某体育馆防排烟及人员疏散方案优化研究

叶 建，李艳伟

(沈阳航空航天大学安全工程学院，沈阳110136)

随着经济的发展，全国各地大型、超大型建筑不断增多，各类结构新颖的体育馆类建筑不断涌现。由于现代建筑技术的不断发展以及广大人民对体育热情的不断高涨，现代体育馆建筑与以往体育馆类建筑主要存在两方面变化，一是规模日趋增大。体育场馆要举办体育赛事，由于其功能需要，现代体育馆往往是大跨度、大空间形式;二是功能多样化。随着人民生活水平的不断提高，现代体育馆除了正常的体育赛事在体育馆馆内举行之外，一些较大型的展览及文艺演出等活动也经常在体育馆内举行［1］。但由于各种因素的制约，这些文体娱乐活动的举办在消防安全上不同程度地存在着火灾隐患和不安全问题。如2010年杭州黄龙体育馆在举办演唱会过程中，因用电超负荷，导致空调过热引燃电器发生火灾［2］。

体育场馆类建筑属于人员密集的大型公共场所，其潜在火灾隐患较多，一旦发生火灾，将可能造成严重的经济损失和人员伤亡。因此，分析体育场馆的火灾危险性，合理确定火灾类型以及火灾荷载，分析和模拟火灾发生后对建筑、人员等各方面的影响，研究人员在该类建筑发生火灾时的安全性，确保建筑结构的安全性，具有十分重要的意义［3］。

1 工程概况

某体育馆共设置5800多座椅，包括固定座椅3500座、活动座椅2300座、贵宾席以及残疾人座椅。体育馆建筑高度为32.5m，大空间跨度为77.10m，屋顶钢结构采用空间桁架与网架混合体系。体育馆设计耐火等级为二级，设计使用年限为50年，为乙级体育馆。

该体育馆比赛大厅、观众区划分成一个防火分区，面积约7100平方米。《建筑设计防火规范》(GB50016 －2006)第5.1.7 条规定:当建筑耐火等级为一、二级时，且设置自动灭火系统时，防火分区最大允许面积为5000平方米［4］。虽然规范中说明体育馆防火分区可以适当放宽，但规范中未明确给出允许放宽的幅度和条件，这给设计带来了困难。

2 建筑火灾烟气模拟

该体育馆比赛大厅、观众席从空间上构成了一个连续的整体，从烟控系统设计角度出发，采用分区排烟是最有效的;考虑到观众视线、结构美观等因素，整个共享空间难以分隔，这样只能对整个大空间作为一个整体考虑，进行排烟系统设计。然而，该共享空间的体积达到了170000m3，如果按《高层民用建筑防火设计规范》中关于中庭的要求，其需要的排烟量为680000m3/h。如此巨大的排烟量，给设计和施工都带来一定困难，且其成本较高，加之该体育馆屋顶蓄烟能力较强，因此针对本体育馆排烟系统采用性能化设计，以提供一个切实可行的排烟方案。

2.1 火灾场景设计

体育馆属于公共场所，参考《上海市建筑防排烟技术规程》中规定，无喷淋的公共场所火源热释放速率为8MW，考虑“可信最不利”情况，假设体育馆大空间自动灭火系统失效，设定比赛场地中央为8MW的快速火。根据烟气理论，火源底部与烟气层的距离越大烟气卷吸越大，比赛场地是整个区域最低处，故比赛大厅中央的烟气卷吸量最大。综上，以发生在比赛大厅中央的8MW快速火作为排烟设计方案之一。

根据NFPA101，清晰高度定为比观众所能够停留的最高位置高2m［5］。体育馆内观众停留的最高点为看台最高处座椅在16.5m，则清晰高度为18.5m。参考 NFPA92B计算的排烟量为588800m3/h［6］。

对防火分区面积超规问题，分别在观众座椅区和首层赛场中心部位设置了3个火灾场景，以考察该位置发生火灾时，建筑内火灾及烟气蔓延规律，同时分析发生火灾时人员的安全逃生概率。其中对比赛大厅发生火灾的场景分别采用不同排烟量进行模拟分析，确定可接受的排烟方案，火灾场景方案如表1所示。

表1 设计火灾场景

2.2 火灾烟气模拟与分析

该案例中采用pyrosim软件针对不同火灾场景建立模型，然后采用常用的火灾动力学场模拟软件Fire Dynamic Simulator(FDS)对设定的火灾场景进行火灾烟气运动模拟计算。主要分析各场景中热烟气温度、有毒气体浓度以及火场能见度等参数，为判定人员疏散安全性提供依据。

2.2.1 烟气蔓延危害性分析

工况一、工况二、工况三主要研究不同排烟量情况下的排烟效率，期望在满足消防安全目标的前提下尽可能的减小排烟量，来降低工程成本。表2分别为在3个工况下300s和600s时烟气分布情况。

图1 体育馆FDS模型

从表2中可看出，在300s时，3个工况中烟气层底部距最高点座椅距离较大，不会影响到最高层看台观众人员疏散。由于除排烟量外的其他边界条件一致，火源功率都为8MW，火场的前期发展势态基本相同，由于前期火灾处于发展阶段，烟气产生量较小;且该体育馆屋顶最高达32m，而排烟设施设置在22m高度处，导致顶部聚集的烟气不能完全排出。在600s时，由于工况一和工况二排烟量相差不大，导致2个工况烟气层厚度没明显区别，前2个工况排烟量都远远大于工况三的排烟量，故工况三烟气层下降较快，在600s时，工况三的烟气层下降到最高座椅以下，这可能危害到人员疏散。

表2 3个工况300s和600s烟气分布情况

2.2.2 体育馆能见度、热烟气温度、有毒气体浓度危害性分析

该体育馆观众席和比赛场地为一个整体的共享空间，发生火灾后，烟气迅速向上蔓延，达到顶棚后再向下沉降，故该体育馆最危险位置为观众席最高位置的座椅，考虑最不利情况，认为烟气危害到最高座椅处人员时间为疏散可用时间。所以本案例中在最高处座椅相对高度2m处设置测点，图2～图4为3个工况测点位置温度、能见度以及CO浓度的变化曲线。

图2 最高位置座椅相对高度2m处温度变化曲线

图3 最高位置座椅相对高度2m处能见度变化曲线

图4 最高位置座椅相对高度2m处CO变化曲线

从图2～图4可看出，工况一和工况二中监测点温度、能见度以及CO浓度变化趋势基本一致，只是在后期有所差异，两工况温度、能见度及CO浓度均远远小于危险临界值。这不会对人员疏散造成影响。工况三相对前两个工况有较大差别，其测点温度在350s后开始上升，但在整个模拟的700s内未超过危险临界值。工况三由于后期排烟量较小，其烟气层下降较快，图3也显示出工况三测点能见度在550s后急剧下降，在600s时，其能见度低于10m，超过危险临界值，这会危害到人员疏散。图4表明工况三的CO浓度虽明显高于前2个工况，但未超过危险临界值。

2.2.3 可用疏散时间确定

人员安全疏散的判定准则是从火灾发生到危险状态的时间(ASET)是否大于从火灾发生到建筑物内人员全部疏散完毕的时间(RSET)，对于人员可用安全疏散时间(ASET)，主要通过对人员对烟气层高度、温度、空间能见度等耐受性指标随火灾发展的空间、时间变化情况决定［7］。

该案例中各场景的可用疏散时间(ASET)如下表所示。

表3 可用疏散时间(ASET)

3 人员疏散模拟分析

该体育馆共设置5800座椅，分为3个部分，包括上层固定座椅、下层固定座椅和下层活动座椅，坐席沿比赛场地四面均匀布置。为了研究体育馆人员疏散安全性问题，通过分析体育馆的总体建筑特点、人员数量及其分布特色，重点评估坐席区的人员安全疏散，考察在突发情况下，其疏散设施能否满足人员安全疏散目标。

初始设计中，体育馆采用上层看台下行疏散方式，下层固定座椅区和活动座椅区采用上行疏散方式，观众通过12个楼梯口疏散至5.4m标高的观众休息大厅，然后疏散至室外安全区域，如图5所示。

图5 原疏散方案

通过分析体育馆的然人员分布状况、疏散出口位置、疏散出口宽度等参数得到原疏散方案中由于人员全部通过二层平台疏散至室外，可能导致人员在二层疏散出口发生拥堵，延长整体疏散时间，人员危险性增大。

为了达到消防安全目标，我们对原设计方案中的下层活动座椅的人员疏散采用通过一层比赛大厅疏散至室外，减少二层疏散人数，缩短整体疏散时间。优化疏散方案如图6所示。

图6 优化疏散方案

由于体育馆内空间相对较大，人员视野较为开阔，且一般处于清醒状态，因此，将火灾报警时间设为60s，人员响应时间设为60s。案例中的人员疏散时间采用pathfinder疏散软件进行模拟计算，其模型如下。

图7 体育馆疏散模型

通过疏散软件pathfinder对两个场景分别模拟分析，由于模拟是建立在一系列假设条件下，这与实际发生火灾时的情况有一定差距。因此，在计算疏散行动时间时考虑了一定的安全系数(安全系数取1.5)［8］，以弥补这些不确定性因素所带来的影响，其疏散时间如表4所示。

从表4中可看出，原设计的疏散方案，其疏散所需时间大大长于优化后的设计方案，且优化后的疏散方案能保证3个火灾场景安全疏散至室外，故建议该体育馆采用方案二进行人员疏散。

4 排烟系统及人员疏散方案确定

由于该体育馆为高大空间结构，其高大的顶棚提供了较长的烟气蓄积时间，从而使得其烟气层在短时间内难以下降至危险高度，提供了充分的人员逃生时间。经CFD模拟验证，该体育馆观众席及比赛大厅采用一体排烟系统，在22m处桁架上均匀设置16个排烟口，总排烟量为300000m3/h，当采用优化疏散方案S2时，该排烟量能达到其消防安全目标，保证人员的安全疏散。

表4 各场景ASET与RSET对比

5 结论

(1)由于现代体育馆空间体积增加，大空间屋顶蓄烟能力较强，降低了对排烟系统要求，也减小了烟气对人员安全疏散危害的影响;

(2)针对防火分区扩大问题，通过CFD模拟，分析热烟气对人员疏散的危害性，结合人员疏散模拟，确定合理可行的排烟方案;

(3)通过计算机模拟优化疏散方案，加之适当的疏散指示及引导，在发生火灾后，可以有效缩短必要疏散时间，能确保人员及时疏散至安全区域。

［1］王国文.体育馆疏散模拟优化研究［D］.沈阳:沈阳航空航天大学，2011.

［2］王冬，王爱平，周冬林.从大型体育场馆的建筑特点探讨其火灾危险性及防范对策［J］.消防技术与产品信息，2003(11):7－8.

［3］罗晖.大型体育馆消防安全设计方法及应用［J］.消防技术及科学，2011，9(30):786 －790.

［4］GB50016－2006，建筑设计防火规范［S］.

［5］NFPA.NFPA 101 － 2006.Life Safety Code.National Fire Protection Association.

［6］NFPA.NFPA92B Guide for smoke management systems in malls，atria，and large areas［S］.USA:National Fire Protection Association，2000.

［7］李引擎.建筑性能化防火设计［M］.北京:化学工业出版，2005.

［8］张莺.体育场馆建筑设计中的疏散设计研究［D］.上海:同济大学，2007.