基于PyroSim和Pathfinder的商业建筑共用楼梯间安全疏散研究

李晨光

廊坊市消防救援支队，河北 廊坊 065000

0 引言

随着我国经济建设的稳步发展，经济实力明显增强，各种新型、大型建筑不断涌现。而如何在大型活动空间、人员密集场所合理设置疏散通道，有效组织人流，提供科学的安全应急预案，已成为人员疏散研究的热点问题［1-3］。共用安全出口可以解决安全出口数量不足，部分区域疏散距离不满足要求、疏散净宽度不足的问题，《建筑设计防火规范》明确了在满足一定条件下，允许借用安全出口，即防火分区可利用通向相邻防火分区的甲级防火门作为安全出口。为追求一定经济效益的同时满足疏散宽度的要求，一些商业建筑采用共用楼梯间这一疏散方案，然而，共用楼梯间在带来经济利益的同时也给人员安全疏散带来一定挑战［4］。本文以某商业建筑为例，利用模拟软件PyroSim 和Pathfinder，综合判定危险来临时人员在特定火灾场景下疏散的安全性，并对共用楼梯间进行多工况安全疏散模拟，分析不同疏散宽度下人员疏散的安全性，从而提出共用楼梯间疏散宽度的优化方案，为其疏散设计规范化提供参考方案。

1 火灾场景设置及模拟软件

某商业建筑地上属于商业综合体的购物娱乐区域，共3 层，各层高4 m，无地下建筑结构，建筑面积共21 717 m2，耐火等级为一级。建筑设有3 个防火分区，防火分区一和二设置了共用楼梯间，其疏散宽度为1.9 m，具体设置情况见图1和图2。

图1 防火分区一疏散楼梯示意图

图2 防火分区二疏散楼梯示意图

由于该商业建筑可燃物种类和数量较多，火灾发展模式选取为快速火灾，火灾增长系数为0.046 9 kW·s-2，模拟时间600 s。根据火灾发生概率高和最不利原则，考虑防火分区一和防火分区二设置共用楼梯间，设置火灾场景1 火源位于防火分区一中部的销售展台，火灾场景2 火源位于防火分区二服装堆放较多的百货区。假设喷淋系统失效，排烟设施正常工作，根据《建筑设计防火规范》相关规定，此时火灾最大热释放速率为10 MW。

应用PyroSim 软件模拟该商业建筑火灾蔓延过程，着重分析不同防火分区发生火灾时烟气蔓延过程、CO 浓度变化过程、温度变化过程和能见度变化过程，可得到防火分区一和防火分区二的可用安全疏散时间。对火场中的CO 浓度、温度和能见度条件，本文采用以下判据：（1）距地面2 m 处的CO 浓度超过500 ppm 则视为达到危险状态；（2）距地面2 m处的温度超过60 ℃则视为达到危险状态；（3）距地面2 m 处的能见度小于10 m 视为达到危险状态。运用Pathfinder 软件模拟危险来临时人员的紧急疏散过程，得出原有疏散设计条件下商业建筑内人员所需安全疏散时间。

2 某商业建筑火灾模拟分析

2.1 PyroSim模拟

利用Pyrosim 软件建立模型，采用0.5 m×0.5 m×0.5 m的网格，进行火灾过程模拟分析。由于防火分区一和防火分区二共用楼梯间，针对这两个防火分区，分别模拟三层防火分区一和防火分区二发生火灾时的烟气蔓延过程，在距离各层地面2 m 高度处设置火灾参数监测面，分别监测CO 浓度、温度和火场能见度。

2.1.1 火灾场景1

该商业建筑三层防火分区一内共有4 部楼梯，其中包含一部与防火分区二共用的疏散楼梯，该场景下楼梯都可正常使用且不会封闭阻塞。从图3 的烟气蔓延模拟结果可以看出，该场景火源位于三层防火分区一中部的销售展柜，喷淋系统失效时，火灾规模较大，火灾烟气在防火分区一内蔓延，约300 s蔓延至共用楼梯间，充满整个防火分区。在整个模拟过程中，随着烟气的不断蔓延，温度逐渐升高，能见度逐渐降低，三层疏散楼梯间附近距地面2 m 处的烟气层温度约330 s 达到60 ℃，能见度约300 s 达到10 m，CO浓度在600 s内保持在500 ppm以下。

图3 火灾场景1中三层火灾烟气蔓延情况

通过对火灾场景1的烟气蔓延、CO浓度、温度和火场能见度分析可得，能见度比CO 浓度和温度更先达到火场危险状态，能见度的危险来临时间可作为该场景下的可用安全疏散时间（tASET）。综上，建筑三层防火分区一和防火分区二共用楼梯间附近距地面2 m 处约300 s 时受到烟气的严重影响，对此出口人员产生致命伤害。

2.1.2 火灾场景2

该商业建筑三层防火分区二共有7 部楼梯，其中包含一部与防火分区一共用的疏散楼梯，该场景下楼梯都可正常使用且不会封闭阻塞。该火灾场景起火位置处于三层防火分区二易燃物堆放较多的百货区，喷淋系统失效时，火灾规模较大。从图4 的烟气蔓延模拟结果可以看出，火灾烟气在防火分区二内蔓延，约300 s 蔓延至共用楼梯间，充满整个防火分区。在整个模拟过程中，随着烟气不断蔓延，温度逐渐升高，能见度逐渐降低，三层疏散楼梯附近距地面2 m 处的烟气层温度约460 s 达到60 ℃，能见度约357 s 达到10 m，CO 浓度在600 s 内保持在500 ppm以下。

图4 火灾场景2中三层火灾烟气蔓延情况

通过对火灾场景2的烟气蔓延、CO浓度、温度和火场能见度分析可得，能见度先于温度和CO 浓度达到火场危险状态，能见度的危险来临时间可作为该场景下的可用安全疏散时间（tASET）。约357 s 时该建筑三层楼梯间附近距地面2 m 处的能见度降至临界值10 m，对此出口人员产生致命伤害。

2.2 Pathfinder模拟

运用Pathfinder 模拟软件对商业建筑进行人员疏散模拟分析，结合火灾过程的模拟研究，计算在设定的疏散场景下，商场内人员的所需安全疏散时间（tRSET），通过对比tASET和tRSET，判断该商业建筑在防火分区一、二共用楼梯间的情况下疏散是否符合要求，进而优化商业建筑共用楼梯间的疏散设计方案。在火灾过程中，人员的tRSET由探测报警时间、人员行为反应时间和运动时间组成。根据相关规定，前两者的时间均为60 s，运动时间指从开始疏散一直到人员到达安全区域的时间，本文模拟计算该商业建筑三层所有人员进入疏散楼梯的运动时间。

2.2.1 人员数量的确定

《建筑设计防火规范》关于商店营业厅人员密度的规定见表1［5］。该商业建筑属于中高档商场，消费群体不大，故人员密度均取下限，一、二层取值0.43，三层取值0.39。防火分区三主要用于家具展示，取规定值的30%。商店的疏散人数应按每层营业厅的建筑面积乘以人员密度计算，具体各层人数情况见表2。

表1 商店营业厅内的人员密度

表2 各层模拟的人员数量

2.2.2 所需安全疏散时间

应用Pathfinder 模拟人员疏散的运动情况，可得到不同防火分区所需安全疏散时间。本文主要研究该建筑三层发生火灾时的疏散情况，在该疏散场景中，共用楼梯的疏散宽度为1.9 m 时，三层疏散人数为2 198 人，全部进入楼梯间前室大约需要395 s。模拟结果如图5所示。

图5 共用楼梯间宽度1.9 m时三层人员疏散情况

由图5可知：120 s后三层人员开始疏散，疏散进行到180 s 时，三层防火分区三人员已进入楼梯前室；335 s 时，三层共用楼梯间疏散口处拥堵排队，防火分区二人员已进入楼梯前室；395 s 时，三层所有人员均已进入楼梯前室，完成疏散。由此得到可用安全疏散时间和所需安全疏散时间分析结果：防火分区一的tASET（300 s）小于tRSET（395 s），防火分区二的tASET（357 s）大于tRSET（335 s）。也就是说，在商业建筑三层发生火灾时，人员安全疏散系统不符合要求，在该场景下不能安全疏散。

2.3 共用楼梯间的多工况疏散模拟

由前文综合判定可知共用楼梯间宽度为1.9 m时人员疏散系统不安全。对此，改变共用楼梯间宽度，进行多工况人员安全疏散模拟，对比各个工况下共用楼梯间的疏散能力，为共用楼梯间的设计提供参考［6-7］。

2.3.1 安全疏散宽度计算

根据《建筑设计防火规范》相关规定，每层疏散楼梯总宽度应按照通过人数每100 人不小于1.00 m计算，由前文确定的疏散人数，可计算得出：防火分区一的疏散宽度为1849×0.5×0.85×1.00/100=7.86 m；防火分区二的疏散宽度为3325×0.5×0.85×1.00/100=14.13 m；防火分区三的疏散宽度为2030×0.5×0.6×1.00/100=6.09 m。各防火分区的疏散楼梯总宽度的实际值分别为防火分区一8.4 m，防火分区二12.7 m，防火分区三6.4 m。由此可见，防火分区二的疏散楼梯宽度不符合要求。

2.3.2 共用楼梯间的疏散模拟结果与分析

增加共用楼梯间宽度，模拟不同疏散宽度下防火分区一和防火分区二的疏散情况。三层不同宽度共用楼梯间的疏散时间结果见表3。由表3 可见，在共有楼梯间宽度增大到2.5 m时可保证疏散安全。

表3 不同疏散宽度所需安全疏散时间结果

3 结论

本文设定某商业建筑不同的火灾场景，应用PyroSim 软件模拟火灾过程，分析不同火灾场景下的火灾烟气蔓延情况及烟气温度、能见度、CO 浓度等特征参数，估算可用安全疏散时间；运用Pathfinder模拟了相同火灾场景下的人员疏散过程，估算所需安全疏散时间，判定该场景下人员疏散是否安全；进一步改变共用楼梯间宽度，探究共用楼梯间设计最佳方案。通过对该商业建筑的模拟可发现，其人员疏散存在不足，发生火灾时三层防火分区一内人员不能全部完成安全疏散，在防火分区二内的人员能全部疏散到楼梯间前室。对共用楼梯间进行多工况模拟，得出增大其疏散宽度即可满足安全疏散要求。