某娱乐场所火灾危险性的判定

魏引尚，游成旭，刘 庚，鲁昆仑

(1.西安科技大学能源学院，陕西 西安 710054；2.西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西 西安 710054)

某娱乐场所火灾危险性的判定

魏引尚1,2，游成旭1，刘 庚1，鲁昆仑1

(1.西安科技大学能源学院，陕西 西安 710054；2.西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西 西安 710054)

针对公共娱乐场所可燃物较多、人员密集、发生火灾时人员难以疏散的现象，以襄阳市某网吧发生的“4·14”重大火灾事故为例，通过建立CFD模型，对火灾条件下场所内温度、CO浓度、烟气层高度等参数的变化情况进行了数值模拟，得到了各参数达到危险状态的时间。模拟结果表明：该场所发生火灾后，场所内人员未全部安全疏散出去，网吧内的环境已经对人体构成严重威胁；通过对原场所安全出口进行改进，模拟并判定改进后场所的火灾危险性，判定结果表明符合人员疏散的条件，这对公共娱乐场所火灾危险性的预先分析与判定有一定的指导意义。

公共娱乐场所；火灾；危险性判定；安全疏散时间；数值模拟

公共娱乐场所建筑的形式多种多样，内部结构错综复杂，且场所内可燃、易燃物品多，火灾荷载大；用电设备多，一般采用多种照明灯具和各种音响设备，数量多、功率大，倘若安装或使用不当，很容易引发火灾；有些灯具表面温度很高，若与幕布、布景等可燃物品靠近极易引起火灾[1]。公共娱乐场所的特点是建筑功能复杂、社会性强、人员集中，一旦发生火灾就会造成群死群伤的恶性事故，因此对此类火灾进行研究具有重要的现实意义[2]。

据统计，火灾中80%的人员是由于烟气窒息死亡[3-5]。因此，研究公共娱乐场所火灾时CO浓度及其他参数的分布情况以及随时间变化的发展规律是非常有必要的。近年来，国内外学者针对娱乐场所火灾频发的现象进行了大量的研究[1-6]，但大多是从定性的角度来分析，无法准确再现火灾现场。

2013年4月14日5时40分许，襄阳市迅驰星空网络会所因电气线路短路引起电线绝缘层等可燃物发生缓慢燃烧，烟气通过吊顶内的孔洞向网吧西侧各房间蔓延,6时41分许火灾从包房的西南角突破，引燃其下方的沙发、布帘等物品，火势迅猛，最终造成14人死亡、47人受伤。本文以该网络会所发生的 “4·14”重大火灾事故为例，应用CFD数值模拟对火灾发展演化过程进行定量分析，从而实现以温度、CO浓度、烟气层高度等参数为指标来判定火灾危险性的目的。

1 模型及边界条件

1.1 数学模型

将火源简化为一个热源，不考虑具体的燃烧和热辐射过程，采用Reynolds时均Navier-Stokes方程可求解娱乐场所火灾湍流问题[7]。该问题遵循质量守恒、动量守恒、能量守恒和组分质量守恒控制方程，可统一写成如下通用形式[8]:

(1)

式中：φ为通用变量,可以代表速度、温度等求解变量；Γ为广义扩散系数；S为广义源项；ρ为密度(kg/m3)；t为时间(s)；u为速度矢量(m/s)。

1.2 物理模型

根据襄阳市消防支队提供的该网吧火灾现场图，并参照迅驰星空网络会所实际情况建立物理模型：设定空间尺寸为25m×16m×3.5m，坐标原点见图1；门位于建筑北侧，尺寸为1.8m×2m，坐标为(4.8,1,0.2)；建筑东西侧各设置3扇窗，其尺寸均为1.6m×1m，下沿1m，墙壁厚0.4m，西侧窗户由北向南坐标分别为(0.2,1.8,4.4)、(0.2,1.8,8)、(0.2,1.8,11.6)，东侧窗户由北向南坐标分别为(24.8,1.8,4.4)、(24.8,1.8,8.8)、(24.8,1.8,11.6)，西侧的三扇窗与门为空气入口，东侧的三扇窗为空气出口。建立的物理模型如图1所示。

1.3 边界条件

模型火源设在会所西南角(见图1)，其尺寸为1m×1m×0.8m，中心点坐标为(4.5,0.4,15.1)，放热量为500kW[9]。模拟中设定内、外部初始温度均为17℃ ，外部压力为101 325Pa，入口风速为1m/s；考虑浮力的影响，重力加速度g为-9.81m/s2，作用方向与y轴正方向相反。湍流模型采用的是标准的k-ε模型，辐射模型采用DO模型，数值计算在直角坐标系中进行，网格采用四面体网格[10]，最小网格尺寸为1.06×10-4m3，最大网格尺寸为2.34×10-3m3，网格总数为1 534 388个。

2 火灾危险状态的判定标准

建筑物发生火灾后，如果建筑内所有的人员在火灾烟气未达到对人体生命构成威胁之前都能安全疏散出建筑物，那么该建筑物的防火设计就是安全的。而人员能否安全疏散，取决于可用安全疏散时间(ASET)与所需安全疏散时间(REST)的关系。其中，ASET是火灾发展到对人体构成危险所需的时间；REST为处于危险区域的人员全部迅速安全撤离并抵达安全区域所需的时间。当tASET>tREST时，该建筑物防火设计是安全的；反之就认为是危险的。 火灾危险状态是指发生火灾时火灾环境对建筑物内人员造成严重伤害的状态，一般用烟气温度、烟气中有毒气体的浓度以及烟气层高度来表示[9]。

2.1 烟气温度

考虑烟气温度时，需要结合烟气层高度综合考虑。当烟气层高于人眼的特征高度(一般取1.2～1.8m)，上部烟气层的温度高于180℃时，认为达到危险状态；当烟气层低于人眼特征高度，烟气的温度达到110～120℃时，认为达到危险状态[11]。设烟气温度达到危险状态的时间为t1。

2.2 有毒气体的浓度

在烟气层高度下降到人体呼吸的高度时(一般取1.5m)，可根据某种有害燃烧物的浓度是否达到临界浓度来判断其危险状态。当CO浓度达到0.3%时，就可以对人体构成危险[11]。设有毒气体的浓度达到危险状态的时间为t2。

2.3 烟气层高度

烟气层高度达到危险状态的确定方法是以烟气层距地面的高度S满足下面关系式时，认为达到危险状态[12]。设烟气层高度达到危险状态的时间为t3。

S=1.6+0.1H

(2)

式中：S为烟气层距地面的高度(m)；H为楼板距地面的高度(m)。

火灾条件下，将上述三种危险条件中最先达到危险临界状态的时刻作为判定依据，设火灾对人体构成威胁的时间为t0，则有

t0=min[t1，t2，t3]

(3)

3 模拟结果分析与火灾危险性判定

3.1 模拟结果分析

该场所火灾发生397.5s时上部烟气层温度分布如图2所示(y=1.8m截面处)，可见图中大部分区域烟气层温度都超过了180℃，达到了危险状态，即t1=397.5s。图3为y=1.8m截面处不同坐标点温度随时间的变化曲线。

该场所火灾发生336.2s时上部烟气层CO浓度分布如图4所示(y=1.5m截面处)，可见图中大部分区域CO浓度都超过了0.3%，达到了危险状态，即t2=336.2s。图5为y=1.5m截面处不同坐标点CO浓度随时间的变化曲线。

该场所烟气层距地面的高度S=1.6+0.1×3.5=1.95m，根据温度、CO浓度可以得到烟气层高度随时间的变化曲线见图6，可见烟气层高度达到危险状态的时间t3=147.4s。

该场所内人员可用的安全疏散时间tASET=t0-ta=147.4-10=137.4s，ta为场所内人员觉察到火灾的时间，一般取ta=10s。

3.2 火灾危险性判定

本文利用Steps软件对该场所内300人进行疏散模拟，疏散模拟人员简化为成年男性和成年女性，各参数设置见表1[13-14]。

表1 疏散模拟人员参数设置

通过模拟得出该场所内人员所需安全疏散时间tREST=192.8s，显然tASET(137.4s)

4 改进方案及检验

4.1 改进方案

通过对原场所火灾条件下的数值模拟，发现火灾发生后，该场所内人员未全部安全疏散出去，网吧内的环境已经对人体构成严重威胁，其主要原因是由于场所空间大、人员密集、安全出口狭窄、疏散距离过长，造成人员不能及时地疏散到安全区域。因此，需对原场所内的通道进行改进。具体改进方案是在原场景的基础上增加一个安全出口，该出口位于建筑南侧，其尺寸为1.5m×2m，坐标为(20.2,1,0.2)[15]，如图7所示。通过对原场景改进后，火灾条件下场所内人员均能自主选择最优疏散路线。

4.2 改进后的模拟结果分析与危险性判定

5 结 论

(1) 针对娱乐场所此类建筑火灾，可应用CFD数值模拟技术来模拟火灾条件下温度、CO浓度、烟气层高度等参数的分布情况，并运用模拟结果来判定建筑火灾危险性。若不符合安全疏散的标准，则可通过改善建筑物出口的设计或优化防火设计来缩短人员所需安全疏散时间。在对原场景进行改进后，需重新进行模拟，以确保火灾条件下场所内人员都能安全疏散；若tASETtREST为止。

(2) 原场景中，火灾发生后397.5s时上部烟气层温度超过了180℃，336.2s时上部烟气层CO浓度超过了0.3%，147.4s时烟气层高度下降到1.95m，均超出了人体所能承受的极限，而人员在这段时间内不能安全疏散到安全区域，分析原因主要是网吧安全出口狭小。

(3) 通过对原场景的安全出口进行改进，模拟并分析了改进后的场所火灾危险性，判定结果表明可用安全疏散时间大于所需安全疏散时间，符合人员安全疏散的条件。

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[15]GB50016—2006 建筑设计防火规范[S].

Judgment of the Fire Risk of a Public Place of Entertainment

WEI Yinshang1,2，YOU Chengxu1，LIU Geng1，LU Kunlun1

(1.SchoolofEnergy,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054，China;2.KeyLaboratoryofWesternMineExploitationandHazardPreventionofMinistryofEducation,Xi’an710054，China)

In view of the difficulty of evaluation when a fire breaks out in crowded public places of entertainment with many flammable materials,this paper takes the “4·14” fire disaster which happened at 5 o'clock on April 14, 2013 in a net barof Xiangyang as the research object to built a CFD model and simulates the fire condition and observes the variation of CO concentration, temperature, smoke layer's height and other parameters in the place, and then finds out the dangerous state time of each parameter.The results show that when the fire occurred, not all the people in the net bar were evacuated safely and the environment of the place posed a grave threat to people.In the paper we improve the emergency exits, and then simulate and judge the new fire risk of it.This reaearch has certain guiding significance in analyzing and judging in advance the fire risk in public places of entertainment.

public places of entertainment;fire;risk judgment;safety evacuation time;numerical simulation

1671-1556(2015)04-0155-05

2014-12-15

2015-06-03

魏引尚(1966—)，男，博士，教授，主要从事矿井通风安全性、瓦斯积聚危险性分析及其综合治理等方面的研究。E-mail:weiys@xust.edu.cn

X928.7;X

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.04.027