大空间建筑性能化防火设计研究

张振林

（青岛市消防救援支队，山东 青岛 266071）

0 引言

在城市化的进程中，建筑物为居民提供了生活、办公、娱乐和商业的场所[1]。为满足人类日益增长的生活质量需求，具有创新理念和复杂结构跨度的建筑层出不穷，建筑物也向大空间大跨度发展，例如超级商超、大型博物馆、火车站和超大空间图书馆等，这些建筑物中具有人流密集、建筑物高度和体量大、易燃物较多和火灾荷载密度大的特点，当发生火灾时，会严重破坏人类的生活和生产，因此对建筑物的防火设计也提出了更严格的要求[2]。研究大空间建筑性能化防火设计是减少火灾和保障消防安全的必要条件，对降低火灾风险具有重要的作用。

1 工程概况

山东省青岛市某大型商业综合体一期工程位于市中心商业圈，为多层单体建筑，建筑面积为81000 m2，建筑总高度为25 m，是集商业、娱乐、餐饮为一体的大型零售服务中心。建筑共有4 层，首层层高为6 m，主要为服饰、电子数码产品和家用电器产品的商铺，2 层~3 层层高为5 m，主要为服饰、文创零售、游乐场、化妆品、玩具店和小型电影院等商铺；四楼层高为6 m，主要为餐饮商铺，建筑顶棚为玻璃顶棚。建筑防火等级为一级，二楼~四楼距离安全疏散楼梯的距离不超过35 m。

2 大空间建筑的性能化防火设计火灾烟雾流体计算方程

大空间建筑在发生火灾的情况下，物体燃烧释放的烟雾以及热量，其运动形式在统计学特征和运动学特征上遵循湍流流动，认为其流体在任意时刻都符合连续性偏微方程，如公式（1）所示[3]。

式中：ρ为烟雾气体的密度；t为运动时间；x、y、z为空间三维坐标；u为x轴方向的速度分量，v为y轴方向的速度分量，w为z轴方向的速度分量。

烟雾气流湍流的动量方程如公式（2）~公式（4）所示[4]。

式中：μ为烟雾气体在疏散过程中的动力黏度；p为烟雾气体的流体压力；Su、Sv、Sw为动量广义分量。

烟雾气流湍流的组分方程如公式（5）所示。

式中：φs为烟雾化学组分s的体积释放系数；Ds为烟雾化学组分s的扩散系数；Ss为烟雾化学组分s的反应速度。

烟雾气流湍流的能量方程如公式（6）所示[5]。

式中：T为燃烧释放温度；k为烟雾湍流的传热系数；cp为烟雾化学组分s的反映速度。

3 大空间建筑的性能化防火设计火灾荷载密度计算

对研究商场内不同类型商铺的面积进行统计，结果见表1。从表1 中可以看出，商场内服装店的分布数量最多，为457 个；鞋帽店为215 个；分布最少的店铺为书店，3 个。从店铺总面积来看，服装店的店铺面积最大，面积为22498.11m2；其次为餐饮店，面积为17656.60m2；店铺面积最小的为书店，面积为228m2。由此可知，服装店、鞋帽店、餐饮店占据商场的主体，在服装店和鞋帽店内物品主要以羊毛、织物、化纤等材料制成的衣物、鞋子是重要的可燃物和易燃物，当发生火灾时，大量的可燃物延长了火灾时间[6]；在餐饮店中布置桌子、椅子以及桌布等，厨房内还有易燃易爆的天然气，为火灾的发展提供了物质基础[7]。

表1 商场不同店铺类型的面积统计分析

对研究商场内不同类型商铺的火灾荷载密度进行统计，结果见表2。从表2 中可以看出，商场内书店的火灾荷载密度平均值最大，大小为668.70 MJ/m2，其次为服装店，火灾荷载密度平均值为625.52 MJ/m2，首饰店的火灾荷载密度平均值也大于600 MJ/m2，火灾荷载密度平均值最小的为玩具店，大小为336.64 MJ/m2。从火灾荷载密度90%分位值角度看，最大值发生在餐饮店，火灾荷载密度90%分位值为896.65 MJ/m2，其次，大于600 MJ/m2的店铺有服装店、首饰店、化妆品店、鞋帽店、玩具店和书店，灾荷载密度90%分位值最小发生在食品店，大小为444.93 MJ/m2。

表2 商场不同店铺类型的火灾荷载密度统计分析

3 基于火灾发展过程数值模拟的大空间建筑性能化防火设计

为了更好地进行大空间建筑性能化设计，该文通过火灾动态有限元模拟软件FDS 建立分析模型，求解火灾条件下建筑物烟雾温度场和速度场，研究建筑防火设计时人员疏散时间和疏散速度参数随火灾动态发展的基本规律[8]。模拟时，将火灾的燃烧时间设置为600s，火灾增长系数为0.04689kW/s2，火源功率为3MW，火灾荷载密度的取值见表2。按最不利工况考虑，假设的商场火灾发生时为商场周末高峰营业时间，人员在大楼内随机分布，火灾发生位置为首层服饰店起火，同时商场的喷淋灭火系统发生故障，无法提供喷水。

当火灾发生时，商场内各楼层不同时间人员疏散密度模拟计算结果。从图1 中可以看出，在火灾发生初期，商场内各楼层的人员注意到火灾发生，并迅速向疏散通道内移动，其中第一层的人员由于存在许多的安全出口，火灾发生在一楼，注意到火灾发生比较及时且不存在上下楼梯的情况，因此人员疏散密度快速减少，当第二层到第四层的人员发现火灾时存在一定的延时，同时人员疏散需要向楼梯口移动需要一定的时间，因此人员疏散密度相对较慢；当火灾处于上升期时（t=200s），第一层人员基本到达安全出口，第二层到第四层的人员向安全楼梯聚集，同一楼层内的人员分布进一步收缩，在楼梯口的人员密度快速增加；当火灾处于高峰期（t=450s），第一层人员已基本疏散完毕，第二层到第四层的人员基本分布在安全楼梯口，楼层内其他位置已无人员分布，表明人员已进入疏散末尾阶段。

图1 商场内各楼层不同时间人员疏散密度模拟计算结果

同样地，对火灾发生时商场内各楼层不同时间人员疏散速度进行模拟计算，结果如图2 所示。从图2 中可以看出，人员的疏散速度与人员的疏散密度具有明显的相关性。在火灾发生初期（t=20s），由于人员在商场各个楼层内均匀分布，个体之间具有较大的空间，因此人员的疏散速度较大，达到0.85m/s；当火灾处于上升期时（t=200s），第一层人员基本疏散完毕，第二层~第四层人员不断地向楼梯口集聚，导致人员密度迅速增加，个人移动困难，因此人员疏散速度迅速降低，疏散速度约为0.36m/s；在火灾发生高峰期（t=450s），第一层人员已基本疏散完毕，第二层到第四层的人员基本分布在安全楼梯口，疏散速度又略有提升。

图2 商场内各楼层不同时间人员疏散速度模拟计算结果

4 基于火灾发展过程的大空间建筑性能化防火演练结果对比

基于大空间建筑性能化防火设计火灾发展过程数值模拟结果，开展现场火灾演练，现场演练的人员共计1000 人，首层分布500 人，第二层分布200 人，第三层分布200 人，第四层分布100 人，现场演练的人员疏散密度采用高分辨率激光扫描雷达进行连续实时监测，商场内各楼层不同时间人员疏散密度火灾演练结果如图3 和表3 所示。从图3 可以看出，商场不同楼层的人员疏散密度表现为大致相同的变化趋势，但是数值却有明显的差别。总体来说，商场各个楼层的人员疏散密度在时间上具有显著的分段效应，分别为0s~20s、20s~200s、200s~300s 和300s~450s，随着时间的增加，各楼层人员疏散密度先增加后分段变小，在分段时间内，商场各个楼层的人员疏散密度剧烈波动，这是因为在火灾发生条件下，人员表现为惊慌失措，人员的密集程度具有明显的随机性。随着楼层增加，在50s~300s 商场各楼层的人员疏散密度不断增加，在300s 后商场各个楼层的人员基本疏散完毕。

图3 商场内各楼层不同时间人员疏散密度火灾演练结果

表3 商场内各楼层不同时间人员疏散密度变化情况

5 结论

以山东省青岛市某大型商业综合体一期工程为研究对象，在分析性能化防火设计火灾烟雾流体计算方程的基础上，采用数值模拟的手段，对火灾发生时最不利工况的人员疏散密度和疏散速度进行求解，得到以下2 个结论：1）对研究商场内不同类型商铺的火灾荷载密度进行统计表明，商场内书店的火灾荷载密度平均值最大（668.70 MJ/m2），其次为服装店（625.52 MJ/m2），最小为玩具店（336.64 MJ/m2）。火灾荷载密度最大值发生在餐饮店（896.65 MJ/m2），其次，大于600 MJ/m2的店铺有服装店、首饰店、化妆品店、鞋帽店、玩具店和书店，火灾荷载密度最小值发生在食品店，大小为444.93 MJ/m2。2）在火灾的不同发展阶段，人员疏散密度速度明显不同，在初期首层人员疏散较快，火灾上升期上层人员向楼梯口集聚，在火灾高峰期内基本疏散；人员的疏散速度与人员的疏散密度具有明显的相关性，火灾初期疏散速度较大，火灾上升期和高峰期随着人员密度的增加速度有所下降。