基于FDS+EVAC的宿舍火災(zāi)和人員疏散模擬研究

耿 聰，趙道亮，崔慧敏，謝欣彧，魯 云，周 鵠

（上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 城市建設(shè)與安全工程學(xué)院, 上海 201418）

隨著城市規(guī)模的擴(kuò)張，超高層建筑已經(jīng)成為常見的房屋構(gòu)造形式之一，隨之而來的人員與設(shè)施安全問題也日益突出。這些建筑一旦發(fā)生火災(zāi)，很容易造成嚴(yán)重的人員傷亡。緊急條件下的人員安全疏散是公共安全的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，當(dāng)前國內(nèi)外有許多學(xué)者運(yùn)用數(shù)值仿真技術(shù)[1]，針對建筑火災(zāi)以及人員疏散進(jìn)行使用各種算法模擬計(jì)算。鄒馨捷等[2]模擬了宿舍樓的火災(zāi)和疏散過程，得出消防設(shè)施是否有效以及宿舍窗戶是否打開對于人員的疏散的安全性影響較大的結(jié)論。丁厚成等[3]模擬研究高層建筑煙氣流動(dòng)以及相關(guān)參數(shù)的變化，分析了火災(zāi)煙氣蔓延對于人員疏散的影響。郭阿敏等[4]模擬了綜合圖書館的火災(zāi)以及人員疏散，得出不同工況下的人員疏散時(shí)間。李琰等[5]分析了在每年高校招收人數(shù)越來越多的大背景下，復(fù)雜連體宿舍樓發(fā)生火災(zāi)時(shí)的煙氣蔓延情況以及不同樓體之間的相互影響，指出連廊對于整棟樓的安全十分重要，必須加強(qiáng)對連廊的消防管理。楊海明等[6]模擬高層宿舍樓人員疏散過程，將模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算形成對照，分析結(jié)果的差異性，并針對建筑的火災(zāi)危險(xiǎn)性提出相關(guān)建議。Lee等[7]模擬了許多情況下的人員疏散情況，分析了著火對人員出口選擇和人員疏散時(shí)間瓶頸的影響。Kirik等[8]將疏散模擬運(yùn)用到日常的消防檢查與建筑設(shè)計(jì)當(dāng)中。

在現(xiàn)實(shí)情況下，發(fā)生火災(zāi)的原因及其發(fā)展過程往往十分復(fù)雜，人員疏散會(huì)受到較多因素的影響[9-12]。高校宿舍樓作為學(xué)生日生活學(xué)習(xí)的重要場所，存在著結(jié)構(gòu)單一、人員密集、管理混亂、可燃物眾多等問題，極易發(fā)生火災(zāi)事故[10]。緊急情況下的人員疏散往往呈現(xiàn)出一種高密度且無序的狀態(tài)，人群流動(dòng)復(fù)雜多變，受到多種因素的影響。在以往的模擬試驗(yàn)研究中，往往只是單一針對火災(zāi)或者單一針對人員疏散進(jìn)行研究，往往會(huì)忽略火災(zāi)對于人員造成的影響，并且不能夠很好的表達(dá)火災(zāi)情況下的人員疏散過程；單一模擬分析數(shù)據(jù)的可靠性，往往無法得到驗(yàn)證。FDS+EVAC軟件基于人員疏散的出口計(jì)算和流體動(dòng)力學(xué)組合計(jì)算模型，適合模擬人員疏散情況[1-16]。因此，本文針對某高校宿舍樓火災(zāi)人員疏散問題，進(jìn)行從單個(gè)房間到單層，最后到整棟樓的模擬試驗(yàn)，并將模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果對照，從而對實(shí)際火災(zāi)中的人員疏散提供科學(xué)的指導(dǎo)。

1 軟件模擬建立

一共進(jìn)行了3組模擬實(shí)驗(yàn)，分別為：單房間、單層、6層宿舍樓的火災(zāi)疏散模擬。

3個(gè)模型的可燃物大致相同，書桌、書柜、木板床材質(zhì)是黃松木，被子是纖維，地板為混凝土。房間著火點(diǎn)設(shè)置在了3號(hào)床的位置。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[11]，選取每單位面積熱釋放燃燒速率為5 000 kW/m2。網(wǎng)格長10 m，寬8 m，高3 m。非緊急條件下女生步行速度通常為0.6～0.9 m/s，男生為0.8～1.1 m/s；緊急條件下女生步行速度為0.9～1.1 m/s，男生的步行速度為1.1～1.5 m/s。房間人數(shù)設(shè)置為4人。模型圖以及火源位置如圖1所示。單層模型共有4個(gè)網(wǎng)格，長寬保持一致。其中1個(gè)是火災(zāi)網(wǎng)格，長43.34 m，寬15.3 m，高3 m；另外3個(gè)是疏散網(wǎng)格，高為0.9～1.1 m，包含Z偏移1 m。其中學(xué)生寢室一共12間，共48人。

圖1 單層物理模型圖Fig. 1 Single layer physical model diagram

6層樓模型共有21個(gè)房間，18個(gè)學(xué)生寢室、1個(gè)盥洗室、1個(gè)廁所和1個(gè)小型浴室。6層模型一共可建立13或者14個(gè)網(wǎng)格，第1個(gè)為火災(zāi)網(wǎng)格，剩下其中6個(gè)網(wǎng)格為每層樓的疏散網(wǎng)格。第1層高0.9～1.1 m，之后的每層依次往上遞增3 m。剩余5個(gè)網(wǎng)格為樓梯間的疏散網(wǎng)格，2樓到1樓高度為3.9～4.1 m，之后的每層依次往上遞增3 m，剩下1個(gè)或者2個(gè)網(wǎng)格為疏散出口網(wǎng)格。整棟樓一共348人。

2 軟件模擬結(jié)果

2.1 房間疏散模擬結(jié)果

在非緊急條件下，房間內(nèi)人員疏散時(shí)間為7.4 s，即得到疏散命令開始，到第4個(gè)人通過安全疏散門口的時(shí)間為7.4 s。緊急條件下，人員疏散時(shí)間為6.2 s。如圖2所示，從整個(gè)疏散時(shí)間來看，后面3個(gè)人在緊急條件下通過安全出口花費(fèi)的時(shí)間比非緊急條件下短，平均短1 s左右。在1.6 s時(shí)，煙氣在桌子上空產(chǎn)生，向書桌上方蔓延，但并沒有擴(kuò)散到疏散過道，人眼視線正常。在2.1 s時(shí)，煙氣擴(kuò)散到疏散走道，影響了人員疏散。在3.4 s時(shí)，煙氣基本擴(kuò)散到房間內(nèi)，影響人眼視線，從而影響疏散。在6 s時(shí)，煙氣已擴(kuò)散至整個(gè)房間。緊急條件下，此時(shí)只有最后1名人員還在房間內(nèi)，其他3名疏散人員已到達(dá)安全區(qū)域。

圖2 房間疏散時(shí)間Fig. 2 Room evacuation time

由圖3可知，當(dāng)疏散人員做出反應(yīng)，開始逃離時(shí)，煙氣已經(jīng)達(dá)到房間內(nèi)高層，能見度基本在8 m以下，達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)。雖然火源左側(cè)和右側(cè)的能見度低于9 m，但是疏散過道不包括書桌以上區(qū)域，所以不妨礙疏散。而在人眼特征高度的Z軸平面，能見度為6～20 m。在5 s時(shí)，疏散過道的能見度在10 m左右，所以會(huì)局部影響疏散，會(huì)使疏散人員造成恐慌，減緩步速。具體是否影響疏散，取決于人員的具體位置。

圖3 能見度切面Fig. 3 The visibility section

觀察疏散門口能見度的情況（見圖4），分析能見度是否對人員疏散造成影響。在安全疏散出口的人眼特征高度位置，在4.3 s時(shí)能見度保持在30 m左右，說明此時(shí)房間內(nèi)的煙氣并沒有蔓延到疏散門口，但在4.3 s以后，能見度急劇下降到6 m左右，說明這個(gè)時(shí)刻煙氣擴(kuò)散到了房間出口，影響了能見度；短時(shí)間內(nèi)能見度波動(dòng)降低到10 m左右，然后仍舊繼續(xù)波動(dòng)下降，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，能見度一直呈下降趨勢。由疏散人員對應(yīng)的疏散時(shí)間得知，本實(shí)驗(yàn)疏散時(shí)間為6.3 s，即最后1個(gè)人安全通過疏散出口的時(shí)間為6.3 s。而能見度在4.3 s以后急劇下降到了10 m以下，達(dá)到能影響疏散的臨界值。所以在4.3～6.3 s這2 s時(shí)間內(nèi)，能見度對人員疏散造成了一定影響。而在4.3 s時(shí)，第2、3、4名人員均在房間內(nèi)，所以后面這3名人員都受到了能見度的影響。

圖4 人眼特征高度門口能見度Fig. 4 Human eye characteristic height doorway visibility

分析房間內(nèi)的溫度對人員疏散的影響，距房門1.4 m處溫度隨時(shí)間變化如圖5所示。溫度達(dá)到最高值350 ℃耗時(shí)7 s，而此時(shí)，人員已經(jīng)全部疏散至室外。據(jù)相關(guān)研究表明，煙氣達(dá)到180 ℃，即能給人體帶來強(qiáng)烈的熱感反應(yīng)，達(dá)到人體耐受極限。而在4.5～7 s之間，溫度呈逐步上升趨勢，部分時(shí)刻達(dá)到180 ℃，而4.5～6.3 s之間，仍有2人逗留在房間中，溫度會(huì)對此刻的疏散造成影響，即在此情況下，疏散人員能感覺到溫度的強(qiáng)烈，會(huì)加快步行速度迅速離開房間。

圖5 房間門口1.4 m處溫度隨時(shí)間變化圖Fig. 5 The temperature at 1.4 m at the door of the room changes over time

另外通過對房間煙氣的沉降高度、CO體積分?jǐn)?shù)及其對人體產(chǎn)生影響的時(shí)間的模擬分析，對比房間內(nèi)人員疏散時(shí)間，發(fā)現(xiàn)在房間疏散過程中，這些火災(zāi)參數(shù)均不能對疏散造成影響。

2.2 單層疏散模擬結(jié)果

表1所示為單層疏散的設(shè)定，圖6所示為不同場景下的疏散時(shí)間。每次結(jié)果均為3次及以上實(shí)驗(yàn)平均結(jié)果。非緊急情況下的疏散時(shí)間明顯要多于緊急情況下的疏散時(shí)間；另外當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，不同位置的火源設(shè)置對于疏散時(shí)間影響不大，原因在于人數(shù)的在1層樓的不同位置數(shù)量大體相同，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，疏散人員會(huì)從火災(zāi)的反方向逃離，所以只有1個(gè)出口時(shí)，兩邊的疏散人數(shù)大致相同。2個(gè)安全出口同時(shí)使用的情況下，東面發(fā)生火災(zāi)所用的疏散時(shí)間比西面發(fā)生火災(zāi)所用的疏散時(shí)間短。東面發(fā)生火災(zāi)時(shí)，對人員選擇出口沒有多大影響，依舊是就近原則。而當(dāng)西面發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火源在東西面出口之間，會(huì)嚴(yán)重影響東西面出口之間的人選擇出口。原則上，疏散人員會(huì)選擇反火源方向逃離，所以東面出口以西，火源以東的人肯定會(huì)選擇東面出口，在這種情況下，選擇東面出口的人明顯比選擇西面出口的人多很多，給東面出口造成很大壓力，造成了擁堵。

表 1 單層疏散的不同場景Tab. 1 Single-storey evacuation in different scenarios

圖6 不同場景下的疏散時(shí)間Fig. 6 Evacuation time in different scenarios

以西面火源2個(gè)出口為例，當(dāng)整個(gè)疏散過程當(dāng)中，走廊與樓梯口的溫度維持在20 ℃到30 ℃之間，除了房間的能見度下降到10 m以外，走廊，樓梯口均沒有到達(dá)臨界值。因此，火災(zāi)中相關(guān)溫度、能見度等均不能對疏散造成影響，必須安全疏散時(shí)間少于可用安全疏散時(shí)間。

2.3 6層疏散模擬結(jié)果

6層樓疏散一共分為9個(gè)場景（見表2）。截取了相關(guān)條件下人員疏散情況，如圖7所示。通過計(jì)算機(jī)模擬得出男女生的疏散時(shí)間，如圖8所示。在男生步行速度明顯比女生步行速度快的情況下，男女生所用的疏散時(shí)間差異較大。在非緊急條件下疏散時(shí)間相比緊急情況的疏散時(shí)間更長。當(dāng)西面樓梯故障時(shí)，只能采用東面樓梯進(jìn)行疏散，人員擁堵嚴(yán)重，排隊(duì)現(xiàn)象明顯，所以所花的疏散時(shí)間也明顯增多。當(dāng)關(guān)閉西面出口時(shí)，人員從西面樓梯疏散至1層，又要從西面樓梯處步行至東面出口，增加了疏散距離，同時(shí)又增加了東面出口的疏散壓力，從而增加了疏散時(shí)間。通過以上數(shù)據(jù)得知，在東西2個(gè)樓梯同時(shí)運(yùn)行，且東西2個(gè)出口均能安全疏散時(shí)，疏散時(shí)間所用最短。

表 2 6層疏散場景設(shè)置Tab. 2 Sixth floor evacuation scene setting

圖7 火災(zāi)條件下人員疏散情況（7.1 s）Fig. 7 Evacuation under fire conditions (7.1 s)

圖8 6層樓不同場景下男女生疏散時(shí)間Fig. 8 Evacuation time of male and female students in different scenes of a six story building

不同的疏散樓梯數(shù)量和出口數(shù)量，同樣會(huì)對疏散時(shí)間和疏散效率產(chǎn)生影響，如圖9、圖10和圖11所示。不管是1個(gè)樓梯1個(gè)出口，還是2個(gè)樓梯1個(gè)出口又或者2個(gè)樓梯2個(gè)出口，第1個(gè)人到達(dá)安全出口的時(shí)間都在10 s之內(nèi)。從1個(gè)樓梯1個(gè)出口的疏散曲線圖得知，100 s之前疏散速度較快，而后疏散速率緩和，由于100 s以后疏散人員基本都集中擁堵在疏散樓梯上，所以影響的疏散效率。而在2個(gè)樓梯1個(gè)出口或者2個(gè)樓梯2個(gè)出口的情況下，不論是東面發(fā)生火災(zāi)還是西面發(fā)生火災(zāi)，對疏散時(shí)間影響不大，因?yàn)?個(gè)樓梯同時(shí)使用，人員具有更多的選擇性，能第一時(shí)間做出反應(yīng)，選擇合理的疏散樓梯逃生。另外，同等的疏散條件下，東面著火的疏散時(shí)間均少于西面著火的疏散時(shí)間。原因在于，西面火源位于2個(gè)樓梯之間，在首層?xùn)|面火源以西的人都要穿過火源房間，而房間里的煙氣彌漫到疏散走廊，會(huì)對人的能見度造成影響，降低疏散效率。

圖9 1個(gè)樓梯1個(gè)出口的疏散情況Fig. 9 Evacuation situation with one stairway and one exit

圖10 2個(gè)樓梯1個(gè)出口的疏散情況Fig. 10 Evacuation situation with two stairway and one exit

圖11 2個(gè)樓梯2個(gè)出口疏散情況Fig. 11 Evacuation situation with two stairway and two exit

不同的人員特征對疏散時(shí)間、疏散效率也有不同的影響。如圖12所示，在非緊急條件下僅使用東面樓梯與東面出口進(jìn)行疏散時(shí)，男女生的疏散效率是相當(dāng)?shù)模?，由于男生的步行速度明顯比女生的步行速度快，模擬6層所有人員到達(dá)疏散樓梯間的時(shí)間，男生比女生用時(shí)更短。此時(shí)擁堵在疏散樓梯間的人員比女生少，等待時(shí)間也就比女生少，總的疏散時(shí)間比女生快。男生在2個(gè)樓梯間1個(gè)出口或2個(gè)樓梯間2個(gè)出口的情況下所花的疏散時(shí)間，都比女生快25 s左右。

圖12 非緊急條件下男女生疏散時(shí)間對比Fig. 12 Comparison of evacuation time of male and female students under non-emergency conditions

從整個(gè)6層樓疏散情況來看，當(dāng)疏散人員完全疏散至安全區(qū)域后，影響人員疏散的因素包括溫度、能見度等。西面樓梯間的疏散行動(dòng)時(shí)間大于疏散允許時(shí)間。東面樓梯間的煙氣明顯比西面樓梯間少，東面樓梯間更安全。當(dāng)只使用1個(gè)樓梯間1個(gè)出口時(shí)，即最不利的情況：只有東面樓梯間東面出口進(jìn)行疏散時(shí)，火災(zāi)的相關(guān)介質(zhì)同樣沒有達(dá)到傷害人員的臨界值。所以人員均能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)安全疏散至安全區(qū)域。

3 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果

在相同情況下，利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算疏散時(shí)間，對比模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果，與模擬結(jié)果相互驗(yàn)證，提高數(shù)據(jù)的可靠性。

3.1 安全疏散水力模型計(jì)算

利用水力模型計(jì)算方法[12]計(jì)算疏散各個(gè)過程中的疏散時(shí)間，最終求和得出整個(gè)過程的疏散時(shí)間。

以某宿舍樓疏散場景7為例，計(jì)算疏散時(shí)間。房間最遠(yuǎn)的距離為4 m，房間出口的寬度采用有效寬度，B1=1 m。樓梯梯度α=23.2°，高度為3.5 m ，整棟宿舍樓樓梯疏散距離為28 m，樓梯間安全出口有效寬度B2=1.6 m。正常情況下，通過系數(shù)N一般不超過2 人/(m·s-1)；當(dāng)N＜1 人/(m·s-1)時(shí)，人流屬于緊急行進(jìn)擁堵狀態(tài)。本研究中依據(jù)實(shí)際情況，正常行進(jìn)狀態(tài)下，N選取1.1 人/(m·s-1)，緊急行進(jìn)擁堵狀態(tài)下，疏散走廊的通過系數(shù)N選取0.8人/(m·s-1)，疏散樓梯間的通過系數(shù)N選取0.7人/(m·s-1)。

取首層疏散樓梯至室外最遠(yuǎn)距離疏散人員從疏散樓梯間出口到達(dá)準(zhǔn)安全區(qū)至室外出口的距離為8 m，選取4倍安全系數(shù)。參考這些數(shù)據(jù)，可得出：

第1階段，是指房間內(nèi)的人員接到火災(zāi)警報(bào)或廣播信號(hào)后，離開所在位置向房間出口移動(dòng)，然后通過出口到達(dá)疏散通道的過程。房間內(nèi)人員移動(dòng)到房間出口所需的時(shí)間由式（1）計(jì)算。

式中：lmax·room為房間最遠(yuǎn)工作點(diǎn)到房間出口的路程，單位為m；v1為人在水平方向步行的速度，單位為m/s。

第2階段，是指進(jìn)入疏散通道的所有人員均沿疏散通道向疏散樓梯間移動(dòng)（每個(gè)房間內(nèi)人數(shù)為Proom），并依次通過樓梯間的門口進(jìn)入樓梯間的過程，最后1個(gè)人跨過樓梯間門之時(shí)，即認(rèn)為安全疏散過程結(jié)束。由于樓梯間門口處與樓梯間內(nèi)部均存在著擁堵情況，因此整個(gè)第2階段疏散時(shí)間由下式計(jì)算。

從房間出口到達(dá)該層疏散樓梯間所需時(shí)間：

不同樓層的所有人員通過疏散樓梯間的所需時(shí)間：

第3階段，是指人員通過一層“準(zhǔn)安全區(qū)”通道疏散至室外所需時(shí)間：

通過以上計(jì)算得知，場景7條件下，即只有1個(gè)安全出口1個(gè)疏散樓梯間作用的情況下，所有人員全部疏散至室外的總疏散時(shí)間為：

參照以上場景7的計(jì)算，得出表3所示的所有情況下的女生疏散水力模型計(jì)算結(jié)果。

表 3 所有情況下女生疏散水力模型計(jì)算結(jié)果Tab. 3 Calculation results of hydraulic model for female evacuation under all conditions

3.2 與模擬結(jié)果的對比

疏散時(shí)間計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果對比如圖13所示，可以看出水力模型的計(jì)算結(jié)果與計(jì)算機(jī)模型的計(jì)算結(jié)果相近。2種計(jì)算方法相互補(bǔ)充，能夠?yàn)樾阅芑阑鹪O(shè)計(jì)中的人員安全疏散計(jì)算提供更可靠的數(shù)據(jù)。

圖13 所有情況下女生疏散實(shí)驗(yàn)?zāi)M與水力模型計(jì)算對比Fig. 13 Comparison of experimental simulation and hydraulic model calculation of female evacuation in all cases

4 結(jié)語

通過模擬發(fā)現(xiàn)，火災(zāi)發(fā)生過程中，煙氣通過房門沿著通道、樓梯繼續(xù)向上蔓延，人員疏散與煙氣蔓延同時(shí)進(jìn)行，并可得出以下結(jié)論：

（1） 房間內(nèi)溫度、能見度會(huì)對疏散人員造成一定影響，其余參數(shù)在整個(gè)疏散過程中均沒有給疏散帶來影響。

（2） 相同疏散條件下，男生的疏散時(shí)間少于女生。發(fā)生火災(zāi)情況下，不論是男生還是女生都可以在可用安全疏散時(shí)間內(nèi)通過安全出口到達(dá)安全區(qū)域。

（3） 不同的火源位置影響人員對于路徑的選擇，進(jìn)而影響出口的選擇。人員會(huì)選擇遠(yuǎn)離火源的出口進(jìn)行疏散，因此與火源位置相背離的出口往往會(huì)出現(xiàn)擁堵的情況，影響整體的疏散時(shí)間。另外，不同的樓梯數(shù)量對疏散的影響很大，任何情況下，樓梯全部可以使用時(shí)，疏散時(shí)間都遠(yuǎn)少于單個(gè)樓梯可以使用的情況。