【WORD格式论文原稿】中庭式建筑火灾烟气迁移特性及人员疏散规律研究

【WORD格式论文原稿】中庭式建筑火灾烟气迁移特性及人员疏散规律研究 豆丁标准与论文网免费阅读:www.docin.com/week114 中庭式建筑火灾烟气迁移特性及人员疏散规律研究 1211曹爱虎，何发龙，李义敬，陈凯 (1. 中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116; 2. 中南大学 资源安全学院，长沙 410083) 摘要:中庭式建筑作为一种典型的新型建筑风格，以其美观的外表，宽敞、舒适的室内环境 以及采光、交通等多种功能而得到越来越多的应用，但其所带来的火灾事故却往往是具有灾 难性的。为研究中庭式建筑火灾时期烟气迁移特性及人员疏散情况，采用 FDS(Fire Dynamic Simulator)以及 Thunderhead Pathfinder(灾难逃生模拟软件)建立火灾模型和人员疏散模型进 行数值模拟，FDS 结果表明中庭式图书馆中庭内的火灾烟气浓度随高度升高而增加，同时 火源房间产生的窗羽流及阳台溢流羽流对烟气迁移的影响也不容忽视;结合 FDS 和 Pathfinder 数值模拟结果定量评估出该中庭式图书馆的安全疏散状况。这给评价中庭式建筑 排烟设计和人员疏散提供一定的理论参考。 关键词:中庭式建筑;火灾烟气;人员疏散;FDS;Pathfinder 中图分类号:X928.03 Researh on the Characteristic of Smoke Transfer and Regularity of Occupants Evacuation in Atrium Building Fire 1211CAO Aihu, HE Falong, LI Yijing, CHEN Kai (1. School of Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Jiangsu Xuzhou 221116, China; 2. College of Resource and Safety Engineering,Central South University,Changsha 410083,China) Abstract: As a new typical architectural style,the atrium building has been extensively applied due to its beautiful appearance,spacious and comfortable indoor environment,as well as lighting,transportation and many other features.However,the conflagration it brought is often calamitous.Fire Dynamic Simulator(FDS)and Thunderhead Pathfinder(Evacuation software)were used to build library atrium fire model and occupants evacuation model to research on the characteristics of the fire smoke transfer in atrium and the occupants evacuation during the fire.The FDS numerical simulation result indicated that the fire smoke density raised along with the height increasing in the library atrium, simultaneously,the window plume and the balcony overflow plume produced by the room fire have a great impact on the fire smoke transfer that cannot be neglected. A quantitatively assessment of the atrium library evacuation is brought out by the combination of the numerical simulation result from the FDS and the Pathfinder.It can provide some theoretical reference to estimate the exhaust smoke design and the occupants evacuation of atrium building. Key words: atrium building, fire smoke, occupants evacuation, FDS, Pathfinder 0 引言 近些年来频频发生的建筑火灾事故中，中庭式建筑火灾所占的比例也越来越大，其火灾 问题已不容忽视。国内外史上一些相当规模的中庭火灾事故已经见证了它的严重危害性，如 l967 年 5 月 22 日，比利时布鲁塞尔伊诺巴施格百货商店发生的中庭火灾，造成 325 人丧生， 损失金额约 70 亿丹;1996 年 4 月 2 日，沈阳商业城发生火灾，这起火灾造成的直接经济损 失高达 5519.2 万元。现代中庭式建筑是在高层建筑内部留出体积很大的空间，由一个或者 多个在竖直方向上连续贯通多层的封顶或不封顶的大型空间组成，具有内部空间大、使用功 能复杂、火灾载荷大、人员密度大等多方面的特点。如果中庭或中庭周边房间一旦失火，火 作者简介:曹爱虎(1986-)，男，汉，安徽怀宁人，中国矿业大学安全工程学院研究生，主要从事通风防灭 火及安全监测监控方面的研究. E-mail: caoaihu_cumt@163.com - 1 - 豆丁标准与论文网免费阅读:www.docin.com/week114 势可在连通的空间里迅速蔓延，造成火源、产烟量及发热量的扩大;同时，高温烟流在上升过程中受到周边壁面或房间冷却导致烟气层逐渐下降，并侵入中庭周边的廊道或房间，致使 [1~3]烟气充满整个中庭及其相邻建筑空间，烟气的迅速蔓延会使安全疏散造成很大的困难。 火灾通常伴有大量的热和高浓度的烟气，而烟气中含有许多有毒有害、腐蚀性成分以及 颗粒物等，加之火灾环境高温、缺氧，对生命财产和生态环境都带来很大的危害性。烟气对 人的危害主要表现为毒性、窒息、高温灼伤、遮光剂引起心理恐慌等。根据 NIST 的统计数 据:火灾中 85%以上的死亡者都是由于烟气的影响，其中大部分是吸入了烟尘及有毒气体 昏迷后而致死的，而被火烧死的人中还有一部分是先被烟气熏倒而死亡的，从而研究烟气生 [4~6]成、传播及其周围环境中气体的浓度变化规律具有非常重要的意义。相比普通建筑火灾， 中庭式建筑火灾主要有以下特性:(1)中庭式建筑的中庭一般体较大;(2)装饰材料多为易燃、 可燃材质;(3)烟气扩散迅速，且易形成“烟囱效应”;(4)早期探测和和初期灭火较难实现;(5) 安全疏散困难。目前，国内对中庭式建筑火灾烟气现象的研究主要是集中在火灾烟气流动控 [1~3,7~12]制与防火设计的数值模拟和实验研究上，这对中庭建筑结构中火灾烟气流动管理和消 防设计是非常重要的，但针对中庭式建筑火灾烟气迁移特性及定量评估火灾时人员疏散的研 究并不十分丰富。因此，本文基于 FDS 和 Pathfinder 建立中庭式图书馆建筑火灾模型和疏散 模型以研究其火灾时期烟气迁移特性及人员疏散规律，并结合二者的数值模拟结果定量地计 算出待疏散人员完全撤离所需的时间以及评估出该中庭式图书馆的安全疏散状况，这可为中 庭式建筑的防火排烟、人员疏散等安全消防设计、减少火灾中的人员伤亡和财产损失提供一 定的理论指导和参考价值。 1 理论基础 1.1 中庭式建筑烟气羽流特性 [13]1.1.1 轴对称烟羽流 烟气被定义为是燃烧生成物及卷入的空气的混合物。当火灾发生在 中庭的地面上且 远离大空间的边界面，火灾产生的高温气体上升到火焰上方形成烟羽流，烟羽流在上升过程中不断卷入四周空气，且烟羽流在上升过程中不触及边界面，由此形成的烟羽流称为轴对称 [14]烟羽流。轴对称烟羽流的质量流量方程如下公式所示: 1/3 5/ 3 Z > Z m = 0.017QZ+ 0.0018Q fc c(1.1) 3/ 5 Z < Z m = 0.032QZ fc (1.2) Z = Z m = 0.035Q fc (1.3)式(1.3)也适用于墙羽流和角羽流。 式中 m—高度 Z 处烟羽流质量流量，kg/s; Q—对流热换量，对流热换量与燃烧总放热量Q 之间的关系，通常认为 Q=0.7Q，kW; cc Z—燃料面上不到烟气层的高度，m; 2/ 5，m 。 Z为连续火焰极限高度，其计算式为 Zf = 0.166Qc f 1.1.2 烟台溢流羽流 火灾发生在与中庭相通的邻近空间，火灾生成的烟气在到达顶棚之前，主要通过开口处 的阳台等水平凸出物，经过阳台边缘向大空间扩散，并且绕过它们到达顶棚，给人的感觉好 - 2 - 豆丁标准与论文网免费阅读:www.docin.com/week114 [13] 像是从阳台溢出的，这样形成的烟羽流称为阳台溢流羽流。其计算式为: b + 0.6 H ) 0.063(Z2 1/ 3 2 / 32 m = 0.41(QW )(Zb + 0.3H )[1 + ](1.4) 2W 式中 H—燃料到阳台的高度，m; 2 Z—阳台到烟气层的高度，m; b W—羽流扩散宽度，m。 1.1.3 窗羽流 火灾发生在与中庭相通的楼层时，烟气通过中庭与楼层之间的窗户传播到中庭而形成的 [14]羽流为窗羽流。其计算式为: 1/ 2 1/3 5/ 3 1/ 2m = 0.68(AWH)(ZW + α)+1.59AWH (1.5) W W 2式中 A—窗户开口面积，m; H—窗户开口高度，m; WW Z—窗户的开口顶部到烟气层的距离，m; α—窗口W2/ 5 1 / 5 的修正系数， α= 2.4 AH ? 2.1H 。 1.1.4 角羽流W W W 如果火灾发生在墙角，并且两墙夹角成 90?，这种火灾产生的羽流为角羽流。角羽流也 [13,14]和轴对称羽流相似，可视为轴对称羽流的 1/4，它的计算式为: 1/ 3 5 / 3Z > Z m = 0.01775(4Q) Z+ 0.0018Q fc c(1.6) 3/ 5Z < Z m = 0.008(4Q) Z fc (1.7)式中物理量的意义与 1.1.1 相同。 1.1.5 墙羽流 对于靠墙发生的火灾，空气只在羽流周长的一半区域被卷吸。火灾和墙羽流在 几何形状 [14] 上来看只是轴对称羽流的一半，墙羽流的质量流量方程如下: 1/ 3 5 / 3Z > Z m = 0.0355(2Q) Z+ 0.0018Q fc c(1.8) 3/ 5 Z < Z m = 0.016(2Q )Z fc (1.9)式中物理量的意义与 1.1.1 相同。 1.2 人员安全疏散理论 人员安全疏散是指在发生火灾的特殊情况下，在允许的疏散时间内，使遭受或即将遭受 到火焰高温的伤害与烟气的毒害的人员和贵重物在建筑内部火烟气还未危及其安全之前，借 助于各种疏散通道安全、迅速、准确地将人员和贵重物品撤离到室外无安全威胁的区域。 1.2.1 人员安全疏散的时间判断准则 建筑物内人员安全疏散的关键是保证可用安全疏散时间 (TASET)必须大于必需安全疏 散时间(TRSET)。可用安全疏散时间 TASET 是指从起火到火灾构成危险状态的时间间隔。TASET 主要包括从起火到火灾报警的时间 td 和发出报警到火灾对人构成危险的时间 th 两部 分;必需安全疏散时间 TRSET 是指从起火时刻起到人员疏散到安全区域的时间。在紧急情况 - 3 - 豆丁标准与论文网免费阅读:www.docin.com/week114 下的 TRSET 主要包括:火灾探测时间(talarm)、火灾预动时间(tpre)和人员疏散运动时间(tmove)，其中预动作时间又包括认识时间(treg)和反应时间(tresp)两部分。人员安 全疏散准则一般被认定为下图 1-1 所示:TASET > TRSET。 图 1-1 人员安全疏散时间准则 Fig.1-1 Constitutional diagram of safe evacuation time 1.2.2 火灾过程中人的行为习性和行为反应 所谓行为即是为了满足一定的目的和欲望而采取 的过渡的行动状态，行为既包括日常生 活中即在正常情况下的行为习性，也包括在特殊情况下如火灾应急状态中的表现出来的行为反应。日本学者户川喜久二在前人的调查研究成果基础上将人的行为习性归纳整理出重要的 四点:左侧通行、左转弯、抄近路和识途性。在火灾实践中，人们采取何种行动反应往往取 决于人么自我感觉的对现实事件的控制能力。人们自我感觉的对某个时间的控制能力越强， 采取积极行动的可能性就越大;反之，人们对某一时间感到无能为力、束手无策，就更加倾 向于采取负性的、过激的甚至不顾后果的行为，且火灾状况下人们的行为多是无序性和多向 [15]性的。因此综合以上分析的人们在火灾中的行为习性和行为反应，可以得到在火灾状况 下人们一般采取的行为过程及方式，如下图 1-2 所示: 图 1-2 火灾中的人员行为过程及方式 Fig.1-2 Personnel behavioral process and way in fire 2 数值模拟模型 为研究中庭式建筑火灾烟气迁移特性，采用的模拟软件为美国 NIST 实验室所开发的 - 4 - 豆丁标准与论文网免费阅读:www.docin.com/week114 FDS 5.0 版本，FDS(Fire Dynamics Simulator)是美国国家技术标准局(NIST)建筑与火灾实验室(BFRL)开发的基于场模拟的火灾模拟软件。场模拟也称物理模拟，是基于火灾过程的质 量、动量、能量和化学反应诸方面基本方程的一种高层次的复杂模拟，它是目前被广泛应用 [16~19]的对火灾问题进行场模拟的计算软件。模拟模型选取的是中庭式图书馆全尺寸建筑结 构模型，总尺寸:83.4m×43.5m×19.5m，该图书馆是五层回廊式中庭结构，其中庭的顶棚是 由钢屋架支撑的采光玻璃组成，中庭的净尺寸:64.2m×20m×19.5m。根据《建筑设计防火规 范 GB 50016--2006》中的国家标准规定大空间建筑结构在设计时会考虑到建筑物的通风问 题，结合建筑结构实际情况建立模型时在中庭顶棚设置 3 个机械通风口，面积为 0.6m×0.4m， 设定通风速度为 2.5m/s，图书馆内的进出口均设置为敞开状态，此外建筑物内的窗户是随机 选取开启的。模型中火源设置在一层藏书库的中央，火源面积:2.5m×2.5m，藏书架及吊顶 装饰材料主要为木质材质，因此选取木材作为燃烧物并根据实际情况设定燃烧质量为 520kg。在中庭、各层回廊中央和火源房间的墙角位置布置烟气探头，数值模拟时间为 3600s， 这足以观察火灾时烟气迁移特性及浓度变化情况。图 2-1、图 2-2 分别为该模型的底层剖视 图和实验模拟图。 图2-1 实验模型底层剖视图 图2-2 中庭式图书馆FDS模型 Fig.2-1 Cutaway view of first floor in experimental model Fig.2-2 FDS model of atrium library 为研究上述中庭式图书馆的人员安全疏散情况，采用的仿真软件是 Thunderhead Pathfinder (灾难逃生模拟软件)，由美国的 Thunderhead Engineering 公司研发的一套简单、直 观、易用的新型的智能人员紧急疏散逃生评估系统，它利用计算机图形仿真和游戏角色领域 的技术，对多个群体中的每个个体运动都进行图形化的虚拟演练，从而可以准确确定每个个 体在灾难发生时最佳逃生路径和逃生时间。该运动的环境是一个完整的三维三角网格设计， 以配合实际层面的建设模式，可以计算每个乘员独立运动并给予了一套独特的参数(最高速 度，出口的选择等等)，Pathfinder 包括 SFPE 模式相对应的移动计算中所描述 SFPE(美国消 防工程手册，SFPE 模式的结果提供了一个参考的计算，并可以进行更复杂 防工程师协会)消 [20]的运动分析。建立中庭式图书馆的结构疏散模型，其尺寸和 FDS 模型的尺寸完全相同， 即 83.4m×43.5m×19.5m，其中图书馆内设置了疏散楼梯以及两侧办公区的疏散门。该疏散模 型总共五层，内有三个疏散楼梯垂直连接竖向空间及四个疏散出口。经观察统计并计算得到 图书馆的日均人数为 502 人随机分布在各个楼层不同房间内，根据 SFPE 消防手册标准确定 人员疏散时水平速度为 1.19m/s，楼梯下行速度为 0.86 m/s，模型内未设定障碍物。模型内 的待疏散人员分布如图 2-3 所示: - 5 - 豆丁标准与论文网免费阅读:www.docin.com/week114 图 2-3 疏散模型内人员分布 Fig.2-3 Evacuation model of personnel distribution 3 模拟结果与分析 3.1 FDS 模拟结果分析 3.1.1 烟气迁移速率及 CO 浓度场变化 图 3-1 Y=23.7 烟气迁移速度云图 图 3-2 Y=24.41 CO 浓度场云图 Fig.3-1 Y=23.7 Velocity nephogram of smoke transport Fig.3-2 Y=24.41 CO density nephogram 火灾烟气迁移速率的快慢程度直接制约着人员疏散时的可用安全疏散时间(TASET)的长 短。从图 3-1 中可以看出，火源房门口及其上部中庭处的烟气迁移速度相对较大，这是由于 火源房间与中庭邻近，高温烟气通过火源房间与中庭之间敞开的窗户和门或者开口的阳台扩 散到中庭而形成窗羽流和阳台溢流羽流作用的缘故。当模拟时间运行到 1270.8s 时，烟气迁 移速率达到到 0.8m/s，且到 1828.8s 时烟气迁移速率变化不大。图 3-2 所呈现出是 1612.8s 和 3348.0s 两时刻燃烧过程中在 Y=24.41 处的 CO 浓度场变化情况，从 1612.8s 到 3348.0s 时 间段内中庭内的 CO 浓度积聚增大，但在这个时间段内，CO 浓度的增长速率是比较缓慢的， 这是因为该段实验模拟过程中木材还是处于富氧燃烧状态。 3.1.2 火源房间及中庭 CO 浓度变化曲线 从图 3-3 可看出，火源房间墙角不同高度各测点的 CO 浓度在垂直方向上的演变非常相 - 6 - 豆丁标准与论文网免费阅读:www.docin.com/week114 近，变化规律基本一致，数值上差距也比较小，这说明在火源房间的垂直方向上毒性气体CO 受到火源的影响也非常大，但总体上 CO 浓度呈增长变化趋势，在 1500s 时达到最大值 350ppm。而个别测点 CO 浓度变化幅度较大，特别是距火源位置最近的测点(即墙角最低处 测点)CO 浓度波动最大，突变趋势较为明显，这可能是受到轴对称羽流或角羽流的较大影响。 火源房间墙角的 CO 浓度在 120s 左右就达到对人体产生副作用反应的临界值 50ppm，所以 在火源房间内的待疏散人员必须及时迅速逃离失火区域;当火源房间墙角不同高度各测点在 500s 左右 CO 浓度升至 200ppm 时，此时 CO 的毒性就会使人感觉轻微的头晕恶心。 图 3-3 火源房墙角 Z 轴 CO 浓度变化 图 3-4 中庭 CO 浓度变化 Fig.3-3 CO density diversification of Z axis in fire room corner Fig.3-4 CO density diversification in atrium 随着火灾烟气的迅速蔓延，中庭的有毒气体 CO 也在不断地积聚。图 3-4 所示的是模 拟实验的中庭内 X=17.1，Y=33.5 处不同高度 CO 浓度变化曲线图。同一时刻，在中庭各处 CO 浓度与高度有关，高度越高 CO 的浓度越高，这也从侧面说明 CO 到达浓度峰值的时间 会随着高度的升高而逐渐降低。即是位置越高浓度峰越早，位置越低浓度峰越迟;同时从图 中也可看出各测点的 CO 浓度呈近似直线增长趋势，但出现较大的分层现象，直至模拟结束 时上层顶棚的 CO 浓度达到 38.9ppm，这是由于木材燃烧时释放 CO 量较为稳定且缓慢，同 时该建筑物中庭顶棚位置设有机械通风排烟作用。但若火源房间火势较大，室内火场温度骤 升与外界形成巨大温差，由于中庭空间形似烟囱，往往会形成“烟囱效应”，使得大量烟气顺 着中庭快速向垂直和水平方向扩散，造成竖向、横向火势迅速蔓延开来，这将造成不可估量 的人员伤亡和财产损失。 3.1.3 中庭三楼回廊烟气主要成分浓度变化 回廊是中庭式建筑内各个房间连通中庭和室外的 重要疏散枢纽，其具有空间狭小、走道 长远等特点。一旦火源房间火势失控，火势可能会迅速蔓延到相邻回廊，使得燃烧状况更为复杂，导致烟气积聚，难以排出，为人员安全疏散和火灾扑救带来严重的困难;再者，如果 火源房间的高温烟气经过失火房间开口流入回廊直达中庭，这可能会形成更大规模的“烟囱 效应”。为观察建筑物内回廊在不同时刻烟气主要组分浓度变化，图 3-5 所示的是中庭建筑 各楼层回廊内烟气主要组分浓度变化曲线，数值模拟结果表明木材燃烧时烟气中的各个主要 组分浓度呈现出跳跃性震荡变化趋势。整体上在 500s 前后，CO、CO 浓度缓慢跳跃上升， 2 O浓度缓慢跳跃下降。 2 - 7 - 豆丁标准与论文网免费阅读:www.docin.com/week114 co2_j1 o2_j1 co2_j2 0.00004 0.208 0.0035 o2_j2 co2_j3 co_j1 o2_j3 co2_j4 co_j2 o2_j4 0.0030 co2_j5 0.207 co_j3 o2_j5 co2_j6 0.00003 o2_j6 co_j4 co2_j7 0.0025 o2_j7 0.206 co_j5 co2_j8 o2_j8 co_j6 co2_j9 0.0020 o2_j9 co2_j10 co_j7 0.00002 0.205 o2_j10 co2_j11 co_j8 0.0015 o2_j11 co2_j12 co_j9 o2_j12 co_j10 0.204 0.0010 co_j11 0.00001 co_j12 0.203 0.0005 0.0000 0.00000 0.202 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4000 4000 3500 TIME/S TIME/S TIME/S 图 a 二楼回廊 CO浓度 图 b 二楼回廊 CO 浓度 图 c 二楼回廊 O浓度 2 2 Fig. a COdensity Fig. b CO density Fig. c Odensity 2 2 o2_h1 co_h1 co2_h1 o2_h2 co_h2 0.0035 0.00004 0.208 co2_h2 o2_h3 co_h3 co2_h3 o2_h4 co_h4 co2_h4 0.0030 o2_h5 co_h5 0.207 co2_h5 o2_h6 co_h6 co2_h6 0.00003 o2_h7 co_h7 0.0025 co2_h7 o2_h8 0.206 co_h8 co2_h8 o2_h9 co_h9 co2_h9 o2_h10 0.0020 co_h10 co2_h10 o2_h11 0.00002 0.205 co_h11 co2_h11 o2_h12 0.0015 co_h12 co2_h12 0.204 0.0010 0.00001 0.203 0.0005 0.0000 0.00000 0.202 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4000 3500 4000 TIME/S TIME/S TIME/S 图 d 三楼回廊 CO浓度 图 e 三楼回廊 CO 浓度 图 f 三楼回廊 O浓度 2 2 Fig.d COdensity Fig. e CO density Fig. f Odensity 2 2 co_g1 o2_g1 co2_g1 co_g2 o2_g2 0.0035 0.00004 0.208 co2_g2 co_g3 o2_g3 co2_g3 co_g4 o2_g4 co2_g4 0.0030 0.207 o2_g5 co_g5 co2_g5 co2_g6 o2_g6 co_g6 0.00003 co2_g7 0.0025 o2_g7 co_g7 co2_g8 0.206 o2_g8 co_g8 co2_g9 o2_g9 co_g9 0.0020 co2_g10 o2_g10 co2_g11 co_g10 0.00002 0.205 o2_g11 co2_g12 co_g11 0.0015 o2_g12 co_g12 0.204 co2 density/mol/mol co2 density/mol/mol 0.0010 co2 density/mol/mol 0.00001 0.203 0.0005 0.0000 0.00000 0.202 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 3500 4000 3500 4000 TIME/S TIME/S TIME/S 图 g 四楼回廊 CO浓度 图 h 四楼回廊 CO 浓度 图 i 四楼回廊 O浓度 2 2 Fig.g COdensity Fig. h CO density Fig. i Odensity 2 2 图 3-5 各楼层回廊烟气主要成分浓度变化 Fig.3-5 Density diversification of the major components of smoke at corridor on each floor 3.2 Pathfinder 模拟结果分析 co density/mol/mol co density/mol/mol co density/mol/mol 从图 3-6 可以看出，馆内人员全部疏散完毕所需要的时间为 160s，因中庭式图书馆的空 间较大导致疏散后到第 8s 时才开始有人从馆内撤离。同时对整个安全疏散过程而言，可以 分为三个阶段:第一阶段从疏散开始到 25s 左右，这段时间的人员疏散速率是整个疏散过程 中最快的，这主要是由于 0~25s 时间段内一层的待疏散人员迅速从馆内撤离，且疏散时选择 的疏散出口有四个(前门、两个副门和后门);第二阶段是从 25s~80s 时间段内疏散过程中因 图书馆前门开始出现“排队等候”现象，使得可供选择疏散出口为三个(两个副门和后门)，从 而导致疏散速率有所下降;第三个阶段是从 80s~160s 时间段内，疏散速度显著下降，这是 因为二层以上的大多数人员都选择后门作为首选疏散出口，加上后门所处位置离疏散楼梯很 o2 density/mol/mol o2 density/mol/mol o2 density /mol/mol - 8 - 豆丁标准与论文网免费阅读:www.docin.com/week114 近，导致在整个疏散过程中各层楼梯口都会出现不同程度的“排队等候”现象。 图 3-6 疏散时间散点图 Fig.3-6 Scatter diagram of evacuation time 为充分研究各层人员的疏散情况，建立疏散模型时，在各层随机选取了 5 个个体并分 别用不同颜色表示(如图 2-3 所示)。当每层中随机选取的人员成功进行疏散后就可认为该层 待疏散人员已基本疏散完毕，列出标记着不同种颜色的随机个体从馆内中成功疏散过程图 (如表 3-1 所示)，从表中可看出一层人员在 50s 内疏散结束，二层人员在 68s 内疏散结束， 106s 时第三层疏散结束，153s 时第四层和第五层人员疏散结束即馆内所有人员全部撤离。 表 3-1 人员疏散的模拟过程图 Table 3-1 Simulation process diagram of evacuation 50s 68s 106s 153s - 9 - 豆丁标准与论文网免费阅读:www.docin.com/week114 3.3 FDS 与 Pathfinder 综合分析 图书馆藏书库发生火灾时，其燃烧物主要为书本、木质书架及可燃的装饰材料，可近似 为木材燃料。通过 3.1 分析可知，火灾发生后火源房间内在 500s 左右 CO 浓度升至 200ppm， 此时 CO 毒性就会使人产生轻微的头晕恶心现象，而各层回廊内的烟气中重要组分浓度变化 幅度较为平缓，在 500s 前后发生跳跃变化:CO、CO 浓度小幅度跳跃上升， O浓度小幅 22 度跳跃下降，但回廊中的毒性气体 CO 浓度尚未达到对人体产生副作用反应的临界值 50ppm， 所以对人员的安全疏散不构成严重威胁，同时 O浓度下降幅度较为缓慢，对疏散过程中的 2 人员呼吸影响程度不大;通过 3.2 分析得出，整个馆内的 502 人完全安全撤离所需要的时间 为 160s。但在疏散过程中二层以上人员主要选择中庭后部的疏散楼梯后门作为出口，从而 造成中庭后部疏散楼梯出现“过度排队等候”现象，如图 3-7 所示，这严重影响了待疏散人员 的整体疏散速度，也拖延了疏散时间。倘若现实中图书馆后门是处于关闭状态或者在紧急疏 散时没有及时打开后门，这会给紧急情况下安全撤离带来诸多不利疏散因素。因此在正常情 况下，尽量保持图书馆的后门处于敞开状态或者能够保证在紧急情况下及时开启。 图 3-7 各层人流回流造成排队等候 Fig.3-7 Waiting in a queue caused by flow back at each floor 由于人员安全疏散的影响因素很多，除烟气中重要组分(如 CO、CO、O等)浓度影响 22 外，还受到建筑物内火灾情况下的温度场和可见度以及人们的行为习惯等多种因素影响。针 对火灾事故中大多数伤亡事故为火灾烟气所为，因此笔者基于 FDS 火灾数值模拟时的火灾 烟气迁移特性对 Pathfinder 模拟的安全疏散结果进行综合分析: 由于中庭建筑内设置了火灾探测自动报警系统，可确定火灾发生到探测器发出火灾警报 的时间(talarm)为 90s;根据英国《BSDD240:1997,Fire Safety Engineering in Buildings》标准， 选择该火灾情形下的人员疏散预动时间(tpre)为 120s;Pathfinder 模拟结果是人员全部安全撤 离所需时间为 160s，综合考虑紧急情况下人员疏散时间会受到烟气、温度、可见度以及人 员心理和生理等多种因素影响，并根据 SFPE 消防手册标准规定，选择 1.5 倍的安全系数， 确定火灾情况下人员全部安全撤离的时间(tmove)为 240s。 根据人员安全疏散的时间判断准则，计算得到 TRSET 为: TRSET=talarm+tpre+tmove =120s+90s+240s =450s 根据 3.1FDS 模拟的木材燃烧结果，因火源房间(即馆内藏书库)内没有待疏散人员，且 各层回廊 CO 浓度在 450s 时毒性浓度远远未达到对人体产生反应的临界值 50ppm，故火灾 发生到达到危险状态的时间，即 TASET 可以表示为: - 10 - 豆丁标准与论文网免费阅读:www.docin.com/week114 TASET>>450s 综上所述可得:TRSET<450s<