考慮不同燃燒產(chǎn)物產(chǎn)率的復(fù)合功能體育館煙氣蔓延模擬分析

李瑩輝，潘海迅，崔家春

（1.華東建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 200002;2.上海建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 200041）

1 引言

在性能化消防分析中，可用安全疏散時間ASET 指火災(zāi)從開始發(fā)展到威脅人員安全所經(jīng)歷的時間，主要通過火場溫度、能見度、CO 濃度等指標(biāo)的閾值來判定[1]。能見度主要由煙氣的濃度、刺激性、物體及背景的亮度等因素決定。在火災(zāi)煙氣模擬中，影響溫度、煙氣濃度、CO 濃度的主要因素是火災(zāi)規(guī)模大小以及可燃物的煙氣產(chǎn)率ys、CO 產(chǎn)率yco[2]。在消防性能化分析中，火災(zāi)規(guī)模的大?。後尫潘俾剩┮话阌幸?guī)范依據(jù)[3-4]，而可燃物的煙氣產(chǎn)率、CO 產(chǎn)率沒有規(guī)范參考，很大程度上依賴于分析人員的工程背景和主觀判斷。

體育館的復(fù)合化設(shè)計是以一種或幾種競技體育設(shè)施為主體，集成功能相關(guān)、以經(jīng)營創(chuàng)收為主要目的的多種附屬設(shè)施，形成能滿足除比賽以外的文藝演出、會展、健身、娛樂等多種需要的功能復(fù)合體[5]。當(dāng)體育館具有復(fù)合功能時，其可燃物的種類就相應(yīng)增加，不同使用功能下的火荷載也有一定差別。以某復(fù)合功能體育館為例，在FDS 的煙氣蔓延模擬計算中考慮了不同使用功能下的火災(zāi)規(guī)模、燃燒產(chǎn)物產(chǎn)率的不同，并通過定量分析可燃物的煙氣產(chǎn)率、CO 產(chǎn)率對ASET 的影響。為提高消防性能化分析的可靠性及復(fù)合型體育館的煙氣蔓延分析提供參考。

2 火災(zāi)場景設(shè)計

2.1 火災(zāi)位置與規(guī)模

以某復(fù)合功能體育館為研究對象，該體育館平面尺寸108 m×126 m，主場館空間高度23.4 m。綜合分析復(fù)合功能體育館的布局特點和其內(nèi)可燃物品的類型及堆放場所，本文主要確定了3 個火源點，即比賽場地中心、演唱會時的舞臺、三層看臺區(qū)，位置如圖1 中的A、B、C 所示。

圖1 火源點位置

參考DG J08-88—2021《建筑防煙排煙系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[3]中關(guān)于室內(nèi)凈高大于8 m 的公共場所火災(zāi)規(guī)模的規(guī)定，設(shè)定比賽場地火源A 的火災(zāi)熱釋放速率為8 MW。參考DG J08-88—2021《建筑防煙排煙系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于商店、展覽的火災(zāi)規(guī)模的規(guī)定，設(shè)定舞臺火源B 的火災(zāi)熱釋放速率為10 MW。參考NFPA92B Standard for Smoke Management Syste ms in Malls,Atria,and Large Spaces 中座椅的火災(zāi)測試數(shù)據(jù)，看臺火源C 火災(zāi)規(guī)模取3MW，相當(dāng)于18 把座椅同時燃燒。

假設(shè)火災(zāi)增長模型均為t2火災(zāi)，考慮舞臺的可燃物包括幕布、輕質(zhì)道具、燈光設(shè)備等易燃物且分布較連續(xù)、集中，保守的將舞臺火災(zāi)設(shè)計為超快速火，火災(zāi)增長因子為0.178，比賽場地和看臺的火災(zāi)設(shè)計為快速火，火災(zāi)增長因子為0.044[3]?；谠擉w育場的防排煙設(shè)計，場館上方均勻分布8 個機(jī)械排煙口，總排煙量為360 000 m3/h。

2.2 可燃物的燃燒產(chǎn)物產(chǎn)率

The SFPE Handbook of Fire Protection Engineering（3rd edition）[6]提供了若干材料在通風(fēng)良好時的CO 產(chǎn)率yco和煙氣產(chǎn)率ys如表1 所示。體育館為大空間，可燃物燃燒時氧氣充足，可參考通風(fēng)良好時的燃燒產(chǎn)物產(chǎn)率。樓書含[7]提到籃球場表面材料為丙烯酸聚合物，而有些籃球場可能采用木地板，因此，比賽場地可燃物燃燒產(chǎn)率參考丙烯酸塑料和松木的yco和ys，偏保守的分別取0.01 和0.022。舞臺的可燃物燃燒產(chǎn)率參考丙綸、滌綸、尼龍和硅膠的yco和ys，偏保守的分別取0.038和0.091。體育場普通看臺的硬質(zhì)塑料座椅一般由聚乙烯或聚氯乙烯[7]吹塑而成，看臺火源可燃物燃燒產(chǎn)率參考聚乙烯和聚氯乙烯的yco和ys，偏保守的分別取0.063 和0.172。

表1 常見材料燃燒產(chǎn)物產(chǎn)率 g/g

3 分析結(jié)果

3.1 可用安全疏散時間ASET

根據(jù)煙氣擴(kuò)散和沉降過程，觀眾看臺離地面位置越高的地方越易受到煙氣的影響，因此，最高看臺位置的觀眾的火災(zāi)危險性最高，但在緊急疏散時觀眾并不會在最高看臺處逗留很久，反而在疏散口位置會聚集有較多觀眾排隊等待離開。因此，以各疏散口2 m 高度處的煙氣溫度、能見度和CO 濃度是否到達(dá)閾值來確定各區(qū)域觀眾的可用安全疏散時間ASET，溫度、能見度和CO 濃度的閾值分別取為60 ℃、10 m 和500 mg/L。

3.1.1 比賽場地火災(zāi)

在整個模擬時間內(nèi)，三層看臺疏散口的溫度和CO 濃度均未超過相應(yīng)閾值。三層看臺6 個疏散口2 m 高度處的能見度隨時間發(fā)展如圖2 所示。6 個疏散口的能見度在669～762 s相繼達(dá)到閾值，兩邊疏散口的能見度降低速率比中間疏散口更快，保守考慮，三層疏散口的ASET 為669 s。二層和底層疏散口比三層疏散口位置低，溫度和CO 濃度更低，不影響觀眾疏散。二層疏散口的能見度最早在958 s 時降低到10 m，底層疏散口的能見度在整個模擬時間內(nèi)均未降低到10 m?；谀芤姸鹊姆治鼋Y(jié)果，二層和底層疏散口的ASET 分別為958 s 和大于1 200 s。

圖2 比賽場地火災(zāi)下三層看臺疏散口能見度變化曲線

3.1.2 舞臺火災(zāi)

在整個模擬時間內(nèi)，三層看臺疏散口的溫度和CO 濃度仍未超過相應(yīng)閾值。三層看臺6 個疏散口2 m 高度處能見度隨時間發(fā)展如圖3 所示。6 個疏散口的能見度在181～230 s 相繼達(dá)到閾值，與比賽場地火災(zāi)一樣，兩邊疏散口的能見度降低速率比中間疏散口更快，保守考慮，三層疏散口的ASET 為181 s。二層和底層疏散口比三層疏散口位置低，溫度和CO 濃度更低，不影響觀眾疏散。二層疏散口的能見度最早在364 s時降低到10 m，底層疏散口的能見度在819 s 時降低到10 m。基于能見度的分析結(jié)果，二層和底層疏散口的ASET 分別為364 s 和819 s。

圖3 舞臺火災(zāi)下三層看臺疏散口能見度變化曲線

3.1.3 看臺火災(zāi)

雖然該火災(zāi)下燃燒產(chǎn)物的CO 產(chǎn)率和煙氣產(chǎn)率較大，但火源功率相對較低，在整個模擬時間內(nèi)，溫度、能見度和CO濃度均未超過相應(yīng)閾值，該火災(zāi)工況下各層疏散口的ASET均大于1 200 s。

3.2 燃燒產(chǎn)物產(chǎn)率的影響

為研究不同燃燒產(chǎn)物產(chǎn)率對可用安全疏散時間ASET 的影響，參考表1 中所列常見材料燃燒產(chǎn)物的產(chǎn)率，假設(shè)演出舞臺火災(zāi)的可燃物煙氣產(chǎn)率ys分別為0.015 g/g、0.022 g/g、0.060 g/g、0.091 g/g 和0.172 g/g，CO 產(chǎn)率yco分別為0.005 g/g、0.01 g/g、0.024 g/g、0.038 g/g、0.063 g/g，分別計算各工況下的煙氣蔓延及可用安全疏散時間。

燃燒產(chǎn)物產(chǎn)率取值不同時，舞臺火災(zāi)下各層最不利疏散口的煙氣能見度和CO 濃度隨時間變化如圖4～圖6 所示?？梢钥闯觯瑹煔猱a(chǎn)率ys取值不同對各層疏散口能見度計算結(jié)果的影響均較大，且ys越大，能見度的下降速率越大，能見度下降到閾值的時間也越早。CO 產(chǎn)率yco取值不同對各層疏散口CO 濃度計算結(jié)果的影響均較大，且yco越大，CO濃度的增長速率越大。針對本文所研究的復(fù)合功能體育館，CO 濃度均未達(dá)到閾值，因此，yco不影響本體育館的可用安全疏散時間。

圖4 三層疏散口能見度、CO濃度的變化曲線

圖5 二層疏散口能見度、CO濃度的變化曲線

圖6 一層疏散口能見度、CO濃度的變化曲線

三層疏散口分別在600 s、800 s、1 000 s 和1 200 s 時的煙氣能見度和CO 濃度隨燃燒產(chǎn)物產(chǎn)率的變化如圖7 所示，不同時刻的煙氣能見度均隨ys的增加而降低，能見度降低的幅度在ys值較低時更為明顯。不同時刻CO 濃度均隨yco的增加而增加，且CO 濃度增加的幅度在yco值較大時更為明顯。

圖7 燃燒產(chǎn)物產(chǎn)率對能見度、CO濃度的影響

各層疏散口可用安全疏散時間ASET 隨煙氣產(chǎn)率ys的變化如圖8 所示，當(dāng)ys從0.015 g/g 增加至0.172 g/g 時，三層疏散口的ASET 從699 s 減少至174 s，二層疏散口的ASET 從1 096 s 減少至360 s，首層疏散口的ASET 從大于1 200 s 減少至805 s。各層疏散口的ASET 隨ys增加而減小的幅度隨著ys的增加而降低。而當(dāng)ys從0.091 g/g 增加至0.172 g/g 時，各層疏散口的ASET 僅減小了不到10 s。

圖8 各層疏散口的ASET

4 結(jié)論

通過對某復(fù)合功能體育館不同火災(zāi)工況下的FDS 煙氣蔓延模擬，考慮了不同燃燒產(chǎn)物的產(chǎn)率對煙氣蔓延的影響，通過參數(shù)分析得到了不同火災(zāi)工況及不同燃燒產(chǎn)物下的可用安全疏散時間。結(jié)論如下：

1）對于大空間的復(fù)合功能體育館建筑，不同火災(zāi)工況下，在整個煙氣模擬過程中煙氣溫度和CO 濃度均未超過閾值，因此，對于疏散安全影響不大，而煙氣能見度是決定可用安全疏散時間的主要因素。

2）對于本文研究的復(fù)合功能體育館，舞臺火災(zāi)引起的煙氣蔓延對人員疏散的影響最大，三層、二層和首層疏散口的可用安全疏散時間ASET 分別為181 s、364 s 和819 s；比賽場地火災(zāi)時三層、二層和首層疏散口的ASET 分別為669 s、958 s 和大于1 200 s；看臺火災(zāi)時各層疏散口的ASET 均大于1 200 s。

3）可燃物的燃燒產(chǎn)物產(chǎn)率對煙氣蔓延模擬結(jié)果有較大影響。煙氣能見度均隨煙氣產(chǎn)率ys的增加而降低，能見度降低的幅度在ys值較低時更為明顯。CO 濃度均隨CO 產(chǎn)率yco的增加而增加，且CO 濃度增加的幅度在yco值較大時更為明顯。各層疏散口可用安全時間ASET 隨ys的增加而減小，幅度隨著ys的增加而降低。

4）對于大空間的復(fù)合功能體育館，煙氣產(chǎn)率ys對可用安全疏散時間ASET 的影響較大，消防性能化分析時建議針對不同可燃物類型設(shè)置不同的燃燒產(chǎn)物產(chǎn)率，當(dāng)對火災(zāi)可燃物的燃燒特性不明確時，建議ys保守的取不小于0.09的值。