大型商業(yè)綜合體火災(zāi)煙氣及疏散模擬

鄭冠霞　楊漪　趙舒野　文虎

摘要：為探究大型商業(yè)綜合體商鋪發(fā)生火災(zāi)時(shí)煙氣蔓延情況及人員疏散所需的安全時(shí)間，運(yùn)用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件Pyrosim和人員疏散模擬軟件Pathfinder建立模型?；馂?zāi)煙氣模擬共設(shè)置首層服裝商鋪和4層電影院2個(gè)火災(zāi)場景，分析排煙系統(tǒng)有效、無效2種工況下大型商業(yè)綜合體能見度、溫度和CO濃度隨時(shí)間的變化情況。結(jié)果表明：對比同一場所不同工況的火災(zāi)，機(jī)械排煙能有效控制著火房間內(nèi)的能見度、溫度和CO濃度;對比同一工況不同場所的火災(zāi)，電影院的危險(xiǎn)性大于服裝商鋪;若首層和4層發(fā)生火災(zāi)，人員分別需要893 s和881 s完成全員疏散;由于大型商業(yè)綜合體廣闊的中庭設(shè)計(jì)，煙氣溢出著火房間后迅速擴(kuò)散，僅著火房間內(nèi)人員可用疏散時(shí)間均小于人員必需疏散時(shí)間，人員處于危險(xiǎn)狀態(tài);若將人員必需疏散時(shí)間中的報(bào)警及響應(yīng)時(shí)間縮短29.7 s，所有工況下的人員都能完成疏散。研究成果可為大型商業(yè)綜合體的火災(zāi)危險(xiǎn)管控提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：安全科學(xué)與工程;大型商業(yè)綜合體;火災(zāi);Pyrosim;Pathfinder

中圖分類號：X 932文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-9315（2022）04-0655-09

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2022.0405

Simulation on fire smoke and evacuation of large

commercial complexZHENG Guanxia，YANG Yi，ZHAO Shuye，WEN Hu

（College of Safety Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：The fire dynamics software，Pyrosim，and evacuation simulation software，Pathfinder，were? used respectively to explore the situation of smoke spread and the required safety egress time in a large commercial complex.A clothing store with a first floor and a cinema with four floors were selected as the scenes of fire and smoke simulation.The change of the visibility and CO concentration with time in a success or failure of the mechanical smoke exhaust system was investigated in a large commercial complex.This results revealed that the success of the system can effectively increase the visibility and decrease CO concentration.Furthermore，cinema exhibited a higher risk than clothing in the success of the system.In case of fire on the first floor and the fourth floor，893 s and 881 s are required to accomplish the evacuation.Due to the design of central courtyard in a large commercial complex，the smoke can rapidly spread after it came out from a burned room，which increased the risk of personal injury.And when the alarm and response time in the required evacuation time is shortened by 29.7 s，evacuation can be completed under all working conditions.This study can provide a guidance for management and control of fire risk for a large commercial complex.

Key words：safety science and engineering;large commercial complex;fire;Pyrosim;Pathfinder

0引言

隨著經(jīng)濟(jì)快速增長，為了順應(yīng)中國市場經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和人民生活需求的多樣化，大型商業(yè)建筑的規(guī)模也隨之?dāng)U大，功能越來越復(fù)雜，在滿足人們?nèi)粘Ｉ钏璧耐瑫r(shí)逐漸成為城市的地標(biāo)性建筑[1]。大型商業(yè)綜合體設(shè)有貫通的中庭，具有人員密集、功能復(fù)雜、商品豐富、電氣線路錯(cuò)綜復(fù)雜、火災(zāi)蔓延快等特點(diǎn)。城市大型商業(yè)綜合體火災(zāi)危險(xiǎn)性較大，發(fā)生火災(zāi)會(huì)導(dǎo)致人員疏散困難，極可能造成群死群傷和大量財(cái)產(chǎn)損失[2]。因此，提高大型商業(yè)綜合體的消防安全刻不容緩。

目前國內(nèi)外學(xué)者對商場火災(zāi)進(jìn)行了相關(guān)研究。詹金良和慕洋洋通過數(shù)值模擬研究了電影院放映廳出口的數(shù)量、寬度、布局等對疏散速率的影響[3];湯煜等對大型商場進(jìn)行疏散模擬，探究了出口數(shù)量及寬度對安全疏散的影響[4];馬子超等對大型商場中庭火災(zāi)進(jìn)行了煙氣與疏散模擬研究，探究了中庭附近排煙設(shè)施對人員疏散的影響[5];胡玉玲等模擬了大空間建筑物內(nèi)噴淋裝置和排煙裝置對火災(zāi)發(fā)展的影響[6];何欣和常力運(yùn)用Pathfinder對商場進(jìn)行模擬，提出了分層疏散，通過開閉不同樓梯間來提高疏散效率[7];EASIR等運(yùn)用Pyrosim模擬商場火災(zāi)，火災(zāi)設(shè)置場景為商場中心池火，根據(jù)模擬仿真預(yù)測了發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員總疏散時(shí)間[8];ANTHONY等研究了大型中庭發(fā)生火災(zāi)的情況下不同自然排煙系統(tǒng)對煙氣層溫度的影響[9];AYALA等對中庭火災(zāi)進(jìn)行了全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，通過與FDS模擬進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)與模擬的熱釋放速率與排煙效率具有一致性[10]。

以上國內(nèi)外學(xué)者對商場進(jìn)行了模擬和火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，研究了出口數(shù)量、出口寬度、排煙設(shè)施、噴淋設(shè)施等對火災(zāi)發(fā)展和人員疏散的影響，研究場景大多為沒有分隔的商鋪或中庭，隨著近幾年大型商業(yè)綜合體的多元化發(fā)展，上下層連通商鋪和電影院數(shù)量增多，連通的商鋪布局、電影院布局和特殊的中庭設(shè)計(jì)在很大程度上會(huì)影響煙氣蔓延。文章以占地面積較大、火災(zāi)危險(xiǎn)性較高、人員較為密集的某大型商業(yè)綜合體為研究對象，將排煙系統(tǒng)有效和失效2種工況做對比，選用一二層連通服裝商鋪和4層電影院2種場所作為火災(zāi)發(fā)生場景，進(jìn)行火災(zāi)煙氣蔓延和人員疏散模擬仿真研究，分析煙氣在商鋪內(nèi)和在中庭下的蔓延規(guī)律以及人員疏散特征，并針對大型商業(yè)綜合體消防安全提出火災(zāi)危險(xiǎn)管控建議，為大型商業(yè)綜合體的科學(xué)化火災(zāi)防控提供理論依據(jù)。

1Pyrosim火災(zāi)煙氣模擬

1.1建筑概況

以西安市某大型商業(yè)綜合體為研究對象。該大型商業(yè)綜合體地上4層，地下3層，建筑高度22.2 m，面積96 277.97 m²。建筑設(shè)有室內(nèi)步行街，長350 m，寬9～15 m，形成貫通首層至4層、高22.2 m的中庭，作為1個(gè)防火分區(qū)，以商鋪外墻防火卷簾作為防火分隔。該建筑屬于多層公共建筑，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，耐火等級為一級。各層占地面積及業(yè)態(tài)分布見表1。

1.2確定火源及測點(diǎn)位置設(shè)計(jì)

通過火災(zāi)隱患排查，經(jīng)過后期裝修改造，破壞了原先防火分區(qū)，形成了2層聯(lián)通的商鋪，且在店內(nèi)扶梯的聯(lián)通口處未設(shè)擋煙垂壁。從燃燒空間上看，服裝大多懸掛放置，可燃物幾乎布滿整個(gè)店鋪，火災(zāi)載荷大。因此設(shè)定首層服裝商鋪火災(zāi)作為研究場景一，火源位于首層。圖1（a）中1～4為首層服裝店設(shè)置的測點(diǎn)，相鄰間隔5 m，5～8為與其相同水平坐標(biāo)上的二層測點(diǎn)。

此外，該商業(yè)綜合體4層電影院，主要可燃物為軟席座椅和隔音裝修材料，日常人流量大且人員高度集中，因此設(shè)定電影院火災(zāi)作為研究場景二，火源位于4層放映廳。由于電影院放映廳皆為單獨(dú)可封閉的空間，放映廳的煙氣極有可能對連通的走道、售票廳、樓梯前室的人員造成危害，除火源位置的放映廳內(nèi)測點(diǎn)間距離5 m，還在走道、樓梯前室、售票大廳和步行街共設(shè)置了8個(gè)測點(diǎn)，如圖1（b）所示。

1.3建立火災(zāi)物理模型

文章根據(jù)某大型商業(yè)綜合體的CAD平面圖運(yùn)用Pyrosim軟件按1∶1的比例進(jìn)行建模，網(wǎng)格尺寸采用1 m×1 m×1 m。某大型商業(yè)綜合體地上4層火災(zāi)煙氣模型如圖2所示。

1.4火災(zāi)場景參數(shù)設(shè)計(jì)

環(huán)境初始溫度為23 ℃，初始風(fēng)速為0 m/s。每間商鋪設(shè)有排煙口，排煙方式為機(jī)械排煙，排煙口尺寸為0.8 m×0.4 m。火源為尺寸1 m×1 m的障礙物，根據(jù)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB51251—2017）[11]中關(guān)于火災(zāi)增長系數(shù)的說明，更為符合大型商業(yè)綜合體的可燃材料的火災(zāi)類別為快速火，快速火火災(zāi)增長速率為0.044 kW/s²。

火源熱釋放速率一般是非穩(wěn)態(tài)的，通常采用t²火災(zāi)模型[12]描述火災(zāi)增長階段

Q=αt² （1）

式中Q為熱釋放速率，kW;α為火災(zāi)增長系數(shù)，kW/s²;t為火災(zāi)增長時(shí)間，s。

火災(zāi)在充分發(fā)展階段的最大熱釋放速率為

Q_max=q×A_c（2）

式中Q_max為最大熱釋放速率，MW;q為單位面積的熱釋放速率，首層服裝商鋪和4層電影院根據(jù)文獻(xiàn)[11]取值10 MW/m²;A_c為可燃物所占面積，取值為1 m²。故最大熱釋放速率Q_max為10 MW。

火災(zāi)煙氣模擬主要考慮機(jī)械排煙對人員疏散的影響，每個(gè)場景設(shè)置機(jī)械排煙失效和有效2種工況，2個(gè)場景共4種火源工況，首層和4層火災(zāi)不同時(shí)發(fā)生，模擬根據(jù)工況分為4次進(jìn)行，見表2。

2火災(zāi)煙氣模擬結(jié)果分析

人體耐受極限的因素可用煙氣能見度、溫度和CO濃度來衡量，通過分析這3種參數(shù)的臨界值判斷是否達(dá)到火災(zāi)的危險(xiǎn)狀態(tài)[13]，判斷各因素達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)的范圍見表3。

2.1能見度分析

圖3（a1）、（a2）、（a3）、（a4）為首層火災(zāi)1～4層機(jī)械排煙有效時(shí)的能見度切片圖，在火災(zāi)發(fā)生的377.7 s和601.0 s后，首層和二層商鋪內(nèi)能見度達(dá)到10 m以下?；馂?zāi)發(fā)生的1 800 s內(nèi)，3層、4層能見度均未達(dá)到10 m以下，人員能安全疏散。圖3（b1）、（b2）、（b3）、（b4）為首層火災(zāi)1～4層機(jī)械排煙失效時(shí)的能見度切片圖，在火災(zāi)發(fā)生361.2，559.0，1 528.7，1 554.2 s后，1～4層能見度達(dá)到10 m以下。煙氣逐漸向上擴(kuò)散至整個(gè)中庭，但3，4層煙氣在經(jīng)過中庭的擴(kuò)散，濃度較低，為人員爭取了充足疏散時(shí)間。

圖4中（a）、（b）為4層火災(zāi)發(fā)展到1 800 s時(shí)機(jī)械排煙有效和失效的能見度圖，機(jī)械排煙有效時(shí)，僅放映廳、對面的房間、走道處能見度達(dá)到了10 m以下;機(jī)械排煙失效的情況下，電影院所有區(qū)域、附近的中庭能見度均達(dá)到了10 m以下。說明機(jī)械排煙能有效控制煙氣濃度。

圖5（a）和（b）分別為排煙失效和排煙有效時(shí)首層火災(zāi)能見度隨時(shí)間變化曲線圖，圖中虛線框?yàn)榫植糠糯髤^(qū)，能見度數(shù)值越小，危險(xiǎn)性越高，能見度達(dá)到10 m為人體耐受極限的臨界值。A，B，C，D分別為測點(diǎn)V2，V1，V6，V5達(dá)到能見度臨界值的坐標(biāo)，當(dāng)機(jī)械排煙失效時(shí)，首層商鋪內(nèi)測點(diǎn)能見度分別在429.6，444.4，698.1，743.9 s時(shí)達(dá)到臨界值;當(dāng)機(jī)械排煙有效時(shí)，首層測點(diǎn)V2，V1，V6，V5能見度達(dá)到臨界值的時(shí)間分別增加了0.5，1，117.3，124.8 s。

圖5（c）和（d）分別為排煙失效和排煙有效時(shí)4層火災(zāi)能見度隨時(shí)間變化曲線圖，A，B，C，D，E，F(xiàn)，G分別為測點(diǎn)V2，V1，V3，V4，V5，V6，V7達(dá)到能見度臨界值的坐標(biāo)，當(dāng)機(jī)械排煙失效時(shí)，4層電影院測點(diǎn)分別在260.6，284.4，606.5，619.5，939.6，1 011.0，1 211.8 s時(shí)達(dá)到臨界值;當(dāng)機(jī)械排煙有效時(shí)，僅測點(diǎn)V2，V1，V4達(dá)到能見度臨界值，并分別增加了56.3，44.1，60.8 s。

2.2溫度分析

圖6對比了首層服裝商鋪和4層電影院在機(jī)械有效和無效2種工況下，測點(diǎn)處溫度隨時(shí)間變化折線圖，圖中虛線框?yàn)榫植糠糯髤^(qū)，溫度值與火災(zāi)危險(xiǎn)性成正比，溫度達(dá)到60 ℃為人體耐受極限的臨界值。圖6（a）和（b）中，A，B分別為測點(diǎn)T2，T1達(dá)到能見度臨界值的坐標(biāo)，排煙失效時(shí)和排煙有效達(dá)到溫度的臨界值60? ℃的時(shí)間均為329 s左右，人員應(yīng)及時(shí)疏散至商鋪外。

圖6（c）和（d）中，A，B，C，D分別為測點(diǎn)T2，T1，T4，T3達(dá)到能見度臨界值的坐標(biāo)。機(jī)械排煙失效時(shí)，4層放映廳和走道的測點(diǎn)T2，T1，T4，T3的溫度達(dá)到臨界值，人員需在192.8 s內(nèi)疏散至放映廳外;機(jī)械排煙有效時(shí)，4層僅放映廳的測點(diǎn)T1，T2達(dá)到臨界值，人員需在328.7 s內(nèi)疏散至放映廳外。

2.3CO濃度分析

圖7對比了首層服裝商鋪和4層電影院在排煙有效和無效2種工況下，測點(diǎn)處CO濃度的變化折線圖，火災(zāi)危險(xiǎn)性隨CO濃度值增高而增高，CO濃度達(dá)到500×10-6為人體耐受極限的臨界值。

對比圖7（a）和（b）可知，首層服裝商鋪排煙失效和有效時(shí)，測點(diǎn)CO濃度始終低于500×10^-6。對比圖7（c）和（d）可知，4層電影院發(fā)生火災(zāi)時(shí)，僅著火房間內(nèi)測點(diǎn)的CO濃度上升到500×10^-6，其他區(qū)域測點(diǎn)CO濃度均在500×10^-6以下。排煙有效時(shí)，測點(diǎn)C2在597.6 s達(dá)到500×10^-6;排煙失效時(shí)，測點(diǎn)C2在820.9 s達(dá)到500×10^-6。

因此，排煙有效時(shí)測點(diǎn)達(dá)到能見度、溫度臨界值的時(shí)間均增加，說明有效的排煙設(shè)施能為人員爭取更多的安全疏散時(shí)間;機(jī)械排煙有效和無效2種工況下4層電影院能見度、溫度、CO濃度達(dá)到人體耐受極限臨界值的時(shí)間均小于首層服裝商鋪，說明電影院的危險(xiǎn)性大于服裝商鋪;步行街測點(diǎn)能見度、溫度、CO濃度始終未達(dá)到臨界值，說明煙氣溢出商鋪后經(jīng)中庭擴(kuò)散迅速降低了煙氣濃度。

由于商業(yè)綜合體獨(dú)特的中庭設(shè)計(jì)，若發(fā)生火災(zāi)，煙氣從商鋪向步行街溢出，在貫穿一至四層的中庭擴(kuò)散，煙氣濃度迅速減小。大空間的中庭降低了煙氣對人員造成的危害，除了電影院有內(nèi)部疏散通道，空間狹小，人員在短時(shí)間內(nèi)處于危險(xiǎn)狀態(tài)，其他疏散樓梯的逃生路線均需要通過中庭，人員若能迅速逃離發(fā)生火災(zāi)的商鋪，就能脫離危險(xiǎn)。故能達(dá)到人員危險(xiǎn)狀態(tài)的地點(diǎn)為發(fā)生火災(zāi)的商鋪內(nèi)以及電影院內(nèi)的疏散通道和發(fā)生火災(zāi)的房間。根據(jù)火災(zāi)煙氣模擬分析結(jié)果，分別對比同一工況、同一地點(diǎn)、3種不同因素下的測點(diǎn)在達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)臨界值的最小時(shí)間，得出人員可用疏散時(shí)間（T_ASET）。

3Pathfinder人員疏散模擬

3.1人員疏散模型構(gòu)建

完成PyroSim模型建立之后，在CAD上對每一層圖紙進(jìn)行修改，并導(dǎo)入PathFinder軟件中，快速建立幾何模型，分別在首層服裝商鋪和4層電影院內(nèi)添加一個(gè)封閉的房間模擬火源，人員在火源四周繞行疏散，疏散模型如圖8所示。

3.2疏散參數(shù)的確定

根據(jù)《建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]，對疏散人數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表4。

不同人員類型及體型尺寸的參數(shù)設(shè)置會(huì)對人員疏散仿真模擬造成一定的影響，根據(jù)國內(nèi)學(xué)者對大型商業(yè)綜合體人員疏散及人體體型尺寸的研究和調(diào)查[15-16]，對模擬疏散仿真涉及到的人員參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，見表5。

4人員疏散模擬結(jié)果分析

根據(jù)學(xué)者研究[17]，人員的必需疏散時(shí)間（T_RSET）一般包含了幾個(gè)不同時(shí)間參數(shù)：報(bào)警時(shí)間（T_A）、響應(yīng)時(shí)間（T_R）和疏散行走時(shí)間（T_M）。即人員疏散的必需疏散時(shí)間（T_RSET）可按（3）公式計(jì)算。

T_RSET=T_A+T_R+1.5×T_M（3）

式中T_A取值60 s。因該大型商業(yè)綜合體內(nèi)設(shè)置了廣播系統(tǒng)，T_R取值120 s。一般情況下，T_M為軟件模擬所得的時(shí)間。因現(xiàn)實(shí)情況下受到人員疏散時(shí)很多突發(fā)事件的發(fā)生和人的行為不受控等因素的影響[18]，取補(bǔ)償系數(shù)為1.5。

首層服裝商鋪、4層電影院疏散模擬的總時(shí)間分別為893 s和881 s。通過分析疏散模擬結(jié)果，得出不同區(qū)域疏散模擬時(shí)間，計(jì)算出人員必需疏散時(shí)間，見表6。

5PyroSim與Pathfinder結(jié)果對比

將火災(zāi)煙氣模擬得出的T_ASET和人員疏散模擬T_RSET對比，最后驗(yàn)證T_ASET>T_RSET是否成立[19]。若T_ASET>T_RSET，則可以認(rèn)為：在所設(shè)定的條件下，處在商場內(nèi)的人員在火災(zāi)產(chǎn)生的危險(xiǎn)因素達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)的臨界值前能夠疏散至安全的區(qū)域。反之，則判定不能達(dá)到人員疏散的安全時(shí)間[20]，對比結(jié)果見表6。

首層商鋪排煙失效和有效的情況下，首層的人員可用疏散時(shí)間均約為329 s，人員必需疏散時(shí)間為334.4 s，相差5.4 s;4層電影院放映廳排煙失效和排煙有效人員可用疏散時(shí)間為192.8 s和214.2 s，比人員必需疏散時(shí)間相差29.7 s和8.3 s，故排煙失效和排煙有效時(shí)，著火房間內(nèi)人員均處于危險(xiǎn)狀態(tài)。

6結(jié)論

1）對比不同工況同一場所的火災(zāi)，排煙失效時(shí)，電影院放映廳、走道、樓梯前室、售票大廳測點(diǎn)分別在260.6，606.5，939.6，1 211.8 s時(shí)能見度達(dá)到10 m。排煙有效時(shí)，電影院放映廳和走道測點(diǎn)在316.9 s和667.3 s能見度達(dá)到10 m，排煙有效時(shí)達(dá)到臨界值的時(shí)間較長。因此，機(jī)械排煙能有效控制著火房間內(nèi)的煙氣濃度。建議加強(qiáng)日常對排煙設(shè)施檢修，保證排煙系統(tǒng)發(fā)生火災(zāi)可以有效啟動(dòng)。

2）對比同一工況不同場所的火災(zāi)，機(jī)械排煙系統(tǒng)有效和失效2種工況下，電影院相對于服裝商鋪達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)下所需的臨界時(shí)間分別降低了114.5 s和135.7 s。這表明電影院的危險(xiǎn)性大于服裝商鋪，且電影院人員集中，垂直方向疏散易出現(xiàn)擁堵的情況，建議在電影院內(nèi)單獨(dú)設(shè)置通往室外的疏散通道。

3）首層服裝商鋪火災(zāi)，人員需893 s完成全員疏散，4層電影院火災(zāi)，人員需881 s完成全員疏散。在排煙失效的情況下，煙氣從商鋪溢出后，自下往上擴(kuò)散至整個(gè)中庭，且堆積在頂層，首層火災(zāi)發(fā)生在1 528.7 s和1 554.2 s后，3層和4層能見度達(dá)到人體耐受極限的臨界值，此時(shí)已完成商業(yè)綜合體全員疏散，全員處于安全狀態(tài)。因此，中庭在很大程度上降低了煙氣濃度，若各商鋪門處安裝防火卷簾，避免火災(zāi)向鄰近商鋪蔓延，能在一定程度上保證人員安全。

4）通過對比人員可用疏散時(shí)間和人員必需疏散時(shí)間，僅著火房間內(nèi)首層服裝商鋪和4層電影院放映廳人員可用疏散時(shí)間小于人員必需疏散時(shí)間，人員處于危險(xiǎn)狀態(tài)。若將人員必需疏散時(shí)間中的報(bào)警及響應(yīng)時(shí)間縮短29.7 s，所有工況下的人員都能完成疏散，故應(yīng)加強(qiáng)商場工作人員的消防安全培訓(xùn)，減低報(bào)警時(shí)間和響應(yīng)時(shí)間，為人員疏散爭取更多時(shí)間，保證全員安全疏散。

參考文獻(xiàn)（References）：

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