| 建筑火灾安全疏散的探析 |
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| 作者：朱春梅
2004-10-8 8:50:00 |
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摘要: 通过阐述安全疏散设计的基本原则和方法,评价标准及因素, 分析国内外已有的安全疏散模拟模型, 针对这些模型的不足, 提出今后的研究方向。
关键词: 建筑火灾; 安全疏散
1 安全疏散设计的基本原则和方法
1.1 安全疏散设计的原则
安全疏散设计就是指根据建筑特性设定的火灾条件, 针对火灾和烟气传播特性的预测及疏散形式的预测, 通过采取一系列防火措施, 进行适当的安全疏散设施的设置、设计, 以提供合理的疏散方法和其他安全防护方法, 保证建筑中的所有人员在紧急情况下迅速疏散, 或提供其它方法以保证人员具有足够的安全度。
安全疏散设计是以建筑内的人应该能够脱离火灾危险并独立地步行到安全地带为原则。这是通过采取防止火灾蔓延和保护消防安全通道等防火措施来实现的。
安全疏散方法应保证在任何时间、任何位置的人员都能自由地无障碍地进行疏散, 并在一定程度上保证行动不便的人具有足够的安全度。
安全疏散方法应是多种疏散方式而不仅仅是一种, 因为任何一种单一的疏散方式都会由于人为和机械原因而失败。
1.2 安全疏散基本的必要条件和设计方法
日本《建筑物综合防火设计》提出了确保安全疏散基本的必要条件和设计方法。安全疏散的基本必要条件是:
(1) 妥善的疏散计划;
(2) 确保安全的避难场所;
(3) 保证安全的疏散通道;
(4) 限制使用严重影响疏散的建筑材料。
安全疏散设计方法就是通过使建筑物在满足安全疏散的基本条件下进行设计的一种方法。安全疏散设计方法程序如图1 所示:
2 安全疏散的评价标准及应考虑的主要因素
2.1 火灾发展与人员安全疏散的时间关系
建筑物发生火灾后, 人员能否安全疏散主要取决于两个时间, 一是火灾发展到对人构成危险所需的时间Tfire, 一是人员疏散到安全场所需要的时间Tevacuate。如果人员能在火灾达到危险状态之前全部疏散到安全区域, 便可认为该建筑对于火灾中人员疏散是安全的。Tfire可用火灾计算机模型模拟得到。Tevacuate则通过人员疏散模型模拟火灾状态下的人员疏散过程计算得到。
火灾过程大体可分为起火、火灾增大、充分发展、火势减弱、熄灭等阶段, 从对人的影响来说主要关心前几个阶段。在此过程中, 探测到火灾并给出报警的时刻和火灾状态对人构成危险的时刻具有重要意义。
人员疏散并不是伴随着火灾的发生而进行的, 一般来说它要经过以下三个时间段:
(1) 意识到有火情发生。火灾发生后, 产生的烟气、火光或温度自动启动火灾探测报警, 使人知道有异常情况发生。这段时间记为Tdet。
(2) 火灾确认与制定行动决策。人员意识到有火情时, 一般并不急于疏散, 而是首先通过获取信息进一步确定是否真的发生了火灾, 然后采取相应的行动, 比如: 火灾扑救、等待求救、疏散。人员在疏散之前的这段时间称为: Tresponse。
( 3) 开始疏散直到结束。人员从疏散开始走出房间、通过走道、楼梯间、安全出口到达安全区域这段时间称为:Ttravel。
从火灾发生到人员全部疏散为止, 总的疏散时间为:
Tcvacuate = Tdct + Tresponse + Ttravel (1)
人员安全疏散的评价标准:
Tfire > Tcvacuate = Tdet + Tresponse + Ttravel (2)
在建筑物中每个可能受到火灾威胁的区域都应满足式(2)。且从此式可以看出Tfire越大, (Tdet+ Tresponse+Ttravel) 之和越小, 则人员安全性越大; 反之, 安全性越小, 甚至不能安全疏散。因此, 为了提高安全度, 就要通过疏散设计和消防管理来缩短疏散开始时间和疏散行动所需时间, 同时延长危险状态发生的时间。
2.2 火灾达到危险状态的临界条件及其影响因素
在火灾中, 烟气是威胁人员安全的主要因素。由于顶棚的限制, 在着火房间上部将形成热烟气层, 且随着烟气量的不断增加, 热烟气层逐渐加厚。室内可大致分为上部烟气层和下部烟气层两个区, 区域火灾模型便是根据这种思想建立的。通过对两个气层建立质量、动量、能量和组分的守恒方程, 进行数值求解可得到烟气层内各参数随时间的变化。对一般的建筑空间, 其火灾过程可用A SET 模型计算。
当烟气层某些参数增大到一定值时, 便会对人员构成危害。因此可以参照有关人员安全的数据, 确定建筑物内火灾对人构成危险的条件。
火灾危险临界条件按以下情况分别确定:
(1) 当烟气层面高于人眼的特征高度时, 若上部烟气层的热辐射强度能伤害人, 就认为到了危险状态。有资料表明, 烟气温度约180℃时便可构成这种危险, 因此可认为烟层辐射临界温度约等于此值。
(2) 如果烟气界面低于人眼特征高度, 对人的危害将是直接烧伤或吸入热气体引起的, 这时应使用另一略低的烟气临界温度表示危险状态, 根据某些试验, 此值约为110℃～ 120℃, 现取为115℃。
(3) 当界面低于人眼特征高度时, 也可根据其中有害燃烧产物的临界浓度判定是否达到了危险状态, 例如当CO 浓度达到2500 ppm 就可对人构成严重危害。
在火灾中, 这三种临界条件哪一个先到达就采取哪一个。人眼的特征高度通常为112～ 118 米, 现取为115 米。环境温度一般取为20℃。当然, 火灾达到危险状态的时间与诸多因素有关, 如: 火源附近可燃物的存放量, 通过燃烧材料表面火焰传播的可能性, 建筑物表面是否有阻燃处理, 可燃材料的毒性, 是否设有水喷淋系统和防排烟系统, 水喷淋系统和防排烟系统是否可以及时启动以及建筑物内房间的尺寸等等。国际上经过大量研究表明, Tfire对于一般建筑空间而言约为90秒。
2.3 人员安全疏散过程的主要影响因素
2.3.1 火灾探测系统的探测时间的影响因素
如前所述, 在着火房间上部将形成热烟气层, 随着烟气量的不断增加, 热烟气层逐渐加厚, 且温度也越来越高。当烟气层某些参数达到一定值时, 就可自动启动火灾探测报警装置。火灾探测一般由烟气的温度或温升速率、或燃烧产物浓度达到某一临界值决定, 例如感温火灾探测器的一、二、三级灵敏度分别为58℃、68℃、78℃, 可以据此把烟气达到其中某一温度作为探测临界条件。
当然, 火灾探测器种类繁多, 不同类型的探测器其影响因素也都不一样。但大致都与火灾特性、探测器的安装位置以及周围环境等因素有关。
2.3.2 确认、反应时间的影响因素
应该认识到建筑物内的人员并不都是同时开始疏散的, 火灾室内的人员开始疏散时, 同层的其它房间内的人员可能正在反应阶段, 而此时火灾层的上层及下层内的人员可能正处于确认阶段, 与火灾层距离较远的楼层内的人员可能连确认阶段都没开始。所以关于确认与反应的一个重要参数就是开始时间的分布。比如在一个开敞的影剧院或歌舞厅内, 开始时间的分布几乎是一致的, 每个人几乎同时反应, 而在一个旅馆内, 则存在一个较大范围的时间分布。
确认阶段: 确认阶段是指从火灾报警或发现火情到人员开始反应的这段时间。在确认阶段的开始与人员的警惕性即在报警之前所从事的活动, 比如工作、玩耍、睡眠等有很大关系。确认阶段的时间长短在很大程度上又随着建筑物的类型、人员特性、建筑物内的报警及管理系统类型的不同而变化。
反应阶段: 从人员确认报警或火情并开始反应, 直到人员开始疏散的时间。在此阶段, 人员在研究了火警的来源、真实性和严重性后开始寻找并集合孩子及其他家庭成员、确定合适的疏散路线, 如果有不正确或误导信息还会采取其它对有效疏散有益的活动。
2.3.3 影响人员疏散行动时间的主要因素
①建筑物特性: 建筑物的结构、布局是否合理, 疏散标志及事故照明系统能否有效地引导人员疏散, 直接影响人员疏散的时间和效果。
②火灾特性: 火灾时产生大量的高温烟气及有害气体直接影响人员疏散。高温辐射、烟气和毒性气体对人体的伤害及烟气造成能见度的降低, 都会影响人员的疏散, 并造成人们的恐慌心理。火灾也可能侵犯疏散通道, 造成疏散困难。
③人员特性: 包括对建筑物的熟悉程度, 人员的身体条件及行为特征, 人员的数量、组成及分布等。
a) 对建筑物的熟悉程度: 对于那些天天使用建筑物的人员, 他们熟悉建筑物的安全规程, 在紧急情况下很容易就能找到逃生路线; 而对于那些不熟悉建筑物的人员, 在紧急情况下往往是倾向于沿他们进入建筑物的逃身路线。
b) 活动能力: 人员的行走速度受很多因素的影响,例如: 性别、年龄及身体条件等。研究表明人的年龄超过65 岁时行走速度有一定的减慢, 小孩的行走速度比成人的速度慢, 但总体来说, 年龄对人员疏散的影响不是很明显。另外, 人员的行走速度还受疏散路线内人员的密度影响。在听觉、视力或精神等方面有残疾的人其行走速度也受一定的影响。
c) 社会关系: 观察表明, 在疏散过程中, 人总是习惯于和自己有某种联系的人结伴构成一个团体, 比如家庭成员、同事等。有时这会有助于快速发现火情, 但不一定会促进人员赶快疏散, 一般来说, 团体的速度往往受其中最慢的人的影响。
d) 角色与责任: 居民在建筑物的日常使用与管理中担任的角色与责任将直接影响他们在紧急情况下的行为。与一般人员相比, 绝大多数训练有素的工作人员与管理人员反应比较敏捷, 能快速发现紧急情况并制定相应的行动决策。
3 人员安全疏散的研究现状
3.1 人员的空间要求
单人所占的空间是人员活动的一个重要方面及评定设计质量的一个标准。一个人占据一块空间, 并且当行走时, 有规律地占据并释放一定的空间。在人员行走时, 需要一定的额外空间, 另外, 与周围环境及行人保持一定的距离还需要一定的缓冲空间。
行人移动所需要的空间取决于人体在自然站立时的物理尺寸, 在这里用单人垂直投影面积来描述。另外还取决于人员在行走时身体的空间要求。
在对某空间进行设计时, Fruin 建议一个人占据一个450×610 (mm ) 的矩形面积, 相当于0.21m2。这一数字曾经被用于计算纽约城市地铁车厢容纳乘客的能力。Fruin 指出: 对于男人来说, 占据的面积平均为0.14m2, 女人平均为0.09 m2, 这代表了人体的极限尺寸。
在对于人体尺寸的分析以及对排队等候的观察的基础上, Fruin提出了各种情况下的标准, 总结于表1:
表2: 列举了由Knutig (俄罗斯) 提供的不同年龄组的人的垂直投影面积。
表3: 列举了奥地利在不同年龄组中随机抽取样本进行人体测量所得到的平均垂直投影面积。
其中:
f (N ) ; x——平均单人垂直投影面积, 站立并且不穿外套
f (M ) ; x——平均单人垂直投影面积, 站立并且穿外套
f (S ) ; x——平均单人垂直投影面积, 行走
不难发现, 奥地利的统计分析数据与俄罗斯所提供的数据并不一致。这说明不同的人种其单人垂直投影面积是不同的。
针对我国的实际情况, 天津消防科学研究所也进行了人体尺寸的测量工作。参与测量的人员共有100人, 当时是秋季, 人们穿的衣服不多。测量了人体的体厚与肩宽, 在计算人体投影面积时, 按投影为椭圆与矩形两种情况计算。结果为: 按椭圆计算时人体的平均投影面积为0.146 m2, 按矩形计算时人体的平均投影面积为0.197m2。
3.2 国外人员疏散模型研究状况
3.2.1 基于单位出口宽度概念的流动模型一个早期的N FPA 文件推荐在设计楼梯时, 以每0.56 m 的单位宽度每分钟通过45 人的平均流量为准。
1935 年,NBS 的一个出版物中提供了在非紧急情况下通过门、走廊、楼梯的流量的测量值, 结果表明, 对于不同类型的居民, 通过楼梯的流量的最大值在23～ 60 人/分钟/单位宽度的范围内, 通过门的最大流量在21～58 人/分钟/单位宽度之间。现在,N FPA 生命安全规范101 采用了出口宽度的概念以及行走距离和人员负荷等参数, 但是由于某些原因, 现在的规范中没有包含时间因素。
3.2.2 基于经验研究的流动模型
在上十年中, Pauls 开发出了“有效宽度”模型。这一模型是基于对人流在楼梯内流动的经验研究以及人作为楼梯宽度的函数的平均疏散流量的数据。这当中他多次在高层办公楼内进行过疏散演习。模型描述了下列现象:
(1) 楼梯宽度的可利用部分, 或称有效宽度大约是从距离边界墙150 mm 处或离扶手中线88 mm 处算起(边缘效应) ;
(2) 平均疏散流量与楼梯宽度是线性函数关系而不是阶梯函数关系, 疏散流量直接与有效宽度成比例关系;
(3) 平均疏散流量与单位有效宽度人员之间的关系是非线性的。
Pauls 提出了下面疏散流量与单位有效宽度人员之间的关系式:
f = 0.206P0.27 (4)
P 是每米有效楼梯宽度的疏散人数。总的疏散时间为
t = 0.68 + 0.081P0.73 (5)
这一计算方法计算简单、实用, 已经作为一个附录被NFPA Life Safety Code (1985 年版本) 所接受。但是该模型太过于简化, 基本没有考虑疏散过程中人员的堵塞、拥挤的情况, 更不能动态地用计算机模拟、查询,只能作为一个参考。
3.2.3 国外几个较有影响的模型
(1)BFIRES
BFIRES 是基于人员行为的火灾时期紧急疏散模拟模型, 该模型应用于医疗类型的建筑中。对该模型的敏感性研究表明: 它的模拟结果对以下参数敏感: a) 楼层平面的布置; b) 居民在紧急情况发生时的空间位置;c) 任何阻碍居民行走的因素; d) 居民对建筑物结构的熟悉程度; e) 允许的居民密度水平。
对该模型的敏感性研究的一个最有意思的发现是: 当居民的参数(居民的活动能力及对安全出口的熟悉程度) 发生改变时, 环境参数的改变对模拟结果将没有影响。因此Stah l 指出: 对于那些不熟悉建筑物结构布置的居民, 设计者将无法帮助他们提供较短的或更为直接的疏散路线。这也对传统的设计观念提出了挑战。
BF IRES 把建筑火灾事件抽象化为一个离散的时间框架链, 在每个时间节点, 每个居民根据他们对周围环境变化的感知而做出反应。
选择出口及其他的疏散路线是至关重要的。BF IRES 指出, 如果一个空间60% 的人赞成从一个特定出口疏散出去, 那么, 他们可以说服剩余的人他们的选择是正确的。
在一个时间节点, 居民根据实际的火灾模拟结果作出疏散的选择, 而对不同疏散路线选择的概率大小,至今无法用计算机模拟得到。这主要是因为缺少有关的人类行为学数据以非常详细的程度来描述火灾时的决策制定过程。
尽管存在这一局限性, 模型在模拟时最多可以处理20 个人。该模型可能是模拟单个人的信息处理、决策制定以及对火的反应的唯一的计算机模型。
(2) EXIT 89
EXIT89 是一个适用于大型建筑的疏散模型, 它能跟踪单个人的行走轨迹。它的计算结果结合火灾与烟气流动的模拟结果, 能够预测火灾造成的毒性环境对人体的影响。
该模型需要对建筑物进行网络描述, 输入各个房间及出口的尺寸, 每个节点居民的数目, 考虑烟气阻塞的影响时, 还要输入烟气的有关数据。模型允许用户在多个选项中作出选择, 这些选项包括:
①是由模型计算每个节点到达安全地点的最短路线, 还是由用户人为设定疏散路线。当疏散过程中疏散路线被烟气阻塞时, 重新计算或设定疏散路线, 使人员疏散继续进行。
②人员疏散是在0 时刻开始还是有一个延缓时间。
③在计算人员密度时需要用到人体的尺寸, 在设定人体尺寸时有三个数据来源; 分别为俄罗斯、奥地利以及美国对人体尺寸的研究成果。
④是从火灾及烟气模型模拟获得烟气数据, 还是由用户自己设定烟气数据。
(3) EVACN ET
EVACN ET 是一个典型的网络人员流动模型, 是不包括人员行为的模型。该模型确定人员的疏散路线以使疏散的时间最小。而且显示通过采取一些相应的措施来使得疏散按照一种适当的方式进行。它描绘了建筑物的疏散状态随着时间的变化。它能够回答许多“如果...怎么办”的问题, 比如“如果火灾发生在第十层, 建筑物的疏散情况会是怎样? 或者如果增加几个楼梯间, 情况会怎样”。
静态的网络模型基本上是一个运输模型, 其中源节点代表工作地点, 中间节点代表建筑物的某些部分,而目标节点则指建筑物的疏散出口。节点的容量给出了能够在该处同时停留的最多的人数。节点由路径连接。
网络模型能够处理人数众多以及建筑物结构复杂的情况。
3.3 国内人员疏散模型的研究动态
我国对安全疏散的研究起步比较晚, 大都还停留在定性分析阶段。近几年来, 随着我国对消防安全的逐渐重视, 才出现了一些关于建筑物火灾中安全疏散模拟模型的研究。
1998 年, 东北大学的温丽敏、陈全等提出了一种火灾中群集疏散的模型, 并且采用了计算机仿真的方法计算人员疏散行动时间。该模型的前提是“疏散人员井井有条地按照设计人员设计的疏散通道疏散”, 假设全部疏散人员都能够靠自力疏散出去。由于疏散人员的性别、年龄、身体条件等不同, 疏散能力也各不同, 在解决具有不利于疏散的疏散人员特征时, 采用降低整个疏散能力的平均值的方法。
3.3.1 群集流动计算
一个方向连续步行的群集流动过程中, 在群集流中取一基准点P, 点前进的群集为集结群集; 超过P 点向前的群集为流出群集(见图2)。在P 点处滞留的部分人员为滞留群集, 它等于集结群集与流出群集之差。
(1) 集结群集人数
自疏散开始时刻起( t= 0) , 到T 时刻止, 到达P 点的集结群集人数为:
(2) 流出群集人数
自t= 0 时刻起, 经P 点流出的群集人数包括疏散初期流出的人数和t=T0时刻出现常流后的群集人数,于是:
(3) 滞留群集人数
到时刻T 止, 在P 点滞留的群集人数为:
(4) 疏散结束时间
群集全部流出出口, 疏散结束的时间为:
以上各式中,Ni( t) 为第i 个入口处群集流动系数;Bi( t) 为第i个入口的宽度;N′为出口处群集流动系数;B′为出口宽度; n 为入口数目: T0 为出现定常流的时刻;Q 为群集总人数。
3.3.2 JFRSF 计算机仿真软件
在JFRSF 中将疏散空间划分为8 种空间要素: ①各个房间; ②走廊; ③楼梯前室; ④楼梯; ⑤大厅; ⑥最终避难场所; ⑦上述①～ ⑥的各种空间要素互相连接的空间(L IN K) ; ⑧在各空间的出口处, 假想的可容纳等待转移的人员的空间CROWD IN G)。
在计算过程中, 隔时计算出各空间要素中的人数。最终判定疏散结束, 以进入最终避难所的疏散人员累计数达到疏散开始时建筑物内存在的初期人数为界限; 最后累计各时间间隔即为人员疏散行动时间。
1999 年, 中国建筑科学院建筑防火研究所的刘文利、熊洪等提出利用网络控制原理对地下商业街建筑人员疏散行为进行模拟, 建立了相应的疏散预测模型。其将疏散流动模式化如下:
(1) 空间模式化: 采用网络(netwo rk) 型控制方法,将地下商业街的各个店铺、通道、楼梯前室、楼梯间、室外安全地点分别作为网络的节点, 它们之间的联系为连接( link)。该连接( link) 为各个空间节点联系的假想空间, 该处无面积, 也无距离, 亦不存在用于移动的时间。只是为了便于计算从上一空间节点能流出的人数,和从上一空间节点允许进入下一空间节点的人数。
(2) 人的处理: 采用集团型处理, 即将地下商业街建筑中的人按照其行为能力不同划分为正常人、老年人(含活动不便的人) 以及由儿童和其家长组成的家庭等第三集团。
(3) 流动的处理: 在疏散过程中, 人的流动以单向型人流对待, 在门口、楼梯口、出入口等处由于瓶颈因素人流可能出现滞留, 在此情况按排队等候型人流处理。
其疏散预测原理为: 疏散人员从某一时刻T 至下一时刻 时间阶段内所进行的疏散行为分为两个阶段: ①疏散人员在其所在的上一空间节点内的移动; ②疏散人员在各连接( link) 的移动, 即由上一空间节点向下一空间节点的移动。上一空间节点流出人数为此节点能够流出的人数和其出口允许流出人数两者的最大值。而下一空间节点允许进入的人数等于该节点所能容纳的最大人数减掉该节点剩余人数。因此, 通过连接( link) 的人数即为上一空间节点流出人数和下一空间节点允许进入的人数两者的较小值。
在计算疏散行动时间时, 也采用JFRSF 计算机仿真的方法, 累时计算从某一时刻t 至下一时刻 时间间隔内, 各空间节点的人流流动情况, 直到楼梯间累计流出人数等于疏散初始建筑内的总人数。
4 本文重点及要解决的主要问题
从以上国内、外提出的人员安全疏散模型可以看出, 由于模拟的条件过于简单, 这些模型都有许多不足之处:
( 1) 在上述的这些模型中都没有考虑人们意识到火灾发生并制定行动的确认、反应时间, 而这个时间往往不短, 不可以忽略。
(2) 在计算人员疏散行动时间时, 上述的这些模型把人员在房间内的移动都看成是人到出口的直线运动路线。而实际上由于房间中家具、桌椅等障碍的影响,避难者的行动路线是折线运动。另外, 这些模型都较简化, 要么缺乏通用性, 要么不能动态模拟表述人员的疏散情况。
针对这些问题, 应结合火灾烟气顶棚射流的实际特性, 考虑辐射传热影响, 提出一种感温探测器时间预测的完善模型。同时, 综合国内外统计资料, 大约估计出火灾中人员发现火情后确认、反应并制定行动决策的时间。
参考文献:
[ 1 ] 日本建筑省编. 孙金香、高伟译. 建筑物综合防火设计. 天津: 天津科技翻译出版社公司, 1994
[ 2 ] 霍然、金旭辉、梁文. 大型建筑火灾中人员安全疏散计算分析. 火灾科学. 1999. 4. Vo l. 8,No. 2, 8～ 13
[ 3 ] 袁理明. 建筑火灾危险性评估的一种方法. 中国安全科学学报. 1997. Vo l. 7,No. 5, 25～ 28
[ 4 ] 袁理明、范维澄. 建筑火灾中人员安全疏散时间预测. 自然灾害学报. 1997. Vo l. 6,No. 2
[ 5 ] 丽敏、陈全、陈宝智. 火灾中群集疏散的设计方法及计算机仿真. 东北大学学报(自然科学版).1998.Vol. 19,No.5
[ 6 ] 刘文利、熊洪. 地下商业街人员疏散预测. 火灾科学.1999. Vo l. 8,No. 3
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