基于火灾烟气累积伤害的人员疏散研究

李梅杰 崔 辉,2 副教授 纪荷怡

(1.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大学 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201)

0 引言

火灾发生发展过程中，烟气会对人员造成瞬时或永久的伤害,是造成人员伤亡的主要因素[1-2]。火灾烟气对人员的伤害主要包括烟气中有毒物质的毒性伤害、高温烟气的灼伤及烟气中颗粒物聚集造成的人员能见度降低。一般选用有毒烟气浓度、烟气温度以及能见度这3个判据分别达到人体耐受极限的最早时间，作为可用安全疏散时间(Available Safety Egress Time，ASET)。建筑物内所有人员离开建筑物所需的时间为必需安全疏散时间(Required Safety Egress Time，RSET)。传统意义上认为可用安全疏散时间大于必需安全疏散时间时，建筑物内人员可安全疏散。在火灾环境中，3个判据并非独立发生作用，而是互相影响的。火灾烟气的毒性和高温在火灾发展过程中对人员造成的伤害会随着暴露时间的增加持续累积，在伤害累积的过程中，人员行动迟缓停滞，进而丧失逃生能力(失能)，最终导致死亡。烟气的遮光性会使能见度降低，影响人员在疏散过程中的视野、速度等，导致在火灾烟气的毒性和高温中暴露时间更长，相应的暴露累积伤害效应更强。但在火灾毒性烟气和高温未到达对人体造成伤害的阈值时，无法说明人员在火灾烟气中受到的伤害，基于此，本文拟引入新的火灾疏散判据，以更加科学准确地说明人员受到的火灾烟气伤害，判断是否可安全疏散。

1 能见度对安全疏散的影响

可燃物在燃烧过程中会产生大量的固体颗粒、液相物质及有毒气体，称为火灾烟气。由于烟气中的固体颗粒对光具有遮蔽作用，因此烟气浓度与区域内的能见度成反比。人在烟气中的能见距离是能否看到疏散标志及安全疏散路线的关键因素，直接影响到人员的疏散时间与疏散成功率。不同建筑空间对疏散要求的能见度不同，一般情况下，小空间疏散能见度要求为5m，大空间要求为10m。

当区域能见度小于疏散要求能见度时，认为能见度不良。疏散过程中，能见度不良降低疏散人员的视野，对疏散人员的心理和生理产生不利影响[3]。心理上扩大人员在火灾环境中的恐慌，影响人员对火灾环境的判断，难以识别安全疏散标识，影响人员对疏散路径的选择[4]；生理上会影响疏散人员的速度，增加疏散人员在火灾环境的暴露时间。陌生环境会加剧不良能见度对安全疏散的影响。在人员相对熟悉的环境中，例如学生宿舍、家庭住宅、工作单位等，人员较熟悉建筑结构以及安全疏散路线，能见度对疏散人员的影响会有所降低。

2 基于FED的人员伤害模型

传统烟气毒性判据是使用一氧化碳浓度阈值，但大量实验证明火灾烟气中多种毒性成分相互作用是人员中毒和死亡的主要原因。《火灾中危及生命的部件》(ISO 13571：2012)提出对火灾烟气中危及生命的成分进行监测，并在疏散过程中评估人员受到的烟气伤害，可以估算人员丧失行为能力的时间[5]。目前，已经有专家和学者开始对火灾烟气伤害进行定量评估，火灾烟气危害的定量评价模型中，N-GAS模型适用于毒性气体组分恒定的情况[6]，火灾烟气危害性定量评价(Toxicity，Heat and Visibility Comprehensive Harmfulness，THVCH)模型综合考虑烟气毒性、遮光性及高温等有害因素[7]，有效剂量分数(Fractional Effective Dose，FED)模型研究人员在窒息性气体浓度不断变化的火灾环境中受到的烟气毒性累积伤害。建筑物火灾疏散过程中，虽然只能按照既定路线进行安全疏散，但人员的位置是动态变化的。烟气在建筑物疏散通道蔓延后，烟气温度会有所下降，人员致死原因主要是吸入大量毒害气体。在考虑能见度变化时，FED模型能更好地分析火灾烟气毒性对人员的伤害[8]。

有效剂量分数FED是指将各种有毒气体在时间上的累积伤害与造成某种致害效果所需毒性累积作用的比值，将其作为评价判定依据，反映毒性气体对人员的伤害程度[9-10]。火灾疏散过程中，当某个时刻人员受到烟气的毒性累积伤害作用与造成人员失能所需要的毒性累积作用相等时，即FED≥1时，人员失去移动能力，表明个体疏散失败[11]。

FED的表达式如下：

(1)

式中：

Ci—第i种气体的浓度，mg/m3；

t—暴露时间，s；

LC50(i)—第i种气体半致死浓度，mg/m3。

火灾烟气产物中含有多种毒性气体，有一部分毒性气体的含量无法测得，例如氰化氢，因此火灾产物的毒性伤害作用可以用主要毒性气体的累积伤害表示。一氧化碳已被证实是影响安全疏散和火灾致死的主要原因[1]，二氧化碳在一定体积分数时也会对人员造成伤害，但二氧化碳的直接伤害作用不会先于一氧化碳的中毒效应发生，本文考虑火灾环境中二氧化碳刺激人员过度换气的作用和低氧环境对人员造成生理伤害[12]。

火灾烟气毒性累积伤害FED计算式如下：

FEDtot=FEDCO×VCO2+FEDO2

(2)

式中：

FEDtot—个体受到毒害气体的累积伤害；

FEDCO—个体受到一氧化碳的毒性累积伤害；

VCO2—二氧化碳刺激呼吸因子系数；

FEDO2—个体在低氧环境中的累积伤害。

通过火灾模拟软件和疏散软件的耦合，导入火灾烟气数据到疏散软件中，利用FED模型可以观察个体在不同时刻和不同疏散路径受到的烟气毒性累积伤害，还可以观察在采用不同消防方案时，同一疏散人员的FED值变化，为疏散安全设计提供指导。相比仅利用单一一氧化碳体积分数对人员的伤害代表火灾毒性烟气对人员的伤害，FED模型更加具体。可以对FED进行更进一步的研究，对人员的安全疏散有指导意义。

3 模型应用

本文研究对象为某高校男生宿舍楼，该宿舍楼一共有7层，层高为3.7m。每层有6个宿舍，每个宿舍构造相同，宿舍内的可燃物大致相同。该宿舍楼无火灾报警系统，无排烟系统和自动喷淋系统。楼层之间只有楼梯连接，楼梯位于宿舍楼中部，仅有一个安全出口。利用火灾模拟软件建立长20.8m、宽15.2m的宿舍模型图，如图1。

(a)外部整体侧视图

3.1 基于FDS的宿舍楼火灾数值模拟

利用FDS开展全尺寸宿舍火灾数值模拟，可以观察宿舍楼安全通道内的火灾烟气数据变化[13]。依据最不利原则，设置模拟情景为晚上，学生都在宿舍内，火灾发生在一楼楼梯左边第一个宿舍内，火源功率为4MW。该宿舍楼仅能通过楼梯进行安全疏散，因此在每层楼梯内设置探测设备，记录疏散通道内的能见度、温度、一氧化碳体积分数、二氧化碳体积分数在火灾发展过程中的变化。各监测设备距每层地面高度为1.7m。

设定火灾模拟时间为310s。火灾发展过程中，安全疏散楼梯内烟气数据变化，如图2。火灾发生50s时，火灾烟气蔓延到2楼，2楼楼梯间一氧化碳体积分数和二氧化碳体积分数快速升高，能见度开始下降，温度升高；在200s时，火灾烟气蔓延到6楼，烟囱效应加剧楼梯间火灾烟气的蔓延。在整个火灾模拟过程中，一氧化碳体积分数最大值为200×10-6，二氧化碳体积分数最大值为3 000×10-6，温度最高为26℃，此时一氧化碳体积分数和温度都未达到伤害阈值。但2、3、4层楼梯通道内火灾烟气累积，能见度均降到5m以下，能见度不良对人员安全疏散造成不利影响，但根据传统的安全疏散判据，一氧化碳体积分数和烟气温度未达到人员伤害阈值，无法说明人员受到的火灾烟气伤害。

(a)一氧化碳体积分数

3.2 能见度影响下宿舍楼人员疏散研究

发生火灾时宿舍内共有252人，每层36人，利用疏散软件Pathfinder使人员在各楼层随机分布。人员的必需疏散时间由火灾预警时间talarm、人员反应时间tpre、人员疏散运动时间tmove组成。必需安全疏散时间公式如下：

REST=talarm+tpre+tmove

(3)

设定火灾预警时间和人员反应时间共30s。

必需安全疏散时间的传统算法不考虑火灾烟气对速度的影响，但在真实的火灾环境中，火灾烟气会造成疏散人员速度衰减[14]。其中能见度下降会导致疏散人员视野受限，直接影响疏散人员的速度，能见度对疏散人员速度影响的函数如下[15]：

V=V0+max(1,min(0.2,-0324×(3-VIS)))

(4)

式中：

V0—人员初始速度,m/s；

VIS—区域内的能见度,m；

V—考虑能见度影响下人员在该区域内的速度,m/s。

为获得更真实的火灾疏散数据，需要考虑火灾烟气对疏散人员的影响。根据火灾烟气影响下不同区域能见度变化，在疏散过程中对不同区域进行速度衰减。设置2种疏散模拟情景，情景1为不考虑能见度对疏散人员的影响，疏散过程中疏散速度一定；情景2是随着能见度下降，疏散人员速度也相应衰减。其中，Door01为宿舍楼安全疏散出口，Stair1、Stair2、Stair3为部分安全疏散楼梯。

情景1疏散时间为267s，情景2疏散时间为301.8s，如图3。对比2种疏散情景结果，得到如下结论。

(a)情景1

(1)从图3可以看出，2种疏散情景下，各区域出口人员流量整体变化趋势相似，另因安全出口Door01在1楼，火灾发展初期，2种情景下该出口开始有疏散人员通过的时间大致相同。随着火灾烟气在楼梯间的蔓延，楼梯间能见度降低，人员的通过速度随着降低，故情景2中疏散人员经过相同区域的时间相对情景1存在延迟，同一时间经过各个区域的人员数量均小于情景1。

(2)在疏散过程中，考虑火灾环境中的能见度变化，情景2所用的疏散时间明显大于情景1，这说明火灾烟气对人员安全疏散的影响不可忽视。因此，后续应开展火灾烟气对人员疏散影响的研究，有利于获得更科学的必需安全疏散时间。

3.3 能见度不良条件下基于FED的安全疏散研究

该学生宿舍楼仅能通过一个楼梯进行安全疏散。通过上文火灾模拟可知，在火灾发展到RSET时，楼梯内有毒烟气体积分数、烟气温度均未达到伤害阈值，但能见度下降到5m以下。难以判断人员在疏散过程中受到的烟气伤害，此时需要补充新的安全疏散判据定量分析人员受到的火灾烟气累积伤害，利用火灾烟气累积伤害模型计算人员烟气累积伤害，观察人员受到的伤害是否危及生命，从而判断人员是否能成功疏散。通过火灾模拟获得烟气数据，与Pathfinder模拟的疏散个体的时空数据相耦合，可输出疏散个体在疏散过程中吸入毒性气体后受到的毒性累积伤害效应，即计算FEDToxic值。

基于设定的疏散模拟情景，选取位于7层宿舍安全疏散距离较长的6名人员，得到烟气累积伤害，如图4。

从图4可知，在疏散结束时，情景1疏散人员FED值均小于情景2，在能见度的影响下，情景2疏散人员在火灾环境中暴露的时间更长。在相同的时刻，相同人员的FED值情景2小于情景1，这是由于在能见度下降的作用下，情景2人员的疏散速度衰减，同一时刻情景1的疏散人员已经进入距离火源更近的区域。在2种疏散情景中，由于个体差异，疏散人员受到的烟气累积伤害不同，但每个人员的FED值均小于0.012。当FED≥1时，疏散人员会发生失能行为；FED≥0.3时，认为人员处于危险状态。6名距离安全出口最远人员火灾烟气毒性累计伤害在安全区间内，表明人员在疏散过程中未受到明显伤害，因此可以认为在能见度不良条件下，该宿舍楼所有人员仍能安全疏散。

(a)情景1

4 结论

(1)相较传统的安全疏散判据，本文引入烟气毒性累积伤害模型，在定量计算疏散人员在火灾环境中受到烟气累积伤害的同时，更全面地考虑火灾烟气毒性伤害。同时，传统的火灾安全疏散判据依然对安全疏散具有指导意义，从侧面说明该判据的科学性。

(2)火灾环境中，烟气产物会对能见度造成不利影响，能见度下降会造成疏散人员的移动速度衰减。因此，为获得更加真实客观的人员疏散数据，需要在人员安全疏散时考虑火灾烟气产物对疏散的影响。

(3)在毒性烟气体积分数、烟气温度未达到伤害阈值时，在不良能见度的火灾环境中，利用烟气毒性累积伤害模型定量计算人员受到的火灾烟气毒性伤害，此时火灾毒性烟气未对人员造成明显伤害。