高校宿舍楼火灾及人员疏散数值研究

许 锐，原兴霞，郑莹莹，程 辉

(1.长安大学地质工程与测绘学院安全工程系，西安,710054；2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥,230026)

0 引言

近年来，随着部分高校招生规模的扩大，高等学校教育资源不足的趋势日益明显。部分高校由于校舍建设较早，配套设施难以满足现有的居住需要，消防设施存在不足，加之用电负荷的增加，加速了老旧线路绝缘老化。此外，为便于宿舍管理，闭锁安全通道的现象普遍存在，高校火灾隐患整体呈递增趋势，校园火灾频繁发生[1-3]。

为了减少火灾事故的伤害，除了降低高校火灾发生的概率，还必须提升火灾发生时的疏散效率，因此对高校宿舍楼的安全疏散研究尤为重要。现有研究以系统的安全疏散可利用时间(TASET)大于疏散完毕所需要的时间(TREST)作为系统安全疏散的判别标准；即认为一个合格的建筑安全疏散系统必须保证建筑内的所有人员在火灾危险状态到来之前能

够疏散到安全地带。因此判断建筑的安全疏散系统是否符合要求，必须对其火灾形成、有害物质扩散以及疏散问题进行研究。鉴于火灾过程的复杂性，建筑火灾研究方法主要以实验和数值研究为主。传统的实验研究数据真实、直观，但耗资大、周期长、重现性差，而且试验过程具有相当的危险性；而数值模拟方法具有投资小、周期短、能够再现典型的火灾现象等优点[4-9]，被广泛采用。

本文针对某高校宿舍楼，运用场模拟软件FDS对不同楼层着火时的火灾场景进行数值模拟，研究了不同火灾场景下烟气流动、烟气层高度、能见度、温度随时间变化的规律。在此基础上，通过Pathfinder计算疏散可用时间，进而分析不同火灾场景下的疏散安全性。根据分析结果及安全疏散判据，针对疏散模拟中人员逃生困难的问题，提出了相应的安全措施。

1 数值模型

1.1 几何模型

本文选取某高校学生公寓楼为研究对象。该宿舍楼总建筑面积为2160 m2，建筑层数为6层，建筑总体尺寸为一个长58 m，宽14 m，高18 m的长方体，每层高为3 m。整个宿舍楼共有176个学生宿舍，每间宿舍居住6人，各层两端位置各设有一间盥洗室。整栋建筑设有两个楼梯间，楼梯出口正对宿舍楼大门，阳面宿舍设有阳台，建筑布局整体较为对称。

图1 学生公寓楼模型图Fig. 1 Student apartment model

本数值模型的设置如下：

(1)一旦产生烟气，宿舍内存在的床、桌子等构件并不能阻碍其发展路线，所以在建模时不建立宿舍内的物品。

(2)由于每间宿舍内配置的窗户均为推拉窗，这种窗构造较为简单且节省空间，但始终只有半幅窗户能完全打开，且在关闭时气密性较差。因而在本文的模拟中推拉窗只考虑窗尺寸的一半。走廊两端以及楼梯间的窗户均为平开窗，可以100%开启，因而使用其实际尺寸进行模拟。

(3)模型中宿舍楼的材质均设为混凝土材质。

1.2 火灾场景

为了研究不同火灾场景下烟气在建筑物内的扩散趋势，本文综合考虑了火灾可能的规模、建筑空间布局，疏散出口的分布、以及居住人员数量与分布等因素，分别模拟了一层、三层、六层着火的工况，分别记为工况CASE1、CASE2、CASE3。火源按规范选

用非稳态2 MW火源，火源形状设置为1 m×1 m的正方形，火源位置见图2。按照国际标准ISO/TS16733中的相关规定[10]，可以确定高校学生宿舍的火灾类型属于快速火，由此确定火灾增长系数α= 0.0469 kW/s2。

图2 火源点位置Fig. 2 Fire source location

1.3 探测设备布置

由于本文研究的是较大空间的热块火，所以主要测量的量为烟气的温度、能见度和烟气层高度。探测器分别布置在各楼梯间和各楼层。一楼至六楼的楼梯间的能见度探测器分别记为V1～V6，温度探测器分别记为T1～T6。在火源发生的楼层从西侧楼梯间开始向火源处每隔6.5 m布置一个探测器，分别记为A、B、C、D点，其位置如图2所示。

2 火灾模拟分析

2.1 烟气分析

室内火灾发生后，烟气流动一般呈现以下规律：在火源附近的大量的高温烟气随火羽流扩散至屋顶，形成顶棚射流向周围蔓延，由于室内四周墙体的阻隔，烟气层开始聚集，厚度不断增大，但达到一定程度时，其中一小部分烟气将穿过阳台或窗户向室外逸散；另外一大部分烟气将通过宿舍门蔓延至中间走廊内，并向走廊两端扩散，烟气几乎是同时进入楼梯井，并都随着烟囱效应在顶层聚集后蔓延至顶层走廊内。图3为一楼着火工况不同时刻烟气分布图。

图3 一楼着火不同时刻烟气分布图Fig. 3 Gas distribution of first floor at different times

由于烟气向上蔓延的烟囱效应，使得不同楼层发生火灾后的差异主要出现在火灾发生100 s后，即烟气进入楼梯井后的时段。这个时间点后，烟气占据了火灾发生楼层，并在楼梯间蓄积，形成蓄烟池效应，堵塞疏散通道，然后逐渐发展至上部的楼层空间，这对人员安全疏散极为不利。各层着火486 s时烟气分布如图4所示。

图4 各层着火486 s时烟气分布图Fig. 4 Gas distribution of every floor in 486 s

由图4可知，在486 s时，一层着火后烟气基本已经扩散到整栋楼；三层着火时烟气仅随时间扩散到三层以上，而一二层没有烟气的扩散；而六层着火时烟气随时间扩散，基本集中在第六层，并未向六层以下扩散，一到五层几乎未受影响。对比可知烟气都是向高处蔓延，高处着火的话对底层的影响较小，故一层着火危险性相对更大。

图5为烟气高度随时间分布图，图中LA、LB、LC分别是着火楼层楼梯井1、着火房间门口处、楼梯井2的烟气层高度探测器。

图5 各层着火不同时刻烟气高度图Fig. 5 Layer height of every floor at different times

从图5中可以看出LB点烟气层高度基本都是从50 s左右开始下降，迅速下降到1.6 m，随后在1.6 m高度处上下波动，图5三图整体趋势相同，图5(a)上下波动的幅度大于其他两种情况，是由于一层有两个大门，通风面积大，空气对烟气的扰动更大，所以导致烟气高度幅度变化很大。

LA、LC处(楼梯口处)烟气层高度随着楼层的升高逐渐降低。可以看出CASE1中A、C烟气层高度在2 m上下，CASE2在1.8 m左右，CASE3在1.6 m左右，其原因与图4基本一致。由于烟气是向上扩散的，一层着火时，烟气会扩散到上层，所以在一层的烟气层高度会高，而相对的，六层火灾时，烟气全部聚集在六层相对封闭的空间，无法向下扩散，所以烟气层高度就更低。

图5(b)、图5(c)中，A、C的烟气层高度几乎是重叠的，这是因为火源位置位于整层的中间宿舍，大致对称。但图5(a)中A、C烟气层高度有一些差距，是由于通风面积的增加，扰动增加，烟气层和空气接触后烟气层高度变化会更为明显。

2.2 能见度分析

能见度是影响火灾逃生的重要因素，能见度越低，人员逃生难度将大大增加，存活率降低。图6为各层着火时，各层楼梯口能见度随时间的变化图。

图6 各层着火不同时刻西楼梯间能见度Fig. 6 Visibility of west stairwell at different times

由能见度的对比图可知，越靠近着火楼层能见度被影响的程度越深，即越危险，一层着火时危险性相对较大。由于烟气是影响能见度的最重要因素，所以能见度规律与图5基本一致，原因也大致相同。

2.3 温度分析

图7为各层着火时，各楼层不同测点处温度随时间的变化图，测点位置见图2。

图7 各层着火不同时刻温度图Fig. 7 Temperature of every floor at different times

由图7可以看出，所有监测点的温度都随着时间的增加而增加，但D点距火源最近，温度上升幅度最大。A点距火源最远，温度上升的最少。可以看出，越靠近起火源，温度越高，越危险。对比可知，图7(b)、图7(c)的各监测点温度高于同一位置图7(a)的温度，这是由于烟囱效应，热空气向高处运动所造成的。

3 人员疏散分析

3.1 安全疏散判断标准

在进行疏散时，计算疏散过程所需的时间：

TRSET=TA+TR+k×TM

(1)

式中：TA为报警时间(单位：s)；TR为响应时间(单位：s)；TM为疏散行走时间(单位：s)；k为安全系数。本文参考SFPE《消防工程手册》，将人员的水平行走速度设为1.2 m/s，下楼速度设为0.6 m/s，报警时间为30 s。然而实际上建筑物发生火灾时，由于各种原因在人员疏散过程中多多少少会存在一些不确定性因素，如：人员的身体素质、疏散引导标志和人的反应能力等都会对疏散行走时间产生影响。考虑到以上诸多因素，行业内在进行消防疏散设计时，均补偿一定的安全系数在模拟计算的疏散行走时间上。根据《防火工程手册》的推荐，采用k=1.1的安全系数。

能否成功进行安全疏散需确保：安全疏散的可利用时间TASET必须大于疏散完毕时间TREST，即：

TASET>TRSET

(2)

若上述公式成立，则表明人员能够在火灾危险状态到达前疏散到安全位置，理论上认为该建筑安全疏散系统达到要求；相反，就需要对消防措施进行加强或改进，延迟火灾危险状态的到来；或者通过采取一些措施如合理设计安全出口和疏散过程来加快人员的疏散过程，缩短安全疏散必需时间TREST。

3.2 人员疏散分析

PathFinder是一款优秀的疏散分析软件，通过建立疏散模型，模拟建筑物内人员的疏散过程，可以计算出人员安全疏散的行走时间，并由此得出疏散完毕时间TRSET。本文的疏散分析分为两种情况，正常情况(CASE1)：两个疏散楼梯正常使用所花费的时间，学生最终全部疏散完毕的模拟结果时间为486 s。特殊情况(CASE2)：高校中常见的宿舍楼男女混住工况，该工况假设三层以下楼层东侧皆为男生宿舍，为达到分隔男女生空间的目的，首先封闭一到三层走廊的中间门，隔断了两侧人员流动，其次封闭三层至四层的东侧楼梯间，三层以上的女学生只能通过西侧楼梯进行逃生，学生最终全部疏散完毕的模拟结果时间为743 s，时间相比与正常情况下增长了将近一倍，危险性大大增加。

一楼着火时的疏散结果如图8所示，CASE2所需疏散时间大致为CASE1的两倍。图8中CASE2的斜率在166 s时开始明显低于CASE 1。提取166 s 时CASE2实时疏散情况如图9所示，由于三层以上的学生无法通过东侧的楼梯疏散，基本开始全部堵塞在西侧楼梯口处，疏散速度大大降低。所以高校中常见的男女生混住情况在防火安全上是不合理的。

图8 疏散对比图Fig. 8 Comparison diagram of evacuation

图9 166 s CASE2疏散情况图Fig. 9 Evacuation situation of case2 in 166 s

图10 滞留人数和时间对比Fig. 10 Stranded crowd number with time

可用疏散时间TASET也叫允许疏散时间，是指在火灾危险状态来临前，人员紧急疏散到安全场所可利用的时间。建筑火灾中通常用建筑物内安全出口处及周围区域的危险有害因素对人员安全疏散产生影响所用的时间作为可用疏散时间TASET。本文采取火灾高温烟气在距离地面2.0 m，建筑物火灾烟气热辐射60 ℃，能见度临界值10 m，作为可用疏散时间TASET的判断依据，人员逃生可用安全时间TASET为80 s。以正常宿舍情况(CASE1全女生居住工况)为例，在一、三、六楼分别着火时，在80 s内，安全疏散的人数分别为317人、467人、928人。(应该再加一个男女混住情况下80 s内安全疏散的人数)在实际宿舍楼男女混住工况(CASE2)下，在一、三、六楼分别着火时，在80 s内，安全疏散的人数分别为197人、305人、602人。一楼着火情况下安全逃生的人数最少，六楼着火情况下安全逃生的人数最多，随着发生火灾楼层的增高，逃生的人数增加。

4 安全措施分析

根据上述分析可知，当前高校宿舍楼人员火灾安全疏散的形式仍然较为严峻。为避免火灾造成重大伤亡，需要采取可行的安全措施。

4.1 消防措施

以3.2节中正常宿舍情况(CASE1全女生居住工况)一楼着火工况为例进行比较，无喷淋状态下人员逃生可用安全时间TASET为80 s，安全疏散的人数为317人。而在火源正上方设置水喷淋的状态下，人员逃生可用安全时间TASET为150 s。可用安全逃生时间提高了将近一倍，通过数值模拟分析得到有480个人逃生成功。

分析原因是由于水比热容大，冷却效果好，降低了热释放速率，导致热烟气的产生减少了。除此之外，热烟气的温度由于水的冷却作用而降低，烟气的浮力减少，烟气上升受到抑制。因此有必要在宿舍设置一些消防保护措施如水喷淋装置、通风系统等，降低火灾危险。通过在适当区域设置和增加水喷淋装置，以控制烟气层扩散，阻止其向周围蔓延，并降低烟气温度，减少高温烟气灼伤，从而增加人员逃生几率。根据高校宿舍给水及消防系统相关论文研究[11]，考虑符合“喷规”规定、工程造价、居室使用和美观等问题，建议在每间宿舍的居室内设置1只水平边墙型扩展覆盖面喷头，喷头布置如图11所示。

图11 喷头布置简图Fig. 11 Disposition of sprayers

4.2 管理措施

本文的数值模拟是以高校中最常见的六人间宿舍进行的分析。宿舍过于拥挤，导致逃生时楼梯间堵塞较为严重，逃生时间缓慢。如果将宿舍改成五人间，同样情况下该宿舍楼仅能入住880人，必需疏散时间仅需420 s。而如果每个宿舍为四人间，那么该宿舍楼将会有748人，必需疏散时间仅为368 s。随着人数的减少，疏散时间随之减少，相对地，安全性就随之增加。可见高校有必要适当提高宿舍管理水平，合理安排学生入住，提高防火安全水平。

4.3 建筑措施

从模拟过程来看，由于楼梯数量有限、宽度较窄，造成人员堵塞在楼梯间，大大降低了人员疏散的速度。本文计算了宿舍楼有三个疏散楼梯的工况，即中部增设一个楼梯(工况CASE4)，用数值模拟来量化建筑结构优化对疏散结果的影响，如图10所示。由图10看出，新增一个楼梯可以明显提高疏散效率，大大缩短了疏散时间，减少楼梯的疏散压力。

5 结论

本文通过数值模拟手段对不同火灾场景下烟气流动、能见度、温度随时间变化的规律及其对人员安全疏散的影响展开了研究，得出了以下研究结论：

(1)本文进行了典型高校宿舍楼火灾模拟，得到各楼层走廊和楼梯间的烟气层高度、能见度、温度分布规律。

(2)宿舍楼人员疏散较为集中，在室内和走廊处的疏散速度较快，在楼梯间疏散过程较为缓慢，容易出现拥堵，人员火灾安全疏散的形势较为严峻。

(3)通过对不同火灾场景的对比，将建筑火灾烟气扩散的过程与相应的人员疏散过程的进行综合模拟分析，是一种有效实用的火灾风险评估方法，建议推广使用。

(4)根据数值模拟结果，评估喷淋、宿舍人数控制、建筑结构优化等安全措施的人员疏散效果，为建筑防火设计、消防改造措施和宿舍管理优化等提供科学依据。

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