1火灾发展与人员疏散的时间联系国际应急管理学会TIEMS.docx
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1火灾发展与人员疏散的时间联系国际应急管理学会TIEMS
大型商场火灾与人员疏散数值模拟分析
徐永莉
（首都经济贸易大学安全与环境工程学院，北京，100070）
摘要：
为了研究大型商场火灾时人员疏散方式对安全疏散的影响，以某大型商场为例，采用4种疏散方式，使用火灾模拟软件PyroSim模拟分析火灾时可用安全疏散时间，并使用疏散模拟软件Pathfinder分析各种疏散方式所需安全疏散时间。
结果表明：
火源位于三层中庭处时，使用停运的自动扶梯作为安全疏散设施并分层进行疏散，可以确保商场内全部人员的人身安全。
关键词：
大型商场；火灾；数值模拟；安全疏散
Fireandpersonnelevacuationnumericalsimulationanalysisofoneemporium
XUYong-li
（SchoolofSafetyandEnvironmentEngineering,CapitalUniversityofEconomicsandBusiness,Beijing100070,China）
Abstract:
Inordertostudytheinfluenceofevacuationwayforsafetyevacuationwhenthefireoccursinoneemporium,inthecaseofemporium,fourstylesofevacuationareused.AvailablesafetyegresstimeissimulatedandanalyzedbyfiresimulationsoftwarePyroSim,whenthefirehappened.ThenrequiredsafetyegresstimeoffourstylesofevacuationisanalyzedbyevacuationsimulationsoftwarePathfinder.Theresultsshowthatthesafetyofallpeopleareensuredinemporiumbyusingtheshutdowntheescalatorassafetyevacuationfacilitiesandlayeredforevacuationwhenthefireinthethreelayersofatrium.
Keywords:
emporium;fire;numericalsimulation;safetyevacuation
近年来，大型综合商场越来越多，规模越来越也大，在给人们带来方便的同时，由于其人员密集、可燃物质多、电气设备及线路繁多和人员疏散难度大，也带来了很大的火灾危险，并且容易造成群死群伤。
火灾事故调查中发现，大部分人员伤亡都是由于人员不能及时疏散，致使发生烟气窒息、高温灼伤和踩踏。
因此，笔者以某大型商场为研究对象，用PyroSim软件和Pathfinder软件对商场某位置火灾时CO质量浓度、温度、能见度和人员疏散情况进行模拟，分析火灾情况下如何对人员进行及时和有效的疏散。
1火灾发展与人员疏散的时间联系
建筑物发生火灾后，人员能否安全疏散主要取决于两个时间参数，即所需安全疏散时间（RSET）和可用安全疏散时间（ASET）。
当RSET＜ASET时，建筑物内的人员在火灾时可以安全疏散；反之，则说明建筑物内的部分人员在火灾时会遇到危险[1]。
RSET（tR）包括三个部分，即tR=t1+t2+t3。
t1为从起火到发出报警时间，由火灾报警系统决定。
商场一般采用感烟探测器，考虑到火灾报警器发出警报的时间及工作人员确认火灾并报警的时间，将t1设定为90s[2]；
t2为从火灾报警后到人采取行动的时间，即人的预动作时间。
Charters在对火灾事故调查基础上得出不同场所人员疏散预动作时间的统计，见表1[3]。
t2设定为1.81min；
表1不同建筑类型的人员疏散预动作时间统计
建筑类型
疏散预动作时间均值/（min）
疏散预动作时间范围/（min）
统计火灾次数/（次）
办公室
1.89
0~9
19
商店和商业场所
1.81
0~7
16
公共娱乐场所
2.00
0~9
28
t3为人员从采取行动到抵达安全区域的时间，可由人员疏散模拟得到。
考虑到火灾时有的出口由于CO质量浓度、温度和能见度的影响不具备安全疏散所需的条件，需要一定的安全系数作为对疏散时间的补偿。
参考《澳大利亚消防工程指南》，安全系数取为1.5[4]。
ASET（tA）可由火灾模拟得到，但需要人员安全判定指标。
据相关数据统计，建筑火灾中大部分人员伤亡都是由于烟气中的CO、高温烟气和能见度所致，因此选择CO质量浓度、温度和能见度作为衡量人员安全的指标。
由文献[5]给出的血液中碳氧血红蛋白浓度与中毒症状的关系和空气中CO质量浓度、吸入时间与血液中碳氧血红蛋白浓度的关系，CO质量浓度的安全判定值选取为1.0×10-3kg/m3。
对于温度，Cranee推荐了温度与人体极限忍受时间的关系式，如式
（1）所示。
t=4.1×108/[（T－B2）/B1]3.61
（1）
式中：
t表示极限忍受时间，min；T为空气温度，℃；B1和B2分别为常数1.0和0[6]，考虑到实际情况，安全系数取为0.6，式
（1）整理为式
（2）。
t=2.46×108/T3.61
（2）
根据式
（2）计算，温度的安全判定值选取为70℃。
在某些情况下，烟气的温度并不是很高，但是能见度很低，这会对人员的安全疏散产生影响，能见度的安全判定值选取为10m[7]。
火灾发生之后，烟气逐渐上升，在蔓延过程中烟气层下降，当烟气层下降到人员呼吸的高度，CO质量浓度、烟气和能见度温度达到人体极限时，会导致人员伤亡。
因此，判断CO质量浓度、温度和能见度是否对人构成危险，通常是以人眼特征处的值作为判断依据。
人眼的特征高度为1.2~1.8m[8]，取人眼特征高度为1.8m。
2模型建立
某大型商场地处繁华地段，地下有一层，为设备层（对火灾人员疏散影响较小，不予考虑）；地上共五层，一层建筑面积为5654.4m2，高为5m；二层至五层建筑面积均为5952m2，高均为4.5m。
商场一层有13个出口，分别位于东侧（1个）、南侧（5个）、西侧（2个）和北侧（4个）；共有5部剪刀楼梯，分别位于南侧（2个）、北侧（3个）；有7部电梯，其中2部货梯、1部消防电梯、4部普通电梯；还有4台自动扶梯，如图1所示。
图1某大型商场一层平面图
2.1PyroSim建模
在人员疏散过程中，大部分人集中在三层和四层，并且烟气蔓延先是上升到最顶端再向下蔓延，把火源设在三层和四层进行模拟对比发现，设在三层时能见度下降快。
因此，根据“火灾危险性最大原则”，将火源放置在三楼中庭处[9]。
按照上海市地方标准DGJ08-88-2006《建筑防排烟技术规程》[10]中的规定，火源热释放速率取4.0MW，火灾增长模型为t2火模型，火灾增长系数大小为0.047kW/s2，火源面积为8m2。
由于计算空间较大，考虑到计算量，将计算网格尺寸设定为0.5m×0.5m×0.5m[11]，火灾模拟时间设定为2400s，ProySim模型如图2所示。
图2某大型商场ProySim模型
2.2Pathfinder建模
根据GB50016-2006《建筑设计防火规范》[12]中规定：
商店的疏散人数应按每层营业厅建筑面积乘以面积折算值和疏散人数换算系数计算，地上商店的面积折算值宜为50%～70%。
但因其对每层疏散人数换算系数的规定已不符合现在的商业建筑情况，而根据文献[13]的研究成果知，疏散人数换算系数为：
第一、二层为0.4~0.6；第三层为0.3~0.5；第四层及以上各层为0.2~0.4。
因此，面积折算值取0.6，疏散人数换算系数取每层最大值。
因二层有一个240m2的空庭，将其单独减去。
在人员疏散过程中，由于年龄、性别等的不同，运动速度是不同的，现根据BuildingEXODUS利用Fruin的研究成果设定的不同年龄段和性别人员下楼梯的速度设定人员速度[3]。
按照上述，各层疏散人员情况见表2。
表2各层疏散人员情况
楼层
计算面积
（m2）
疏散人数
（人）
男士百分比（%）及速度（m/s）
女士百分比（%）及速度（m/s）
1.01
0.86
0.67
0.755
0.665
0.595
＜30
30~50
＞50
＜30
30~50
＞50
一层
3392
2035
10
20
3
22
38
7
二层
3331
1999
20
25
15
10
20
10
三层
3571
1786
5
12
3
15
50
15
四层
3571
1428
14
8
3
40
25
10
五层
3571
1428
16
16
4
28
28
8
据我国国家标准GB-10000-88《中国成年人人体尺寸》[14]，成年男子肩宽取41.5cm，成年女子肩宽取38.7m。
大型商场和自动扶梯的Pathfinder模型见图3，模拟时间为1500s。
图3某大型商场和自动扶梯的Pathfinder模型
2.3方案设计
为分析商场火灾时各个疏散通道处CO质量浓度、温度和能见度随时间和位置的变化情况，在每一层的楼梯口、自动扶梯口及一层每个出口设置CO质量浓度、温度和能见度探测器，距离地面1.8m。
在很多商场火灾事故调查中发现，消防系统总多有失效，考虑到最危险的情景，假设商场消防系统全部失效。
方案一：
《建筑设计防火规范》中规定自动扶梯和电梯不应作为安全疏散设施，因此，只将5部楼梯和消防电梯作为疏散通道。
方案二：
据资料[15]可知，停运的自动扶梯有作为安全疏散楼梯的必要性，而美国现行的《轨道交通客运系统标准》2007版中规定自动扶梯允许用作疏散设施[16]。
因此，将5部楼梯、消防电梯和停运的自动扶梯作为安全疏散通道。
方案三：
考虑到发生火灾时烟气的流动和人员拥堵，在方案一的基础上，先对五层人员进行疏散；当五层人员至三层以下时，对三层和四层人员进行疏散；当三层和四层人员疏散至二层以下时，对二层人员进行疏散；在五层人员疏散时，一层人员通过非楼梯直对出口疏散。
方案四：
在方案三的基础上，将停运的自动扶梯作为安全疏散通道。
3模拟结果分析
3.1ProySim模拟结果
通过模拟可知，每层CO质量浓度和温度在2400s内各出口附近最大值分别为4.29×104kg/m3和54.82℃，没有达到其临界值，则说明CO质量浓度和温度在这段时间内没有对人构成伤害。
因此，只将能见度作为衡量所需安全疏散时间的指标。
见图4。
at=280.8sbt=492s
图4五层能见度随时间变化情况
280.8s时，楼梯2和3的楼梯口处在一定范围内，能见度开始下降到10m以下。
492s时，楼梯间和自动扶梯处能见度均降到10m以下，这时五层所有的疏散出口已不适于人员疏散，人员处于危险状态。
随着时间的增加，能见度将逐渐下降，人员要在这之前疏散到下个楼层，才能保证人身安全。
其他楼层作同样分析，如表3所示。
表3三层至五层能见度达到临界值时间（ASET）表
所有楼梯间能见度达到
临界值的时间/s
自动扶梯处能见度达到
临界值的时间/s
五
492
492
四
612
1300
三
1116
1896
3.2Pathfinder模拟结果
方案一和方案二各层人员疏散出本楼层所需安全疏散时间tR1，按各部分的组成可根据tR1=90s+108.6s+1.5t3计算。
而方案三和方案四，在计算三层和四层的人疏散时将五层人员疏散至三层以下所用时间加上；在计算二层人员疏散时间时将三层和四层疏散到二层以下所用时间加上，如表4所示。
3.3结果分析
从表4可知，各方案中的一层和二层的RSET均小于2400s，说明一层和二层一直处于安全状态，因此对其不做分析。
表4各层所需安全疏散时间（RSET）表
各层所需安全疏散时间/s
方案一
方案二
方案三
方案四
五
1481.1
1308.6
519.6
479.1
四
1541.1
1341.6
1255.3
1136.4
三
1593.6
1427.1
1311.3
1208.4
二
1646.1
1475.1
1752.4
1563.9
一
1697.1
1519.3
1886.4
1619.4
对于方案一，从人员疏散整体来看，虽然人员疏散总时间小于一层出口达到危险的时间，但是从各层疏散时间情况来看，却存在危险。
五、四、三层的REST均大于ASET，并且五层和四层的RSET约是ASET的3倍，如图5所示。
这说明在发生火灾时，以此方式疏散，五、四、三层大部分人员将处于非常危险状态。
从模拟过程可以看出，虽然一层有13个出口，但是在疏散时，二层以上人员只会选择5部楼梯直对的5个出口，使一层其他出口在一层人员疏散至安全区域后没有起到疏散作用。
同时，在这5个出口处出现大量人员拥堵现象，使人员处于危险状态。
图5方案一的ASET与RSET对比图
对于方案二，虽然增加了疏散通道，三层人员可以安全疏散，但由于楼梯间大量拥堵，五层和四层的人仍无法在危险到达前疏散到安全区域，特别是五层，RSET约是自动扶梯处ASET的2.7倍，如图6所示。
这说明虽将自动扶梯作为疏散通道减少了RSET，但仍不能满足安全需要。
图6方案二的ASET与RSET对比图
比较方案三与方案一各层对应的RSET可知，方案三大大减少了五层所需安全疏散时间，同时四层和三层所需安全疏散时间也减少约280s。
但五、四、三层仍有部分人员处于危险状态，特别是四层，如图7所示。
这说明采取分层疏散仍不能满足安全疏散。
图7方案三的ASET与RSET对比图
比较方案四与方案一各层对应的RSET可知，方案四种五层疏散时间减少了2/3，四层和三层疏散时间减少了约400s；比较方案四与方案三各层对应的RSET可知，五层疏散时间减少了39.9s，四层和三层疏散时间减少约100s，如图8所示。
图8方案四与方案一和三的RSET对比图
比较方案四的RSET与自动扶梯处的ASET可知，各层RSET均小于ASET。
这说明采用此方式进行人员疏散可以保证每层人员及时到达安全区域，如图9所示。
图9方案四的RSET与自动扶梯处的ASET对比图
4结论与展望
本文所研究的商场空间大，三层中庭着火时，各层的温度和CO质量浓度达不到危险值。
因此，在采取安全措施时要以降低能见度作为主要目标，以五层为重点，同时将三层和四层作为安全管理的重点。
当发生火灾时，若将停运的自动扶梯作为楼梯用于人员疏散，人员可以通过自动扶梯进入一层，通过一层其他（非楼梯直对）出口疏散，减少所需安全疏散时间。
这就要求设计者在自动扶梯的设计和位置设置时将其作为人员疏散的楼梯考虑。
根据火灾发生位置产生的危险情况，安排不同楼层人员的疏散路线，减少拥堵。
对人员疏散的安排：
将停运的自动扶梯作为疏散通道的前提下，五层人员疏散至三层以下时，三层和四层人员进行疏散，当三层和四层人员疏散至二层以下时，二层人员进行疏散；在五层人员疏散时，一层人员通过非楼梯直对出口疏散。
这样可以保证每层人员在能见度达到临界值之前疏散到安全区域。
笔者只考虑了一个火源位置和一种疏散方式，若火源位置不同，则疏散路线不同，并且一个火源位置有多种疏散方案。
应找出不同方案的最小所需安全疏散时间，对不同火源位置的最小所需安全疏散时间统计，规划出不同火源位置最佳的疏散路线，将其列入火灾应急指挥系统，并对商场工作人员按其进行应急演练。
这样在火灾发生时，应急指挥系统可以准确的判断疏散路线，指导商场工作人员引导顾客进行疏散，保证所有人的安全。
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