大型商业广场亚安全区设置方式研究

亓延军，杨 华，陈 兵

（1.山东消防总队，济南，250014；2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥，230026）

大型商业广场亚安全区设置方式研究

亓延军1，杨 华2＊，陈 兵1

（1.山东消防总队，济南，250014；2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥，230026）

针对大型商业广场类建筑普遍存在的疏散楼梯在首层不能直通室外、疏散距离过长等问题，结合某大型商业广场工程实例，通过性能化分析方法对比了两种不同亚安全区设置方式对烟气蔓延及人员疏散的影响，并给出了针对该工程实例的亚安全区设置建议，指导了该工程项目的消防设计。

商业广场；亚安全区；设置方式

0 引言

近年来，随着我国经济建设和城市化的快速发展，大型复杂的现代建筑物越来越多地涌现。大型商业广场作为一种典型的商业建筑综合体，其中既有空间体量巨大的步行街，又有受限空间类的公共场所，且人员大量聚集。一旦发生火灾，将比普通建筑更容易造成巨大财产损失和人员伤亡［1］。为了解决大型商业广场中由于建筑体量大而造成的疏散楼梯在首层不能直通室外、疏散距离过长等问题，“亚安全区”的概念被普遍应用于大型商业广场的防火设计中［2，3］。所谓“亚安全区”，是指介于室外绝对安全场所和室内火灾隐患场所之间，本身无较大火灾危险性且在火灾时供人员短暂停留而不至于受火势影响的场所［4］。对于“亚安全区”而言，成立的关键问题就是如何采取相应的消防措施保证其达到相应的安全水平。本文通过对某大型商业广场“亚安全区”两种不同设置方式的对比研究，提出了该大型商业广场“亚安全区”的设计方案，所得结果对类似大型商业广场“亚安全区”的设计具有一定的参考意义。

1 工程概况

该大型商业广场总建筑面积约16万m2，其中地上面积约12万m2，地下建筑面积约4万m2。该建筑地上五层，地下一层。地上一、二层为商铺、百货、超市、餐饮；三层为商铺、百货、超市；四层为商铺、百货、餐饮、电影院、KTV；五层为商场管理用房与影院设备用房。地下一层战时为人防工程，平时为车库。建筑主体高度20.90米（室外地面到屋面板），局部管理用房高度23.95米，局部电影院檐口高度23.95米。其中室内步行街由中庭孔洞贯穿一至四层，室内步行街区域如图1至4所示，其中步行街内大中庭和6个小中庭孔洞的位置分别在图2和图3中标出，所有中庭孔洞均贯穿一至四层。

该商业广场由于体量巨大，功能复杂，较难符合现行建筑防火设计规范［5］的要求，具体体现在：

（1）步行街区域一至四层上下贯通，严重超出《建筑设计防火规范》中关于防火分区面积的规定；

（2）部分楼梯间首层不直通室外；

（3）步行街内部分区域疏散距离过长。

为解决以上问题，该工程采用了“亚安全区”的概念，即人员发生火灾时可就近疏散至亚安全区，再

图1 首层平面Fig.1 Plan of the first floor

图2 二层平面Fig.2 Plan of the second floor

图3 三层平面Fig.3 Plan of the third floor

2 亚安全区的设计方案

“亚安全区”，成立的关键问题就是如何保证其达到相应的安全水平。由于“亚安全区”需确保在火灾时可供人员短暂停留而不至于受火势影响，所以，“亚安全区”的安全性不应仅仅通过人员疏散时间和火灾危险来临时间的比较来确定。“亚安全区”的安全要求应相比一般建筑空间的安全要求有所提高，才能保证在火灾时可供人员短暂停留而不至于受火势影响。要实现“亚安全区”，需要保证以下几个条件［6］：

图4 四层平面Fig.4 Plan of the fourth floor

（1）尽可能减少其中的固定火灾荷载；

（2）控制相邻区域内火灾产生的烟气不进入或尽可能少进入“亚安全区”；

（3）即使相邻区域内发生火灾时部分烟气溢出到“亚安全区”，烟气也能被“亚安全区”顶部排烟系统迅速排出，不会对“亚安全区”内的人员造成危害。

第一个条件可以通过有效的防火分隔和严格的消防管理来实现。“亚安全区”内的顶棚、墙面、地面、固定家具的装修材料均应采用不燃材料，必须严格禁止在“亚安全区”内布置固定火灾荷载以及限制在“亚安全区”内的商业活动，禁止布置摊位、展品等火灾荷载，保证“亚安全区”内发生火灾的危险性降到最低。第二和第三个条件可以通过合理的消防设计来实现。

对同一建筑，可能有多种“亚安全区”的设计方案，但各方案之间存在着差异。如何从多种方案中选取较为实用于该工程的方案是值得研究的。因此，本文重点分析针对某工程实例提出的两种不同亚安全区设计方案对人员疏散的影响。

方案一：将整个室内步行街中庭走道区域设置为“亚安全区”。为保证“亚安全区”达到相应的安全水平，在步行街顶部采光棚加开有效排烟面积相当于步行街走道地面面积20%的自然排烟窗。并且通过对经营业态、步行街内固定火灾荷载、步行街的顶棚、墙面、地面和固定家具的装修材料等方面进行限制，保证整个室内步行街区域满足上文所述的保证“亚安全区”成立的三个条件。

方案二：将首层部分区域设置为“亚安全区”，“亚安全区”区域如图5灰色区域所示。“亚安全区”排烟方式采用机械排烟。步行街其他区域采用自然排烟，步行街顶部采光棚自然排烟有效排烟面积为步行街走道地面面积的10%。为了保证“亚安全区”的成立，也对“亚安全区”内经营业态、固定火灾荷载、顶棚、墙面、地面和固定家具的装修材料等方面进行限制。

方案一将整个步行街作为亚安全区，扩大了亚安全区的利用空间，有利于人员疏散时就近进入亚安全区；但另一方面，需要提高消防安全等级的区域同时扩大，相应的消防设备投入也随之增大，且需要控制经营业态的范围较大，对日常的商业经营活动造成的影响也相应较大。方案二将亚安全区集中设置并采取机械排烟，在局部加强消防措施，使亚安全区的安全水平得到充分保证，同时缩小了亚安全区的范围，对日常的商业经营活动造成的影响也相应较小；但另一方面，人员疏散可能会受到亚安全区面积缩小的影响。因此，通过性能化分析方法对比两种不同亚安全区设置方式对烟气蔓延及人员疏散的影响。

图5 方案二首层“亚安全区”示意图Fig.5 Plan of quasi-safety zone floor in suggestion Ⅱ

表1 两种方案主要消防措施对比Table 1 Comparison of two suggestions

3 两种方案的模拟及对比分析

3.1 烟气危险性分析

本文分别针对两种“亚安全区”设置方案进行火灾烟气危险性分析。首先结合本工程实例的具体情况，基于对危险源的辨识和分析，考虑最不利情况下，设定了火灾场景［7］。对于方案一，“亚安全区”为整个室内步行街，因此参考《上海市工程建设规范—建筑防排烟技术规程》对于无喷淋的公共场所的热释放量的规定，分别在首层大中庭孔洞下方以及步行街内街设置火灾场景，保守地考虑步行街中庭大型主动喷水灭火系统失效情况下“亚安全区”的安全水平。对于方案二，“亚安全区”为首层如图5所示的区域。在该区域内设置规范要求排烟量两倍的机械排烟量并且对“亚安全区”内精品店的经营业态做出限制，以确保“亚安全区”达到相应的安全水平。参考《上海市工程建设规范—建筑防排烟技术规程》对于设有喷淋的商场以及无喷淋的公共场所的热释放量的规定，分别在首层大中庭孔洞下方、步行街内街以及“亚安全区”中精品店内设置火灾场景，保守地验证“亚安全区”以及步行街其他区域的安全水平。火灾场景的设置以及火灾烟气危险性分析的目的是从人员疏散角度出发，主要的安全目标是保证人员安全和火灾不大面积蔓延［8］。本文采用FDS火灾动力学模拟软件，对火灾蔓延的烟气运动过程进行模拟。火灾场景设置及危险性分析结果见表2。

表2 火灾场景设置及危险性分析结果Table 2 Scenarios and results of fire risk analysis

3.2 人员疏散模拟与分析

本文采用了Pathfinder 2009模拟获得人员疏散行动时间。

Pathfinder包含两种人员行为模式：SFPE模式和Steering模式。SFPE模式采用了美国防火工程协会SFPE手册中的概念，人员步行速度由其所在房间中的人员密度决定，通过门的人员流量则受到门宽控制［9］。Steering模式基于Inverse Steering行为的理念。Craig Reynolds于1999年在其论文中首次提出了人员的Steering行为理念［10］，之后由Heni Ben Amor等人在2003年将其完善为Inverse Steering行为理念［11］。在 Pathfinder所采用的Steering模式中，有更多复杂的行为作为人员运动算法的副产物出现，而计算人员密度和门前队列的需要则被消除。

Pathfinder模型以房间（Rooms）为主体，形成人员的可行走区域，通过门（Doors）和楼梯（Stairs）将相同或不同楼层的房间连接，人员以到达出口（Exits）为疏散目标。

Pathfinder模型中的人员由以下数据定义：人员名称、使用出口、行走速度、反应时间、身体尺寸、颜色、坐标。在疏散初始时刻，Pathfinder为每个人员生成疏散路径。疏散开始后，人员在沿疏散路径向出口疏散的过程中会对周围环境变化做出响应，从图6所示的五个转向向量中选择最理想方向修正路线。

图6 人员可选转向向量Fig.6 Inverse steering vectors of occupants

合理的人员疏散研究需要建立在正确的人员荷载统计的基础之上，该工程实例主要由商业和娱乐部分组成，其内部人员预计容量的确定主要参考《建筑设计防火规范》的规定以及业主提供的资料，最终人员荷载保守地确定为42402人。

火灾情况下的人员疏散时间为探测报警时间、人员反应时间和人员疏散行动时间之和。该大型商业广场内的顾客处于清醒状态且建筑内部疏散标志清楚，故人员反应时间设为60s，考虑到建筑内设有完善的火灾探测报警和监控系统，并配备有经过训练的保安人员，火灾探测或发现时间设为60s。疏散行动时间由Pathfinder模拟计算获得。

通过Pathfinder模拟计算，方案一和方案二建筑中各层人员随时间变化曲线图如图7和图8所示。其中首层人员数包括从二至四层通过疏散楼梯间到达首层、并利用首层直通室外的疏散设施疏散人员。因此，两种方案中首层人员全部疏散完毕的时间，均可作为整栋建筑全部人员疏散完毕的时间。

通过对两种方案人员疏散情况的模拟，可获得方案一和方案二各层人员疏散至疏散楼梯间或室外的人员疏散行动时间，如表3所列。

表3 疏散模拟结果Table 3 Results of evacuation simulation

由人员疏散模拟结果可知，方案二人员疏散时间比方案一略长，但均小于火灾烟气危险性分析中危险来临时间，均能满足人员安全疏散的要求，说明首层按照方案二设置“亚安全区”对人员疏散影响不明显。

图7 方案一各层人员随时间变化情况Fig.7Time history plot for suggestionⅠ

由于两种“亚安全区”设置方式不同，位于首层的人员在疏散路径的选择上有较明显差异。采用方案一和方案二时，人员疏散开始后60s首层的人员疏散情况分别如图9和图10所示。方案一中，大中庭首层人员主要依靠南侧直通室外的疏散出口进行疏散，且疏散过程中在此处发生一定程度的人员拥堵现象。由于方案一中将整个步行街整体作为“亚安全区”，较难对“亚安全区”中火灾荷载进行有效控制。发生人员拥堵的区域与中庭其他区域相连通，一旦中庭“亚安全区”中发生火灾，烟气易蔓延至发生人员拥堵的区域。

图8 方案二各层人员随时间变化情况Fig.8 Time history plot for suggestionⅡ

方案二中，大中庭首层人员主要通过北侧“亚安全区”疏散至室外。由于方案二中，“亚安全区”与中庭其他区域采用特级防火卷帘等防火分隔措施进行分隔，设有机械排烟系统，并对其中的火灾荷载进行了严格的限制。从而火灾发生的可能性降到最低。即使其他区域发生火灾后烟气蔓延至“亚安全区”内，烟气也可迅速排出，不会对人员疏散造成危害。

图9 方案一60s时首层人员疏散情况Fig.9 Occupants distribution at 60s in the first floor（suggestion I）

具体分析如下：

1.该工程实例中，方案一给出的“亚安全区”设置范围为整个室内步行街。疏散过程中，步行街区域所有沿街精品店内人员，均通过“亚安全区”疏散至室外。方案二中，仅将首层的特定区域设置为“亚安全区”，“亚安全区”主要供首层不能直通室外的疏散楼梯和部分首层与“亚安全区”相邻的步行街内街上的人员使用。大部分位于首层步行街内的人员通过直通室外的疏散出口直接疏散至室外。

图10 方案二60s时首层人员疏散情况Fig.10 Occupants distribution at 60s in the first floor（suggestion II）

2.方案一通过室内步行街顶部采光天棚设置的有效排烟面积为步行街走道地面面积20%的自然排烟窗，可以保证室内步行街的危险来临时间大于人员疏散时间，并且有一定的安全余量。对于方案二而言，通过“亚安全区”中设置的机械排烟以及室内步行街其他区域顶部采光天棚设置的有效排烟面积为步行街走道地面面积10%的自然排烟窗，可保证“亚安全区”和室内步行街的危险来临时间大于人员疏散时间，并且有一定的安全余量；

3.方案二中“亚安全区”可通过在首层室内步行街设置防火卷帘的方式设置。通过合理的人员疏散路径指引，该设置方式对人员疏散造成的影响并不显著；

4.为了保证“亚安全区”达到相应的安全水平，需要对“亚安全区”内的火灾荷载及防火单元的防火分隔措施提出相应要求，从而使“亚安全区”达到相应的安全水平。方案二中“亚安全区”设置的区域范围小，需要对火灾荷载及防火分隔措施进行特殊限制的区域范围小，与方案一相比对商业活动的影响要小，且便于日常对“亚安全区”的管理和维护。

4 结论

大型商业广场作为一种新兴的商业建筑类型，由于其巨大的建筑规模和复杂的使用功能，为此类建筑的防火设计带来了新的问题和挑战。设置“亚安全区”作为解决大型商业广场类建筑的防火设计问题的重要措施，需要对“亚安全区”的设置规模、方式等进行分析和研究。本文通过对某大型商业广场两种“亚安全区”设置方式情况下烟气危险性和人员疏散的对比和分析，得到以下结论：

1.此类大型商业广场建筑普遍存在疏散楼梯在首层不能直通室外、疏散距离过长等问题，该类建筑中存在的消防设计难点，可以通过设置“亚安全区”解决；

2.在两种方案均可确保人员疏散安全和火灾不大面积蔓延的情况下，综合考虑设备成本、对商业活动影响以及日常管理等因素，建议该工程项目采用方案二；

3.本文的研究工作可有效地指导该工程的设计。同时本文建议在通过设置“亚安全区”解决此类建筑共同存在的消防问题时，应尽量缩小“亚安全区”设置区域，并加强“亚安全区”的消防安全措施，确保“亚安全区”达到相应的安全水平的同时减少“亚安全区”的设置对商业活动的影响。

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Study on the layout of quasi-safety zone for large commercial plaza

QI Yan-jun1，YANG Hua2，CHEN Bing1

（1.Fire Department of Shandong Province，Jinan，Shandong，250014，China；2.State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology of China，Hefei，Anhui，230026，China）

As a new commercial building type，large-scale commercial plaza has the characteristics of function diversity，usually involving in-door commercial pedestrian street with huge atrium and public places in enclosure.The existing Code for Fire Prevention of Building Design is obviously not fully applicable to such buildings.Quasi-safety zone is a general solution to address common problems for this kind of building.In this paper，comparison of two different quasi-safety zone setting modes is conducted.The impact of the different setting modes on fire smoke spread and occupant evacuation is analyzed.Some design recommendations are presented for such large commercial plazas in order to guide the relevant fire safety design.

Commercial plaza；Quasi-safety zone；Layout

X913.4，TU247.2，TU972＋.4，X932

A

1004-5309（2011）-0221-06

2011-08-25；修改日期：2011-09-20

亓延军（1964-）男，工程硕士，现任山东省公安消防总队副总队长，高级工程师，主要从事消防监督管理工作。

杨 华，yangh＠mail.ustc.edu.cn