劉朝峰，許 強，齊 欽，賈戰超，郭小東，王 玲，劉曉然

(1.河北工業大學 土木與交通學院, 天津 300401; 2.天津市政工程設計研究總院有限公司，天津 300132；3.天津市交通運輸基礎設施養護集團有限公司, 天津 300040;4.北京工業大學 抗震減災研究所, 北京 100124; 5.北京建筑大學 理學院, 北京 102616)

近年我國高層建筑火災頻發，據近10年的數據統計我國一共發生過3.1萬起高層建筑火災，死亡人數474人，直接經濟損失15.6億元。其中住宅火災造成的直接財產損失達7.5億元，占損失總額的20.1%。由于當代經濟社會的不斷進步，城市化進程的不斷推進，大量人口涌進城市與城市土地資源的有限性使得高層住宅在近年的城市建設中占據較高的比例。與此同時，由于高層建筑自身垂直距離大、樓層層數多、功能全、布局復雜、電器設備與管道眾多且人員復雜等特點，當建筑物內部發生火災時易造成嚴重的經濟損失和人員傷亡。發生火災后，人員在恐慌、趨光、從眾、沖動等心理特征下，難以冷靜應對形勢并做出逃離決策。因此，優化高層住宅安全疏散具有重要意義。

為了了解高層住宅建筑的火災發展規律和事故發生后的人員疏散組織，一些學者在高層住宅建筑火災蔓延機理與應急疏散方面展開研究。ZHAO[1]以某高層建筑為研究對象，利用FDS軟件對樓梯間火災進行數值仿真研究，分析底部開口氣流速度等信息。HADJISOPHO[2]在分析的過程中，基于CFD技術來實現對煙氣規律的分析，從而為排煙與疏散等實現一定的數據指導。李偉[3]等基于BIM和Pyrosim軟件對高層建筑進行火災仿真模擬，并提出消防安全管理建議。任程遠[4]對一高層酒店式公寓進行火災模擬，重點研究天井對火災煙氣蔓延的影響。李建霖等[5]運用火災模擬軟件FDS和人員疏散仿真軟件Pathfinder對某高層住宅內人員遇火災時的安全疏散進行研究，模擬多種人員疏散情況并提出安全疏散措施及方案。BUKOWSKI[6]等研究發現，對于大多數建筑，疏散時使用常規電梯，可以有效縮短人員疏散時間。RONCHI[7]等也得出采用電梯、樓梯耦合電梯、轉換樓層和天橋組合使用的策略疏散效率最高，但其有效性取決于向被疏散人員提供的信息。DING[8]等將基于計算機模擬的樓梯疏散和電梯輔助疏散策略進行對比。宋英華[9]等基于Pathfinder研究電梯總數及電梯數量對電梯最佳停靠層的影響，提出頂層優先和分段頂層優先兩種電梯協同疏散策略，并對策略進行優化分析，模擬結果表明使用電梯協同疏散可有效提高疏散效率，減少疏散時間。俞苗[10]以一超高層建筑為對象，研究電梯輔助系統不同疏散模式的可行性，針對模擬結果提出提高安全性的建議。綜上所述，以上研究多數關注火災應急疏散某一方面的研究，缺乏綜合考慮火災蔓延與應急疏散策略的優化研究。因此，本文使用計算機模擬軟件探索高層住宅建筑在不同火災工況下疏散安全性，探討使用電梯協同樓梯疏散對疏散效率的影響。首先根據圖紙建立Revit物理實體模型，再將Revit模型導入火災模擬軟件(Pyrosim)獲取不同火災工況下的可用安全疏散時間，同樣將Revit模型導入疏散仿真軟件(Pathfinder)進行人員疏散模擬獲取所需安全疏散時間，依據模擬得到的數據判定疏散的安全性，最后利用Pathfinder探索頂層優先策略對疏散效率的影響，尋找電梯最佳停靠層與最佳使用電梯人員比例。

1 高層住宅建筑火災疏散建模方法

1.1 建筑BIM模型建立

以某26層裝配式高層住宅樓為研究對象，建筑平面為對稱布置(圖1)，建筑層高3 m，每層4戶；每層樓有兩個安全出口，分別包括1部消防電梯，1部客用電梯，1個疏散樓梯，且樓梯段凈寬度為1.5 m。根據建筑施工圖采用Revit翻模建立高層建筑的BIM模型(圖2)。

圖1 建筑平面布局圖

圖2 建筑BIM模型

1.2 火災仿真模型構建

火災煙氣蔓延數值模擬采用Pyrosim建模仿真來實現，即將高層建筑的BIM模型導入Pyrosim軟件中，并設置火災情景和相關模擬邊界、參數。網格劃分考慮計算耗時與精度的要求當網格尺寸d在0.1D～0.2D之間時，可以有效減小模擬誤差，則火災蔓延直徑D需滿足式(1)，計算精度和穩定性要求滿足式(2)。由于該高層住宅的建筑形態為長方體，建模時用了長方體形式的網格。最終確定網格尺寸為長×寬×高=0.5 m×0.5 m×0.5 m，總計共682 240個網格。

(1)

式中：D為火災蔓延直徑；Q為熱釋放速率(kW)；ρ0為空氣密度 (kg/m3);T0為環境溫度；cP為空氣比熱容(KJ/(kg·k))；g表示重力加速度(m/s2)。

(2)

式中：δx為網格尺寸；x,y,z分別為單位網格X,Y,Z坐標軸尺寸。

住宅建筑內存有大量衣物、紡織及塑料制品，發生火災時熱釋放速率符合GUNNAR[11]提出的火災前期αt2增長規律。因此，依據最不利原則設置火災增長類型為快速火，火災增長系數α取0.046 89，燃燒反應為聚氨酯燃燒反應，模擬最大熱釋放速率1 000 kW/m2，著火面積為1 m2；設定墻體表面、地板、樓板為不可燃燒的惰性材料。為了獲取火場溫度、一氧化碳濃度(CO)、能見度等數據，在每一樓層都設置數值監測切片、感溫電偶、感煙電偶(圖3)。

圖3 各樓層內火源點及監測點示意圖

考慮計算耗時與煙氣蔓延速度，仿真模擬時間為600 s。高層建筑在燃燒過程中伴有濃烈黑煙，這些黑煙中含有大量固體顆粒，漂浮在空氣中形成煙氣層，影響人員疏散，煙氣層高度滿足式(3)，人員平均高度Hp取1.6 m,經計算煙氣層高度保守取2 m。因此，數值監測切片、感煙電偶、感溫電偶設置在各樓層平面2 m處。

Hs≥Hc=Hp+0.1Hb。

(3)

式中：Hs為清晰高度(m)；Hc為危險臨界高度(m);Hp為人員平均高度(m)；Hb為建筑內部高度(m)。

1.3 人員疏散模型構建

在人員疏散模型構建中首先創建各樓層平面，再根據Revit模型中樓梯、電梯及門的屬性在Pathfinder相應位置處添加這些構件，之后隱藏導入圖像并僅保留各樓層平面布局，形成高層住宅建筑的初始疏散模型。在初始模型中設置人員屬性、數量、位置以及電梯載客量、初始停靠層、加速度和最大速度等參數，構建高層建筑火災人員應急疏散模型。

2 樓層火災及煙氣蔓延仿真與分析

2.1 溫度模擬分析

根據已有研究[12],人在65℃的空氣中無法呼吸，因此確定65℃為作為樓層火災危險臨界溫度。圖4為著火樓層高度2 m處溫度隨時間變化分布情況。圖5為樓梯間高度2 m處感溫電偶監測的溫度曲線。根據數值模擬可知，著火房間在50 s達到了65℃的溫度限值，1號樓梯間在580 s時達到最高溫度值，即55℃；2號樓梯間在600 s模擬時長內始終低于26℃。1號和2號樓梯作為主要疏散通道，在600 s模擬時長內溫度一直低于危險臨界溫度。

圖4 著火樓層高度2 m處不同時刻溫度切片圖

圖5 著火樓層樓梯間高度2 m處時間-溫度曲線

2.2 CO濃度分析

根據相關研究[13],選取500 ppm作為CO濃度臨界危險值。圖6為著火樓層高度2 m處CO濃度在不同時刻下的分布情況。圖7為樓梯間高度2 m處CO感煙電偶監測曲線。從模擬結果可知，著火房間在50 s內CO濃度達到臨界危險值；1號樓梯內CO濃度在370 s之前，一直處于增長狀態，達到最大值為250 ppm，在370 s后CO濃度呈現波谷，并逐漸趨于相對平穩的狀態；2號樓梯間距離著火點相對較遠，在300 s之前CO濃度增長緩慢，之后呈現波浪式快速增長趨勢，在570 s左右達到最大值250 ppm。1號和2號樓梯間在煙氣模擬時長內一直低于CO濃度臨界危險值。

圖6 著火樓層高度2 m處不同時刻CO濃度切片圖

圖7 著火樓層樓梯間高度2 m處時間-CO濃度曲線

2.3 能見度分析

對于小空間區域，火災中允許的最小能見度為5 m[14]。但考慮到居民對住宅內部空間的熟悉程度，最小能見度可以進一步減小，因此，確定能見度臨界限值為4 m。圖8為著火樓層高度2 m處能見度在不同時刻下的分布情況，圖9為著火樓層高度2 m處能見度感煙電偶監測值變化曲線。根據數值模擬結果可知，著火區域在很短時間內能見度已經降到臨界值4 m以下；1號樓梯間距離著火點較近，能見度下較為降迅速，在89 s時下降到臨界值4 m；2號樓梯間從247 s附近能見度開始下降，在341 s左右能見度穩定在4 m之上。1號和2號樓梯在仿真模擬時長內均高于能見度臨界限值。

圖8 著火樓層高度2 m處不同時刻能見度切片圖

圖9 著火樓層樓梯間高度2 m處能見度變化曲線

3 室內火災人員疏散仿真與分析

3.1 疏散參數及場景設置

在Pathfinder中設置相關參數如下:疏散場景時間選取白天和夜晚兩種；白天每戶疏散人員以1人計，整棟住宅建筑的疏散總人數為104人；夜晚每戶疏散人員以3人計，疏散總人數為312人；本文將疏散人群分為兒童、成年女性、成年男性、老人四類(表1)。考慮到1號和2號樓梯間達到各項臨界危險值的時間不同，因此設置考慮兩種疏散路徑：人員可自由選擇疏散樓梯逃離火場；由于1號樓梯間能見度在89 s下降到臨界危險值之下，所以89 s之前1號樓梯可作為疏散通道，89 s之后僅2號樓梯可作為疏散通道。結合白天和晚上兩種疏散場景，共計設計了4中火災應急疏散工況(表2)。

表1 人員屬性

表2 四種疏散場景

3.2 樓梯疏散安全性分析

建筑物發生火災后，是否可以安全的將人員撤離到安全區域取決于人員所需安全疏散時間(RSET)和人員可用安全疏散時間(ASET)。當RSET

REST=Td+Tpre+Tt。

(4)

式中：Td為火災探測警報時間(s)；Tpre為人員反應動作時間(s)；Tt為人員疏散的運動時間(s)。

火災模擬結果表明，著火點區域在20 s能見度達到臨界危險值，1號樓梯在89 s能見度達到臨界危險值，由于建筑存在半開放式連廊使得2號樓梯在600 s的仿真時長內一直處于安全狀態，整棟建筑的可用安全疏散時間取2號樓梯間到達臨界危險值的時間。設定煙霧傳感器報警時間(Td)為20 s，待疏散人員在收到報警時間后反應時間(Tpre)為40 s，則設定總延遲時間為60 s，模擬仿真疏散過程，結果見表3所示。四種疏散工況的人員疏散運動時間見圖10，疏散安全性判讀見表4。

表3 可用安全時間

表4 安全性判定表

分析可知：白天高層住宅內所有人員完成疏散所需時間為326 s；夜晚高層住宅內所有人員完成疏散所需時間為472 s；2號樓梯間在火災仿真過程中各項數值均為達到臨界危險值，晚間高層住宅內所有人員在8 min內完成疏散。高層建筑安全疏散允許時間可按5～7 min考慮，這里取6 min，則晚上高層住宅內人員在安全疏散允許時間限值內不能夠完全疏散。

為分析疏散過程中人員及空間特性，以標高1.5 m休息平臺通往標高0.0 m地面樓梯梯段為對象。圖11、圖12和圖13分別為工況1、工況3、工況4下樓梯段的人員疏散動態曲線圖。

圖10 疏散人數—時間變化曲線圖

圖11 工況1的樓梯段人員密度與流速曲線圖

圖12 工況3的樓梯段人員密度與流速曲線圖

圖13 工況4的樓梯段人員密度與流速曲線圖

由模擬結果可知，工況1在整個疏散過程中1號和2樓梯間人員密度為0～2.0 occs/m2，表示該梯段人員密度較小，人員疏散通暢；1號樓梯間在18 s之前人員流速一直處于增長狀態，達到0.21 per/s，18 s之后人員速率呈現波谷狀態，在240 s達到最大值0.43 per/s；2號樓梯間在25 s之前人員流速一直處于增長狀態，達到0.28 per/s，25 s之后人員速率呈現波谷狀態，在254 s達到最大值0.40 per/s。工況3，1號和2號樓梯間在疏散過程中人員密度為1.0～2.0 occs/m2，短時間內為2.0～3.0 occs/m2，表示該梯段人員密度較小，人員疏散通暢；1號樓梯間在34 s之前人員流速一直處于增長狀態，達到0.57 per/s，34 s之后人員速率呈現波谷狀態，在141 s達到最大值0.63 per/s；2號樓梯間在21 s之前人員流速一直處于增長狀態，達到0.40 per/s，21 s之后人員速率呈現波谷狀態，在51 s達到最大值0.62 per/s，275 s后人員速率開始快速下降。工況4，1號樓梯間樓梯梯段在27～35 s時長內人員密度為2.0～3.0 occs/m2，表示該梯段人員密度較大，已經發生擁堵且局部擁堵較嚴重；其他時間段人員密度為1.0～2.0 occs/m2，表示該梯段人員密度較小，人員疏散通暢；2號樓梯間樓梯梯段在207 s之前人員密度為1.0～2.0 occs/m2，表示該梯段人員密度較小，人員疏散通暢；211～367 s人員密度為2.0～4.0 occs/m2表示該梯段人員密度較大，已經發生擁堵且局部擁堵較嚴重。1號樓梯間樓梯梯段在34 s之前人員速率一直處于增長狀態，達到0.58 per/s，34 s之后人員速率呈現波谷狀態，在99 s達到最大值0.61 per/s，130 s后人員速率開始快速下降；2號樓梯間樓梯梯段在50 s前處于增長狀態，達到0.61 per/s，50 s之后人員速率呈現波谷狀態，在276 s達到最大值0.9 per/s，379 s后人員速率快速下降。

對比工況1與4的模擬結果，兩種工況中樓梯梯段均未出現疏散擁堵現象，疏散人數較多是工況4比工況1疏散時間多出37 s的主要原因。對比工況3與4的模擬結果，由于工況4考慮89 s后著火層1號樓梯間不再允許人員通過，使得1號樓梯間樓梯梯段在115 s人員密度降到0 occs/m2，在158 s人員速率降到0 per/s，2號樓梯間在211 s后較長一段時間內人員密度較大，疏散較擁堵，疏散時間比工況3多109 s。

3.3 電梯協同樓梯疏散分析

本文采用電梯頂層優先疏散策略[9]輔助樓梯進行疏散。頂層優先疏散策略是將高層建筑某一樓層及以上樓層采用電梯疏散，設此樓層為F,所有電梯首先停靠頂層并疏散頂層全部人員，然后再依次停靠次頂層、次次頂層直至第F層的全部人員疏散完畢。該策略的重點是尋找電梯的最佳停靠樓層以及使用電梯的人員比例。考慮我國規范不允許使用電梯進行人員疏散，因此僅使用遠離著火點的消防電梯進行人員疏散。電梯最開始位于1層，疏散開始時首先到達最高層N層，之后再從一層依次到達N-1層，N-2層，…，直到模擬選定的最低樓層。依次模擬每層作為電梯停靠層所需的疏散時間，從而獲得疏散時間最短的電梯最優停靠層。在確定最優停靠層后，模擬每層乘坐電梯進行疏散的人員比例，從而確定使用電梯進行疏散的最優比例，同樣分兩種情況：白天上班上學人員較多，所需疏散的人員較少；夜晚人員多下班放學，所需疏散人員較多。疏散場景見表5。電梯尺寸為2.7 m×2.4 m，最大載客量14人，加速度1.4 m/s2,最大速度3.0 m/s，開關門總時間7 s，開/關門延遲時間5 s/5 s。

表5 兩種電梯輔助疏散場景

電梯協同樓梯疏散時，存在電梯最佳停靠樓層與使用電梯的最佳比例。當電梯停靠層與使用電梯人員比例逼近最佳時，整棟建筑人員疏散總時間將減小到最短，反之將逐漸增加。不同情景下人員疏散的數值模擬結果如圖14。

高層住宅建筑在白天進行疏散時，電梯的最佳停靠層為24層，使用電梯人員比例最佳為100%,電梯協同樓梯疏散的總時間為243 s，即約4 min；相較于僅使用樓梯進行疏散總時間縮短23 s，疏散效率提升了約10%。在晚上進行疏散時，電梯的最佳停靠層為23層，使用電梯人員比例最佳為80%，電梯協同樓梯疏散的總時間為359 s，即約6 min；相較于僅使用樓梯進行疏散總時間縮短63 s，疏散效率提升了約15%，說明電梯協同疏散不僅能夠縮短疏散時間，還可以根據實際情況科學調整電梯疏散資源分配。

4 結論

(1)聯合BIM、Pyrosim和Pathfinder軟件構建了高層住宅建筑火災應急疏散仿真模型，模擬不同疏散情景中人員應急疏散過程及特征，量化分析了煙氣蔓延影響的樓梯疏散安全性，提出了電梯協同樓梯疏散的優化策略。

(2)建筑內煙氣蔓延表明著火點附近區域的溫度、CO濃度、能見度均很快達到臨界危險值；1號樓梯間臨近著火點，在89 s時能見度下降到臨界危險值(4 m),但由于建筑采用半開放連廊，2號樓梯間的各項監測值均未達到臨界危險值。在白天情景下，建筑內人員全部疏散需要326 s，能在安全疏散允許時間限值內完成疏散；在夜間情景下，建筑內人員全部疏散需要472 s，不能在安全疏散允許時間限值內完成疏散。

(3)合理安排電梯協同樓梯疏散策略，能夠有效提高人員疏散效率。以夜間疏散情景為例，，電梯的最佳停靠層為23層，使用電梯人員比例最佳為80%，電梯協同樓梯疏散的總時間為359 s，即約6 min；相較于僅使用樓梯進行疏散總時間縮短了63 s，疏散效率提升了約15%，使得住宅內人員在安全疏散允許時間限值內能夠完成疏散。