| 火灾时人员安全疏散可靠性评估 |
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| 作者：蒋济同 李华军 焦桂英
2004-9-30 8:29:00 |
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摘要 本文给出了一个计算人员安全疏散概率的算法, 用以评价火灾时室内人员的危险程度。算法假定影响安全疏散的变量为随机变量、以逃生概率做为安全疏散评价指标、文中附有算例。
关键词 火灾 疏散 逃生 可靠性 概率
失火后室内人员的安全疏散是建筑防火设计的重要组成部分。现行的防火规范[1]只规定了保证安全疏散所必须的安全出口数量、门口宽度与疏散通道长度等限制数值, 并未给出评价疏散安全的定量指标。这使得建筑防火设计带有很大的经验性和随意性。消防部门在评价建筑物火灾风险时只能定性。设计单位难以评价不同的防火设计方案的优劣。这对于提高防火设计水平、降低建筑物造价、保证人民生命财产安全都是不利的。
不能定量评价建筑火灾疏散安全性的主要困难在于影响失火后人员疏散的因素众多、且影响机理复杂、特别是各因素都有一定的不确定性。以往以确定的数值来计算安全疏散的过程只能代表所有可能性中的一种[2] , 这对于全面评估疏散的安全程度显然是不够的。为全面评估疏散安全性, 必须考虑各因素的不确定性即随机性的影响。
本文基于可靠性理论, 考虑各因素的随机性, 给出了一个以逃生概率为评价指标的疏散可靠性算法。可以用来评价室内人员在火灾发生后的安全程度。
1. 影响安全疏散的因素及其随机性
疏散指室内人员在失火后到撤离至安全区域的过程。安全疏散指在火灾对室内人员产生危险之前, 室内人员能可靠地撤到安全区域。影响安全疏散的主要因素有[2][3]:
(1) 疏散时间Te失火后室内人员撤离至安全区所用时间, 由下列时段构成:
T0——起火到室内人员发现失火并开始撤离所需时间, 即室内人员的反应时间。t0 与建筑用途、起火时间、室内人员类型、起火模式、起火房间有关。写字间、教室、车间等建筑物在上班时间才有人员活动, 室内人员处于清醒状态, 容易发现起火, T0 就小些。而住宅、宿舍等居住类建筑多数在夜间起火, 室内人员处于睡眠状态, 从起火到惊醒再到意识到失火并开始逃生的时间就长些。室内人员多发现起火就容易, 人少就慢些。阴燃不易发现而产生浓烟或刺鼻气味的明火就容易发现。对于同一房间, 同一组使用者, T0 还跟人员的情绪、工作状态等有关。现行的计算方法[2]将T0 确认为一定值是不妥的, 应使用能代表其特征的随机变量。
T1——疏散开始后到室内人员全部撤离火灾室(或非火灾室) 所需时间。这个时间是发现起火到室内最后一个人跑出火灾室门口所用时间。当疏散通道(火灾室门) 宽度足够的情况时, T1 等于人从室内离门最远的一点(指工作地点) 走到门口所用时间。通道宽度不足时, T1 取决于通道的通过能力(人/秒·米)。T1 主要与室内面积、房间形状、人员密度、门口数量与宽度、室内人行速度等有关。除与建筑物有关的量外, 与人有关的人员密度、人行速度均是随机量。
T2—— 从走道到楼(电) 梯前室所需时间, 取决于人行速度和走道宽度, 还与安全出口指示标志的数量和可靠程度有关。这里人行速度是一个随机量, 不仅与人员组成有关,还受走道的形状和障碍物影响。
T3——从楼(电) 梯前室疏散至安全区(地面或避难层) 所需时间。与楼(电) 梯通过能力有关, 这里电梯的可靠性是一个随机量。
(2) 火灾荷载 室内单位面积上的等效可燃物重量。显然火灾荷载大, 火灾时的烟、热量也大, 火灾危害也越大。但需要注意的是在火灾初期, 燃烧仅限于局部面积, 特别在影响安全疏散的前几百秒, 火灾危害主要取决于这时燃烧速度, 与火灾荷载的关系并不大。
(3) 火灾初期可燃物的燃烧速度、发热与发烟量。热与烟是对安全疏散影响最大的二个因素。可燃物的燃烧速度决定其发热与发烟量, 而燃烧速度与起火时的温湿度、室内通风情况、可燃物种类有关。显然燃烧速度也是一个随机量。特别要指出的是在轰燃前, 燃烧处在蔓延阶段, 燃烧面积不断扩大, 其发热与发烟速度是一个随时间增长的量。
(4) 结构的耐火极限 由于建筑材料的离散性、构件的耐火极限也是随机量。
(5) 消防设备的可靠性 消防设备的故障会引起严重的后果。包括不能及时发现火情、扑灭火灾、不能排烟、增压、不能降下防火卷帘和防火门等。设备不可能绝对可靠, 所以在疏散计算时应考虑设备故障这一随机因素。
(6) 人员素质 室内人员的消防知识将影响疏散的可靠性, 室内人员的镇静、正确选择逃生路线是疏散可靠的基本保证, 但由于慌乱引起的逃生失败也是一种可能发生的情况。在疏散计算时应考虑到这种不确定因素。消防管理人员的素质主要体现在二个方面:设备保养和及时操作。平时不按规定保养设备会提高故障率, 而不能及时操作(如不能通知人员疏散、不能关闭防火门、不能启动排烟、加压系统) 将直接降低疏散可靠性。人员素质只能用随机参数来确切描述。
总之, 影响建筑物室内人员安全疏散的诸多因素中, 除建筑物尽寸外, 均宜用随机变量来表达, 以全面反映变量的全部特征。
2. 安全疏散的可靠性计算
(1) 安全富裕时间Ts 和逃生概率Ps
记 Ts = Te - Td (1)
为安全富裕时间。式中:
Te——疏散时间 Te= T0+ T1+ T2+ T3
Td ——危险时间。指火灾产生足以影响安全疏散的危险时所需时间。(如烟气下降至危险高度, 或CO 浓度高于危险浓度等)
记 Ps=P(Te>Td)=P(Ts>0) (2)
为逃生概率或疏散安全概率。
 (3)
为逃生可靠性指标或疏散可靠性指标。
我们以Ts> 0 为安全疏散判据, 以Ps> Ps或B>B* 为安全疏散的容件标准。这里Ps*和B*为事先确定的设计目标。当然也可以引入其他判据和标准如 等, 不进一步讨论。
(2) 疏散线路有分段时Ps的计算。
当疏散线路有分段时(如工作地点→门口→走道→楼电梯前室) Ts> 0 不能保证每一分段的疏散安全, 故应考察各分段的疏散安全性以得出总的逃生概率Ps。
串联情况 假设逃生线路只有一条且分成n 段, 则逃生概率
Ps = P (Tsi > 0, i = 1, 2, ...n) (4)
式中Tsi为第i 段疏散安全富裕时间, 当Tsi相互独立则有
 (5)
式中Psi= P (Tsi> 0) 为第i 段逃生概率。
并联情况 若逃生路线有m 条则有
 (6)
式中 Psj ——第j 条线路的逃生概率 有分段时按(5) 计算
Pj ——室内人员选择第j 条线路的概率
当逃生路线复杂时, 可以按(4) (5) (6) 式混合计算。当T si相关时计算较复杂, 本文不作深入讨论。
3. 算例
本文给出一个简单的算例说明Ps 的计算方法。假设各参数相互独立且服从正态分布, 仅考虑烟气底部至1.8m 时人员不能通行一种危险情况。表一表示为各参数的数字特征、数值是作者假定的。建筑物平面如图1 所示, 假设失火后火灾室门开敞、楼梯防火门能可靠关闭。房间净高3m。
危险时间Td 计算:
烟气下降至底部高度1.8m 所需填充的体积
Vg= 120m3
可燃物发烟速度Vg= sVf 得Vg～N (0.6, 0.29)m3/s
危险时间Td= Vg/Vg 得Td～N (200, 97) s
疏散时间Te 计算:
室内疏散时间Te0 取按室内疏散速度和门口通过能力计算的大值
按疏散速度计算Te0= 6×10×q/2×qd= 30q/qd 得Te0～N (10, 4.47)
取Te0～N (10, 4.47) s
疏散至门口的富裕时间Ts1= Te- Td 得Ts1～N (190, 97)
Ps0= P (Ts0> 0) = 0.975
走道疏散时间Te1= 10/vL 得Te1～N (3. 33, 0. 78) s
疏散至楼梯前室的富裕时间Ts1= Te1+ Te0- Td
得Ts1～N (186. 7, 97. 1)
Ps1= P (Ts1> 0) = 0. 973
故Ps= Ps0·Ps1= 0. 948= 94. 8%
逃生概率为94. 8%
4. 讨论
(1) 在疏散设计中采用可靠性理论是必要的, 并且是可行的。
(2) 统计参数的准确是保证疏散可靠性分析的基础, 建议进一步开展这方面的工作。
(3) 最小逃生概率Ps*的取值是疏散可靠性分析实际应用的重要参数, 须结合国情进一步研究。
参考文献
[1] 建筑设计防火规范(GBJ16287) , 中国建筑工业出版社, 94. 8
[2] 章孝思:《高层建筑防火》, 中国建筑工业出版社, 1985. 2
[3] 孙金香、高伟译:《建筑物综合防火设计》, 天津科技翻译出版公司, 1994. 8
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【文章出处：蒋济同 李华军 焦桂英】 |
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