基于FDS和Pathfinder对人员安全疏散的研究

崔杨杨， 吕 品,2

(1.安徽理工大学能源与安全学院， 安徽淮南232001； 2.煤矿安全高效开采省部共建教育部重点试验室 ，安徽淮南232001)

基于FDS和Pathfinder对人员安全疏散的研究

崔杨杨1， 吕 品1,2

(1.安徽理工大学能源与安全学院， 安徽淮南232001； 2.煤矿安全高效开采省部共建教育部重点试验室 ，安徽淮南232001)

为了确定淮南市某综合楼指定防火分区的人员是否能够在可用安全疏散时间内疏散完毕，基于人员安全疏散的重要性，结合该建筑的实际工况，通过采用FDS模拟软件得出发生火灾时人员疏散的可用疏散时间。在使用疏散软件Pathfinder模拟指定火灾场景下的人员疏散实际情况，得出人员全部安全疏散所需要的时间，再和模拟所得出的可用疏散时间作比较。结果表明，人员安全疏散所需要的时间大于可利用的时间，人员不能够全部安全疏散完毕。

防火分区； 人员疏散； FDS； Pathfinder

随着人们对工作场所以及休闲娱乐场所环境的要求越来越高，这就使得现在的综合建筑大都盲目追求华丽的装饰，然而这些装修材料采用的却都是些可燃易燃的物品，并且在这些综合楼内部也充斥着大量的可燃易燃物，这些物品在发生火灾时会产生大量的有毒有害气体，对人员的安全疏散会产生较大的威胁。

在火灾场景中，现场人员能否安全疏散关系到他们每个人的生命安全，如何有效减少，甚至杜绝人员伤亡已经成为建筑安全中的研究重点[1]。人员疏散研究的主要内容是对人员疏散可用时间和人员疏散所需时间的比较分析，在满足规范的情况下最大可能的延长人员疏散的可用时间[2]。

1 人员安全疏散的基本条件

建筑物发生火灾后，现场人员能否全部进行安全疏散主要取决于两个特征时间，一个是从火灾开始到人员完全疏散至安全场所所需的时间，即所需安全疏散时间(RSET)，它指的是火灾产生的烟气、毒气、高温等不利环境威胁到待疏散人员的这段时间；另一个是火灾发展到能够对人员产生危险的时间，即可用安全疏散时间(ASET)，它包括火灾的探测时间、报警时间、人对火灾的确认时间、响应时间以及疏散行动时间。很明显，要想使得人员能够安全疏散，人员安全疏散所需的时间必须小于火灾发展到危险状态的时间[3]。所以，能够保证人员安全疏散的最基本条件即是ASET>RSET。可用疏散时间使用FDS软件模拟得出，所需疏散时间利用Pathfinder软件来确定。

2 实例概况

某建筑是一商业综合楼，地下一层，地上五层，均做商业营业厅使用(图1)。建筑总长度为226.4 m，宽度为77.1 m,高度为20 m。该建筑设置了比较完善的机械加压送风防烟系统以及机械排烟系统，故可认为人员疏散到防烟楼梯间即认为到达安全的场所。为了方便模拟研究，此次模拟的对象取建筑三层的最右侧的防火分区，该防火分区总面积2 997 m2，其中营业厅面积为2 397 m2。

3 火源的确定

有资料表明，不同场所的不同部位发生火灾，它的热释放速率是不一样的。热释放速率的取值可以参考表1。

表1 部分典型场所的热释放速率

由于该研究对象是一所大型商业建筑，而且是作为营业厅使用，参照表1该火灾场景下的火源热释放速率取5 MW。

大量实验表明，多数火灾从点燃到发展再到充分燃烧阶段，火灾中的热释放速率大体上按照时间的平方的关系增长，只是增长的速度有快有慢，因此在实际设计中人们常常采用这一种称为“t平方火”的火灾增长模型对实际火灾进行模拟[4]。火灾的增长规律可用式(1)描述：

Q=αt2

(1)

式中：Q为热释放速率(kW)；α为火灾增长系数(kW/s2)；t为时间(s)。

t平方火的增长速度一般分为慢速、中速、快速、超快速4种类型(表2)。

图1 该商业综合楼的平面

表2 “t平方火”的对比情况

我们知道，该火灾发生在某一商业营业厅之内，所以火灾的类型可选择为快速。由上文我们知道火源的热释放速率为5 MW，所以根据火灾的增长规律方程可以知道火源热释放速率达到5 MW时所需的时间为327 s。

4 FDS模型的建立与结果分析

有资料表明自动喷水灭火系统会对烟气层的变化产生一定的影响[5]，但这种影响相对比较小，在这里就不做考虑了[6]，单单只需要考虑机械排烟设施对烟气层的影响。根据《建筑设计防火规范》，我们可以知道在设置机械排烟设施时防火分区内任意一点至排烟口的距离都不应大于30 m[7]，所以结合建筑实际情况设置了4个排烟口。《建筑设计防火规范》中又规定排烟口的风速不应大于10 m/s，这里取值为4 m/s(图2～图5)。

图2 一号测试点烟气层的变化

图3 二号测试点烟气层的变化

图4 三号测试点烟气层的变化

图5 1.8 m处的温度显示

大量的火灾实例告诉我们，火灾对人员的危害主要来源于火灾产生的烟气，主要表现在烟气的热作用和毒性方面，另外对于疏散而言，烟气的能见度也是一个重要的影响因素[8]。所以在分析火灾对疏散的影响时，一般从温度、毒性气体的浓度、能见度等方面进行讨论。通常情况下人员疏散安全判据见表3。

由以上各图可知，一号测试点由于位于火源附近，烟气层下降速率比较快，结合表3安全判据综合分析可知该疏散区域的可用疏散时间大约为100 s。

5 疏散模型的建立

Pathfinder (连续型)是由美国Thunderhead Engineering公司开发的，软件中人员的运动模式包括SFPE模式和Steering模式。SFPE模式以人员流量为基础，人员会自动地转移到最近的出口，人员之间不会产生相互影响，但列队需要符合

表3 人员疏散安全判据

SFPE假设(避免与其他人员产生碰撞)；Steering模式是路径规划、指导机制、碰撞处理相结合控制人员运动，如果人员之间的距离或最近点的路径超过某一阈值，可以再生新的路径，以适应新的形式。由此可知Steering模式更为接近现实情况，所以本文便采用这种模式来进行模拟分析[9]。又由设计图纸可知该防火分区共设置了4个疏散出口。根据《建筑设计防火规范》的要求，取该防火分区内的人员密度为0.45 人/m2，由此可得出该防火分区的总人数为1 080 人(图6)。

图6 Pathfinder疏散模拟

6 疏散结果的分析

大量的研究资料表明，在遇到紧急情况时比如火灾，人员的实际移动速度往往要小于他们的期望速度，这是由于在这种环境之下人员的恐惧心理导致了行为的盲目性，特别是在疏散口处，往往会形成“瓶颈”现象，给人一种“快即是慢”的感觉[10]。在人员都到达疏散口时形成的明显的拱形形状(图7)。

在164 s时，疏散区域内人员的占据数量为0，这也就是说明在该防火分区内人员完全疏散所需要的时间为164 s(图8)。

图8 疏散区域内人员占据情况示意

7 结论

(1)由上文我们可以知道，该防火分区的可用疏散时间为100 s，人员安全疏散所需要的时间为164 s。可用疏散时间小于所需安全疏散时间,这就会使人员在疏散的过程中受到一定程度的伤害，甚至窒息死亡。

(2)通过模拟分析我们可以知道，该防火分区疏散出口的宽度不能满足在可用时间内使得全部人员完全疏散的要求，在图纸设计时可以在控制经济成本的情况下适当的增加各个疏散出口的宽度，以期更快地疏散人员。

(3)该防火分区内设置了4个排烟口，设定风速为4 m/s。模拟分析我们知道烟气层下降速度明显大于可接受范围，《建筑设计防火规范》要求排烟口风速不得大于10 m/s，所以可以通过适当调节排烟风机的转速提高排烟口处的风速，减缓烟气层下降的速度。

[1] 陈文涛，谢妉，齐茁.大型购物中心疏散时间预测方法的对比研究[J].沈阳航空航天大学学报，2011(4).

[2] 霍然.性能化建筑防火分析与设计[M].合肥：安徽科学技术出版社， 2003:216-222.

[3] 张洁，刘晓娟.基于FDS的某超市火灾时人员疏散的数值模拟[J].工业安全与环保，2011(5):53-55.

[4] 李引擎.建筑防火性能化设计[M].北京:化学工业出版社，2005.

[5] M. L. Bullen. The effect of a sprinkler on the stability of a smoke layer beneath a ceiling[J]. Fire Technology, 1977(1):21-34.

[6] 李开源，霍然，孙晓乾, 等.衰减火源条件下喷淋烟气沉降特性模拟研究[J].中国科学技术大学学报，2009(2)：221-224.

[7] GB 50016-2014 建筑设计防火规范[S].

[8] 赵江平,冯文兴,武来喜.建筑火灾烟气中CO迁移规律的FDS模拟[J].中国安全科学学报, 2008 (6).

[9] 徐艳秋,王振东.基于Pathfinder和FDS的火场下人员疏散研究[J].中国安全生产科学技术, 2012 (2).

[10] 于彦飞.人员疏散的多作用力元胞自动机模型研究[D].合肥: 中国科学技术大学, 2008.

崔杨杨(1991～)，女，硕士研究生,研究方向为建筑火灾中的人员疏散分析。

TU234

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[定稿日期]2016-08-14