某會展中心性能化消防設計研究

顧正軍

（1.南京工業大學；2.中安建設集團）

1 引言

會展中心具有會展、經營和辦公等多種功能，人員密集，一旦發生火災，如人員不能快速疏散至安全區，可能造成嚴重人員傷亡。建筑防火設計首要考慮防止起火，其次要考慮在起火后及時撲滅或控制火災，還要考慮在火災時盡快疏散人員至安全區域。但超大面積的會展類場館，需要借助消防性能化設計手段進行輔助設計，給出符合安全水平的設計方案。

2 功能設計

2.1 平面布置

某會展中心為大型展覽項目，總建筑面積約43475m2，地上包括第一至第四展區、常設展區及餐飲接待區組成。除常設展廳區外安全疏散距離均符合規范要求，本文將重點分析常設展廳區的安全疏散距離超標情況，常設展廳平面布置見圖1、圖2，建筑基本情況見表1。

圖1 常設展區一層平面圖

圖2 常設展區二層平面圖

表1 常設展區建筑基本情況

2.2 安全疏散

《建筑設計防火規范》（GB50016‐2014）第5.5.17 條規定最大安全疏散距離不應超過37.5m。常設展廳一層展廳中間部位、二層休閑平臺部分位置最大疏散距離為55m（見圖3）。

圖3 常設展區一層37.5m疏散距離圖

2.3 消防設施

該展廳設置火災自動報警系統、自動噴水滅火系統、固定消防炮滅火系統、室內消火栓給水系統，對于各展廳由于跨度和進深大所致的消火栓保護范圍盲區問題，在調研和論證的基礎上，采用地坑式消火栓；設置火災應急照明、疏散指示標志、地面連續燈光疏散指示標志、機械排煙系統。

3 消防性能化設計應解決的問題

常設展廳的建筑面積和進深較大，導致常設展廳一層大廳、二層休閑平臺的安全疏散距離超過規范要求。

4 研究方法[1-3]

①對比分析了相關規范對消防設計的規定，對某會展中心各展廳的煙氣控制方案進行了分析，提出了疏散流線和疏散樓梯設置建議。

②根據相關規范要求和實際情況分析多種火災場景，結合火災模擬軟件進行性能化分析。

③結合火災場景設計疏散方案，采用性能化分析的方法對其合理性進行了論證。

5 性能化設計簡介

性能化設計是基于火災科學研究、借助消防安全工程學的方法和手段，在對具體建筑物的火災風險、火災場景及主動和被動防火措施的實際效果進行評估的基礎上確定該建筑所需要的消防措施的設計方法。

①采用火災模擬軟件（FDS）對設定的火災場景進行煙氣運動模擬，以此為基礎對排煙系統進行設計，并為人員疏散設計方案提供火災模擬場景。

②使用專業的疏散軟件（PathFind‐er），模擬各疏散場景下人員疏散的情況，并計算出所需疏散時間。通過計算人員疏散所需時間，以及與環境內可以維持的人員耐受時間進行比較，確定人員是否可以安全疏散。

③性能化消防設計的生命安全目標是：在所設置的消防系統和設施保護下，發生可信的不利（Worse‐credible）火災時，須確保人員疏散的安全性，即可用安全疏散時間ASET>必需安全疏散時間RSET，并留有充足的安全裕度[4]。

5.1 火場耐受環境判定標準[5-9]

①煙氣層位于必須的清晰高度以上（該會展中心展廳按照較大空間計算，采用清晰高度h=1.6+0.1H（大空間建筑高度）；火場中能見度不小于10m，較小空間能見度不小于5m），煙氣輻射量不超過2.5kW/m2（即煙氣層溫度不超過180℃）。

②下部空氣層能見度不小于必須的安全疏散要求，亦即能見度不小于10m；

③下部清晰層溫度不超過50℃，CO濃度不超過500ppm。

6 會展中心煙氣控制方案設計與分析

6.1 FDS理論基礎[10-11]

FDS 專門從數值計算方面解決一系列適合于熱驅動、低速流動的Navier‐Stokes方程，重點適用于火災導致的熱煙傳播和蔓延的數值模擬。FDS 軟件建立的模型能夠體現火場的空間幾何形狀和尺寸，并能夠借助NIST 開發的前處理軟件DXF2FDS來輔助建立幾何形狀復雜火場模型。將實際消防安全工程中的物理參數和設施，如火場溫度及速度、火源、火災探測器、風機、擋煙設施、噴頭等在模型中建立，并模擬火災中動作時序，與真實火災相似性大。

6.2 設計火災

6.2.1 設計火災規模（見表2）

表2 某會展中心各展館設計火災

6.2.2 設計火災——燃燒熱及產煙率的確定（見表3）

根據表3，將火災的燃燒熱確定為20MJ/kg、發煙率保守地確定為0.05。

表3 典型可燃物的燃燒熱和產煙率

6.2.3 設計火災——機械排煙量的確定

對于較大空間機械排煙系統排煙量的確定有兩個基本方法：火災規模與清晰高度法和換氣次數法。火災規模與清晰高度法重點考慮火災規模（MW）和清晰高度（m）兩個參數，并不能夠體現建筑的空間形狀和面積幾何尺寸，其排煙面積的計算結果需要與其他計算方法比較使用。換氣次數法通過建筑體積間接考慮建筑的幾何尺寸，但又缺少對火災規模的考慮，設計排煙量時缺乏定量的參數依據，同樣具有缺點。有必要運用計算流體力學CFD（Computational Fluid Dynamics）軟件對煙氣控制進行模擬，以驗證和優化所設計的排煙率，最終確定排煙策略，實際設計各展廳機械排煙量見表4。

表4 實際設計各展廳機械排煙量

6.2.4 設計火災——火災場景的選取（見表5）

表5 火災場景選取

7 煙氣控制方案與分析

7.1 場景選取——常設展廳大廳

火災場景F3.1發生在常設展廳大廳，其火源設置如圖4所示。

圖4 火源設置

7.1.1 基本參數設置（見表6）

表6 火災場景F3.1的基本參數設置表

7.1.2 火災煙氣模擬結果與分析——能見度（見圖5）

圖5 火災場景F3.1豎直方向截面煙氣能見度進程圖

根據能見度模擬結果可知，常設展廳大廳在模擬設置的機械排煙下能夠有效排煙，1200s 內將煙氣至少控制在二層樓板以上2.5m 范圍（10m 能見度計，此時煙氣層高度趨于穩定），1200s內將煙氣至少控制在大廳地面以上4m 范圍（10m 能見度計，此時煙氣層高度趨于穩定）

7.1.3 火災煙氣模擬結果與分析——煙氣溫度（見圖6‐7）

圖6 火災場景F3.1豎直方向截面溫度分布（以60℃為最高標尺）

圖7 火災場景F3.1豎直方向截面溫度分布（以180℃為最高標尺）

根據溫度模擬結果可知，除火羽流外，火場清晰層溫度不超過50℃，煙氣層溫度不超過180℃。因此，常設展廳一層可以有1200s火場耐受時間供人員安全疏散，即可用安全疏散時間ASET=1200s；二層可以有1200s火場耐受時間供人員安全疏散，即可用安全疏散時間ASET=1200s。

8 疏散方案設計與分析

8.1 PathFinder軟件簡介

PathFinder軟件利用美國工程師防火協會（SFPE）的《防火工程手冊》給出的公式對疏散的過程進行動態仿真并用圖形界面形式輸出。采用典型的水力模型和行為模型，綜合考慮了人與人，人與建筑之間的相互作用，能夠較準確地反應火災時人員疏散的真實情景。動態疏散分析對于暴露于火場中的人員疏散至關重要。可以改變參數并易于進行重新模擬，可研究疏散方向和疏散出口位置多種變化組合的疏散情況。Pathfinder 還可以模擬出口被火或煙氣堵塞的情況。該軟件適用于大型綜合商場、辦公大樓、展覽館、體育館、地鐵站等的人員疏散仿真模擬。

8.2 疏散時間的確定

人員疏散所需的時間RSET由以下部分組成：探測時間、報警時間、人員識別時間、人員反應時間和人員從開始疏散到安全地點的行動時間。

RSET=△ta+△tpre+K×△te

式中，△ta為報警時間。結合工程項目實際，在此基礎上假設探測時間約為60s；△tpre為人員疏散預動作時間，該會展查表取3min；△te為疏散行動時間，即疏散行動從開始到疏散至室外出口所需的時間，包括人員移動時間和在出口的排隊等候時間。K為安全系數，一般取1.5～2。

8.3 人員疏散場景

8.3.1 常設展廳人員疏散場景

常設展廳防火分區1 的人員疏散，考慮西南側側出口不能利用的情況。常設展廳火災場景對應的人員疏散場景見圖8。

圖8 火災場景對應的人員疏散場景

在火災場景F3.1 下，從圖9 模擬結果中可以看出，一旦常設展廳地面層發生火災，在有組織人員進行誘導的情況下，人員將通過各樓梯和疏散出口進行疏散，在219s時全部（首層）疏散至室外安全區域。其中二層休閑餐飲平臺人員在125s 時全部疏散至室外（或樓梯間）。

圖9 人員疏散運動過程模擬典型時刻截圖

2）人員疏散安全判定

常設展廳及二層展覽模擬結果顯示，考慮西南側出口不能使用、大廳及二層休閑及展覽平臺人員整體疏散及同時疏散時，一層大廳內疏散行動時間為219s，則對應的整個大廳防火分區內人員的RSET=219×1.5+240=569s；其中，二層人員全部疏散離開本層的時間為125s，保守起見，取全部疏散至室外（時間為219s）方為安全，則對應的RSET=219×1.5+240=569s。

對比火災場景F3.1 的煙氣控制效果CFD模擬結果表明，常設展廳的：

一 層：ASET＝1200s，RSET＝569s，安全裕度ASET－RSET＝631s；

二 層：ASET＝1200s，RSET＝569s，安全裕度ASET－RSET＝631s；

9 主要結論

1）人員疏散模擬結果與分析

①我國相關規范普遍給出了防火分區、安全疏散、消防設施等消防安全設計的要求，但是關于大空間建筑防火分區和安全設施設計，還不能夠直接借鑒普通規范，還需要結合性能化設計進行綜合分析。

②本文通過對比煙氣運動控制模擬結果和人員疏散模擬結果，在設定的可信不利火災場景下，現有設計的機械排煙系統可以為火災時人員安全疏散提供較長時間的安全環境，且有較大安全裕度解決疏散距離問題。

③對實際案例的分析結果表明，通過性能化分析的方法，量化和比較可用安全疏散時間和必需安全疏散時間來判斷疏散方案的安全性，并找出影響安全的因素，采取改進措施提高可用安全疏散時間或降低必需安全疏散時間以實現人員安全疏散。