高层建筑火灾人员应急疏散模拟研究——以医院场所为例.pdf
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1、中 国 应 急 救 援CHINA EMERGENCY RESCUE30 中 国 应 急 救 援灭火救援安全与技术Safety&Technology for Fire&Rescue高层建筑火灾人员应急疏散模拟研究以医院场所为例董心悦1 祁云1 汪伟1 傅鹏1 彭涛2 齐庆杰3摘 要为降低火灾风险,减少人员疏散所需时间,提高应急疏散效率,以山西某医院高层建筑为研究背景,运用火灾动态模拟软件Pyrosim 和火灾动力学模拟工具(FireDynamicsSimulator,FDS)建立高层建筑火灾数值模拟模型,分析烟气层高度、温度、能见度和 CO 浓度随时间的变化情况。然后利用 Pathfinder
2、人员疏散模拟模块建立人员应急疏散模型,计算人员所需的安全疏散时间,分析烟气层高度、温度、能见度及 CO 浓度对人员疏散的影响。最后,通过区域划分对人员疏散路径进行优化以减少安全疏散时间。关键词:医院火灾 PyrosimPathfinder 火灾模拟 应急疏散Simulation Study on Emergency Evacuation of Personnel in High-rise Building FiresTaking Hospitals for ExampleDONG Xinyue,QI Yun,WANG Wei,FU Peng,PENG Tao,QI QingjieAbstrac
3、t:In order to reduce the risk of fire,reduce the evacuation time and improve the efficiency of emergency evacuation,a numerical simulation model of high-rise building fire was established by writers team using Pyrosim and Fire Dynamics Simulator(FDS)to analyze the changes of smoke layer height,tempe
4、rature,visibility and CO concentration with time in a hospital high-rise building in Shanxi Province.Then the Path finder evacuation simulation module is used to establish the emergency evacuation model,calculate the required safe evacuation time,and analyze the influence of smoke layer height,tempe
5、rature,visibility and CO concentration on evacuation.Finally,the evacuation route is optimized by region division to reduce the safe evacuation time.Keywords:Fire in hospital;Pyrosim;Pathfinder;fire simulation;emergency evacuation 0 引言近年来,随着社会经济的快速发展,我国建筑火灾预防及人员应急疏散面临着巨大的挑战。根据统计1,2015 年2020 年,建筑火灾事故
6、中导致人员死亡的案例比重增长迅速,仅 2016 年死亡人数就达到了 1269 人,比例高达全年火灾致死事故的 80.2%。除此之外,疏散过程中的推搡、踩踏会造成疏散拥堵并产生意外伤害,进而导致更严重的损失与伤亡2。医院由于行动不便的病人较为集中,内部空间大且各种医疗器械较多,一旦发生火灾将会造成很严重的损失。如:2023 年 4 月 18 日下午,北京市长峰医院住院部五楼内部改造施工作业过程中产生火花,现场可燃涂料的挥发物被引燃,导致突发火情。该事故最终导致71 人受伤,其中 29 人遇难,遇难者平均年龄 70 岁3。因此,了解医院火灾特性并开展医院高层建筑火灾的人员应急疏散问题分析,对于研究
7、高层建筑内火灾安全保障具有重要的现实意义。目前,国内外学者开展了大量的建筑火灾安全疏散问题研究。Lui C H 等4运用 Simulex and FDS+Evac 对三维空间的结构与人员安全疏散时间进行分析,给出了如何选择最短疏散时间的楼层和其结构的理论基础;Panindre Prabodh等5运用火灾动力学模拟工具(Fire Dynamics Simulator,FDS)对高层建筑起火时正向风压的作用进行了研究,得出了正压式消防排烟机可以有效降低应急疏散关键位置温度的结论;王炜罡等6从 CO 浓灭火救援安全与技术2024 年/第 2 期/总第 104 期31CHINA EMERGENCY R
8、ESCUESafety&Technology for Fire&Rescue度、能见度和烟气层高度等参数研究了高层建筑火灾的环境参数随时间的变化情况;张琳7利用 A*算法与迪杰斯特拉算法构建了一种从应急出口到安全避难场所最短路径的查找方法;张璐等8利用 Pyrosim 软件建立火灾模型,通过分析烟气聚集情况和蔓延路径,为高层建筑火灾应急疏散提供了一定的理论指导。雷鸣等9基于建筑信息模型,建立火灾仿真和人员疏散模型,探究人员安全疏散时间关系,制定高层建筑防火设计和应急疏散方案。罗曼等10通过对车站设备设施布局、疏散人员心理行为、工作人员应急响应 3 个方面进行分析,采用Building EXOD
9、US 软件对某地铁换乘车站火灾人员疏散研究,分析得到人员疏散时间和人流密度关系,并对疏散策略进行优化。朱前坤等11利用 Pyrosim 与Pathfinder 建立了老旧教学楼火灾疏散模型,分析排烟系统、自动喷淋系统及着火房间窗户打开与否对烟气能见度、温度及 CO 浓度的影响,得出人员必需安全疏散时间。杨强等12综合建筑信息模拟火灾产生因素的时空规律,在此基础上,将室内路网模型与路径搜索算法相结合,实现了建筑火灾的时空模拟与人员疏散的动态规划。刘朝峰等13基于 Pyrosim和 Pathfinder 对高层住宅建筑不同工况下火灾烟气蔓延特性对安全疏散的影响进行研究,并分析利用电梯进行辅助疏散的
10、安全性与可行性。王书琪14针对商业综合体应急疏散进行研究,通过对山东德云文化广场疏散现状进行分析,将影响人员疏散的因素结合 Pathfinder 软件进行实验模拟,从建筑消防设计和人员疏散两个方面提出方案,对本文解决医院住院楼火灾疏散提供了参考。上述研究大多集中于判断建筑火灾应急疏散时的安全性能,并未将火灾烟气层高度、温度、能见度及 CO 浓度等参数与建筑内人员实际疏散条件进行综合性研究,存在一定的不足之处。鉴于此,文中综合考虑火灾发生时现场能见度、温度、建筑内人员身体状况等因素,以山西某医院建筑大楼为例,使用 Pyrosim 软件创建了火灾模型,并从火灾烟气层高度、温度、能见度及 CO 浓度
11、四方面进行了分析,并结合 Pathfinder 软件模拟人员应急疏散所需时间并对疏散路径进行优化,为医院的建筑设计、消防安全管理以及提升人员的消防安全意识和应急疏散能力提供理论依据。1 数值模型的建立1.1 软件介绍Pyrosim 是美国标准技术研究所(NIST)开发的一款火灾动动态仿真模拟软件,被广泛应用于研究火灾发生的过程及烟气运动。该软件共有直接数值模拟和大涡模拟两种模拟方法,并可以导入包含 FDS 和DFX 等在内的文件格式。用户可在设计界面自行创建模型,设置边界条件、火源、着火点和燃烧材料等参数实现对不同工况下的火灾烟气流动规律的研究,并对模拟结果进行后处理,仿真完成后可以在可视化软
12、件 Smokeview 中观察火灾发展的各个阶段和烟气流动过程,利用软件内置的监测工具可以得到温度、能见度、各种气体浓度等参数的变化曲线图。1.2 山西某医院大楼概况医院大楼是人员高度集中的场所,本文以山西省某医院大楼为研究对象构建模型,其建筑总面积为 10 159.8m2,共有 7 层。其中,一楼大厅层高 4.5 米,共图 1 1 层平面设计图图 2 27 层平面设计图图 3 医院 Pyrosim 模型中 国 应 急 救 援CHINA EMERGENCY RESCUE32 中 国 应 急 救 援灭火救援安全与技术Safety&Technology for Fire&Rescue有 23 个房
13、间,一个公共卫生间,一楼平面设计图见图 1。27 层结构相同,各层楼有 30 个房间,层高 3.6 米,27 层平面设计图如图 2 所示。医院结构基本呈对称结构,整栋楼共有 203 间房间,共设有 3 座楼梯,楼梯宽度 1.3 米,所有房间都设有光电感烟探测器。文中假设楼内排烟系统和自动喷淋灭火系统全部失效。利用 Pyrosim 软件建模时对网格的设置需要综合考虑计算机性能、速度和计算精度。故本文设置网格尺寸为1.01.01.0m,网格总数为 63 140 个。建筑整体模型平面图如图 3 所示。1.3 火灾场景设置燃烧的过程中需要可燃物、氧气和着火点,并伴随有火焰、热量、发光以及烟雾。由于医院
14、内部空间复杂、人员密集,很多区域都存放有大量的被褥、口罩、防护服、病历处方资料等可燃物,且常有较多电子仪器设备需要同时用电,各类固、液、气药物使用频繁,因此极易引发火灾。一旦发生火灾,室内温度急剧升高,可燃物在燃烧过程中产生大量有害气体,从而使火灾风险增大,灭火工作变得更加困难。火焰在高温作用下会形成“火羽流”效应,从而使火焰向上的倾向更加明显15。经过综合考虑分析,本文将火源设置在五层中部的一间病房,因病房内有大量易燃物品,如病床、衣橱、窗帘等,故将火源设置为病房内 1.2m2m的病床。病房内空调、沙发以及其他物品的材质都为聚氨酯,故燃烧材料设为聚氨酯。通过在每个楼梯口处设置温度监测热电偶、
15、烟雾能见度和CO 浓度监测设备来观测不同位置处火灾参数随时间的变化情况,测点与火源位置如图 4 所示。基于医院内易燃物品较多、可燃性大等特点,依据最不利原则,火灾类型定义为为快速火,火灾增长模式设为 t2增长型,着火方式为立即着火,火源面积 2.4m2,医院热释放速率、火灾增长系数、火灾场景情况统计见表1。设 定 着 火 楼 层(即 五 楼)竖向竖直切片 X=9.6m,水平竖直切片 Z=1.7m,走廊内横向竖直切片Y=8.6m,根据切片可以得到烟气层高度、能见度、温度和 CO 浓度随时间的变化情况以及燃烧过程的动态效果,可作为判断火灾危害是否达到临界值状态的基本判定依据,以确定人员可用安全疏散
16、时间,为进一步分析人员疏散行为安全性提供数据参考。模型切片位置示意如图 5 所示。2 基于 Pyrosim 的火灾模拟分析利用上述数值模结合 Pyrosim 软件,对山西省某医院建筑进行了火灾情景模拟,并对其进行分析。模拟了楼内烟气层高度、温度、能见度和 CO 浓度随时间的变化过程,为接下来研究人员安全疏散的可行性提供了数据支撑。2.1 烟气层高度分析燃烧产生的浓烈的黑色烟雾中夹杂着不少的固体微粒。这些微粒漂浮在空气中,形成烟气层,是对人员安全疏散影响最大的因素之一16。通过大量的模拟发现烟气高度对人员疏散会造成非常大的影响,当低于 2.5m 时人员疏散会有严重影响;低于人员头部高度,会造成无
17、法安全逃生。五楼 3 个楼梯口烟气层高度随时间的变化曲线如图 6 所示。由图 6 可知:在文中所设置的火灾场图 4 火源与测点位置图 5 医院模型切片位置示意表 1 火灾场景设置情况统计场景参数火灾类型快速火火灾增长类型t2增长型火灾增长系数0.0469kW/s2最大热释放速率4000kW/m2着火方式立即着火火源面积2.4m2窗户状态关闭灭火救援安全与技术2024 年/第 2 期/总第 104 期33CHINA EMERGENCY RESCUESafety&Technology for Fire&Rescue景下,当火灾发生 400.2s 时,该楼层 3个楼梯口烟气层高度都低于 2.5m;当
18、火灾发生 402.6s 时,该楼层 3 个楼梯口烟气层高度都低于 1.7m(文中设定 1.7m 为人员头部高度),由于所有窗户都处于关闭状态,烟气无法外散,故烟气层高度一直持续下降。因此,位于五楼的人员必须在火灾发生后 402.6s 内撤离五楼,否则将极有可能无法安全逃生。2.2 温度分析在文中所设置的火灾场景下,由图 7 所可知,着火楼层楼梯口处温度随时间的变化,着火后 260.4s 时 五 楼 1.7m高度温度分布如图 8 所示。可以看出,火灾发生 前 200s 左 右 楼 梯 口温度上升较为缓慢且未超过 50,对人员逃生造成的影响较小,此阶段为逃生最佳时间。测点 A 处温度在前 248.
19、5s迅速增长到 65,测点B 处温度在 244.3s 时增长 到 65,测 点 C 处温度在 260.4s 时增长到65。根据建筑火灾安全工程导论17,当温度达到 65时人员将无法正常呼吸,综合考虑在火灾发生 260.4s 时人员将无法安全疏散。2.3 能见度分析根 据 建 筑 防 烟排 烟 系 统 技 术 标 准 GB51251-2017,文中模拟设定该住院部发生火灾时允许的烟气最小可视距离为 5m18。能见度随时间的变化曲线如图 9 所示,火灾发生 148.8s 时五楼 1.7m 处能见度分布如图 10 所示。可以看到在火灾发生后前 145s 能见度并未有明显降低,烟气并未对视野造成影响,
20、此时为人员逃生的最佳时间。在火灾发生后 148.8s 测点 A 能见度迅速下降至5m,142.2s 时测点 B 能见度下降至 5m,136.8s 时测点 C 能见度下降至 5m,200s后所有楼梯口能见度几乎为 0。故火灾发生 148.8s 时五楼未能成功疏散的人员生命安全将受到威胁。01002003004005006001234烟气层高度/m时间/s LA-A LA-B LA-C 图 6 烟气层高度随时间变化曲线 图 6 烟气层高度随时间变化曲线0100200300400500600050100150200250温度/时间/s TEMP-A TEMP-B TEMP-C 图 7 温度随时间变化
21、曲线 图 7 温度随时间变化曲线图 8 温度分布图 图 8 温度分布图 2.3 能见度分析 根据 建筑防烟排烟系统技术标准 GB51251-2017,文中模拟设定该住院部发生火灾时允许的烟气最小可视距离为 5 m18。能见度随时间的变化曲线如图 9 所示,火灾发生 148.8 s 时五楼 1.7m 处能见度分布如图 10 所示。可以看到在火灾发生后前 145s 能见度并未有明显降低,烟气并未对视野造成影响,此时为人员逃生的最佳时间。在火灾发生后 148.8 s 测点 A 能见度迅速下降至 5 m,142.2s 时测点 B 能见度下降至 5 m,136.8 s 时测点 C 能见度下降至 5 m,
22、200s 后所有楼梯口能见度几乎为 0。故火灾发生 148.8 s 时五楼未能成功疏散的人员生命安全将受到威胁。图 9 能见度随时间变化曲线 图 9 能见度随时间变化曲线图 10 能见度分布图中 国 应 急 救 援CHINA EMERGENCY RESCUE34 中 国 应 急 救 援灭火救援安全与技术Safety&Technology for Fire&Rescue2.4 CO 浓度分析建筑物发生火灾时,除了会产生烟气层,同时还会伴随着大量的有毒气体,一旦人员长时间处于这些有害气体中,其安全逃生的可能性将会大大降低。根据近年来美国国家防火协会(National Fluid Power Ass
23、ociation,NFPA)对有毒有害烟气致死人数的统计数据表明,火灾后由于吸入有害气体而导致死亡的人数超过半数,其中含有的 CO 毒性气体是造成人员死亡的重要因素。CO 中毒会导致头痛、视力模糊等一系列的症状,严重的则会引起意识障碍、昏迷甚至有致人死亡的风险,所以 CO 浓度过高将会严重影响人员的安全疏散。相关文献表明,人类无法在 CO 浓度超过 0.006mol 的环境中停留超过 30min,不允许在 CO 浓度 达 到 0.005mol 的 环 境 中长期逗留,故选取 CO 浓度为 0.005mol 为判断人员能否安全疏散的判定标准。五楼楼梯口 1.7m高度 CO 浓度随时间的变化曲线如
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