基于人員疏散的防護工程消防噴淋系統設計探討

茅靳豐 余南田 周進 鄧忠凱

陸軍工程大學國防工程學院

0 引言

防護工程是指具有抗高強度精確打擊能力的綜合保障地下防御工程[1]，其內部結構與一般地下建筑不同。防護工程發生火災時，相對于地面其他建筑，防護工程內部特殊的“口袋型”（單向通道）特點以及特有的通風形式使得防護工程內發生火災時人員疏散較地面普通建筑更為困難，人員及財產安全更難保證。因此，深入研究防護工程火災時煙氣擴散規律，確定人員疏散最佳方案，對防護工程性能化防火及確定人員安全具有重要價值。目前火災安全問題的研究方法主要有三種：全尺寸實驗，縮尺寸實驗以及計算機數值模擬[2]?；馂膶嶒灳哂休^大的破壞性與危險性，實驗成本高，測量結果受到測點位置及儀器精度限制，一次實驗只能得到有限的數據。因此，利用計算機軟件對火災疏散問題進行數值仿真研究成為了非常重要的研究手段，計算機仿真研究結果的正確性已經被國內外眾多學者認可[3-6]。

筆者在計算機火災模擬軟件FDS平臺上，基于大渦模擬算法采用Herbing社會力模型[7]對防護工程發生火災時煙氣特性及人員逃生進行了仿真分析。

1 軟件介紹及建模

1.1 FDS軟件介紹

FDS軟件是美國國家標準研究所NIST建筑火災研究實驗室開發的模擬火災中流體運動的計算流體動力學軟件[8]。該軟件采用數值方法求解受火災浮力驅動的低馬赫數流動的N-S方程，重點計算火災中的煙氣和熱傳遞過程。軟件中FDS+EVAC模型是基于FDS平臺的火災逃生模型，可以仿真模擬火災中人員的逃生情況，它以Herbing社會力模型為基礎，用網格計算每個人的運動方程，從而仿真人員疏散行為。

1.2 物理模型設定

模型是根據某防護工程中某一防火分區建立的，如圖1。整個防火分區由一個長為40 m，寬2 m的走廊和走廊兩邊的房間組成，走廊的兩端為防火卷簾門，房間的大小為5 m×5 m，墻厚為0.2 m，層高為3 m?；鹪吹奈恢靡话阍O置發生在最不利工況處，即火源發生在建筑物其中的一個安全出口處，設置火災場景為靠近防火卷簾門的一房間內。在房間內設置一個測點位置，在走廊處布置四個測點位置，分別為距離火源房間10 m，20 m，30 m和40 m處，測點的高度選擇人員低頭掩口呼吸時口鼻處的高度1.6m，每個位置設置三個測點分別為二氧化碳含量測點C，氧氣含量測點O和溫度測點T，除了火源房間以外其余的房門全部為關閉狀態，所選火源模型為t2火源模型，最大熱釋放率為Qmax=6 MW，火源增長系數為α=0.0469。

圖1 防火分區示意圖

1.3 人員模型設定

1）人員密度設定

人員密度一般指單位面積上的人員數量，單位為人/m2，主要用來確定進行模擬時參與疏散的人數。由于防護工程內部房間的功能不同，其人員密度不盡相同。通過調查及參考國內外相關資料，統一選取室內人員密度為0.3人/m2。

2）人員模型尺寸設定

EVAC中的疏散人員模型尺寸主要涉及人員的胸寬，胸厚及肩寬。此數據可參照《中國成年人人體尺寸》GB10000-88，該標準根據人類工效學要求提供了我國成年人人體尺寸的基礎數值，適用于工業產品，建筑設計，軍事工業以及工業的技術改造設備更新及勞動安全保護[9]。表1為18～60歲人員模型的基本尺寸。

表1 人員模型的基本尺寸

圖2為EVAC中人員模型，參照上表選取99%人員所在的范圍，即胸厚為261 mm，胸寬為331 mm，肩寬為 415 mm，則 Rt=130 mm，Rd=207 mm，Rs=77 mm。

圖2 人體模型圖

3）人員初始速度設定

當前版本的EVAC已經將煙氣對人員行動速度的影響以及煙氣的毒性影響考慮在內，因此此速度的設定是指人員在沒有煙氣的情況下行進的速度。國內外的研究表明，人員的行進速度與人員密度成一定的函數關系。在建筑物中，隨著人員密度的增大，由于人員心理（盲從、恐慌等）、周圍環境（通道的長短、門的寬窄）等因素影響人員疏散，導致散口處滯留、人與人的相互擁擠，使人員行進速度降低。國內學者吳春雨針對我國人員，以軍校學員為測試對象，研究了人員行進速度與人員密度的關系，其結果如表2所示[10]。

表2 人員密度與行進速度之間的關系

由于防護工程內部人員多為軍人，所以采用學者吳春雨的研究數據較為可靠，設定人員行走速度為v=1.21 m/s。

2 結果與分析

本文中仿真過程取火災發生后最不利工況，即防護工程中火災由電線短路引起，火災自動報警系統失效時，人員在防火分區內的疏散情況。研究的方法為選取不同長度的走廊，分析對比人員在不同長度走廊中疏散情況，主要參考依據是煙氣對人員的毒性作用有效劑量分數 FED（Fraction Effective Dose，FED）值[11]，該值越大表明人員受到的煙氣毒害作用越大?；馂陌l生在緊挨防火卷簾旁的一個房間，人員向走廊另外一段的出口逃生，同時人員到達另一處的防火卷簾門時就可以認為人員安全疏散了，如圖3。

圖3 人員疏散示意圖

2.1 未安裝消防噴淋系統的情況

模擬未安裝消防噴淋系統的防護工程發生火災時，自動報警系統失效情況下的人員疏散情況。因防護工程內火災自動報警系統失效，無火災自動報警則無法判斷人員開始疏散的時間，所以考慮其最不利工況，即人員在煙氣濃度最大時疏散。圖4為40 m，50 m和60 m走廊中人員在最大煙氣濃度時疏散，疏散人員的FED值隨時間的變化。

圖4 人員FED值隨時間的變化曲線

從圖4中可以看出隨著走廊長度的增加，最大FED值隨之增加，這是因為隨著走廊長度的增加，人員在煙氣中待的時間增加。對比不同走廊長度的最大FED值可以發現，逃生過程中人員最大FED值與走廊長度并不是成一次函數關系，走廊長度增加FED值會隨著迅速上升，人員逃生危險性會急劇增加。從人員安全疏散角度來講，兩防火卷簾門之間的距離越近越好，一般人防工程的防火規范中防護門間距不能大于40 m[12]。

從圖中還可以看到，不同長度走廊的FED值上升趨勢基本一致，這主要是因為，走廊內沒有消防噴淋系統，煙氣在走廊內蔓延沒有受到阻礙，這對人員疏散極為不利。人員在40 m走廊中疏散用時71 s，在50 m走廊中疏散用時83 s，在60 m走廊中廊中疏散用時107 s，其行走速度都小于設定的人員初始速度1.21 m/s，這說明發生火災后，疏散時人員相互擁擠以及煙氣蔓延帶來的能見度降低和毒性作用會使得人員心理和生理上受到影響，降低疏散速度。

2.2 安裝消防噴淋系統的情況

當防護工程中裝有自動噴水系統時，對火災的熱釋放率，產煙量以及火災煙氣的蔓延都會產生較大的影響，同時對火災熄滅時氧氣，二氧化碳和一氧化碳最終濃度也會產生很大的影響。一些國家的防火設計規范對設有自動噴水系統建筑內的安全疏散距離有所增加，如新加坡防火法規規定：對于未設自動噴水系統的建筑物內最大安全疏散距離是45 m，有自動噴水系統時可增大到60 m。

模擬安裝了消防噴淋系統的防護工程發生火災時，自動報警系統失效情況下的人員疏散情況。同樣由于自動報警系統失效，無法確定其開始疏散時間，考慮其最不利工況，即人員在煙氣濃度最大時疏散。圖5為60 m，80 m，100 m和120 m走廊中人員在最大煙氣濃度時，疏散人員的FED值隨時間的變化，從圖中可以看出人員最大FED值隨走廊長度增加而增加。與未裝消防噴淋系統相似，最大FED值與走廊長度也不是成一次函數關系，走廊長度增加，人員危險性會迅速上升。對比兩種情況下的最大FED值可以發現，裝了消防噴淋系統的走廊FED值遠遠小于未裝消防噴淋系統的走廊內最大FED值。對比不同長度走廊FED值上升趨勢，可以看到，在人員疏散前期，60 m走廊中人員的FED值上升最慢，80 m走廊其次，而100 m走廊和120 m走廊上升速度最快，這五種工況的上升速度均小于未安裝消防噴淋系統情況下的上升速度，這是因為消防噴淋系統降低了煙氣前鋒速度，阻礙了煙氣蔓延。在人員疏散后期，五種工況人員的FED值上升速度相差不大，且都小于各自前期疏散時的FED值上升速度，利于人員疏散逃生。

圖5 人員FED值隨時間的變化曲線圖

3 結論

本文在基于大渦模擬算法的FDS平臺上，采用以網格為計算方法的Herbing社會力模型對防護工程火災煙氣特性及人員疏散進行了仿真，得到如下結論：

1）防護工程單室發生火災時，煙氣會蔓延至走廊，所帶來的能見度降低及毒性作用會使人員逃生速度減慢，人員逃生威脅變大，因此單室發生火災時，應盡快關閉單室房門，防止煙氣蔓延至走廊。

2）消防噴淋系統對防護工程火災時人員疏散極為重要。防護工程中的消防噴淋系統能減緩煙氣擴散速度和煙氣毒性作用，提高了人員疏散安全性，同時在確保安全的情況下加大走廊相鄰防火門之間的距離，提高了經濟效益。

3）煙氣毒性作用隨著走廊相鄰防火門之間距離的增大而上升，在設置防火分區時，應將防火分區與每個防護分區單元綜合考慮，使得防護工程在設計上更加合理。