历史建筑性能化防火设计分析

【摘    要】：为提升历史建筑的消防安全水平，以实际工程为例，利用性能化防火设计方法，对火灾场景下人员疏散和火灾烟气流动模拟数据进行量化分析计算，找出影响人员疏散效率的不利因素，提出具有针对性的优化策略。

【关键词】：历史建筑；防火；人员疏散；烟气流动

【中图分类号】：TU998.1【文献标志码】：C【文章编号】：1008-3197（2023）01-70-05

【DOI编码】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.01.020

Study of Performance-based Fire Safety Design of Historic Building

LI Na

（Taiyuan University of Technology Architectural Design and Research Institute Co. Ltd.， Taiyuan 030024， China）

【Abstract】：In order to promote the fire safety level of historic building， the paper analyses and calculates the simulation data of safe evacuation and smoke movement under the fire scenario which reveals the negative factor of safety evacuation efficiency， then raises the targeted optimization strategy， using the method of performance-based fire safety design and combining fire-fighting system of a reconstructed and updatedtrain station project.

【Key words】：historic building； fire safety； personnel evacuation； smoke movement

許多作为城市地标性历史建筑的老火车站候车厅因使用功能和平面结构的限制，无法按现行消防规范划分防火分区、布置安全出口。候车厅的空间特点是挑高高、单层面积大，不同功能区相互连通不易分隔，火灾时烟气蔓延更加迅速；同时候车厅内人员密集且构成复杂，对安全出口位置和逃生路线不了解，易形成拥堵，导致踩踏事故，造成的人员伤亡、财产损失和社会负面影响远高于其他公共场所，因此发生火灾时如何顺利逃生则至关重要。

某火车站始建于20世纪初，20世纪50年代和70年代两次重建，2011年被列入城市历史建筑名录保护使用，其中高架候车厅于1994年建成运营，后经数次建筑使用功能改造及局部改扩建，现有消防设施几乎处于瘫痪状态，无法保证人员安全，需根据现行防火规范结合车站现状使用要求进行全面消防改造。本文通过人员疏散和火灾烟气模拟软件，定量分析人员疏散时间、易拥堵位置、烟气温度、能见度和有害气体浓度之间的关系，探索优化消防改造方案。

1 工程概况

火车站高架候车厅平面布局南北对称，以中央通道和南北侧走道分为5部分，包括中间中央通道及4个候车厅。高架候车厅南北侧各4个安全出口，东侧1个安全出口，西侧2个安全出口，共计11个；进站口东西侧各1个；每个候车厅与中央通道连通门1个，与南北侧走道连通门2个，共计12个。东侧的进站口与安全出口位置重合，西侧的进站口与安全出口位置相近。见图1。

现状防火分区较多，相应防火措施设置较多；而现代交通建筑的特点是内部空间开阔并且大多数为开放性空间，室内的隔断要尽量少；为适应现代交通建筑的特点，将高架候车厅考虑按照1个防火分区进行划分，防火分区面积约为 13 480 m2，大于国家标准的规定，是否会降低建筑的消防安全性能，需要采取哪些技术保证措施来确保建筑的消防安全，需经研究分析确定。

2 性能化防火设计

利用性能化防火设计进行定量分析时，首先应计算该建筑火灾的荷载、类型和最大热释放速率等，确定合理的火灾场景；再利用计算机模拟软件对特定火灾场景下烟气的温度、有毒气体（CO、HCN、CO2等）浓度和能见度等参数进行模拟计算和分析评估，得到人员可用疏散时间TASET，即从火灾发生到火灾发展至威胁人员安全疏散时的时间间隔，主要取决建筑结构及其材料、控火或灭火设备等，与火灾蔓延以及烟气流动密切相关；再根据设定火灾场景设置相应的人员安全疏散场景并利用人员安全疏散模拟软件进行计算，得到人员必需疏散时间TRSET，即人员从火灾发生到疏散至安全区域所需要的时间间隔。若TASET>TRSET，则可认为在设定的火灾场景下，建筑内人员能在火灾影响到生命安全之前全部疏散到安全区域；反之，说明建筑现有的消防设计方案不能满足人员安全疏散的要求，需要调整消防设计方案[1]。通过火灾烟气流动模拟软件Pyrosim和人员疏散模拟软件Pathfinder进行仿真模拟。

2.1 模型的建立

2.1.1 计算网格划分

计算区域网格的划分将直接影响模拟的精度，网格划分越小，模拟计算的精度会越高，需要的计算时间会呈几何级增加；网格划分过大，可缩短计算时间，计算精度却无法保证。在综合考虑经济性与满足工程计算精度的前提下，采用均匀网格划分方法，网格尺寸为0.5 m×0.5 m×0.5 m。

2.1.2 火灾荷载

火灾的增长速度与可燃物的数量、摆放形式、燃烧性质及建筑内是否有自动灭火系统和排烟系统等因素有关。火车站入口有严格的安检措施，高架候车厅区域基本沒有可燃气体和液体，主要是衣物、食品等纤维和塑料制品类。在建筑防火性能化设计中，一般不考虑火灾前期阴燃阶段，仅从火灾有效燃烧后开始。火灾增长系数的值定义了慢速火、中速火、快速火和超快速火4种标准t2火灾（t为火灾增长时间）[2]；候车厅快速火时火灾增长系数取值0.044 kW/m2。火灾热释放速率是指单位时间内火源放出的热量，候车厅在自动灭火系统有效时的火灾热释放速率确定为2.5 MW ，自动灭火系统失效时为8.0 MW[2]。

2.1.3 人员参数

城市内新建的高铁南站已投入运营多年，高铁西站也在规划建设中，该火车站的实际旅客数量远小于按规范计算值；根据火车站运营部门提供的实时数据，现状节假日最高峰人数为4 626人，增加10%安全余量，工作人员占乘客人数的4%，则高架候车厅总人数为5 292人。疏散人员构成按照成年男士∶成年女士∶老人∶儿童 =4∶4∶1∶1的比例设置[3]。

2.1.4 出口

候车厅与室外月台的高差为7.5 m左右且室外疏散门的宽度远大于室外楼梯宽度，因人员的水平疏散速度大于楼梯下行速度，在利用Pathfinder软件计算人员疏散行动时间时，已增加人员通过室外楼梯下至月台的时间。

2.1.5 切片设置

在满足室内最小清晰高度，距离地面2.1 m处设置温度、能见度和CO浓度的切片。

2.2 模拟分析

2.2.1 人员疏散

按照Pathfinder程序设置输入疏散人员数量、疏散速度、人员构成比例和疏散通道或疏散门的有效宽度等相关参数。

火灾发生时间为5 s时，1#～4#候车厅30%的人向中央通道疏散，70%的人直接从南北侧出口疏散；135 s时，30%的人全部疏散至中央通道，东西侧出口人员拥堵，密度云图呈红色，70%的人直接从南北侧出口疏散，密度云图的红色区域小于东西侧出口；205 s时东西侧出口拥堵人员数量增加，密度云图红色区域增大，南北侧出口人员全部疏散至室外通向月台的楼梯，南北侧出口处基本无拥堵现象；430 s时，南北东三侧人员已全部疏散至室外月台安全区域，西侧安全出口仍有部分人员滞留，密度云图的红色区域变小，至588 s时才全部疏散至室外月台安全区域。见图2。

南北侧出口疏散门处拥堵时间150 s，室外楼梯通行时间50～450 s，人员疏散行动总时长450 s；东侧出口疏散门处拥堵时间400 s，室外楼梯通行时间50～580 s，人员疏散行动总时长530 s；西侧出口疏散门处拥堵时间350 s，室外楼梯通行时间0～450 s，人员疏散行动总时长450 s。南北侧出口人流量最大4.5人/s，东侧出口人流量最大6人/s；西侧出口人流量最大6人/s。对比分析东西侧人流密度最大，是南北侧人流密度的1.35倍；东西侧人员疏散行动时长是南北侧的1.18倍；东西侧疏散人员数量是南北侧的50%，东西侧人员疏散行动总时长是南北侧的1.30倍。

由于出口位置及与月台的高差原因，候车厅南北侧疏散总距离大于东西侧，会有部分人员就近从东西侧出口疏散；但因东西侧出口楼梯数量少且宽度不够，大量人员会出现拥堵，增加了疏散时间和形成安全隐患的概率；同时候车人员从东西侧进站口进站，由于对候车厅平面布局不熟悉，火灾时无人员及时疏导，会本能的原路返回；与软件模拟结果相契合。

2.2.2 烟气流动

在进行烟气流动模拟时，首先要根据火车站候车厅的用途，可燃物数量、类型和分布，结合建筑功能布局、空间高度、平面结构、防火分隔和主动消防设施的设置确定合理地设定火灾场景；再利用Pyrosim模拟软件对火灾及烟气蔓延情况进行模拟计算，得到各场景下火灾蔓延及烟气流动状态。

能见度造成的不利影响远大于温度和CO浓度。候车厅最高温度为26.5 ℃，远远小于温度限值60 ℃，最高温度区域为火源正上方，其他区域温度为20 ℃，利于人员疏散；最高CO浓度为15×103 mg/m3，远远小于CO浓度限值500×103 mg/m3；而最低能见度为12.5 m，大于能见度限值10 m，最不利区域为火源正上方、挡烟垂壁和墙壁转角处，其他区域能见度均＞10 m[4]。见图3。

因安全出口靠近墙壁转角，烟气在墙壁转角处下沉形成紊流，能见度局部下降，对人员疏散影响大。

2.3 人员安全疏散判定

结合高架候车厅的平面布局、结构特征、人员流动情况和使用管理要求等基本条件确定疏散场景。疏散场景的设计原则为找出火灾发生后，影响人员安全疏散的最不利情况，提供优化人员疏散方案的参考意见，共设置了3个疏散场景。见图4。

将Pyrosim火灾烟气模拟结果与Pathfinder人员疏散模拟结果进行耦合，不同火灾场景下人员疏散的必须疏散时间TRSET与人员可用疏散时间TASET综合比较分析，判断各区域内人员疏散的安全性。见表1。

3 利于人员疏散的优化策略

3.1 人员安全疏散策略

候车厅区域人员密度大、构成复杂，有火情时，安全值班员应引导人员分别从南侧和北侧的8个出口，有序、快速直接疏散至室外安全区域，不与中央通道的人员发生交叉。南北侧走道的办公区域发生火情后，与北侧走道相连的候车室1和3的连通口关闭，候车室1和3的人分阶段疏散至候车室2和4，再从候车室2和4的南侧4个出口疏散至室外月台；北侧走道的办公区域工作人员从北侧4个出口疏散至室外月台；这种疏散场景的用时最长，但能很好分隔火源区域和安全区域，利于人员安全疏散。

3.2 加强措施

3.2.1 防火隔间

考虑火车站人员構成复杂，会有部分老、弱、病、残、孕人员火情发生时没有能力及时疏散；根据候车厅的平面布局，将两个候车厅连通区域的母婴候车室、休闲候车室及卫生间设置为防火隔间，给这类人员在火灾初期提供一个相对安全的避难区域，在保证其生命安全的同时，进一步采取有效疏散策略。

防火隔间隔墙采用耐火极限不低于2.0 h的不燃烧体，屋顶采用耐火极限1.5 h的不燃烧体，与其他空间进行防火分隔；隔墙上开设门窗时，采用甲级防火门窗，外窗有不小于地面面积 2% 的有效可开启扇。

3.2.2 防火隔离带

防火隔离带可以阻止火灾烟气通过热对流和热辐射等传热形式引燃隔离带对侧可燃物，防止或减缓火灾水平方向蔓延。中央通道设置防火隔离带[5]，防火隔离带内不得设置任何固定可燃物，宽度≮9 ｍ[6]，将防火隔离带与其他区域进行有效区分，采用涂层、不同颜色地砖或内墙上标注等方法对防火隔离带设置明显标志。

3.2.3 防火舱

防火舱将火灾影响限制在局部范围，最大限度地避免危及生命、财产、运营安全的事件发生，以实现大空间开敞布局的需要。将中央通道中的商铺设置为防火舱，每间建筑面积≯50 m2，每个防火舱间距≮8 m，隔墙采用耐火极限不低于2.0 h的不燃烧体，顶部设置耐火极限不低于1.5 h的不燃烧体罩棚。商铺开口部位设置防火卷帘，分两步降落。防火舱设置火灾自动报警系统、自动喷水灭火系统。

3.2.4 防火分隔

南北两端的走道和办公服务用房采用耐火极限 2.0 h 防火隔墙和乙级防火门与走道进行分隔，设备间采用防火墙和甲级防火门与走道进行分隔，增加南北疏散走道的安全性。

3.3 日常管理建议

消防系统和设施是建筑内人员能够在有火情时及时安全疏散的重要保证，日常应加强对自动喷水灭火系统、防排烟系统和火灾自动报警系统等消防设施的维护保养，保证有火情时消防设施能有效发挥作用。运营管理单位应定期对工作人员进行消防安全培训和灭火、疏散演习，提高报火警和灭初起火的能力，提高引导旅客安全疏散、识别和消除火灾隐患的能力；同时制定建筑的整体消防应急预案，定期进行演练、加强管理人员灭火训练和疏散引导演练，保证火灾时人员的有序疏散。

4 结语

本文分析了火车站的火灾特点和危险性，将Pyrosim火灾烟气模拟与Pathfinder人员疏散模拟的数值进行耦合分析，提出在消防设施均有效启动时人员整体疏散策略的安全性；在高峰时段人员密集、分布不均、疏散距离长或部分消防设施失效时，结合分阶段疏散的策略会进一步增加性能化防火设计的可实施性。

参考文献：

[1] 崔    静. 某建筑工程消防安全性能化设计研究[D].天津：天津大学，2010.

[2] GB 51251—2017，建筑防烟排烟系统技术标准[S].

[3] 高    歌. 大型商场火灾人员安全疏散及仿真模拟研究[D].长沙：中南大学，2009.

[4] 李文莉. 大型购物中心烟气运动FDS模拟[J]. 消防科学与技术，2012，31（4）：352-354.

[5] 谢    飞，褚新颖. 谈大型展厅利用防火隔离带划分防火分区[J]. 消防科学与技术，2008，27（6）：406-408.

[6] 王跃琴.防火隔离带宽度及影响因素分析[J]. 消防科学与技术，2017，36（7）：933-936.

收稿日期：2022-05-26

作者简介：李娜（1981 - ）， 女， 高级工程师， 从事暖通空调和消防安全设计工作。