| 火灾过程的计算模化与人员的安全疏散 |
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| 作者：霍 然, 王浩波, 易 亮
2004-9-30 8:27:00 |
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摘 要: 文章根据建筑火灾发展过程与人员行动的时间线, 讨论了火灾危险临界条件的确定和人员安全疏散的要求。结合两个算例, 根据模拟计算结果, 对它们在火灾中影响人员疏散的可能因素给出了半定量分析。
关键词: 建筑防火; 火灾模化; 疏散
建筑火灾是一类最常见的火灾, 它对人们生命与财产安全的影响最大、最直接, 因而一直是火灾防治的重点。近几十年来, 在我国许多城市中, 大批高层、地下、大空间等特殊建筑发展迅速, 这些建筑使火灾的规模和表现形式发生了重大变化, 给防火灭火带来许多新困难。
对建筑可能发生的火灾风险作出客观的评估是提高火灾防治科学性的基础, 而了解火灾的发展与烟气的蔓延过程是评价建筑物安全状况的重要条件。火灾发展过程的计算模型可以很好的算出建筑物内的烟气温度、烟气层厚度、典型燃烧产物浓度等参数随时间的变化, 这些可直接用于人员安全疏散要求、消防设施功能等问题的分析。火灾模化的结果还可为建筑物的防火设计、火灾原因调查、消防战训等提供科学指导。
1 火灾过程的区域模化
火灾过程的数学模化是根据质量、动量和能量等基本守恒定律, 通过数学模型的方式定量计算火灾的发展过程。火灾模化主要有场模拟、区域模拟、网络模拟等多种方法, 区域模拟具有一定的精度, 且计算量不太大, 适用于火灾危险的分析。
如图1 所示的双室火灾中烟气流动的情形。区域模拟把所讨论的每个着火房间都分为上部烟气层和下部空气层两个区, 伴随着烟气的蔓延, 燃烧放出的热量及生成的有害组分也会由起火房间输送到建筑物的其它房间。
为了进行计算, 区域模拟一般采用以下一些简化和假设:
(1) 在起火房间内, 忽略火源和火羽流所占的体积, 同时设辐射损失的散热速率在总热释放速率占的比例为常数;
(2) 认为一个房间内的压力是相同的, 但是要考虑不同房间之间的压差;
(3) 在计算某种燃烧产物组分时, 认为其生成速率与放热速率成正比, 不同组分所用的比例因子参考试验数据确定;
(4) 认为烟气和空气均满足理想气体定律, 且假设两者的定压比热相等。
通常每个房间的上下区域的质量、能量和连续方程可写为:
式中:mu、ml ——上、下层气体的质量;
Vu、Vl ——上、下层气体的体积;
Tu、Tl ——上、下层气体的温度;
Pu、Pl ——上、下层气体的压力;
Cp ——比热;
Qu、Ql ——上、下层气体的热值。
加上辅助条件: Pu= Pl 和V = Vu+ Vl, 方程组封闭, 可以进行求解。
烟气中代表产物组分Pt 的变化可与各区域的质量变化联系起来, 即:
式中: 下标k 表示某种组分。
因此, 考虑多少种组分就需要列出多少个方程。
2 火灾发展与人员安全疏散的时间线
建筑物发生火灾后, 人员能否安全疏散主要取决于两个特征时间。一是火灾发展到对人构成危险所需的时间; 二是人员疏散到安全场所需要的时间。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,便可认为该建筑物的防火安全设计对于火灾中的人员疏散是安全的。图2 为火灾发展与人员疏散的时间线。
在火灾发展过程中, 探测到火灾并给出报警的时刻td 和火灾对人构成危险的时刻th 具有重要意义。人员疏散大体要经历察觉火灾、行动准备、逃生行动、到达安全地带等阶段。察觉到火灾的时刻可以从发出火灾报警信号时刻算起, 但一般前者略迟于后者。为了保证人员安全疏散必须使所有人员疏散完毕的时间小于火灾达到危险状态的时间。
设室内人员察觉到起火的时刻为tb , 开始疏散的时刻为tc, 到达安全地带的时间为ts, 而火灾对人构成危险的时刻为th , 因此, 有效安全疏散时间ta 就是从发现火灾到火灾构成危险状态的时间间隔, 即:
ta=th-tb ... (9)
又设从发现火灾到人员成功撤离危险区域所需的时间为tr, 则保证人员安全疏散的基本条件是:
ta> tr ... (10)
火灾安全涉及整个建筑物, 因此, 建筑物内每个可能受到火灾威胁的区域都应满足式(10) 的要求。
火灾危险条件通常按以下情况确定:
(1) 当烟气层界面高于人眼特征高度时, 若上部烟气层的热辐射强度能够对人构成伤害, 就可以认为达到危险状态。有资料表明, 烟气温度超过180 °C 时便可构成这种危险;
(2) 如果烟层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。根据某些试验,烟气温度约为110 °C～ 120 °C, 现取为115 °C;
(3) 当烟气层界面低于人眼特征高度时, 还可以根据某种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0. 25 % , 就可对人构成严重危害。
在火灾中, 这三种危险条件哪一个先达到就采取哪一个作为判断依据。人眼的特征高度通常为1. 2 m～ 1. 8 m , 现取1. 5 m , 环境温度一般取为21°C。
热释放速率是决定火灾发展及危害的一个基本参数, 几乎所有火灾模型都要以火灾热释放速率为基础进行计算。在区域火灾模型中, 火灾功率是作为已知条件输入的, 这一功率选得是否合理是模拟计算可靠的关键。由于建筑物内的物品种类繁多, 不同物品的燃烧性能差别很大, 火灾的热释放速率一般是参考有关的试验数据并依据经验加以确定。本研究组对室内物品火灾燃烧数据进行了广泛收集和分类整理, 并建立了相应的热释放速率数据库, 供设定火灾功率时参考。
3 人员安全疏散的要求
人在火灾中的行为是十分复杂的, 不同年龄、不同性别、不同文化背景的人在火灾中的逃生行为有很大差别, 本文仅考虑人的平均疏散速度。
对于剧场之类建筑中的人员疏散至少应当考虑两种情况:
3. 1 出口前的人群阻塞
建筑物的出口宽度基本上都小于室内走道的总宽度, 因此大批人员拥到出口必定会受到阻挡。同时出口宽度不能完全用于人员通行, 有效宽度大约比实际宽度窄300mm～ 400mm。若剧场内的人数为p , 单位出口宽度、单位时间通过的人数为r, 出口宽度为w , 出口数为n, 则人员全部通过所必需的时间为:
式中: r 为1. 2 人/m ·s～ 1. 5 人/m ·s。若出口宽度为1. 8 m , 出口数为3, 待疏散人数为2000, 由式(11) 可算出必需的疏散时间约为320 s～ 380 s。
3. 2 离出口最远的人员逃生速度
在座椅密集的剧场内, 人的行走是比较困难的, 其速度约为0. 2m/s～ 0. 4m/s。人们听到报警后往往有段准备时间to , 现取其为180 s, 实际疏散时间应包括这种预备时间。设出口与最远观众位置的距离为40m , 则行动最慢的人员到达出口的时间为:
对于这两个特征时间, 取较长的时间作为必需安全疏散时间。将这一时间与模拟计算结果比较, 便能对该建筑在火灾中影响人员安全疏散的状况作出评价。
4 算例与讨论
下面结合两个算例说明火灾中人员安全疏散的分析步骤和方式。
4. 1 某剧场火灾
设某剧场长50 m、宽30 m、高14 m , 地面由前到后呈一定坡度升高, 大厅设有六个出口, C1 和C2 为前出口, 位于基准平面高度; B1 和B2 为一层后出口, 高出基准平面3m ,A 1 和A 2 为二层后出口, 高出基准平面8 m。各出口的宽度均为1. 6 m (有效宽度为1. 3m )。一层厅内与二层分别安装了2 400 把和600 把座椅, 设当时厅内坐满了人。
假设剧场内舞台的幕布不慎被照明灯烤燃, 并因此引燃了舞台上的其它可燃物品, 可认为火灾前期为快速增长型, 热释放速率Q = k t2, 式中: t 为着火时间;常数k 取0. 046 89 kW /s2。当火源功率达到10MW左右, 认为其不再增大, 在着火后20 m in 内, 剧场内的热释放速率曲线如图3 所示。
剧场是一种大空间单室, 其火灾过程可用有效逃生时间模型A SET 计算, 图4 给出部分计算结果。当舞台起火时, 大部分人员会在几分钟内直接看到。按平均情况考虑设这段时间为3 m in, 即tb= 180 s, 则在各个出口处达到对人员构成危险的情况如下:
(1) 二层后出口A 1 和A 2 该出口地面距顶棚的高度为6 m , 由图4 可见, 当热烟气层达到9. 5 m (8+1. 5) 时需要270 s, 此时层内温度约为40 °C, 远低于115 °C, 故根据临界条件(2) 烟气尚未对人构成危险;到475 s 时, CO 浓度达到0. 25 % , 能够对人构成严重毒害, 表明达到了危险临界条件(3) , 此时层内温度为89. 5 °C, 故不考虑使用危险临界条件(2)。因此,A 出口处的有效安全疏散时间为:
ta= th- tb= 475- 180= 295 s
(2) 一层后出口B1 和B2 着火535 s 后, 烟气层的厚度达到4. 5 m , 温度约为109 °C, 有害产物浓度约为0. 32 % , 已经达到临界条件(2)。因此在烟气层降到这一高度时达到危险状况, 即:
ta= th- tb= 535- 180= 355 s
(3) 一层前出口C1 和C2 在750 s 时, 烟气层温度超过了180 °C, 整个剧场均达到临界条件(1) 的要求, 同时烟气层的有害产物浓度则达到0. 59 % , 此时烟气层高度为2 m , 即C 出口处的危险时刻可取为750 s, 即:
ta= th- tb= 750- 180= 570 s
设剧场内发现火灾后人员立即开始疏散行动。若每米出口宽度每秒钟通过1. 2 人, 对于二层来说, 若两个门完全打开, 其人员所需的安全疏散时间为:
即可以保证二层人员全部安全疏散。若只有一个门开放, 则安全疏散所需时间增大一倍, 二层所有人员便不可以在可供安全疏散时间之内全部疏散完毕。
剧场一层的观众可以从B、C 两对出口进行疏散,若起火后剧场B 和C 的出口全部打开, 则它们在其有效安全疏散时间内能够疏散的人数分别为:
SB= 1. 2×1. 3×2×355= 1 108 人
SC= 1. 2×1. 3×2×570= 1 778 人
S = SB+ SC= 2 886 人
即剧场的出口总宽度可以满足人员安全疏散的要求。但如果只依靠B 或C 处的出口都无法在给定时间内将人员安全疏散完毕。
若人员听到报警后没有立即行动, 或是出口未能及时打开, 或是人行通道不畅通, 致使人员撤离耽搁了2 m in, 则各出口疏散的人数分别减为: SA = 546 人, SB= 733 人, SC= 1 404 人。
在这种情况下, 即使所在出口都开放也无法满足人员全部安全疏散的要求。因此, 在发生火灾等紧急情况时, 必须在限定时间内打开足够多的出口, 否则人员便会受到烟气伤害。
4. 2 某宾馆的一层起火
设某高层宾馆的一层结构平面如图5 所示。其中①、③号房间为6 m ×6 m 的会议室, ②号室及④～ ⑨号室为3 m ×6 m 的标准客房, 走廊宽度为2 m , 该层的顶棚高度为3. 0 m , 各房间门的高度均取2. 0 m、宽0. 9 m , 各窗户的上框高2. 5 m , 下框高度为1. 0 m , 宽1. 2 m。
火源功率根据各个房间内物品燃烧的特点确定,各房间门窗的关闭状况对烟气的蔓延影响很大, 需要分别设定有代表性的门窗开关形式, 设当房间内的烟气层到达距地面1. 5 m 时可直接对人构成危害。
由于此例涉及多房间火灾, 现选用火灾与烟气蔓延模型CFA ST 进行计算。该程序可给出多个参数随时间的变化。从分析火灾对人员安全的影响出发, 选择有关房间的烟气层厚度、烟气平均温度和CO 浓度为基本参数。
设③号室起火时, 其通向走廊的门有一个处于全开状态, 而窗户关闭; ⑥号室的门窗全开, ①号室有一扇门半开, 而窗户关闭; 其他房间与走廊以及走廊与楼梯之间的门关闭, 这样考虑的房间数加上走廊共4 个。它们分别用R1、R3、R6 和C1 表示。又设在所考虑的时间段内, ③号室火灾的前期为快速增长型, 当火源功率于46 s 后达到100 kW 左右不再增大, 燃烧600 s 左右, 功率减弱, 直至熄灭。
图6 给出了各有关房间内烟气层高度的变化曲线。③号室为起火房间, 其中烟气层下降得很快, 不到30 s 便低过门头, 并蔓延到走廊; 约70 s 走廊内的烟气到达各门的门头, 开始向其它房间蔓延; 约在40 s后, ③号室内的烟气层高度降到1. 5 m; 约85 s 后, 走廊内的烟气层高度降为1. 5 m; ①号室的烟气层达到1. 5 m 所需时间最长, 约为190 s, 显然这与该房间容积较大, 且门为半开有关; ⑥号室的烟气层则在150 s左右接近1. 5 m , 而后略有回升, 这反映了该室的烟气向室外流动的情况。
图7 给出各房间内烟气平均温度的变化曲线。可见约100 s 后, 起火房间的烟气温度便超过了100 °C,人在这一温度下已可以直接被烧伤; 走廊的最高烟气温度接近85 °C, 长时间处于此温度下也会对人造成伤害; 在其它房间内, 烟气温度已不成为主要致伤源。
由图8 可以看出, ③号室烟气中CO 浓度上升非常快, 140 s 后达到0. 25 % , 已可对人造成致命危害。
走廊的危险程度次于起火房间, 在260 s 后CO 浓度也达到了0. 25 %。⑥号室和①号室距离起火源较远, CO浓度增长较缓慢, 分别在260 s 和480 s 前后达到0. 15% , 显然烟气浓度对人员的危害比烟气温度更为突出。因此, 人员应在各房间内达到危险浓度之前及时逃生。
5 结束语
5. 1 火灾模化是火灾科学研究的重要前沿, 这种方法根据质量、动量及能量守恒定律, 建立描述室内火灾发展与烟气流动的数学方程, 并借助于计算机进行数值求解。通常可算出室内平均温度, 烟气层高度与浓度随时间的变化曲线。因而, 火灾模化已成为人们认识火灾发展规律的重要手段。
5. 2 本文结合两个算例, 按照火灾发展和人员疏散的时间线, 对火灾中影响人员安全疏散的各个特征时间进行了讨论, 分析了保证火灾中人员安全疏散的要求,这些结果也可为建筑物的火灾风险评估、建筑防火设计、火灾原因调查、消防战训等提供依据。
5. 3 合理设定火灾的热释放速率是保证模化计算可靠性的关键, 需要针对房间内的具体情况逐一确定。本研究组研究建立的热释放速率数据库提供了一些参考数据, 可以根据建筑物的状况设定可能火灾的热释放速率。
5. 4 火灾中的人员疏散不仅与建筑物结构有关, 而且与人员特点有关。在此仅按最一般的情况考虑他们安全疏散所需的时间, 因此, 很有必要深入研究更完善的人员疏散模型。
参 考 文 献
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作者简介: 霍 然(1945- ) , 男, 河北武强人, 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室建筑火灾研究室主任, 研究员, 教授, 学士, 主要从事建筑火灾研究,安徽省合肥市金寨路96 号, 230026。
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