连体宿舍楼火灾模拟与安全疏散研究*

李 琰 ，张 燕

(西安科技大学 管理学院，陕西 西安 710054)

0 引言

近年来，随着全国各大城市“人才战略”及“抢人战略”措施实施，全国各大城市的人口密度越来越大，对高层住宅楼的需求越来越大，根据相关数据调查显示，2008—2018年，我国高层建筑火灾事故高达3.1万起，死亡474人，直接财产损失15.6亿元。 2015—2018年，在住宅火灾事故中，火灾致死的比例逐年升高，仅在2016年的住宅火灾事故中就有1 269人死亡，高达火灾致死总数的80.21%，再加上不适当的人员疏散又会造成严重的二次伤害，比如踩踏伤亡事故，从而造成更大的损失和伤害[1]。在住宅楼中，有1类宿舍楼，特点是多栋楼之间设有连廊，称为“连体宿舍楼”。这类宿舍楼的结构比一般宿舍楼更为复杂，在发生火灾时，往往会造成更大的人员伤亡和财产损失。因此，对连体宿舍楼的火灾疏散进行研究具有重要意义。

国内外很多学者[2-4]运用数值仿真技术FDS和PyroSim对各类建筑物，比如：宿舍楼、隧道、火车站等进行了火灾疏散仿真模拟，并取得了重要的研究成果。其中，Lui C H等[5]运用Simulex and FDS+Evac论证了三维生活空间的配置与疏散居民所需时间之间的关系，验证了总疏散时间最短的最佳楼层和剖面形状；Panindre Prabodh等[6]运用FDS研究了在高层建筑火灾中正向风压对火灾的影响，得出部署PPV风扇以缓解热量流动并降低主要有利位置处(楼梯间和公共走廊)的温度；龙新峰等[7]运用PyroSim和Pathfinder对某大学宿舍楼进行火灾和疏散模拟，对比分析“所有窗户和门打开”与“着火房间窗户关闭”时的烟气蔓延特性，结果表明，在窗户关闭的情况下，起火室温度和热流量远高于开窗时，这对发生火灾时门窗的关闭提供指导；Lei Wenjun等[8]研究表明，走廊和出口的平均最小宽度是影响寝室疏散的2个关键参数，并且运用FDS+Evac软件对某高校某宿舍楼进行应急疏散仿真模拟，提出宿舍楼的最佳疏散楼道宽度为3 m，最佳出口宽度为2.5～3 m。

综上所述，国内外学者运用FDS和PyroSim对宿舍楼进行了仿真模拟研究，但大多数研究是针对单一的高层或者超高层建筑物，对设有连廊的复杂宿舍楼的研究相对较少，故本文应用PyroSim火灾动力学模型，并结合疏散模拟软件Pathfinder对高校复杂连体宿舍楼的火灾应急疏散进行仿真模拟，以期为复杂连体宿舍楼的消防措施、建筑设计以及宿舍楼应急管理提供理论指导和科学依据。

1 建筑物描述

选取某高校连体楼作为研究对象进行模拟仿真，该楼体建设年代比较久远，消防系统比较落后，无喷水灭火系统和防排烟设施，楼体由餐厅、超市、2栋宿舍楼和中间连廊构成，总建筑面积为16 968 m2。其中，5号宿舍楼为男女生混住宿舍楼，1～3层居住为女生；4～12层居住为男生；3层和4层之间楼梯口被关闭；总面积约为10 368 m2；共12层，楼高36 m；在宿舍楼的2边设有电梯及楼梯。6号楼1～3层为餐厅，其中在1层设有1个小超市；4～12层为女生宿舍；3层和4层之间是隔开状态；6号楼建筑面积为6 480 m2；在宿舍楼2侧设有楼梯，1侧设有电梯。在5号楼和6号楼之间，从4层开始，每层设有1个5 m×2 m×3 m的连廊，但由于5号宿舍楼居住者主要是男生，6号宿舍楼居住者为女生，故每层的连廊都一直处于关闭状态。

2 宿舍楼火灾仿真模拟

2.1 参数设置

1)火灾类型和火灾规模。基于宿舍楼宿舍内物质可燃性大、易燃物品多等特点，选取“快速火”进行计算，具有2 MW的火灾规模[9]。

2)模拟时间。根据疏散模拟的分析，在改进后的宿舍楼疏散状态下，人员可以在1 000 s内完成疏散，因此将火灾模拟的疏散时间设置为1 000 s。

2.2 火灾场景设置

考虑到该连体宿舍楼的复杂结构特性以及楼内的宿舍、超市和餐厅存在日常生活用品、纸制品和织物等大量可燃物，为了研究各楼体发生火灾对其他楼体及整栋楼产生的影响，分别设置火灾场景A、场景B和场景C。

1)火灾场景A：火灾发生在6号楼1层餐厅靠近右侧安全出口位置处，自动喷淋设施和机械排烟设施均无效。

2)火灾场景B：火灾发生在4层连廊中间位置，自动喷淋设施和机械排烟设施均无效。

3)火灾场景C：火灾发生在5号宿舍楼1层右侧楼梯口，自动喷淋设施和机械排烟设施均无效。

综上所述，各火灾场景情况统计如表1所示，各场景火源点和监测点如图1所示。

图1中所显示的为建筑物部分平面图，左侧为6号楼平面图，中间为连廊平面图，右侧为5号楼部分平面图。图中方块代表火源点，火源点中心点位置坐标如图1

表1 火灾场景设置情况统计Table 1 The statistics of fire scene setting

图1 火源点和监测点位置Fig.1 The location of fire source and monitoring point

所示；图中圆点代表监测点，在6号楼监测点的水平位置如图1所示，分别设置在高度为1层(记为6-1)、4层(6-4)、8层(6-8)和12(6-12)层位置处；连廊处监测点设置在4层(Ⅱ-4)、8层(Ⅱ-8)和12层(Ⅱ-12)位置处；5号楼监测点设置在1层(5-1)、4层(5-4)、8层(5-8)、12层(5-12)。

2.3 火灾生命安全评判的标准

火灾生命安全评判标准[10]主要包括烟气层高度、烟气层温度、烟气能见度等，可归纳如表2所示。

表2 火灾生命安全评判标准Table 2 The assessment criteria of fire safety

2.4 火灾模拟结果分析

2.4.1 烟气扩散情况

3种场景在t=300 s时的烟气扩散情况分别如图2(a)，(b)，(c)所示。由图2可以看出，当t=300 s时，6号楼和5号楼发生火灾对其他部分的影响不大，而当连廊处发生火灾时，烟气快速地扩散到整个宿舍楼，降低整栋楼的疏散效率。

图2 3种场景在t=300 s时的烟气扩散情况Fig.2 The Scattering of smoke in three scenes at t=300s

2.4.2 烟气层温度

研究发现，3种火灾场景下，除着火点外，烟气层上下层温度达到危险温度时的时间均大于1 000 s，说明烟气层温度对火灾疏散的影响不大。

2.4.3 烟气层高度和能见度

各监测点处，烟气层高度和能见度达到危险点的时间分别如图3(a)，(b)所示。

由图3(a)可以看出，当6号楼发生火灾时，6号楼烟气层高度在300 s内迅速降到2 m以下，而连廊处和5号楼烟气层高度基本没有变化；当5号楼发生火灾时，烟气层高度对连廊处和6号楼的影响也较小；而当连廊处发生火灾时，5号楼和6号楼1层到8层均会在300 s内降到2 m以下，会对整栋楼造成较大的影响。

由图3(b)可以看出，5号楼、6号楼和连廊处发生火灾时，能见度均会在较短的时间内降到10 m以下，会对整个连体宿舍楼的所有人员疏散造成较大的影响。

图3 3种场景下烟气层高度和能见度变化规律Fig.3 The change of smoke height and visibility under three scenarios

通过以上对烟气扩散、烟气层温度、烟气层高度和能见度随时间变化规律的研究，总结得出，对于连体楼，中间连廊发生火灾对整栋楼造成的危害最大。

3 宿舍楼人员疏散仿真模拟

3.1 疏散参数设置

1)安全疏散时间。人员的安全疏散时间主要包括火灾报警时间、人员疏散的预动时间和人员从开始疏散到达安全地点的行动时间，计算公式如式(1)所示。

RSET=talarm+tresp+taction

(1)

式中：talarm表示火灾报警时间；tresp表示人员的疏散预动时间；taction表示人员疏散行动时间。

根据GB50116-98《火灾自动报警系统设计规范》，本文将火灾报警时间talarm设置为60 s；根据英国《BS DD240:1997,Fire Safety Engineering in Buildings》的统计数据，本文将人员疏散预动时间设置为60 s。

2)疏散人数。根据现场的调查走访以及向宿舍楼管理人员的咨询，得知5号和6号宿舍楼每间房间居住4人，2栋宿舍楼共居住2 844人，根据最不利原则，当时正是吃饭时间，餐厅人数较多，为300人，该复杂建筑物一共3 144人。

3.2 疏散场景设置

为研究该连体复杂建筑物当前实际的应急疏散性能，本文主要设计A，B，C 3种疏散状态。

1)状态A(当前实际状态)：由于6号宿舍楼居住者为女性，5号宿舍楼4～12层居住者为男性，所以2栋楼中间的连廊处于关闭状态。

2)状态B：重新安排居住人员，使2栋楼居住人员为同性，从而使2栋楼中间的连廊处于开启状态。

3)状态C：在状态B的基础上，在5号和6号楼中间的2层和3层也设置连廊，并且在2层连廊设置备用的可移动式的悬挂式楼梯。

其中，状态A和状态B是为了验证在复杂连体建筑物中连廊正常开启的重要性；状态C是为了验证在较高的复杂建筑物中设置备用的可移动式的悬挂式楼梯的重要性。为研究复杂连体宿舍楼疏散和电梯疏散的效率，本文主要设计A1，A2，B1，B2，C1，C2 6种疏散场景，其中电梯的疏散顺序为从高层到低层。各疏散场景情况统计如表3所示。

表3 疏散场景统计结果Table 3 The statistics of evacuation scene

3.3 疏散模拟结果分析

通过对比分析疏散状态A，B，C中的疏散场景A1，B1和C1可知：连廊开启与连廊关闭时相比，总疏散时间减少了438.5 s；而如果增加外挂楼梯，则总疏散时间减少了511.5 s；而进一步分析5号楼的疏散时间发现，当增加外挂楼梯时，5号楼的疏散时间反而增加，这是因为Pathfinder软件设定人员选择距离最近的出口进行疏散，而5号楼的大部分人员距离外挂楼体较远，导致只有一少部分人选择外挂楼梯进行疏散，由场景C1的疏散过程可知，疏散时间在206.7 s之后，悬挂式楼梯不再有人出现，如图4所示。

图4 场景C1疏散过程Fig.4 The evacuation process of Scence C1

通过对比分析疏散场景A1和A2，可以明显看出，场景A1的总疏散时间比场景A2的总疏散时间多1 085.3s，6号楼疏散时间多了将近1 600 s，这说明：当使用电梯疏散时，大部分人员拥堵在电梯门口等待，而楼梯不能有效利用，时间主要浪费在拥堵和等待上，从而导致疏散时间增加，疏散效率降低，该拥堵现象如图5所示。通过对比分析疏散场景B1和B2，C1和C2，也可以有效证明这一点。而全部使用楼梯疏散，尽管可以在很大程度上降低疏散时间，但是也会造成较大的拥堵，如图6所示。

图5 场景A1拥堵状况Fig.5 The congestion situation of Scene A1

图6 场景A2的拥堵状况Fig.6 The congestion situation of Scene A2

4 结论

1)通过火灾模拟分析可以发现，对于复杂连体宿舍楼，连廊的安全性能直接关系到整体的安全性能。因此，建议宿舍管理部门在加强各宿舍管理的同时，着重加强对连廊的消防管理，禁止堆放任何易燃可燃物品，消除一切火源，确保连廊的正常使用。

2)通过对应急疏散的仿真模拟，得出复杂连体宿舍楼不适合男女混住。为了提高疏散效率，建议2栋楼的居住人员全部为女生或者全部为男生，从而确保中间连廊的正常开启以及建筑物3～4层之间的楼梯正常通行。

3)通过分析该建筑物结构以及疏散过程仿真模拟可以发现，大部分人员会同时选择楼梯或电梯进行疏散，进而造成拥堵，不利于疏散；同时，增加外挂楼梯可以减少总疏散时间，降低疏散效率，但由于外挂楼梯距离5号楼的大部分人员较远，选择外挂楼梯进行疏散的人员较少，导致疏散效率不高。因此，为了使人们合理的选择疏散工具并使得外挂楼梯发挥最优的作用，进而达到最优的疏散效率，建议宿舍楼管理部门培训专门的应急疏散人员，在发生火灾等紧急事故时，根据各楼梯和电梯的拥堵和疏散状况，引导逃生人员合理选择正确的疏散工具，从而有效提高疏散效率。