高校宿舍不同火灾场景下的人员疏散分析

梁建兴 许秦坤 赵祖才 刘 倩 韩 晴

(西南科技大学环境与资源学院 四川绵阳 621010)

受疫情影响，高校毕业生就业压力增大。为缓解就业压力，国务院常务会议决定扩大对应届高校毕业生进行研究生招生与高校专升本扩招[1]。在校住宿学生人数增多，导致学生用房紧张，原有的男生女生分楼栋住宿情况已不能完全实现。因此，学校必然考虑将男生女生安排在同一栋楼进行管理。与其他宿舍楼相比，混合宿舍楼更容易发生火灾，疏散情况更为复杂。陈娜等[2]指出，相同条件下男生疏散所需时间低于女生疏散所需时间；房荣雅等[3]指出，不同楼层起火位置对人员疏散有影响，并限定人员在疏散过程中疏散速度一致，这对于男女混住情况并不适用；邹馨捷等[4]指出，消防设施无效和着火房间窗户打开状态对宿舍人员的疏散影响较大。本文以某高校男女混住五层单体建筑为背景，运用FDS软件建立火灾模型，模拟不同楼层发生火灾后800 s内各工况下楼梯间的温度、CO浓度以及能见度的分布情况，得到可用安全疏散时间。在此基础上，运用pathfinder软件模拟4种同楼栋男生女生分层住宿方案在不同工况下不同速度的男女采用分阶段模式进行疏散，得到各案例所需安全疏散时间。通过时间对比判断人员能否安全疏散，为男女混住宿舍的安全消防管理策略制定提供依据。

1 实验设置

1.1 模型软件介绍

本文采用FDS(Fire Dynamic Simulator)[5-6]进行模拟，该软件通过设置数据采集点对发生火灾时烟气流动、温度以及CO气体浓度分布等参数进行收集，为人员疏散分析提供基础数据。由FDS用户指南可知，精细的网格划分可使模拟结果更加准确，但对计算机性能的要求也随之提高。权衡模型精度和计算机性能，本研究的宿舍楼尺寸为75 m×19 m×16 m，选取网格为0.25 m×0.25 m×0.25 m，网格数量为1 459 200，模拟运行时间设为800 s。文献[7]指出，公共场合有无喷淋系统，火灾的热释放速率不一致。由于本研究中喷淋系统失效、无机械排烟等火灾防护措施及存在男女分层混住等情况，根据最不利原则选取火源功率为6 MW，宿舍楼发生火灾前期符合t2模型[8]，环境温度设为20 ℃，墙体材质设定为绝缘材料，不传热。

Pathfinder软件是以人物为基础的模拟器，用于模拟人员疏散运动，有Steering和SFPE两种运动模式，综合考虑人员收到火灾信息时的疏散行为以及建筑结构特点，本文采用Steering模式对人员疏散进行仿真研究。

1.2 火灾场景设置

以某高校男女混合宿舍楼为研究对象进行模拟仿真，该宿舍楼走廊呈一字形，Z字形楼梯，耐火等级为二级，宿舍楼共5层，每层布局大致相同，每层都设有两个防火门，整栋楼共有198间寝室，每间寝室可住3人，房间参数为3.57 m×8.50 m×3.00 m。一楼有38间寝室，可居住114人，并设有两位宿舍管理人员，2楼至5楼每层有40间寝室，每层住120人。由于该楼层具有特殊性，分隔层设有铁制门，开放时间为06:20—23:10，该宿舍楼设有两个楼梯间，平时a，b楼梯男女都能使用，为方便管理，a，b楼梯出口在夜间(23:10-06:20)为锁死状态。楼梯参数为1.5 m×0.3 m×0.2 m，走廊宽度为2.0 m，大门净宽3.6 m，其余疏散门净宽为1.5 m。图1为宿舍楼平面图。

图1 宿舍楼平面图Fig.1 Floor plan of the dormitory building

现实中宿舍楼起火位置具有随机性、不确定性，为更好与真实情况吻合，为宿舍消防安全管理、人员疏散提供依据，根据最不利原则，假设火灾发生在夜晚且宿舍楼窗户都打开，只有感烟探测器、灭火器以及消防广播等常见的消防设备。本文设置同一火源功率下7个工况：1楼右侧寝室内；2楼中部寝室内；3楼中部寝室内；4楼中部寝室内；5楼左侧走廊；3楼中部走廊；4楼左侧走廊。发生火灾后对人疏散构成威胁的主要有温度、CO浓度和能见度，考虑到宿舍人群疏散时行为，在每层两楼梯口处布置温度测点、CO测点和能见度测点，设置的测点高度分别为2.0，1.6，1.6 m，分析不同工况下各楼梯口温度、CO体积分数以及能见度的分布规律。由于本文模拟时间在达到500 s前出现一定的规律，故选取0～500 s进行分析。表1为火灾工况设计表。

表1 火灾工况设计表Table 1 Design of fire condition

2 宿舍楼烟气扩散模拟分析

2.1 火灾危险情况设定

火灾发生后，会产生大量的高温、有毒有害气体以及释放大量的黑色烟雾，从而影响人员疏散。当高2 m处的温度超过60 ℃时，烟气产生的辐射热会影响人员安全[9]。文献[10]指出，火灾烟雾的各种有毒有害气体中，CO造成人员死亡率高达70%，可见CO会严重影响人员生命安全。文献[11]指出，为保证人员能安全疏散，CO的体积分数必须小于5×10-4。当能见度低于某值时会延长人员疏散时间。澳大利亚《消防工程师指南》指出，小空间环境能见度的危险临界值是5 m[12]。因此，将温度低于60 ℃，CO体积分数低于 5×10-4和能见度低于 5 m 作为本文的安全判据。

2.2 火灾扩散模拟分析

人员能否安全疏散主要取决于走廊与楼梯的温度、CO浓度和能见度达到临界值的时间。由于走廊和楼梯间长度与人员数量的关系，疏散时在走廊停滞时间远低于在楼梯所用的时间，故不考虑疏散时走廊温度、CO浓度和能见度对人员造成的影响。为了分析对比，选择不同火源位置发生火灾后各楼层楼梯口的温度、CO浓度和能见度达到安全判据的时间并以各工况下a，b楼梯最不利的情况下进行分析，为男生女生分层混住宿舍火灾防护提供基础性数据。本文仅对A2工况作图分析说明，其余工况列表进行说明。

2.2.1 温度分析

从图2 所示A2工况温度变化曲线图可以看出，除一楼为环境温度外，其余楼层的温度都呈上升趋势，温度上升程度5楼<4楼<3楼<2楼。图2(a)显示，由于2楼是着火层，随着火灾的发展，烟气不断涌向走廊通道，使得a，b楼梯口达到60 ℃后温度上升的速度十分明显，在304 s时达到温度200 ℃后便趋于稳定状态。又因a楼梯靠近火源，在189 s时温度达到危险值，而b楼梯口在204 s时达到危险值。随时间的延长，热烟气通过楼梯间向上蔓延，图2(b)显示，3楼两楼梯口烟气产生的温度相隔时间很短，可以看作同一时刻达到危险温度，即在217 s时达到危险值。从图2(c)可以看出，a楼梯口局部温度在253 s时达到60 ℃ 后温度变化较稳定，而b楼梯始终在危险值下，这是因为窗户打开状态烟气随之排出，导致4楼b楼梯的温度上升慢。从图2(d)可以看出，火源产生的烟气在蔓延过程中沿着垂直方向和水平方向运动时与墙体和冷空气发生了相互作用，导致热量损失，使得5楼温度上升较为缓慢并逐渐趋于稳定，未达到危险值。

图2 A2工况温度变化曲线图Fig.2 Temperature change curve of A2 working condition

2.2.2 CO体积分数分析

从图3所示的A2工况CO体积分数变化曲线可得到，打开的窗户使得产生的烟气随窗户往外排出，图3(a)中2楼a楼梯口的CO浓度在218 s时达到危险指标，而二楼b楼梯的CO浓度在模拟时间500 s内未达到危险指标，因而该时间段b楼梯的CO不会影响人员疏散。烟气通过楼梯间向上蔓延，从图3(b)可以看出，CO浓度上升并逐渐趋于稳定并在220 s时达到危险指标，使得楼梯口的疏散人员处于危险状态。烟气蔓延过程中，热驱动力受温度影响。从该工况温度变化曲线可知，4楼、5楼的热驱动力较差，从图3(c)可以看出4楼a楼梯的CO体积分数在250 s时局部达到危险指标，一定时间内人员疏散不会受到威胁，而5楼区域的CO浓度低于危险值，CO对人员疏散不会造成影响。

图3 A2工况CO体积分数变化曲线图Fig.3 Change curve of CO volume fraction of A2 working condition

2.2.3 能见度分析

从图4所示的A2工况能见度变化曲线图可以看出，火灾发生后能见度变化规律几乎一致，着火层能见度达到临界值时间早。图4(a)中二楼b楼梯口能见度最早达到5 m的时间为47 s，这是因为往b楼梯口方向的过道无阻塞物，烟雾运动时阻力小，进入楼梯口的烟气也很快。由于窗户为打开状态，a楼梯口的能见度在危险值下波动，在155 s时低于5 m。烟气通过楼梯间向上运动，能见度达到危险值的时间随楼层的增加而增加，但位于高处人员疏散的危险性却越大。图4(b)、图4(c)和图4(d)显示各楼层能见度低于5 m的时间分别是92，122，162 s。

图4 A2工况测点能见度变化曲线图Fig.4 Visibility change curve of measuring points under A2 working condition

2.3 火灾模拟结果分析

从表2可以看出，走廊发生火灾时，即A4，A6和A7工况下烟气在走廊顶棚迅速积聚并向走廊两侧蔓延，通过楼梯门进入楼梯间迅速往上层蔓延，而窗户处于打开状态，在寝室内发生火灾后，产生的烟气会随窗户排出，致使各层楼梯口的能见度、温度、CO浓度等达到安全临界值的时间明显大于寝室内部。通过对比各工况下达到安全临界值的时间表明：火灾危险性程度走廊大于寝室内部，能见度、温度、CO对人员疏散的影响依次降低。表2是不同工况下各楼层楼梯口温度、CO浓度以及能见度安全临界值时间判据信息汇总表。

表2 不同工况下各楼层楼梯口温度、CO浓度以及能见度安全临界值时间判据信息汇总表Table 2 Summary of safety threshold time criterion information of stairway entrance temperature, CO concentration and visibility of each floor underdifferent working conditions s

3 宿舍楼人员疏散模拟分析

3.1 人员疏散场景设置

在以FDS建模的基础上运用Pathfinder对男女混住宿舍的人员进行疏散模拟，本文中所住的都是成年人，依据《中国成年人人体尺寸》[13]，将男生、女生的肩宽分别取50 cm和45 cm，男生、女生的身高分别取170 cm和160 cm。文献 [14-16]指出，发生火灾后男女的反应时间、选择疏散路径行为、疏散速度等存在差异。因此，本文在Pathfinder中将男生、女生疏散速度分别设为1.5 m/s和1.3 m/s。现实生活中，由于疏散人员的冒险、求生心理，尽管某疏散楼梯达到危险值时也会选择该楼梯逃生，为了与现实生活中的人员疏散行为接近，再考虑到感烟探测器的灵敏度高、宿舍人员有较高的消防意识以及对宿舍周围环境熟悉程度高，本文将各工况下温度达到安全临界点的时间作为可用安全疏散时间，设置各工况下各层楼梯的使用情况以及男女相应的反应等待时间。疏散效率受疏散人数、疏散标志及其颜色和高度、疏散时个体行为(如从众、领导)以及楼道阻塞情况影响[17]。文献[18]指出，门的宽度以及门的数量会影响疏散时间。本文中除大门设置宽度为 3.6 m，其余疏散门宽度设为1.5 m。当宿舍管理人员接到消防警报后在值班室通过安装的智能设备立即将铁制门以及各应急疏散门打开，打开该铁制门和各疏散门的时间较短因而忽略不计，疏散过程中各疏散门都为打开状态。根据最不利原则，假设发生火灾时间为晚上且全部人员都在宿舍，宿舍人员都处于清醒状态。本文以case1(第四至第五楼层住女生)、case2(第三至第五楼住女生)、case3(第一至第二楼住女生)以及case4(第一至第三楼住女生)进行人员疏散对比分析。

3.2 人员疏散结果分析

在收到消防广播通知或闻到异味或看见烟气时，人员便会离开火灾场所进行疏散，而人员能否安全疏散主要由两个时间决定，即可用安全疏散时间(taset)和必需安全疏散时间(trset)。必需安全疏散时间由火灾报警时间t1、疏散准备时间t2以及疏散时间t3组成，即trset=t1+t2+t3，其中trset

图5 A2工况下case1分阶段疏散图Fig.5 Phased evacuation diagram of case 1 under A2 working condition

图6为疏散结果汇总图。从图6可以看出，发生火灾后人员工况A1至A7的可用安全疏散时间(taset)分别为183，204，233，84，231，89，92 s。显然，发生火灾后走廊即A4，A6和A7工况的可用安全疏散时间明显小于寝室即A1，A2，A3和A5工况的可用安全疏散时间。工况A5下case1，case2，case3和case4中必需安全疏散时间都小于可用安全疏散时间，满足人员安全疏散的基本条件taset>trset；工况A1，A2以及A3工况下的case2必需安全疏散时间大于可用安全疏散时间，不满足人员安全疏散的基本条件taset>trset；对于工况A6，A7，不满足人员疏散的基本条件，采用分阶段疏散模式进行疏散后，宿舍人员的生命却不会受到威胁；A4工况下，给予宿舍人员可用安全疏散时间少，可考虑将高层人员往天台进行疏散，case1，case2，case3和case4明显缩短了疏散时间。trset/taset表示可用安全疏散时间利用率，trset/taset<1，则说明人员能安全疏散。通过分析case1，case2与case3，case4的值，对比其可用安全时间利用率，女生居住在高层且人数较多时会延长疏散时间，使疏散人员处于不利地位。结合男女疏散时行为、建筑物结构特点和可用安全疏散时间利用率，case3(第一至第二楼层住女生)疏散效果较为理想。笔者建议学校将第一楼层、第二楼层安排女生寝室，在疏散过程中可将天台作为疏散地，合理利用出口，提高疏散成功率。

图6 疏散结果汇总图Fig.6 Summary of evacuation results

4 结论

利用FDS和Pathfinder仿真模拟软件对高校宿舍火灾场景进行模拟分析，得出以下结论：当宿舍的寝室窗户处于打开状态，同一楼层走廊和寝室发生火灾后，走廊疏散的安全性小于寝室疏散的安全性，走廊可用安全疏散逃生的时间短，如火源位于走廊的A4，A6，A7工况下可用安全时间都在100 s内，同一楼层走廊和寝室可用安全疏散时间相差最大为149 s。对于火源位于较高楼层的A6，A7工况下发生火灾时，采用分阶段优先疏散该两楼层的人员，其余楼层的人员再进行疏散，不会对疏散人员造成伤害。

从保障人员的生命和财产安全出发，针对男女混合宿舍楼发生火灾，提出以下几点建议：(1)结合可用安全疏散时间利用率、男女疏散行为以及建筑物结构特点，将第一楼层、第二楼层设为女生寝室更利于人员的疏散和管理。疏散过程中指挥员应根据火灾发展情况，实时调整疏散策略(如有序分阶段疏散、使用辅助疏散楼梯、将天台作为位于高层人员疏散出口、对人群疏散进行分流等)，优化各楼层疏散流量，将损失降到最低。(2)烟气是阻碍人员疏散的主要因素，安装智能防火门以及将宿舍寝室全部窗户打开，可使楼层各个区域的能见度提高、温度和CO浓度缓慢下降，提高疏散成功率。(3)学校应结合建筑物的特点建立一套宿舍用电干预体系以及合理安排人员居住，并组织相关人员完善宿舍楼的消防设施，定期进行维护与更新；学校在安全隐患排查、开展消防教育知识培训、消防演练的同时，要培养疏散时男女之间的合作精神以及指挥人员安抚疏散人员心理和行为上的能力等。