甘肃会展中心建筑群项目03doc.docx
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甘肃会展中心建筑群项目03doc
甘肃会展中心建筑群项目（展览中心）人员疏散的性能化分析
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2008-5-2618:
07:
11
甘肃会展中心建筑群项目（展览中心）
人员疏散的性能化分析
（甘肃省公安消防总队王均亮）
内容摘要：
建筑物的性能化防火设计是近年来国际火灾安全科学研究中心中发展较快的学科领域。
它运用消防安全工程学的原理，根据建筑物的结构、用途和内部可燃物等方面的具体情况和建筑的各个不同空间条件、功能条件及其他相关条件，自由选择为达到消防安全目的而应采取的各种防火措施，构成该建筑的总体防火安全设计方案，然后用已开发出的工程学方法，对建筑的火灾风险性和危害性进行定量的预测和评估，从而得出最优化的防火设计方案，为建筑提供最合理的防火保护。
本文试图通过对甘肃会展中心建筑群项目（展览中心）人员疏散的性能化分析，为大空间展厅类建筑设计提供一个新的探索方向。
关键词：
性能化防火设计 人员疏散 大空间建筑
近二十年来，之所以在世界范围内兴起了一场以发展性能为基础的建筑规范的运动，主要是基于三个方面的原因：
（1）加快技术革新;
（2）节省建筑防火设计和其他方面的投资;（3）促进国际贸易和技术交流，提高本国产品的竞争力。
如美国每年在新建和改建建筑上的花费高达700亿美元，其中20%是用在确保建筑消防安全上，不能不说这是一个巨大而缺乏理性的投资，而这在一些还没有实行性能化规范的国家更是司空见惯。
另一方面，世界范围内一些发展中国家建筑市场的蓬勃发展也为消防新产品和新技术的开发提供了机遇和动力。
为此，英国等国家从20世纪80年代就开始以建筑规范和建筑消防安全为研究对象，对其规范模式和规定内容进行革新和修改，建立性能化规范体系，开发相关的设计指南和评估方法。
同样，我国的防火设计规范与目前特殊建筑设计之间的矛盾在上个世纪90年代就已经引起了人们的关注，而最近几年随着我国经济的快速发展以及人们观念的更新，性能化建筑防火设计正引起越来越多人的兴趣和参与。
为此，本文试图通过对甘肃会展中心建筑群项目（展览中心）人员疏散的性能化分析，为大空间展厅类建筑的消防设计提供一个新的探索方向。
一、基本情况
（一）工程概况
甘肃会展中心建筑群项目位于兰州市城关区盐场堡中心滩中段。
北侧为北滨河路，东西两侧为市政规划路，南临黄河。
其展览中心设计1200个国际标准展位及地下配套公共服务设施，主要以满足举办“兰洽会”、“乡洽会”以及同等规模国际、国内综合性展览为主，兼顾其他大、中、小型专业性展览的综合性展览场馆。
在非会展期间，用于市民网球、羽毛球、乒乓球等全民健身活动场所。
表1 展览中心的建筑设计参数表
地上建筑面积 43732㎡
地下建筑面积 19920㎡
建筑层数 地上2层（包括夹层为4层）
建筑高度 29.5 m
建筑类别 二类（民用公共建筑）
建筑防火分类等级 二级
建筑耐火等级 （柱、梁、楼板、楼梯等主要
构件的耐火等级均为一级）
屋面防水等级 Ⅱ级
结构类型和结构体系 筋混凝土框架结构+钢结构
（下部主体结构采用现浇钢筋
混凝土框架结构体系；上部屋
盖为钢结构）
抗震设防烈度 8度
人防等级 甲类核6级（暂分人员隐蔽及物资库两类）
地下建筑耐火等级 一级
地下建筑防水等级 二级
建筑合理使用年限 50年
（二）消防设计概况
展览中心的总高大于24米，设计按照《高层民用建筑设计防火规范》GB5004516-2005（以下简称《高规》）进行设计。
建筑的消防分类为二类，建筑的耐火等级不低于二级，考虑到建筑特殊性，柱、梁、楼板、楼梯等主要构件的耐火等级均为一级。
展览中心和其他建筑的间距均大于13米。
建筑周边设四周环通消防车道，宽度大于4米，和建筑的距离大于5米，道路的内圈半径大于10米（保证消防车13米的转弯半径），并设大于15×8米的消防登高场地（消防登高场地设在建筑的北面）。
建筑总长度234米，按照《高规》4.3.1条的条文解释，展馆建筑四周设置环形消防车道，可不做消防车道穿越。
建筑内部展厅按照展厅的划分方式为每层四个，两层共计8个防火分区，每个防火分区面积约3900平方米，前厅分二个防火分区（具体参见防火分区划分图纸）。
地下室分7个防火分区。
每个防火分区布置不小于2个安全出口。
防火墙均采用大于3小时的防火隔墙，或甲级防火门和特级防火卷帘分隔（地下部分采用垂直防火卷帘、展厅间采用侧卷防火卷帘）。
所有的管井均分别设置其井壁的耐火极限不低于1.00h的不燃体井壁上的门均采用丙级防火门。
展厅内任何一点至最近的疏散出口的直线距离小于30米，地下车库的安全疏散距离小于60米。
楼梯均采用防烟楼梯，楼梯间的门均为乙级防火门。
窗槛墙、窗间墙的填充材料采用不燃烧材料。
当外墙采用耐火极限不低于1.00h的不燃烧体时，其墙内填充材料可采用难燃烧材料。
无窗槛墙或窗槛墙高度小于0.80m的建筑幕墙，在每层楼板外沿设置耐火极限不低于1.00h、高度不低于0.80m的不燃烧体裙墙或防火玻璃裙墙。
建筑幕墙与每层楼板、隔墙处的缝隙，采用防火封堵材料封堵。
屋架钢结构部分均采用耐火时间为2小时防火涂料。
本项目的火灾报警及联动控制系统、灭火系统、防排烟系统、消防供电系统、安全疏散口数量、疏散距离等均按照《高规》规定进行严格设计。
（三）人员疏散设计存在的不足
甘肃会展中心建筑群项目（展览中心）设计方案中以《建筑设计资料集》第四册的规定“按每人15平方米设计”为依据来考虑，并考虑我国会展人数较多，且本建筑为双层会展，所以最终确定的设计方案按每人5平方米来计算。
由于展览中心的人数目前没有统一的规范规定，现有设计确定疏散人数的方法的是否合理，需要参考国内外相关规范和标准的相关规定，并结合国内外会展建筑人数的统计数据，进行综合考虑，最终确定本项目会展中心的人数，并进一步确定需要的疏散宽度。
由于展厅的东侧为入口大厅，南侧为通廊，一层展厅的东侧和南侧的疏散开口，以及二层展厅由疏散楼梯间疏散至一层的出口不能直接对外，不能满足《高规》的规定，需要依据本项目建筑的特点确定合理的疏散策略。
针对以上规范不能涵盖的问题，以下将采用基于目标的性能化设计方法进行分析和论证。
（四）性能化设计的基本原理
性能化设计是建立在消防安全工程学基础上的一种新的建筑防火设计方法，它运用消防安全工程学的原理与方法，根据建筑物的结构、用途、和内部可燃物等方面的具体情况，由设计者根据建筑的各个不同空间条件、功能条件及其它相关条件，自由选择为达到消防安全目的而应采用的各种防火措施，并将其有机的结合起来，构成该建筑物的总体防火安全设计方案，然后用已开发的工程学方法，对建筑的火灾危险性和危害性进行定量的预测和评估，从而得出最优化的防火设计方案，为建筑物提供最合理的防火保护。
图1为性能化消防设计流程图。
确定工程位置
确定消防安全总体目标
确定功能目标
确定性能指标
设计火灾场景
进行实验设计
评估实验设计
选择最后的方案
选择的设计是否满足性能要求
性能化设计报告
说明、图纸和使用、维护手册
消防工程设计简介
No
Yes
校正设计目标
图1 性能化消防设计流程图
二、人员疏散性能化设计要求
（一）消防安全目标的确定
确定分析对象的防火安全目的和目标要求是进行性能化防火分析的出发点。
总的来说，基本的防火安全目标可分为两类：
与生命安全直接相关的和与其它安全相关的。
前者考虑火灾中各类人员的安全，包括居住者、工作人员、顾客、消防人员等，通常这是大部分建筑物防火安全的主要目标。
《SFPE性能化消防分析和设计工程指南》列出了四个互相关连的消防安全总体目标：
（附表2 影响人员疏散的因素）
1、保证大众、建筑使用人员和紧急响应人员的生命安全。
减少火灾造成的伤亡，预防不必要的生命损失。
2、保护财产。
减少火灾对财产和文化资源所造成的损害。
保护建筑、建筑内部物品和建筑的历史价值特征不受火灾或来自相邻建筑的火灾的损害，或对自相邻建筑的损害。
3、保障运行的持续性。
保护组织机构的持续性工作、生产和运行能力。
减少火灾所造成的不必要的运行和生意收入方面的损失。
4、限制火灾对环境造成的影响。
表2 影响人员疏散的因素
“规格式”规范和性能化方法在设计的时候，虽然设计的方法、步骤等各不相同，其目的都是为了达到相应的消防安全目标。
从第三部分中规范不能涵盖的问题来看，主要是涉及到人员生命安全的问题。
因此，在本文中性能化设计的消防安全目标为：
保证大众、建筑使用人员和紧急响应人员的生命安全。
（二）人员荷载的确定
由于我国现行《建筑设计防火规范》和《高层建筑设计防火规范》均未对本类建筑使用载荷做相应规定，本文参考了国内其他规范对一些特定场合（如商店建筑）的使用载荷做出的规定，同时参照了国外规范对展览厅的使用载荷的规定，通过分析取较大的人员载荷。
另外，并参考国内一些大型展览建筑对参观人数的统计，根据其建筑面积计算出实际的人员载荷，确定所取数据的有效性。
以下是一些规范对建筑使用载荷的规定：
1、由于国内没有规范对展览厅的载荷做出具体规定，考虑到大多数展览览馆建筑属于人员密集场所，其密集程度与商业建筑内的人员密集有一定的类似，所以在确定人员荷载的时候，参考国内《建筑设计防火规范》（GB50016-2006）第5.3.17条之5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%，地下商店的面积折算值不应小于70%。
疏散人数的换算系数可按每层营业厅和为顾客服务用房的面积总数乘以换算系数（人/㎡）来确定一、二层换算系数为0.85；
现有设计中，各展厅防火分区处于地面一、二层，我们把展览使用面积对应算做营业面积，根据建筑的使用性质，其每个展览厅除楼梯间、办公用房和设备用房和储藏占地约30%之外，均用做展览使用，则其每个展览厅的实际使用面积约为建筑面积的70%。
而根据以上规范所述，人员荷载取值为：
ρ1=0.85×70%=0.60人/㎡
2、美国NFPA101A《建（构）筑物火灾中的生命安全规范》（1995年版）中8-1.7条对展览厅使用荷载的规定：
“集中使用的公共场所，如会议室、餐厅、宴会厅、展览室、健身房或休息室：
人均净面积1.4㎡。
”则本项目内人员荷载为：
ρ2=0.71人/㎡
3、香港屋宇署《火警逃生途径守则》对展览厅人员载荷的规定：
“博物馆、展览厅、展销处及陈列处每人所占平方米以2计”则本项目内人员荷载为：
ρ3=1人/2㎡=0.5人/㎡
4、日本《避難安全檢證法の解說及び計算例とその解說》中对于展览建筑人员密度的规定：
“使用者人数展厅类0.5（人数/㎡）”则有：
ρ4=0.5人/㎡
5、在参照国内外规范的同时，我们也收集了一些国内展览会的人员荷载数据，根据其建筑面积和总设计人流量，计算得到人员荷载（保守考虑人员进入后将一直处于展厅内，实际情况下，人员不会同时全部处于展厅内，大量人员将在中途离场）：
（1）展览名称：
第六届中国（北京）国际家具及木工机械展览会
展览时间：
2003年9月1日至9月4日
展览地点：
中国国际展览中心
展览面积：
25000㎡
观众总数统计：
42000余人次，其中80%为贸易观众
得到最大平均人员密度：
ρA=42000人/（3天*25000㎡）=0.560人/㎡
（2）展览名称：
2004年北京国际汽车工业展
展览时间：
2004年6月9日－16日
展览地点：
中国国际展览中心-全国农业展览馆
展览面积：
110000㎡
观众总数统计：
490000余人次
得到最大平均人员密度：
ρB=490000人/（8天*110000㎡）=0.557人/㎡
（3）展览名称：
2003中国（广州）国际专业音响、舞台设备展览会
展览时间：
2003年8月14-16日
展览地点：
广州国际会议展览中心
展览面积：
8000㎡
观众总数统计：
9846人
得到最大平均人员密度：
ρC=9846人/（3天*8000㎡）=0.41人/㎡
通过以上国内的一些较大型的展览统计可以看出，即使考虑人员进入展厅后一直处于展厅内，展厅内的人员最大密度也仅仅维持在0.5人/㎡左右，从保守角度出发，取较不利的设计参数，设展览类建筑的人员荷载为0.5人/㎡。
6、通过分析，以上各国家和地区对展览厅的人员密度均有明确的规定，其中美国NFPA对密度的取值最大为0.71人/㎡，而以上规范在确定密度时，所取面积均为净使用面积，即是扣除了不作为展览功能使用的物业管理用房、设备用房和不用于布置展台的楼梯间、厕所等的面积，所以报告中在确定面积的时候，把此类面积不计入使用面积之内。
地板净面积指实际使用面积，不包括可通行的未使用的区域及墙的厚度。
根据《日本标准建筑法》的规定，展馆类建筑其地板净面积按照总面积的50%计算；调查国内展览业现状，展位一般占使用面积的25%～40%之间，偏保守考虑，报告取净面积占建筑面积为50%。
由上，报告疏散人数计算方法为：
疏散人数=展厅建筑面积×50%×0.71人/㎡
（三）人员疏散策略
《高规》第6.2.6条规定：
除通向避难层错位的楼梯外，疏散楼梯间在各层的位置不应改变，首层应有直通室外的出口。
在《高规》的对此条的条文解释中认为：
发生火灾时，为使人员尽快疏散到室外，因此，要求楼梯间在首层应有直通室外的出口。
允许在短距离内通过公用门厅，但不允许经其他房间再到达室外。
同时注意到《高规》第6.2.2.3条规定：
楼梯间的首层紧接主要出口时，可将走道和门厅等包括 在楼梯间内，形成扩大的封闭楼梯间，但应采用乙级防火门等防火措施与其他走道和房间隔开。
根据以上《高规》的规定和解释，如果展厅东侧的入口大厅和南侧的通廊能够保持火灾时候的安全性，则展厅东侧的入口大厅和南侧的通廊可以作为展厅疏散至室外的过渡空间。
具体从展厅东侧的入口大厅和南侧的通廊的使用功能来看，这部分空间主要是作为人员进入展厅的过渡空间和休息场所，停滞的人员较少，可燃物少，发生火灾的危险性极低。
从展厅的出口与门厅通廊的对外出口位置关系来看，展厅的出口几乎正对门厅通廊的对外出口，且距离较短，约为15m，展厅出来的人员出展厅以后容易发现对外出口。
因此，本文认为门厅通廊具备作为展厅疏散至室外的过渡空间的条件。
三、人员安全疏散的性能化分析
（一）人员安全疏散的判定条件
为了实现对以上人员生命安全目标的评估，性能化分析重点通过烟气和人员疏散两个方面的模拟，量化人员安全疏散时间判据进行判断，判据的实现可由图2表示。
在特定的火灾场景下，如果保证人员需要的安全疏散时间（RSET）小于火灾发展到人体耐受极限条件的时间（ASET），则可实现人员疏散安全。
这个关系中加入一个适当的安全余量（ASET－RSET），以考虑假设和计算中的不确定性。
安全余量越大，人员疏散的安全性就越高。
图2 人员安全疏散时间判据
在建筑火灾模拟中，人体耐受极限条件一般按以下情况确定：
1、如果热烟层距地板高度大于2m，则热烟层的温度不超过180℃；
2、如果热烟层距地板高度小于2m，则热烟层的温度不超过50℃，且能见度不小于10m；
3、如果热烟层距地板高度小于2m，CO2浓度不得超过1%（体积百分比），CO浓度不得超过450ppm。
（二）分析方法
1、人员可用疏散时间（ASET）
人员可用疏散时间（ASET）需要在设定火灾场景以后，运用火灾模拟软件模拟火灾场景内的火灾烟气流动规律，得到各烟气特性参数（烟气上下层温度、CO、CO2浓度和能见度）的量化值，场景内部环境达到人体耐受极限条件的时间即为人员可用疏散时间（ASET）。
本次选用的火灾模拟软件为FDS。
2、人员所需疏散时间（RSET）
人员所需疏散时间（RSET）就是人员疏散到安全场所需要的时间，按人员的疏散预动时间和人员从开始疏散到到达安全地点的行动之和计算：
RSET=Td+Tpre+Tt
其中：
Td—为报警时间；
Tpre—为人员的疏散预动时间；
Tt—为人员疏散行动时间
本次选用的人员疏散行动模拟软件为EVACNET4。
（三）计算对象的设定
由第二部分人员疏散性能化设计要求分析可知，需要定量化分析的部分主要是：
展厅部分的消防安全措施，能否保证人员疏散的生命安全。
甘肃会展中心项目——展厅部分的共两层，由于空间高度的关系，两层设置的消防灭火系统设置不同，火灾的发展和烟流的运动不同，人员的疏散也有所不同。
因此，展厅部分具有代表性的计算对象的选取如下：
一层部分：
选择面积较大的防火分区4（展厅二）作为火灾场景A和疏散场景A，定量化分析其人员疏散的安全性。
二层部分：
选择面积较大的防火分区18（展厅六）作为火灾场景B和疏散场景B，定量化分析其人员疏散的安全性。
火灾场景A为本项目的一层防火分区4（展厅二），作为展览厅使用，该防火分区的面积为3935㎡。
按照规范规定，该场景设有自动喷水灭火系统（喷头为普通喷头），设有机械防排烟系统（排烟量的设置符合《高规》的规定）。
模拟过程中，计算起火位置如图3所示。
图3 防火分区4（展厅二）的火源位置及疏散路线图
火灾场景B为本项目的二层防火分区18（展厅六），作为展览厅使用，该防火分区的面积为3935㎡。
该场景设有消防水炮，同时，按照规范规定，设有机械防排烟系统（排烟量的设置符合《高规》的规定）。
模拟过程中，计算起火位置如图4所示。
图4 防火分区18（展厅六）的火源位置及疏散路线图
疏散场景A为本项目的一层防火分区4（展厅二），现有4个疏散楼梯间作为疏散出口。
疏散区域内人员通过两种途径进行疏散：
疏散进入北部的2部疏散楼梯间，向下疏散至一层以后直通室外；疏散进入南部的2部疏散楼梯间，向下疏散至一层以后进入南侧的通廊，经通廊的外门到达室外。
疏散场景A的疏散路线如图3所示。
疏散场景B为本项目的一层防火分区18（展厅六），现有4个疏散门作为疏散出口。
疏散区域内人员通过两种途径进行疏散：
通过北部的2个疏散出口，直接疏散至室外；通过南部的2个疏散出口，疏散进入南侧的通廊，经通廊的外门到达室外。
疏散场景B的疏散路线如图4所示。
（四）火灾过程的设定
火灾发生的规模应综合考虑建筑内消防设施的安全水平，火灾荷载的布置及种类，建筑空间大小，以及成熟可信的统计资料、实验结果等确定。
火灾一般经历早期反正、完全燃烧、后期衰减三个阶段。
本文从保守角度出发，考虑火灾经过早期发展以后，一直维持稳定燃烧，不考虑后期衰减。
由于火灾早期的发展与时间的平方成正比关系，因此通常称之为t2火灾。
在消防安全工程学中，这一套曲线常用于一些性能化防火设计中的火灾场景设计。
美国消防协会标准NFPA204M《排烟标准（StandardofSmokeandHeatVenting）》（2002年）中根据α的值定义了四种标准t2火灾，即慢速火、中等火、快速火和超快速火，从各火灾场景的可燃物性质来看，其燃烧的火灾增长系数为快速火：
火灾增长系数（kW/s2）为0.044，热释放速度达到1000kW的时间为150s
火灾在经历了早期的发展之后，将进入完全燃烧阶段，在这个阶段火灾的热释放速率将达到最大。
对完全燃烧和后期衰减过程，在火灾安全评价中，一般保守假设水系统有效控火条件下最大热释放速率保持不变。
火灾场景A为一层的防火分区4（展厅二），其使用功能为展览厅，属于公共场所，设置有自动喷淋系统。
自动喷水灭火系统是当今世界上公认的最为有效的自救灭火设施，灭火成功率高达95％以上，是应用最广泛、用量最大的自动灭火系统。
国内外应用实践证明：
该系统具有安全可靠、经济实用、灭火成功率高等优点。
本文在选取热释放速率时，考虑喷淋作用有效。
因此，火灾场景A的最大热释放速率参考上海市地方标准《建筑防排烟技术规程》（DGJ08-88-2006）规定的2.5MW，对应达到最大的热释放峰值的时间为238s。
考虑到人员疏散时间及消防队员到达进行灭火的时间，本报告火灾模拟时间取为15分钟，即900s。
火灾场景B为二层的防火分区18（展厅六），其使用功能为展览厅，属于公共场所，设置有大空间智能灭火装置。
大空间智能灭火装置一般最低能探测到0.16MW的火灾规模，延时30s后喷水动作，而快速火增长至0.16MW所需的时间为60s，即喷淋启动时间共为90s。
考虑1.5倍的安全系数，则启动时间为90×1.5＝135s，此时火灾规模为0.044×135＝801.9KW。
考虑到目前还缺乏关于大空间智能灭火装置的全面的实验、大量的工程实验和实际喷水灭火经验，以及一些理论支持。
因此，本报告从保守的角度考虑，认为大空间智能灭火装置在发生火灾的时候失效，火灾场景B的最大热释放速率取值为8.0MW，对应达到最大的热释放峰值的时间为191s。
考虑到人员疏散时间及消防队员到达进行灭火的时间，本文火灾模拟时间取为15分钟，即900s。
（五）初始条件设定
1、环境情况：
假设计算区域内外温度均为20℃。
压力为1个标准大气压，计算区域内风速为0m/s。
2、开口情况：
在火灾模拟过程中，保守计算，各火灾场景在火灾发生后防火门关闭，火灾场景A、B的自然排烟口打开。
3、起火地点：
各火灾场景的火源位置参见火灾场景A、B的描述。
（六）烟气蔓延分析
在确定上述火灾场景后，在FDS软件中输入火灾场景参数，建立火灾场景A～B的数学物理模型，通过对各火灾场景的模拟计算，得到：
火灾场景A（一层防火分区4（展厅二））的各烟气特性参数的模拟结果（包括烟气温度、CO2浓度、CO浓度、能见度），各时刻的烟流模拟截图如附录图B.1.1～B.1.5所示；火灾
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