴散情況、人員疏散順暢和時長等因素。通過pyrosim火災軟件分析出可用安全疏散時間與Pathfinder中BIM模型演算的人員安全疏散時間對比可知，場館內較高看臺疏散至內部平臺之后下平臺出體育館這段時間內容易發生擁擠和堵點，可能會造成不安全情況出現。

通過對該體育場館進行仿真模擬，可以為消防演練提供依據，并發現人員疏散建設中存在的不足之處，如疏散樓梯位置不明確、疏散標志不明顯、疏散通道過窄等問題。同時，仿真模擬還能夠提出相應的改進措施。

5.2、火災防控措施建議

在評估的基礎上，提出了以下防火建議：（1）加強各種設備的管理，減小因設備故障引起火災的概率；（2）增加安保力量，確保場館內人員秩序井然，發現火災隱患及時報警；（3）加強建筑防火材料的應用，提高場館的耐火性；（4）加強建筑疏散通道、出口等設施的建設，保證人員可以迅速安全地疏散出場館；（5）加強消防設施的維護保養，如滅火器、消防栓、消火栓箱等應定期檢查，確保在火災發生時能夠正常使用；（6）制定消防應急預案，明確各部門職責及應急逃生方案，并組織定期演練；（7）應建立專門的消防安全監控指揮中心，實現全方位24小時監控和預警，確保事故發生時能夠快速響應和處置；（8）加強與相關單位協調合作，形成聯防聯控的消防安全模式，實現全面的火災防控。

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