高层住宅安全疏散设计与优化

李建霖，傅丽碧，施永乾

(1. 福州大学环境与资源学院，福建 福州 350108; 2. 福州大学土木工程学院，福建 福州 350108)

0 引言

随着世界人口总数的不断增长，土地资源的有限性逐渐受到重视，高层住宅在近年城市建设中占据较高的比例[1]. 虽然高层建筑带给人们方便，但由于高层住宅楼层高、 人群密度大及火灾载荷大等特点，当其内部发生火灾时易造成严重损失[2]，同时，人员在应激状态下容易产生恐慌等情绪，难以冷静分析局势并做出决策[3]. 因此，优化高层住宅安全疏散具有重要意义[4].

对此，国内外学者已展开了相关研究，1974年，美国学者Bazjanac[5]提出名为“另一条出路”的疑问，80年代末，美国和加拿大开展了火灾疏散中使用电梯时利用增压方法测试烟火保护的可行性研究. 1994年，Klote等[6]首先提出了电梯紧急疏散系统(EEES系统)，初步证明在高层建筑火灾中利用电梯进行人员疏散的可行性. Sekizawa等[7]在1996年广岛高层公寓火灾的问卷调查中发现，电梯的使用情况受到楼层的影响，楼层越高，火灾时倾向于使用电梯疏散的比例就越大. Kinsey等[8]通过调查问卷发现，火灾发生时，居住楼层越高越倾向于利用电梯进行疏散. Gravit等[9]发现疏散沿楼梯方向呈线性发展，随着建筑物高度的增加，采用联合梯级疏散方式的必要性也越大. 李海[10]提出了在特定情况下高层建筑发生火灾时可使用安全的电梯. 王珂等[11]通过对电梯、 楼梯的疏散试验得出了一系列结论，如火灾情况下运用电梯进行人员疏散是可行的，对于高层楼房，通过楼梯疏散会形成高密度人流，易引起拥挤踩踏，故在电梯能使用的时候就应该利用电梯疏散. 胡智剑[12]讨论了高层建筑火灾烟气的特点，并结合电梯疏散的缺点提出电梯防烟措施. 唐春雨[13]讨论电梯疏散在火灾救援中的必要性、 安全性，并提出相关安全保障措施. 由此可看出，高层建筑疏散问题仍未得到一致的方案，仍需要深入研究.

为研究高层住宅发生火灾时人员疏散的情况，本文采用FDS(fire dynamic simulation)和Pathfinder软件进行分析，研究在火灾时提高疏散效率的方法和方案.

1 高层住宅火灾模拟

1.1 研究对象介绍及火灾场景设定

以某高层住宅为研究对象，此高层住宅每层高2.8 m，共33层，有两部相邻的电梯，仅有1个位于一楼的逃生出口(长期开启宽度为88 cm，全部开启时宽度为133 cm)，在每层楼各设立四个防火门、 3个感烟探测器、 1个火灾报警器、 1个手动报警器. 一楼有四户住户，二楼及以上每层均有六户住户.

因火灾场景具有代表性、 客观性及遵循最不利原则[14]，选取一楼左下方房间为着火房间，且假设建筑中的喷淋装置和防排烟系统失效. 同时在每层楼人员均会经过的路上安放感烟探测器、 层分区装置、 CO探测器和能见度、 CO体积分数、 温度切片. 具体布置如图1～2所示.

图1 一楼布置图(红色矩形为火源)Fig.1 Structure of the first floor

图2 其余楼层布置图Fig.2 Structure of the other floors

1.2 火源及危险情况的设定

因火灾一般不会燃烧到所有可燃物燃尽，故采用t2模型来描述火灾增长[15]，如下式所示.

Q=αt2

(1)

式中：Q为热释放速率，kW；α为火灾增长系数，kW·s-2；t为着火后的时间，s.

其中，最大热释放速率可通过理论计算法、 实验测定法、 估计法确定[16]，综合比较后选取估计法进行确定. 假设着火房间内有4 m2的棉布、 5 m2的棉花、 4 m2的书、 4 m2的木制家具、 5 m2的软聚氨酯在火灾发生时完全燃烧，根据文献[17]，可得Q= 3 491 kW.

火灾增长系数可由下式确定：

(2)

式中：q为火灾荷载密度，可由房屋类型及其对应的火灾荷载密度确定；αm可通过“αm与墙面装修材料等级关系”确定[18]. 因研究对象的墙面装修材料等级为难燃性，可得q= 780 MJ·m-2，αm=0.014 kW·s-2，αφ=0.171 8 kW·s-2，α=0.185 8 kW·s-2.

综上，将相应数据代入式(1)，可得从发生火灾到达到最大热释放速率的时间为137 s.

在本次模拟中，根据查阅的资料，规定将人员所处区域的某一参数超过规定值时视为危险情况，具体参数及规定值设定为：1) 烟气层距离地面的距离大于1.6 m； 2) 上层烟气温度大于180 ℃； 3) 下层烟气温度大于60 ℃； 4) 能见度小于5 m； 5) CO质量浓度达到1 500 mg·L-1.

1.3 模拟结果分析

由于设备数目较多，故仅对各参数达到危险值时进行说明. 同时据模拟结果显示，当连续3个楼层的相同参数未达到危险值，此后楼层的相同参数也不会达到危险值，因此下列图仅显示前6楼的数据.

各楼层对门过道烟气层高度、 烟气层上部温度如图3～4所示(注：对门过道指各层左右两个房屋相对的过道). 由图3可知，1楼对门过道烟气高度在39 s时迅速降至1.28 m，之后一直在1.6 m左右小幅波动，而2楼的在46 s时迅速降至0.9 m，之后呈不规则较大幅度波动，烟气层高度最低达到0.4 m，而从3楼开始，烟气高度没有变化，处于安全状态. 1楼对门过道上部烟气温度从38.4 s开始持续上升，在195 s达180 ℃，在148 s时达233 ℃，之后在215 ℃小幅波动.

图3 各楼层对门过道烟气层高度Fig.3 Height of smoke layer in the corridorof each floor

图4 各楼层对门过道烟气层上部温度Fig.4 Upper temperature of the flue gas layer in the corridor of each floor

各楼层电梯口及上、 下楼梯平台的烟气层高度如图5所示. 由图5可知，1楼电梯口烟气高度在105 s时下降至2 m，之后在1.65 m范围内波动. 2楼电梯口烟气层高度在78 s时降到0.5 m，之后烟气层高度在0.5～1.3 m波动，之后的楼层烟气层高度均在安全范围内. 2楼的上楼梯平台烟气层高度在132 s时下降至1.53 m，之后在1.28～1.9 m之间变动，但高度小于1.6 m以下的情况存在时间短，其余楼层的相应位置均为允许范围内. 2楼的下楼梯平台烟气层高度在155 s降至1.11 m，之后在1.1～1.5 m之间变动，其余楼层均在允许范围内.

图5 各楼层电梯口及上、 下楼梯平台的烟气层高度Fig.5 The height of the smoke level at the elevator entrance, upper and lower landing on each floor

在火灾发生后的第243.7秒，2楼的楼道能见度已小于5 m，即达到危险值，此时基本无法看见楼道环境. 在650 s时，各楼层的能见度均比正常状况低，其中，2楼至12楼的楼道能见度已降低至5 m以下，若此时人员还未成功疏散，则之后各楼层能见度变会越来越低，导致无法疏散.

2 高层住宅疏散模拟

2.1 人员分布及参数设定

本次研究设置每个房屋有4人(1名儿童、 1名女青年、 1名男青年、 1名老人)，根据相关资料[19]，设置各自逃生速度分别为1.3、 1.74、 1.81、 1.2 m·s-1，该栋建筑共有196个房屋，总计784人.

2.2 仅通过楼梯疏散模拟结果分析

在火灾发生时，因人们通常认为此时不能坐电梯，因此往往通过楼梯进行疏散，故对所有人员均使用楼梯疏散进行模拟，人员疏散时间为661.3 s. 对疏散过程进行观察，发现人们在楼道内、 在逃生出口处拥挤是造成疏散时间长的原因.

假设建筑物内的人员熟悉建筑物，处于清醒状态，结合研究对象是高层住宅且报警系统类型属于现场广播，根据“在不同火灾报警系统下不同人员在不同建筑物中的预动作时间”，将预动作时间设为60 s. 对于火灾报警时间，由FDS模拟结果，距离火灾场景最近的感烟探测器在42 s左右才开始感应到烟气，但对疏散过程观察可知，在火灾发生后的第8.6 s时着火房屋内的人员第一次走到手动报警器的位置，故取火灾报警时间为8.6 s.

结合节1.3，将火灾各参数首次到达危险值的情况记录有6条. 1) 1楼、 2楼对门过道烟气高度分别在39、 46 s时到达危险值； 2) 1楼对门过道上部烟气温度在195 s时达到危险值； 3) 2楼电梯门口烟气层高度在78 s时到达危险值； 4) 2楼的下楼梯平台烟气层高度在第155 s降至1.11 m； 5) 在第153 s时，1楼和2楼房间内的CO体积分数已超过危险值； 6) 在火灾发生后的第243.7 s，2楼的楼道能见度已小于5 m，即达到危险值.

对疏散过程进行分析可发现, 对于情况1)、 2)、 3)、 5)，在相应参数到达危险值之前，对应区域已无人员通过； 而对于情况4)、 6)，其对应的情况会对疏散人员造成威胁，因此取这两种情况作为标准，根据ASET的定义，取其为155 s. 当ASET>RSET时，人员才能安全疏散. 而此时RSET=8.6+60+661.3=729.9 s，ASET=155 s，即ASET

3 人员疏散优化措施

3.1 基于FDS的疏散措施建议

根据之前的描述，对疏散影响最大的是烟气层高度及各楼层能见度的大小，而对于温度以及CO体积分数，在火灾发展中除了着火房间内超过危险值外，其余地方都安全. 因此抑制烟气在楼道中的蔓延可使人员有更多时间利用楼梯逃生.

经实地调查，在着火房屋通往逃生出口的路上设有两个防火门，当关闭时，因其与所在的墙面基本无空隙. 因此可在火灾发生时通过关闭对应防火门来控制烟气的扩散.

通过将1楼的1号防火门，1、 2、 3、 4、 5楼的1号防火门及所有楼层的1号防火门关闭后进行模拟，可知，随着防火门关闭，各楼层各区域能见度下降程度减慢，并且随着关闭防火门的楼层数增加，能见度降低程度越变越小. 当关闭所有楼层的1号防火门时，各楼层楼道、 电梯、 以及上部两个房屋的能见度均未受到明显影响，因此在599.6 s内人员可正常通行.

3.2 基于Pathfinder的疏散措施建议

基于性别、 年龄以及楼层数的不同，共设立31种疏散方案，并通过Pathfinder进行模拟，得出各方案下的疏散时间汇总于表1的“所用时间1”列. 除此之外，由1.1小节可知，研究对象仅有一个逃生出口，常开宽度为88 cm，当将逃生出口调整为完全敞开时，其宽度为133 cm. 因此，在逃生出口宽度设置为133 cm的基础上对各方案再次模拟，并将模拟结果汇总于表1的“所用时间2”列，如表1所示.

对比“所用时间1”可知，“所用时间2”中的各方案除了方案28的疏散用时增长了9.8 s以外，其余方案所对应的疏散时间均有所减少，其中减小幅度最小的是方案19，减少0.2 s，疏散效率提高了0.032%. 减小幅度最大的是方案3，减少了384.7 s，疏散效率提高了21.86%，而其余方案减少的时间也在几秒到几十秒不等，这些都表明逃生出口的宽度增加能够有助于人员疏散. 因此，在火灾发生时，及时、 合理地增大疏散出口宽度能够有助于疏散.

综上，当与研究对象具有相类似结构的高层建筑发生火灾时，可结合建筑物内部人员的分布特点及行动特征，对方案6、 18、 26、 27、 30、 31进行优化，同时采取适当措施，选出高效合理的疏散方案，以便疏散人员迅速撤离.

表1 不同疏散方案模拟结果汇总

续表1

4 结语

高层建筑发生火灾时，烟气是阻碍人员疏散的主要原因，可通过关闭相应的防火门等来对烟气的蔓延进行抑制，从而提升人员的可用安全疏散时间； 在可以使用电梯进行疏散的情况下，合理地协调电梯和楼梯之间人员疏散的分配，能够有效地提高疏散效率； 将逃生出口的宽度调整为合理的最大宽度可有效避免人员在逃生出口处拥堵的情况，从而降低人员的必须安全疏散时间.

本次研究仍存在一定的缺陷，如未考虑人员在疏散过程中可能发生的结伴、 互助、 从众等行为，因此将来可从这一方面进行优化改进，使得其更符合现实疏散情况.