某学生宿舍火灾烟气流动及人员疏散研究

某学生宿舍火灾烟气流动及人员疏散研究

宿舍是一个人工密集的特殊建筑。学校地板上有很多燃料。学生中经常发生非法使用消防，这使学生更容易起火。2003年武汉大学某宿舍突发大火,起火层22间宿舍被完全烧毁,造成经济损失十万余元;2008年中央民族大学某宿舍发生火灾,上千名学生被消防员紧急疏散;2008年上海商学院某女生寝室失火,因室内火势过大,4名女大学生跳楼并当场死亡。高校宿舍楼火灾已经引起了部分学者的关注,刘海涛、李亮分别对高校宿舍火灾的成因、特点和对策进行了分析;曹永炜采用火灾事故树法对高校宿舍火灾隐患进行了初步研究;李昂等人则对高校宿舍火灾评估体系的构建进行了探讨。以上工作均局限于定性或半定量研究,具有一定的局限性。本文以某大学学生宿舍楼为对象,采用数值模拟方法对火灾情况下宿舍楼内的烟气蔓延和人员疏散情况进行了计算,研究了该宿舍楼的火灾危险性,定量地分析了常闭式防火门在日常消防安全管理中的重要作用,并对人员疏散提出了改进方案。1计算模型及计算建筑火灾最主要的危害是造成建筑中的人员伤亡,因此通常采用比较可用安全疏散时间(ASET)和所需安全疏散时间(RSET)的方法来判断建筑火灾的危险性,如图1所示。如果ASET大于RSET表明建筑内人员能够安全疏散,而ASET小于RSET则表明建筑内人员无法全部安全疏散,处于危险状态。对于可用安全疏散时间ASET,本文采用美国国家标准技术研究院(NIST)开发的计算流体力学模拟软件FDS5.0(FireDynamicsSimulator)为工具,针对某宿舍楼进行建模并模拟计算了火灾中的烟气流动情况,根据模拟结果确定了宿舍楼内各楼层到达危险时刻的时间。FDS5.0采用大涡模拟方法求解一组描述低速、热驱动流动的Navier-Stokes方程,重点关注火灾导致的烟气运动和传热过程,时间和空间均采取2阶的显式预估校正方法。大涡模拟的基本思想是选择1个滤波宽度对控制方程进行滤波,把流场中的涡分为大涡和小涡,对大涡直接求解,对小涡采用Smagorinsky模型来求解。RSET则包括发现火灾时间、疏散准备时间和疏散运动时间三部分。对于前两部分通常取经验值,而人员运动时间则采用美国佛罗里达大学开发的网络疏散模型EVACNET4.0进行计算。EVACNET4.0将建筑单元如房间、楼梯等简化为一个个节点,将连接分隔间的通道简化为连接节点之间的弧线,对建筑内的人员疏散进行计算,目前该模型在人员疏散领域得到了广泛的应用。2增注下危险场景本文选择的宿舍楼地上六层,主体高度20m,入住学生2336人。宿舍楼的标准层平面示意如图2所示,楼内共设置4部楼梯,分别是楼梯1、楼梯2、楼梯3、楼梯4。地上一层共设有3个安全出口,分别为位于宿舍楼西侧的楼梯1的出口、位于东侧的楼梯4的出口以及位于楼梯2和楼梯3中间的中部出口。宿舍楼的四部楼梯均为封闭楼梯间,但为了出入方便,楼梯1的防火门常年开启。在火灾场景的设计中通常考虑最不利原则,即考虑所有火灾场景中最危险的情况。对于建筑火灾其最危险的情况为起火房间发生轰燃,因此本文考虑以下两个火灾场景。场景一:三层一宿舍发生火灾并发展到轰燃,起火房间位置如图2所示,四部楼梯间防火门均关闭,火灾烟气被限制在起火层内,四部楼梯均可以使用。场景二:三层一宿舍发生火灾并发展到轰燃,起火房间位置如图2所示,楼梯1防火门开启,火灾烟气可沿该楼梯进入三层以上楼层,楼梯1在疏散中无法使用。热释放速率曲线的选择是火灾场景设计中的重要内容,本文中热释放速率曲线设置为t2-稳定型,即火灾初期增长阶段热释放速率满足t2增长规律,发生轰燃后达到稳定值。对于初期增长阶段有:Qf=αt2(1)Qf=αt2(1)式(1)中Qf为热释放速率,α为火灾增长因子,t为火灾持续时间。其中火灾增长因子α需考虑可燃物荷载密度的影响αf以及墙和吊顶的影响αm,即:α=αf+αm(2)α=αf+αm(2)对于未进行壁面装修的宿舍αm值为0.0035,αf则由式(3)计算:αf=2.6×10−6q5/3(3)αf=2.6×10-6q5/3(3)式(3)中q为房间内火灾荷载密度,其表达式为:q=∑MvΔhcAf(4)q=∑ΜvΔhcAf(4)式(4)中Mv为单个可燃物的质量,Δhc为单个可燃物的燃烧热,Af为建筑地板面积。由式(2)、式(3)、式(4)可计算出火灾增长因子α为0.08165。对于轰燃后的稳定燃烧阶段,火灾热释放速率可按Thomas提出的轰燃判据进行计算:Qf=7.8AF+378AWHW−−−√(5)Qf=7.8AF+378AWΗW(5)式(5)中AF室内所有表面的总面积,AWHW−−−√AWΗW为该房间的通风因子。综合两个阶段可确定出热释放速率曲线如图3所示。3结果和讨论3.1疏散方案的确定本文采用烟气能见度下降到10m作为达到危险时刻的判据,根据FDS的模拟结果即可确定出ASET。图4给出了火灾发生后起火楼层距离地面2m处烟气能见度低于10m的区域。从图4可以看出,火灾发生后263s,起火层所有楼梯口处均达到危险状态,此时该楼层人员无法继续疏散,因此可以认为此时ASET为263s。REST由三部分时间组成,考虑到宿舍楼内人员密集,一旦发生火灾能够被迅速发现;同时楼内学生对宿舍楼结构非常熟悉,发现火灾后能够很快开始疏散,因此本文将发现火灾时间和疏散准备时间一共取为120s。而疏散运动时间则由EVACNET计算,首先考虑所有楼层同时疏散的方案,计算结果如表1所示。从中可以看出,在此疏散方案中由于上部楼层人员进入楼梯间后对三层人员疏散起到了阻碍作用,因此起火层人员需要480s的时间才能全部进入楼梯间,加上发现火灾时间和疏散准备时间,RSET为600s,远远高于ASET值,起火层的人员处于危险状态。为此本文提出了起火层优先疏散的方案,在此方案下首先疏散起火层人员,然后起火层以上依次进行疏散,计算结果见表1。计算结果表明,采用起火楼层优先疏散方案后,三层人员疏散时间从600s缩短至250s,能够实现起火层人员安全疏散,但RSET仅略小于ASET;而六层人员疏散时间由435s延长至640s。由于防火门阻挡了烟气沿楼梯间蔓延至以上楼层,因此延长起火层以上人员疏散时间是可以接受的。3.2疏散方案的确定此场景中由于楼梯1防火门开启,烟气能够沿楼梯井蔓延至以上楼层,威胁到各层人员安全,同时楼梯1由于被烟气充满,使得三至六层人员只能使用其余三部楼梯疏散,延长了疏散时间。采用烟气能见度下降到10m作为达到危险时刻的判据,根据FDS模拟结果确定出各楼层达到危险时刻的时间如图5所示。采用所有楼层同时疏散方案时,由于仅有三部楼梯可用,起火楼层人员需要765s才能疏散完毕;远大于ASET值。而火灾烟气沿楼梯1进入上部各层后将在各层内蔓延,第四至六层达到危险时刻的时间分别为466s、496s和613s,而各层人员疏散所需时间分别为650s、590s和545s,如表2。由此可见,采用该疏散方案时三至五层人员均处于危险状态。而采用起火楼层优先疏散方案后,三层人员疏散时间由765s降低至300s,小于ASET值。当三层人员疏散完毕后,再按照四层、五层、六层的顺序疏散,从计算结果可知采用此方案后,四至六层的人员疏散时间分别为480s、660s和840s,均大于ASET值。可见当楼梯1防火门开启时,起火层和上部楼层均处于危险中,而延长上部楼层人员疏散时间来保障起火层的人员疏散是不能够接受的,因此在楼内防火门必须处于关闭状态,将火灾烟气限制在起火楼层内,否则难以保障楼内人员安全。3.3楼梯间疏散连接人员疏散运动时间是由人员行走时间与拥堵时间决定的,在人员密集的场所,拥堵时间是总疏散时间的决定性因素。在宿舍人员向下疏散过程中,沿着宿舍-走廊-前室-楼梯间-大厅-大门的疏散路线进行的。在这个过程中任何一个节点发生了拥堵,都会延长疏散时间,这些发生拥堵的节点称为疏散瓶颈。通过疏散瓶颈分析,找出主要的疏散瓶颈并对其采取改进措施能够有效地减少疏散时间。从宿舍人员的疏散路线中可知,楼梯间是疏散路线中最容易发生拥堵的节点,各层人员通过前室进入该层楼梯间,同时上层人员也不断向下层楼梯间疏散,这就导致下层楼梯间的疏散压力增大,当节点内人员达到其容纳上限后就会出现拥堵现象;而下层楼梯间内发生的拥堵反过来也会影响到上层人员的向下疏散。本文对宿舍采用整体疏散方案时,一层至三层各楼梯间作为疏散瓶颈的时间如表3所示。可见宿舍内人员在向下疏散的过程中作为主要疏散瓶颈的是二层的楼梯间。二层至六层的人员都必须通过二层的楼梯间疏散至一层,而这些节点的疏散能力(即有效疏散宽度)远不能满足疏散的需要,其结果导致二至六层楼的梯间内均发生拥堵,各楼层均有大量人员被堵在楼内无法进入楼梯间。这就是造成人员疏散时间过长的最主要因素。从以上分析可以看出要减少人员疏散时间,最有效的方法是提高二层楼梯间的疏散能力,即增加该层楼梯的有效疏散宽度,如在二层楼梯间设置火灾时可直通室外的疏散出口等。为了验证该方案的有效性,本文计算了将二层有效疏散宽度增加一半的情况,其结果如表4所示。由表4可以看出,当二层楼梯有效疏散宽度增加以后,楼梯间内的拥堵情况得到了很大的改善,3层人员全部进入楼梯间的时间缩短了110s,可见增加二层楼梯宽度是有效的。4注意常闭式防火门的开闭式本文对某大学学生宿舍楼火灾烟气流动及人员疏散进行了数值模拟计算,计算结果表明:(1)封闭楼梯间的防火门