大空間建筑性能化防火設計研究

張振林

（青島市消防救援支隊，山東 青島 266071）

0 引言

在城市化的進程中，建筑物為居民提供了生活、辦公、娛樂和商業的場所[1]。為滿足人類日益增長的生活質量需求，具有創新理念和復雜結構跨度的建筑層出不窮，建筑物也向大空間大跨度發展，例如超級商超、大型博物館、火車站和超大空間圖書館等，這些建筑物中具有人流密集、建筑物高度和體量大、易燃物較多和火災荷載密度大的特點，當發生火災時，會嚴重破壞人類的生活和生產，因此對建筑物的防火設計也提出了更嚴格的要求[2]。研究大空間建筑性能化防火設計是減少火災和保障消防安全的必要條件，對降低火災風險具有重要的作用。

1 工程概況

山東省青島市某大型商業綜合體一期工程位于市中心商業圈，為多層單體建筑，建筑面積為81000 m2，建筑總高度為25 m，是集商業、娛樂、餐飲為一體的大型零售服務中心。建筑共有4 層，首層層高為6 m，主要為服飾、電子數碼產品和家用電器產品的商鋪，2 層~3 層層高為5 m，主要為服飾、文創零售、游樂場、化妝品、玩具店和小型電影院等商鋪；四樓層高為6 m，主要為餐飲商鋪，建筑頂棚為玻璃頂棚。建筑防火等級為一級，二樓~四樓距離安全疏散樓梯的距離不超過35 m。

2 大空間建筑的性能化防火設計火災煙霧流體計算方程

大空間建筑在發生火災的情況下，物體燃燒釋放的煙霧以及熱量，其運動形式在統計學特征和運動學特征上遵循湍流流動，認為其流體在任意時刻都符合連續性偏微方程，如公式（1）所示[3]。

式中：ρ為煙霧氣體的密度；t為運動時間；x、y、z為空間三維坐標；u為x軸方向的速度分量，v為y軸方向的速度分量，w為z軸方向的速度分量。

煙霧氣流湍流的動量方程如公式（2）~公式（4）所示[4]。

式中：μ為煙霧氣體在疏散過程中的動力黏度；p為煙霧氣體的流體壓力；Su、Sv、Sw為動量廣義分量。

煙霧氣流湍流的組分方程如公式（5）所示。

式中：φs為煙霧化學組分s的體積釋放系數；Ds為煙霧化學組分s的擴散系數；Ss為煙霧化學組分s的反應速度。

煙霧氣流湍流的能量方程如公式（6）所示[5]。

式中：T為燃燒釋放溫度；k為煙霧湍流的傳熱系數；cp為煙霧化學組分s的反映速度。

3 大空間建筑的性能化防火設計火災荷載密度計算

對研究商場內不同類型商鋪的面積進行統計，結果見表1。從表1 中可以看出，商場內服裝店的分布數量最多，為457 個；鞋帽店為215 個；分布最少的店鋪為書店，3 個。從店鋪總面積來看，服裝店的店鋪面積最大，面積為22498.11m2；其次為餐飲店，面積為17656.60m2；店鋪面積最小的為書店，面積為228m2。由此可知，服裝店、鞋帽店、餐飲店占據商場的主體，在服裝店和鞋帽店內物品主要以羊毛、織物、化纖等材料制成的衣物、鞋子是重要的可燃物和易燃物，當發生火災時，大量的可燃物延長了火災時間[6]；在餐飲店中布置桌子、椅子以及桌布等，廚房內還有易燃易爆的天然氣，為火災的發展提供了物質基礎[7]。

表1 商場不同店鋪類型的面積統計分析

對研究商場內不同類型商鋪的火災荷載密度進行統計，結果見表2。從表2 中可以看出，商場內書店的火災荷載密度平均值最大，大小為668.70 MJ/m2，其次為服裝店，火災荷載密度平均值為625.52 MJ/m2，首飾店的火災荷載密度平均值也大于600 MJ/m2，火災荷載密度平均值最小的為玩具店，大小為336.64 MJ/m2。從火災荷載密度90%分位值角度看，最大值發生在餐飲店，火災荷載密度90%分位值為896.65 MJ/m2，其次，大于600 MJ/m2的店鋪有服裝店、首飾店、化妝品店、鞋帽店、玩具店和書店，災荷載密度90%分位值最小發生在食品店，大小為444.93 MJ/m2。

表2 商場不同店鋪類型的火災荷載密度統計分析

3 基于火災發展過程數值模擬的大空間建筑性能化防火設計

為了更好地進行大空間建筑性能化設計，該文通過火災動態有限元模擬軟件FDS 建立分析模型，求解火災條件下建筑物煙霧溫度場和速度場，研究建筑防火設計時人員疏散時間和疏散速度參數隨火災動態發展的基本規律[8]。模擬時，將火災的燃燒時間設置為600s，火災增長系數為0.04689kW/s2，火源功率為3MW，火災荷載密度的取值見表2。按最不利工況考慮，假設的商場火災發生時為商場周末高峰營業時間，人員在大樓內隨機分布，火災發生位置為首層服飾店起火，同時商場的噴淋滅火系統發生故障，無法提供噴水。

當火災發生時，商場內各樓層不同時間人員疏散密度模擬計算結果。從圖1 中可以看出，在火災發生初期，商場內各樓層的人員注意到火災發生，并迅速向疏散通道內移動，其中第一層的人員由于存在許多的安全出口，火災發生在一樓，注意到火災發生比較及時且不存在上下樓梯的情況，因此人員疏散密度快速減少，當第二層到第四層的人員發現火災時存在一定的延時，同時人員疏散需要向樓梯口移動需要一定的時間，因此人員疏散密度相對較慢；當火災處于上升期時（t=200s），第一層人員基本到達安全出口，第二層到第四層的人員向安全樓梯聚集，同一樓層內的人員分布進一步收縮，在樓梯口的人員密度快速增加；當火災處于高峰期（t=450s），第一層人員已基本疏散完畢，第二層到第四層的人員基本分布在安全樓梯口，樓層內其他位置已無人員分布，表明人員已進入疏散末尾階段。

圖1 商場內各樓層不同時間人員疏散密度模擬計算結果

同樣地，對火災發生時商場內各樓層不同時間人員疏散速度進行模擬計算，結果如圖2 所示。從圖2 中可以看出，人員的疏散速度與人員的疏散密度具有明顯的相關性。在火災發生初期（t=20s），由于人員在商場各個樓層內均勻分布，個體之間具有較大的空間，因此人員的疏散速度較大，達到0.85m/s；當火災處于上升期時（t=200s），第一層人員基本疏散完畢，第二層~第四層人員不斷地向樓梯口集聚，導致人員密度迅速增加，個人移動困難，因此人員疏散速度迅速降低，疏散速度約為0.36m/s；在火災發生高峰期（t=450s），第一層人員已基本疏散完畢，第二層到第四層的人員基本分布在安全樓梯口，疏散速度又略有提升。

圖2 商場內各樓層不同時間人員疏散速度模擬計算結果

4 基于火災發展過程的大空間建筑性能化防火演練結果對比

基于大空間建筑性能化防火設計火災發展過程數值模擬結果，開展現場火災演練，現場演練的人員共計1000 人，首層分布500 人，第二層分布200 人，第三層分布200 人，第四層分布100 人，現場演練的人員疏散密度采用高分辨率激光掃描雷達進行連續實時監測，商場內各樓層不同時間人員疏散密度火災演練結果如圖3 和表3 所示。從圖3 可以看出，商場不同樓層的人員疏散密度表現為大致相同的變化趨勢，但是數值卻有明顯的差別。總體來說，商場各個樓層的人員疏散密度在時間上具有顯著的分段效應，分別為0s~20s、20s~200s、200s~300s 和300s~450s，隨著時間的增加，各樓層人員疏散密度先增加后分段變小，在分段時間內，商場各個樓層的人員疏散密度劇烈波動，這是因為在火災發生條件下，人員表現為驚慌失措，人員的密集程度具有明顯的隨機性。隨著樓層增加，在50s~300s 商場各樓層的人員疏散密度不斷增加，在300s 后商場各個樓層的人員基本疏散完畢。

圖3 商場內各樓層不同時間人員疏散密度火災演練結果

表3 商場內各樓層不同時間人員疏散密度變化情況

5 結論

以山東省青島市某大型商業綜合體一期工程為研究對象，在分析性能化防火設計火災煙霧流體計算方程的基礎上，采用數值模擬的手段，對火災發生時最不利工況的人員疏散密度和疏散速度進行求解，得到以下2 個結論：1）對研究商場內不同類型商鋪的火災荷載密度進行統計表明，商場內書店的火災荷載密度平均值最大（668.70 MJ/m2），其次為服裝店（625.52 MJ/m2），最小為玩具店（336.64 MJ/m2）。火災荷載密度最大值發生在餐飲店（896.65 MJ/m2），其次，大于600 MJ/m2的店鋪有服裝店、首飾店、化妝品店、鞋帽店、玩具店和書店，火災荷載密度最小值發生在食品店，大小為444.93 MJ/m2。2）在火災的不同發展階段，人員疏散密度速度明顯不同，在初期首層人員疏散較快，火災上升期上層人員向樓梯口集聚，在火災高峰期內基本疏散；人員的疏散速度與人員的疏散密度具有明顯的相關性，火災初期疏散速度較大，火災上升期和高峰期隨著人員密度的增加速度有所下降。