基于FDS+EVAC的某高校学生宿舍楼火灾疏散能力研究*

王　丽 ，曾　坚，任常兴

(1.天津大学 建筑学院，天津 300072; 2． 天津理工大学 环境科学与安全工程学院，天津 300384; 3.公安部天津消防研究所，天津 300381)

0　引言

高等院校一直是消防安全重点单位，其中大学生宿舍是广大学生休息、生活、学习的综合场所，学生一天中有近二分之一的时间在这里度过。但是，目前我国多数高校建校较早，建筑普遍存在设备老化问题，再加上宿舍可燃物多，火灾荷载大[1]，所以极易导致火灾事故。2008年5月5日，中央民族大学28号楼6层S0601女生宿舍发生火灾，宿舍楼内3 000余人被紧急疏散；2007年1月11日，东北师范大学研究生宿舍2舍一楼发生火灾，楼上百余个寝室的500余名学生被迫疏散；2003年12月23日，东北大学4号女生宿舍219室突发大火，1 000多名女生凌晨被迫疏散转移；2008年11月14日，上海商学院徐汇校区学生宿舍发生火灾，4名女生从6楼宿舍阳台跳楼逃生，当场死亡；2006年1月8日，菲律宾马尼拉市北部大学区的一个学生宿舍楼凌晨发生火灾，至少8人死亡，3人烧伤；2003年11月24日凌晨，位于莫斯科城区西南部的俄罗斯人民友谊大学6号学生宿舍楼发生火灾，造成41名外国留学生死亡，近200人受伤，其中有中国留学生46人烧伤、11人死亡。宿舍内起火原因类型多，学生私拉乱接电线、违规使用大功率电器、吸烟、节假日使用火柴蜡烛营造氛围等，而且宿舍内可燃物多，衣服、被褥、书本、窗帘甚至木质的衣柜、床等都是可燃物，一旦发生火灾，这些材料燃烧猛烈，燃烧时还会产生有毒气体，给疏散和扑救工作带来很大困难[2-3]。因此，研究高校宿舍楼火灾事故下的安全疏散具有重要意义。本文选取某高校南区的一栋标准宿舍楼作为研究对象，根据实际情况，利用FDS+EVAC软件建立几何模型，设置火灾场景及疏散相关参数，模拟宿舍发生火灾时火灾的发生发展过程，以及人员在火灾情景下的疏散行为；对软件模拟结果进行分析研究，得出可用安全疏散时间和必需安全疏散时间，将这2个时间进行对比判断，分析评价该宿舍楼的安全性能；最后，根据研究结果，结合宿舍楼的实际情况，提出合理的整改措施。

1　人员安全疏散时间判据

火灾发生过程与疏散过程是一个不可逆的过程，建筑物内人员能否顺利疏散，主要在于必需安全疏散时间(RSET)与可用安全疏散时间(ASET)的比对。必需安全疏散时间(RSET)指人员从开始疏散到疏散至室外的时间；可用安全疏散时间(ASET)指火灾开始到人员的人身安全有危险的时间[4]，如图1所示。

图1　人员安全疏散时间判据Fig.1　Criterion to judge whether a person can evacuate safely

一个建筑物的安全性能是否合格，在于2个时间参数的比对，假如可用安全疏散时间大于必需安全疏散时间，则建筑物安全性较高，反之，则安全性较低。

2　某高校学生宿舍楼火灾疏散模型的建立

2.1　FDS+EVAC 软件介绍

FDS是由美国国家技术标准局(NIST)建筑火灾研究室研究开发的场模拟软件。软件以计算流体动力学为理论依据，可以用于预测火灾中的烟气流动、火灾温度及有毒有害气体浓度分布。FDS具有开放的程序体系结构，良好的后处理能力，计算结果得到较多实验的验证，并且在火灾安全工程领域得到广泛应用[5]。EVAC是芬兰技术研究中心(VTT)开发的基于连续空间模型的人员疏散模拟软件。第一版本EVAC1.0，于2006年单独发行；第二版本EVAC1.1集成在FDS5.0中，于2007年10月1日发行，故FDS5.0又称为FDS+EVAC，相关模拟结果可以用FDS自带的可视化软件SmokeView进行动画演示[6]。

本文利用FDS+EVAC软件建立模型，其中用FDS建立火灾模型，通过分析火灾中危险因素的影响，计算出可用安全疏散时间；用EVAC建立疏散模型，分析结果，计算出必需安全疏散时间，利用2个数据，综合判断安全性能。

2.2　模型背景

本文选取某高校南区一典型宿舍楼为研究对象。该宿舍建筑面积为3 240 m2，高为18 m，共有6层，层高3 m，建筑物内共有2个楼梯，楼梯口直接连接跟外界连通的2个大门出口，建筑物内结构较为对称。除了一层有16个房间(包括1间门卫室)，其他5层均有18个房间，每个房间居住4人。每个房间都设置为宽3 m，长8.5 m，高3 m，其中每个房间都有宿舍门、阳台门各1个，门的宽均为1 m，高为1.9 m，另外每个房间都在靠阳台一面设置有窗户2个，每个窗户宽均为0.5 m，高1.7 m。每个楼层的房间都通过1个主走廊连接，走廊宽3 m，在每层的2端都设有1个楼梯间，楼梯间的台阶宽设为1.5 m，楼梯间宽度为3 m。楼梯间设有平台供停留休息使用，层层之间通过2个楼梯进行连接，相关建筑参数如表1所示。

表1　宿舍楼建筑参数

2.3　火灾事故情景设计

根据实际情况，建筑物内无自动喷淋设施，无机械排烟装置。每个宿舍内的布局、拥有的可燃物性质都大致相同。根据最不利原则，在楼梯出口附近的宿舍内设置着火源对人员疏散的影响较为显著，因为建筑物左右对称，将火源设置在一楼右侧楼梯间旁边的第1个房间。假定火灾发生的原因是由于学生床上吸烟，未熄灭的烟头点燃了被褥，火源大小为0.1 m2。可燃物的数量、规模及燃烧特性是决定火灾发展及危害的主要参数，具体室内材料的设置如表2所示[7-8]。

表2　室内材料设置

另外，宿舍楼墙壁设为混凝土，地板设为瓷砖，2者均为不燃性材料。火灾初期的火源热释放速率可按t2处理，根据王志刚的实验测定[9]，被褥、窗帘等棉质纤维热释放速率达到1 000 kW的时间为75 s，床、书桌、书柜等家具热释放速率达到1 000 kW的时间为600 s，宿舍火灾的最大热释放速率取为1 800 kW，单位火源面积功率取259 kW/m2。参考《火灾学简明教程》[10]，设定火灾场景的产烟率为0.01。

为了观测人员疏散过程中不同高度、不同位置的火灾影响，在起火房间、走廊、楼梯口设定检测截面，用于输出该处温度、CO浓度及能见度等参数的变化趋势，来分析走廊及楼梯处的火灾环境，以判断楼梯处是否能保证人员安全。

2.4　人员疏散情景设计

考虑最不利的情况，起火时宿舍楼内所有同学都在房间，共106个房间，每个房间有4名同学，全部人员共计424名。该宿舍楼为男生宿舍，所有人员性别为男，年龄集中在16～24岁之间。疏散开始时，设定人员初始疏散速度为1.01 m/s[11]。

通过研究发现，1个人的疏散时间分为多个时间间隔，主要为火灾报警时间(t1) 、预动作时间(t2) 和人员疏散运动时间(t3)[12]。

1)从起火到探测、报警这段时间称为火灾报警时间。假定高校宿舍楼房间内安装的火灾报警器为点式感烟火灾探测器，其位置设在吊顶天花，高度为3 m，火灾探测器火灾报警的时间为火灾开始后 1 min[13]。

2)宿舍内人员都是健康的青壮年，而且居住时间长，一般比较熟悉建筑物内的构造，同一个房间内的人员发现火灾后往往互相通知，但考虑到宿舍内人员可能处于睡眠状态，因此将每个房间人员的预动作时间设置为2 min。

3　基于FDS+Evac的某高校宿舍楼火灾疏散性能分析

高校学生宿舍楼属于人员密集的公共建筑，其安全疏散允许的时间为5 min[14]。

3.1　火灾危害模拟结果

根据国家相关规定及参考资料[15]，确定火场中人员生命安全的判断依据，如表3。

表3　生命安全的判定依据

将5 min作为火灾疏散模型的模拟时间。运行FDS进行模拟可以得到宿舍楼内温度、CO浓度以及能见度随时间的动态变化过程。分别如图2，图3和图4所示。

图2　不同时刻的温度分布Fig.2　Temperature at different moments

图3　不同时刻的CO浓度分布Fig.3　Concentration of CO at different moments

图4　不同时刻的能见度分布Fig.4　Visibility at different moments

在设定场景下，30 s时，起火房间内温度都达到了极限60 ℃，此后不断飙升，而其他区域温度直到300 s时都没有太大变化；14 s时，起火房间内的一氧化碳体积分数就达到了安全极限5×10-4以上；100 s时，一氧化碳蔓延至了走廊；237 s时，走廊至距离着火房间最远的出口处，一氧化碳的体积达到了5×10-4以上；20 s时，房间内的能见度是10 m以下；300 s时，起火房间到出口处的能见度处于14 m以上。

在这个火灾场景下，为了保证疏散人员的人身安全，依据有害因素的危险指标，14 s后，起火房间内的人员都应该疏散到走廊中。分析模拟结果，除了起火房间外，其余空间的温度不会有明显的变化，能见度也不会超过危险限度，不会危及到除了起火房间外的其余疏散人员，而一氧化碳会逐渐扩散走廊到出口之间，2个出口的浓度均已超过危险限度，所以，在237 s后，人员都应该疏散到建筑物外，即可用安全疏散时间(ASET)为237 s。

3.2　人员疏散模拟结果

运行EVAC进行宿舍楼内人员疏散动态模拟，过程如图5所示。

图5　人员疏散过程Fig.5　Simulated evacuation process

绘制宿舍楼内人员数量随时间的变化曲线图，如图6所示。

图6　宿舍楼内人员数量随时间变化Fig.6　Variation of the number of personnel in the building

疏散的初始时刻为火灾报警后，人员1 min后开始动作，人员的预动作时间为2 min；疏散开始后，逃生人员陆续从房间内向外疏散，人员将根据对疏散通道的熟悉情况，选择最近的疏散出口进行疏散。从图5和图6可以看到，人员在3 min左右开始疏散，很快人们就会聚集在楼梯间，在210 s时，开始有人员撤离出宿舍楼，但直到345 s时，所有人员才疏散完毕。图6显示，室内的人数，从开始疏散到结束，呈现一个匀速减少的现象，这说明虽然在楼梯及出口位置有一定的拥挤现象，但是在模拟场景中，大学生排队现象较好，没有堵塞住出口以及通道。

3.3　模拟结果的验证

将上述模拟结果与传统的火灾疏散过程Togawa模型计算结果进行对比分析，验证模拟结果的准确性。Togawa模型[16]将人员在建筑物内的疏散过程类比成水在管道内的流动，把人员疏散运动时间分成2段来计算：第1段是距出口最近的人员疏散至出口的时间；第2段是人员以恒定流动系数通过出口疏散的时间。Togawa模型计算疏散时间的公式如式(1)所示：

(1)

式中：L为出口距离疏散队首的距离，在该宿舍楼内，人员距离出口的最短距离为L=2 m；v为人员疏散速度，取值为v=1.01 m/s；P为疏散总人数，P=424人；N为出口处的人员流动系数，根据文献[17]，人员通过宿舍出口疏散的流动系数N=1.33人/(m·s)；B为出口的有效宽度，宿舍楼出口宽度B=2 m。

将上述数值代入式(1)，计算得到人员疏散运动时间t3=161.48 s。总的疏散时间(T)为火灾报警时间(t1) 、预动作时间(t2) 和人员疏散运动时间(t3)之和，即：

T=t1+t2+t3=60 s+120 s +161.48 s=341.48 s

FDS+Evac模拟人员疏散时间为345 s，与Togawa模型计算疏散时间341.48 s相比较，相对误差为1.06 %，比较吻合，用FDS+Evac模拟的结果得到验证。

3.4　宿舍楼火灾疏散安全性能分析

根据火灾安全工程学要求，建筑物是否符合火灾安全标准的条件在于2个时间参数的比对，如图1所示。该宿舍楼模拟运算得到的ASET与RSET结果如表4。

表4　模拟结果

通过表4可以看出，宿舍楼ASET低于RSET，所以宿舍楼不符合安全标准，另外，根据GB 50016-2014《建筑设计防火规范》[14]，宿舍楼安全疏散允许时间为5 min(即300 s)，通过模拟计算得到的RSET为345 s，以此衡量该宿舍楼也不符合安全标准规范，所以必须采取合理有效措施增加可用安全疏散时间或降低必需安全疏散时间。

4　某高校学生宿舍楼火灾疏散性能的提升研究

4.1　宿舍楼安全疏散水平改进方案的提出及对比分析

该宿舍楼建设年代久远，建设标准低，居住密度大。根据GB 50016-2014《建筑设计防火规范》[14]，公共建筑安全出口的数量不应少于2个，安全出口总净宽度，按其疏散人数每100人不少于1.00 m计算确定，该建筑物容纳人数424人，2个出口宽度均为2 m，总净宽度为4 m，安全出口总净宽度不符合标准。因此，提出以下5种改进方案，用于提高宿舍的安全疏散水平。

1)方案1：增加左侧出口宽度。该宿舍楼现有的2个出口宽度均为2 m，将一楼靠近左侧出口的某房间进行改造，使该出口宽度拓宽为3 m。

2)方案2：增加右侧出口宽度。将一楼靠近右侧出口的某房间进行改造，使该出口宽度拓宽为3 m。

3)方案3：增加2侧出口宽度。将宿舍楼一楼2个出口宽度均拓宽为3 m。

4)方案4：增设1个建筑物出口。该宿舍楼的现有2个出口均位于宿舍楼的南侧，靠近东西2侧楼梯，将宿舍楼一楼北侧中间的房间与外界打通，作为宿舍楼的1个出口，供疏散逃生使用，此出口宽度即为房间宽度，3 m。

5)方案5：减少宿舍楼居住人数。将每个房间居住人数设定为3人，宿舍楼总人数为318人。

对上述5种方案，分别运行FDS+EVAC模拟，结果如表5所示。

表5　宿舍楼改进方案比较

通过表5可知，选择任意1个方案进行改造，ASET变化不大，而必需安全疏散时间(RSET)都能够得到明显减低，且都控制在5 min以内。但对于方案1和方案2 (单独增加宿舍楼一侧出口宽度)，ASET

4.2　建议

为了降低火灾发生概率，减少火灾引起的伤亡，尽可能保障宿舍楼内所有人员的生命安全，根据研究结果，结合实际情况，提出以下4方面建议[18]：

1)对宿舍楼进行改造，增加建筑物出口净宽度。增加2侧出口宽度(将宿舍楼一楼2个出口宽度均拓宽为3 m)或增设1个出口(将宿舍楼一楼北侧中间的房间与外界打通，增设1个宽度为3 m的宿舍楼出口，供疏散逃生使用)。

2)降低宿舍楼人员密度。将每个房间居住人数由原来的4人减为3人。

3)通过模拟可以看到，人员在楼梯上的疏散耗用了大量的宝贵时间，但考虑到拓宽楼梯可操作性较低，故建议加强平时的应急演练以及突发事故时的疏散引导，使学生做到楼梯上的快速有效疏散。

4)此外，宿舍楼的管理人员应当定期巡视宿舍楼，查找是否有学生不遵守学校纪律，私拉电线或在宿舍内吸烟、使用大功率违规电器等现象，如发现，应立即整改，并对学生加强教育培训，提高学生的防火意识，使同学们能够熟练使用灭火器，掌握火灾初期的扑救办法，增强应急处置能力，尽可能将火灾消灭在萌芽状态，或者延缓火灾的发展蔓延，增加可用安全疏散时间。

5　结论

1)将FDS+EVAC软件应用于学生宿舍楼的火灾疏散过程数值模拟和分析，得到火灾情境下人员可用安全疏散时间(ASET)和必需安全疏散时间(RSET)，将ASET与RSET比较，可以得出宿舍楼是否符合火灾安全疏散标准的结论，可为宿舍楼消防安全性能评估提供参考和借鉴。

2)针对未达到火灾安全疏散标准的宿舍楼，可以从多个角度提出针对性改进策略，并对拟采取的方案进行FDS+EVAC模拟，对比分析结果，能够对多种方案进行优化，从而为宿舍楼火灾安全性能的提升提供理论依据和技术支撑。

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