考慮不同燃燒產物產率的復合功能體育館煙氣蔓延模擬分析

李瑩輝，潘海迅，崔家春

（1.華東建筑設計研究院有限公司，上海 200002;2.上海建筑設計研究院有限公司，上海 200041）

1 引言

在性能化消防分析中，可用安全疏散時間ASET 指火災從開始發展到威脅人員安全所經歷的時間，主要通過火場溫度、能見度、CO 濃度等指標的閾值來判定[1]。能見度主要由煙氣的濃度、刺激性、物體及背景的亮度等因素決定。在火災煙氣模擬中，影響溫度、煙氣濃度、CO 濃度的主要因素是火災規模大小以及可燃物的煙氣產率ys、CO 產率yco[2]。在消防性能化分析中，火災規模的大小（熱釋放速率）一般有規范依據[3-4]，而可燃物的煙氣產率、CO 產率沒有規范參考，很大程度上依賴于分析人員的工程背景和主觀判斷。

體育館的復合化設計是以一種或幾種競技體育設施為主體，集成功能相關、以經營創收為主要目的的多種附屬設施，形成能滿足除比賽以外的文藝演出、會展、健身、娛樂等多種需要的功能復合體[5]。當體育館具有復合功能時，其可燃物的種類就相應增加，不同使用功能下的火荷載也有一定差別。以某復合功能體育館為例，在FDS 的煙氣蔓延模擬計算中考慮了不同使用功能下的火災規模、燃燒產物產率的不同，并通過定量分析可燃物的煙氣產率、CO 產率對ASET 的影響。為提高消防性能化分析的可靠性及復合型體育館的煙氣蔓延分析提供參考。

2 火災場景設計

2.1 火災位置與規模

以某復合功能體育館為研究對象，該體育館平面尺寸108 m×126 m，主場館空間高度23.4 m。綜合分析復合功能體育館的布局特點和其內可燃物品的類型及堆放場所，本文主要確定了3 個火源點，即比賽場地中心、演唱會時的舞臺、三層看臺區，位置如圖1 中的A、B、C 所示。

圖1 火源點位置

參考DG J08-88—2021《建筑防煙排煙系統設計標準》[3]中關于室內凈高大于8 m 的公共場所火災規模的規定，設定比賽場地火源A 的火災熱釋放速率為8 MW。參考DG J08-88—2021《建筑防煙排煙系統設計標準》中關于商店、展覽的火災規模的規定，設定舞臺火源B 的火災熱釋放速率為10 MW。參考NFPA92B Standard for Smoke Management Syste ms in Malls,Atria,and Large Spaces 中座椅的火災測試數據，看臺火源C 火災規模取3MW，相當于18 把座椅同時燃燒。

假設火災增長模型均為t2火災，考慮舞臺的可燃物包括幕布、輕質道具、燈光設備等易燃物且分布較連續、集中，保守的將舞臺火災設計為超快速火，火災增長因子為0.178，比賽場地和看臺的火災設計為快速火，火災增長因子為0.044[3]。基于該體育場的防排煙設計，場館上方均勻分布8 個機械排煙口，總排煙量為360 000 m3/h。

2.2 可燃物的燃燒產物產率

The SFPE Handbook of Fire Protection Engineering（3rd edition）[6]提供了若干材料在通風良好時的CO 產率yco和煙氣產率ys如表1 所示。體育館為大空間，可燃物燃燒時氧氣充足，可參考通風良好時的燃燒產物產率。樓書含[7]提到籃球場表面材料為丙烯酸聚合物，而有些籃球場可能采用木地板，因此，比賽場地可燃物燃燒產率參考丙烯酸塑料和松木的yco和ys，偏保守的分別取0.01 和0.022。舞臺的可燃物燃燒產率參考丙綸、滌綸、尼龍和硅膠的yco和ys，偏保守的分別取0.038和0.091。體育場普通看臺的硬質塑料座椅一般由聚乙烯或聚氯乙烯[7]吹塑而成，看臺火源可燃物燃燒產率參考聚乙烯和聚氯乙烯的yco和ys，偏保守的分別取0.063 和0.172。

表1 常見材料燃燒產物產率 g/g

3 分析結果

3.1 可用安全疏散時間ASET

根據煙氣擴散和沉降過程，觀眾看臺離地面位置越高的地方越易受到煙氣的影響，因此，最高看臺位置的觀眾的火災危險性最高，但在緊急疏散時觀眾并不會在最高看臺處逗留很久，反而在疏散口位置會聚集有較多觀眾排隊等待離開。因此，以各疏散口2 m 高度處的煙氣溫度、能見度和CO 濃度是否到達閾值來確定各區域觀眾的可用安全疏散時間ASET，溫度、能見度和CO 濃度的閾值分別取為60 ℃、10 m 和500 mg/L。

3.1.1 比賽場地火災

在整個模擬時間內，三層看臺疏散口的溫度和CO 濃度均未超過相應閾值。三層看臺6 個疏散口2 m 高度處的能見度隨時間發展如圖2 所示。6 個疏散口的能見度在669～762 s相繼達到閾值，兩邊疏散口的能見度降低速率比中間疏散口更快，保守考慮，三層疏散口的ASET 為669 s。二層和底層疏散口比三層疏散口位置低，溫度和CO 濃度更低，不影響觀眾疏散。二層疏散口的能見度最早在958 s 時降低到10 m，底層疏散口的能見度在整個模擬時間內均未降低到10 m。基于能見度的分析結果，二層和底層疏散口的ASET 分別為958 s 和大于1 200 s。

圖2 比賽場地火災下三層看臺疏散口能見度變化曲線

3.1.2 舞臺火災

在整個模擬時間內，三層看臺疏散口的溫度和CO 濃度仍未超過相應閾值。三層看臺6 個疏散口2 m 高度處能見度隨時間發展如圖3 所示。6 個疏散口的能見度在181～230 s 相繼達到閾值，與比賽場地火災一樣，兩邊疏散口的能見度降低速率比中間疏散口更快，保守考慮，三層疏散口的ASET 為181 s。二層和底層疏散口比三層疏散口位置低，溫度和CO 濃度更低，不影響觀眾疏散。二層疏散口的能見度最早在364 s時降低到10 m，底層疏散口的能見度在819 s 時降低到10 m。基于能見度的分析結果，二層和底層疏散口的ASET 分別為364 s 和819 s。

圖3 舞臺火災下三層看臺疏散口能見度變化曲線

3.1.3 看臺火災

雖然該火災下燃燒產物的CO 產率和煙氣產率較大，但火源功率相對較低，在整個模擬時間內，溫度、能見度和CO濃度均未超過相應閾值，該火災工況下各層疏散口的ASET均大于1 200 s。

3.2 燃燒產物產率的影響

為研究不同燃燒產物產率對可用安全疏散時間ASET 的影響，參考表1 中所列常見材料燃燒產物的產率，假設演出舞臺火災的可燃物煙氣產率ys分別為0.015 g/g、0.022 g/g、0.060 g/g、0.091 g/g 和0.172 g/g，CO 產率yco分別為0.005 g/g、0.01 g/g、0.024 g/g、0.038 g/g、0.063 g/g，分別計算各工況下的煙氣蔓延及可用安全疏散時間。

燃燒產物產率取值不同時，舞臺火災下各層最不利疏散口的煙氣能見度和CO 濃度隨時間變化如圖4～圖6 所示。可以看出，煙氣產率ys取值不同對各層疏散口能見度計算結果的影響均較大，且ys越大，能見度的下降速率越大，能見度下降到閾值的時間也越早。CO 產率yco取值不同對各層疏散口CO 濃度計算結果的影響均較大，且yco越大，CO濃度的增長速率越大。針對本文所研究的復合功能體育館，CO 濃度均未達到閾值，因此，yco不影響本體育館的可用安全疏散時間。

圖4 三層疏散口能見度、CO濃度的變化曲線

圖5 二層疏散口能見度、CO濃度的變化曲線

圖6 一層疏散口能見度、CO濃度的變化曲線

三層疏散口分別在600 s、800 s、1 000 s 和1 200 s 時的煙氣能見度和CO 濃度隨燃燒產物產率的變化如圖7 所示，不同時刻的煙氣能見度均隨ys的增加而降低，能見度降低的幅度在ys值較低時更為明顯。不同時刻CO 濃度均隨yco的增加而增加，且CO 濃度增加的幅度在yco值較大時更為明顯。

圖7 燃燒產物產率對能見度、CO濃度的影響

各層疏散口可用安全疏散時間ASET 隨煙氣產率ys的變化如圖8 所示，當ys從0.015 g/g 增加至0.172 g/g 時，三層疏散口的ASET 從699 s 減少至174 s，二層疏散口的ASET 從1 096 s 減少至360 s，首層疏散口的ASET 從大于1 200 s 減少至805 s。各層疏散口的ASET 隨ys增加而減小的幅度隨著ys的增加而降低。而當ys從0.091 g/g 增加至0.172 g/g 時，各層疏散口的ASET 僅減小了不到10 s。

圖8 各層疏散口的ASET

4 結論

通過對某復合功能體育館不同火災工況下的FDS 煙氣蔓延模擬，考慮了不同燃燒產物的產率對煙氣蔓延的影響，通過參數分析得到了不同火災工況及不同燃燒產物下的可用安全疏散時間。結論如下：

1）對于大空間的復合功能體育館建筑，不同火災工況下，在整個煙氣模擬過程中煙氣溫度和CO 濃度均未超過閾值，因此，對于疏散安全影響不大，而煙氣能見度是決定可用安全疏散時間的主要因素。

2）對于本文研究的復合功能體育館，舞臺火災引起的煙氣蔓延對人員疏散的影響最大，三層、二層和首層疏散口的可用安全疏散時間ASET 分別為181 s、364 s 和819 s；比賽場地火災時三層、二層和首層疏散口的ASET 分別為669 s、958 s 和大于1 200 s；看臺火災時各層疏散口的ASET 均大于1 200 s。

3）可燃物的燃燒產物產率對煙氣蔓延模擬結果有較大影響。煙氣能見度均隨煙氣產率ys的增加而降低，能見度降低的幅度在ys值較低時更為明顯。CO 濃度均隨CO 產率yco的增加而增加，且CO 濃度增加的幅度在yco值較大時更為明顯。各層疏散口可用安全時間ASET 隨ys的增加而減小，幅度隨著ys的增加而降低。

4）對于大空間的復合功能體育館，煙氣產率ys對可用安全疏散時間ASET 的影響較大，消防性能化分析時建議針對不同可燃物類型設置不同的燃燒產物產率，當對火災可燃物的燃燒特性不明確時，建議ys保守的取不小于0.09的值。