基于FDS的体育馆消防设计安全性仿真模拟验证分析

陈 晨，郭 耸

(1.江苏航空职业技术学院 航空飞行学院，江苏 镇江 212134；2.南京理工大学 安全工程系，江苏 南京 210094)

0 引言

体育馆属于大型建筑，由于其结构体系及使用功能的特殊性，消防设计中常常将比赛大厅、观众区等划分成一个防火分区，这种划分方式则会导致防火分区面积超过《建筑设计防火规范》中的标准要求[1-2]。本文研究的建筑对象其建筑防火分区面积超过了规范要求，但根据规范要求对于此类建筑的防火分区面积可适当放宽，放宽后其消防安全性能否得到保证，则需要通过性能化设计的方法进行论证。为佐证其火灾安全性，选取该区域作为研究对象，研究同类情况下的危险区域的火灾危险性。通过设置不同的火灾场景，模拟分析计算研判人员在火灾条件下的安全性是否满足要求。

1 工程概况及消防设计存在的问题

1.1 工程概况

某体育馆建筑面积约12万m2，建筑主体采用钢筋砼构架体系，顶棚采用钢网架体系。钢结构屋顶最高点标高为32.50 m，大空间结构跨度77.10 m，混凝土固定看台采用框架结构，在3.400～16.510 m之间设置；屋面钢结构采用空间桁架与网架混合体系。

体育馆建筑首层为场地层(+0.000层)，功能主要包括竞赛场地、竞赛功能用房。中心为57m×40m的比赛场地，各种附属用房布置在比赛场地周围。二层(5.400层)为观众入口层。观众服务及附属用房分布在观众看台的下部，其余均作为观众集散及交通联系空间使用。夹层(9.600层)为声控室、灯控室、计时记分控制机房等。整个建筑耐火等级为二级，设计使用年限为50年。

该体育馆由于结构体系及使用功能的特殊性，比赛大厅、观众区等划分成一个防火分区，面积约7 100 m2。由《建筑设计防火规范》可知，当建筑耐火等级为一、二级时，且设置自动灭火系统时，防火分区最大允许面积为5 000 m2。本建筑防火分区面积超过了这一规定，但是《规范》中又有说明：“体育馆、剧院的观众厅，展览建筑的展厅，其防火分区最大允许面积建筑面积可适当放宽”。

本建筑防火分区面积扩大至约7 100 m2，其消防安全性能否得到保证，需要通过性能化设计的方法进行论证。

2 危险源辨识与火灾场景设定

2.1 危险源辨识

危险源辨识是对辨识对象中存在的火灾风险进行辨识，是风险评估与控制的基础。通过对国内已经建好的类似体育馆实地现场调查、参考设计图纸、文献调研和火灾事故案例对研究对象存在的危险源进行辨识，分析可能导致火灾事故的缺陷和隐患，为火灾场景的设定提供依据[3-5]。

依据设计方提供的资料，并对国内类似游泳馆进行了现场调研，得知该馆危险源存在场所如下：管理办公场所(管委会、组委会、办公、数据处理)、机房(空调机房、网络机房)、变配电室、休息室(运动员休息室、更衣室、记者休息室、贵宾休息室、裁判休息室、观众休息厅)、库房、会议场所(会议室、新闻发布中心)、控制室(灯光、音响、显示屏、安防、消防控制室)、活动座椅区。根据调研结果，得到体育馆中各典型场所可燃物分布，结果如表1所示。

2.2 火灾场景的设定

为佐证该体育馆火灾安全性，本文设置不同的火灾场景，分析研究发生火灾时人员可用安全疏散时间ASET(available safe egress time)。本文针对防火分区面积超规问题，分别在观众座椅区和首层赛场中心部位设置了3个火灾场景，以考察该位置发生火灾时，建筑内火灾及烟气蔓延规律，同时分析人员逃生的可能性，结果如表2所示。

表2 火灾场景

2.2.1 火灾场景F-1

火灾场景F-1设定活动座椅区着火，模拟中的具体参数设定如表3所示。

表3 场景F-1模拟计算参数

2.2.2 火灾场景F-2

火灾场景F-2设定活动座椅区着火，模拟中的具体参数设定如表4所示。

表4 场景F-2模拟计算参数

2.2.3 火灾场景F-3

火灾场景F-3设定比赛大厅中央着火，模拟中的具体参数设定如表5所示。

表5 场景F-3模拟计算参数

3 消防设计安全验证定量模拟分析

3.1 物理模型建立

场模拟方法优点在于模拟结果较为准确，网格是FDS模拟的重要参数，网格的大小决定了模拟结果的精度。FDS在模拟计算时对网格内的温度、压力、速度和化学成分等参数进行分析。原则上网格划分的越细，计算精度越高，但计算机的运算量则大大增加，因此研究者需要在模型精度和计算时间之间取平衡点[6-8]。

3.2 探测点位置设定

为尽可能得出准确合理的模拟结果，科学合理的探测点的设置至关重要，通过调研、论证及预测分析，将活动座椅区火灾场景F-1～F-3位置及钢结构顶棚热烟气温度测点位置设定，如图1。

图1 火灾场景位置及烟气温度测点位置

3.3 定量模拟结果分析

3.3.1 火灾场景F-1

运用火灾动力学软件FDS根据火灾场景F-1设定的物理参数进行数值模拟，模拟得到火场横向截面和纵向截面温度分布以及横向截面和纵向截面能见度分布，具体情况见表6与表7。

表6 F-1纵向截面与横向截面温度分布

表7 F-1纵向截面与横向截面能见度分布

由表6可以看出，火灾发生后对应防火分区在着火后1 200 s内，整个体育馆内的热烟气温度均没有超过60 ℃，顶棚最高处温度约为40 ℃，这说明热烟气不会对人造成影响。该防火分区的安全出口测点的温度测量结果在模拟1 200 s内均未达到危险值。

火灾发生后，烟气开始向顶部蔓延，随后开始沉降、蓄积，在整个模拟的1200s内，整个空间内能见度都大于10 m。由表7可知，各测点的能见度测量值一直是30 m左右。钢结构所处的热烟气温度最高不超过40 ℃，这对钢结构顶棚不会造成危害。综上所述，该场景可用安全疏散时间(ASET)大于1 200 s。

3.2.2 火灾场景F-2

运用火灾动力学软件FDS根据火灾场景F-2设定的物理参数进行数值模拟，模拟得到火场横向截面和纵向截面温度分布以及横向截面和纵向截面能见度分布，具体情况见表8与表9。

表8 F-2纵向截面与横向截面温度分布

表9 F-2纵向截面与横向截面能见度分布

由表8可以看出，火灾发生后对应防火分区在着火后1 200 s内，整个体育馆内的热烟气温度均没有超过60 ℃，最高温度出现在顶棚处，约为55 ℃，这说明热烟气不会对人体造成影响，各个测点的温度测量结果在模拟1 200 s内均未达到危险值。火灾发生后，烟气开始向顶部蔓延，随后开始沉降、蓄积，在整个模拟的1 200 s内，整个空间内能见度都大于10 m。表9中数据显示各测点的能见度测量值一直是30 m左右。综上所述，该场景可用安全疏散时间(ASET)大于1 200 s。

3.2.3 火灾场景F-3

运用火灾动力学软件FDS根据火灾场景F-3设定的物理参数进行数值模拟，模拟得到火场横向截面和纵向截面温度分布以及横向截面和纵向截面能见度分布，具体情况见表10与表11。

表10 F-3纵向截面与横向截面温度分布

表11 F-3纵向截面与横向截面能见度分布

由表10模拟数据可以看出，由于火源功率较大，加之排烟系统和自动灭火系统失效，该场景相对于火灾设定场景1和2来说其空间内热烟气温度高很多，其顶棚热烟温度达到了160 ℃。火灾发生后，烟气开始向顶部蔓延，随后开始沉降、蓄积，在整个模拟的1 200 s内，整个空间内能见度都大于10 m。表11数据显示了各测点的能见度测量值都没达到危险临界值。综上所述，该场景可用安全疏散时间(ASET)大于918 s。

4 结论

针对该项目消防设计存在的问题，从安全需求出发，运用消防工程相关原理与火灾动力学模拟手段，通过设立不同的火灾场景来验证消防设计的安全可靠性，根据模拟分析结果，得出以下结论和建议。

(1)由于该体育馆为高大空间结构，其高大的顶棚提供了较长的烟气蓄积时间，从而使得其烟气层在短时间内难以下降至危险高度，提供了充分的人员逃生时间。经模拟计算发现，体育馆的人员可以在有效时间内疏散至安全区域，火灾产生的烟气和热量不会对人员产生致命影响，因此，其安全性是有保证的。

(2)经模拟计算分析，该体育馆第一防火分区虽然面积较大，但通过分析论证，其火灾蔓延和烟气蔓延均可以得到有效控制，人员可以安全疏散，该建筑的消防安全性是可以得到有效保证。

(3)建筑投入使用后应加强对安全区域的消防安全控制，建立能有效满足需求的消防器材库，能够制定落实消防安全管理措施。