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1、一种在性性能化防防火设计计中人员员疏散问问题的研研究方法法陈智明* 霍霍 然然 游游宇航（中国科科技大学学火灾科科学国家家重点实实验室，合合肥 22300026）摘 要要 本文提提出了一一种在性性能化防防火设计计中人员员疏散问问题的解解决办法法，该方方法是把把火灾烟烟气运动动规律、建筑物物的结构构和人员员疏散的的特点结结合的研研究成果果，分别别计算建建筑物中中不同单单元内的的火灾荷荷载阈值值在发生生火灾时时，烟气气达到危危险状态态的时间间和人员员疏散所所用的时时间，比比较这两两个时间间，来确确定建筑筑物防火火设计是是否达到到性能化化防火中中人员安安全疏散散的要求求。该方方法从控控制建筑筑物内火
2、火灾荷载载的多少少和建筑筑物的结结构出发发，在现现行的计计算软件件的基础础上，容容易实现现，可用用于实际际的火灾灾安全工工程设计计和火灾灾安全咨咨询。主题词：建筑火火灾 人员疏疏散 性能化化防火设设计 火灾荷荷载阈值值中国图书书分类号号：X9928.03基金项目目名称：国家“十五”科技攻攻关项目目：城市市火灾与与重大化化学灾害害事故防防范与控控制技术术的研究究；项目目编号：20001BAA8033B单 位位 名 称：中中国科学学技术大大学火灾灾科学国国家重点点实验室室单 位位 地 址：安安徽省合合肥市黄黄山路中中国科学学技术大大学西区区邮 编编：23300227联 系系 电 话：0055113
3、66068891A Meethood ffor Stuudy ofEEvaccuattionn In Perrforrmannce-bassed firre ssafeety dessignnChenn Zhhimiing Huuo RRan Yoou YYuhaang(Staate Keyy laaborratoory of firre SScieencee, UUnivverssityy off Scciennce andd Teechnnoloogy of Chiina Heffei)ABSTTRACCTBaseed oon mmoveemennt oof ssmokke, strruc
4、tturee off buuilddingg annd nneedded timme oof eevaccuattionn, aa peerfoormaancee-baasedd fiire saffetyy deesiggn mmethhod forr evvacuuatiion in buiildiing firres hass beeen preesenntedd. BBy ccalcculaatinng tthe timme oof ffiree smmokee arrrivve tto rriskk siituaatioon aand occcupaant evaacuaatioon
5、 ttimee reespeectiivelly, andd thhen to commparre tthesse ttwo kinnd oof vvaluues to enssuree thhe ffireeprooofiing of buiildiing reaach to reqquirre oof ooccuupannt eevaccuattionn inn peerfoormaancee-baasedd fiire saffetyy deesiggn. Accoordiing to buiildiing strructturee annd cconttroll fiire loaad
6、 vvaluue iin bbuilldinng, thiis mmethhod is runn onn fiire moddelss. BBecaausee off itts ssimppliccityy annd eeasyy opperaatioon, thiis mmethhod cann heelp firre ssafeety dessignn annd ffiree saafetty cconssulttingg.Key worrds: Buuilddingg fiire Occcuppantt evvacuuatiion Peerfoormaancee-baasedd fiir
7、e saffetyy deesiggn Firee looad thrreshholdd vaaluee1、引言言性能化防防火设计计的根本本出发点点就是尽尽量减少少火灾中中造成的的人员伤伤亡和财财产损失失，是一一种系统统的分析析建筑物物火灾安安全问题题的方法法。建筑筑物中的的安全疏疏散是性性能化防防火设计计中的一一个子系系统，其其目标是是在火灾灾烟气未未达到伤伤害人员员生命状状态之前前，将所所有人员员安全疏疏散出建建筑物。目前，在在计算和和评估建建筑物的的安全疏疏散时间间时，都都使用了了一种比比较普遍遍的方法法，即在在一个建建筑物中中设定一一个一定定规模的的火灾，然然后计算算这种情情况下人人员
8、安全全疏散所所需的时时间。也也就是说说在一个个预定好好的建筑筑物内发发生火灾灾，人员员进行疏疏散，其其人员的的可用逃逃生时间间就要根根据建筑筑物内的的火灾荷荷载来确确定。这这与在一一个有危危险的区区域工作作，尽量量采取一一些自身身的防护护措施，使使之能够够满足达达到安全全等级的的要求的的控制危危险源的的方法相相似，即即没有采采用控制制源头危危险源的的方法进进行安全全防护。而在能能够控制制源头危危险的情情况下，进进行危险险源的源源头控制制是安全全防护中中最行之之有效的的方法。同样，在在建筑火火灾人员员疏散中中，如果果能够控控制火灾灾的大小小，就能能有效的的进行人人员安全全疏散。本文将将从控制制建
9、筑物物内的火火灾荷载载方面着着手，讨讨论性能能化防火火设计中中人员疏疏散问题题。在性性能化防防火设计计中人员员安全疏疏散可以以分为两两个过程程来考虑虑。第一一个过程程是，根根据建筑筑物的结结构特点点，计算算该建筑筑物中不不同单元元的人员员在发生生火灾的的情况下下，疏散散到安全全地带所所用的时时间。第第二个过过程是根根据第一一个过程程计算出出的疏散散时间，计计算该建建筑物内内相应单单元中，当当烟气到到达危险险值时刻刻所用的的火灾荷荷载量，并并定义该该值为建建筑物中中相应单单元的火火灾荷载载阈值。2、问题题的提出出从源头控控制危险险是控制制危险的的有效方方法。在在建筑物物中控制制建筑物物内火灾灾荷
10、载，也也就是控控制火灾灾危险源源的大小小，通过过这种方方式来控控制建筑筑中火灾灾危险的的大小。目前，在在研究建建筑物内内人员疏疏散问题题的时候候，大多多是在一一个物品品配备完完好的建建筑物内内或一个个定义火火灾危险险源的建建筑内进进行讨论论和计算算人员疏疏散问题题。从源源头控制制火灾危危险源来来研究人人员疏散散问题的的办法是是：预先先在讨论论和计算算人员疏疏散的时时候，根根据建筑筑物的特特点来计计算出该该类型的的建筑在在不同的的部位完完成逃生生所需要要的时间间，设为为tn,ii ；然然后再计计算在不不同部位位的火灾灾荷载阈阈值在发发生火灾灾时，发发展到对对建筑物物内的人人员产生生危害所所需的时
11、时间，设设为tn,jj；只要要保证建建筑物内内即可。在这里里，tn,i的值可可以根据据建筑物物的结构构和第nn单元的的人所在在的位置置以及使使用该类类建筑的的人员的的一些特特征计算算出来，因因为建筑筑物的结结构给定定，并且且使用建建筑物的的人员给给定，所所以每个个单元内内人员的的疏散时时间是确确定的。tn,jj的值可可以根据据第n单元内内的所要要存放的的火灾荷荷载数量量以及存存在的可可燃物的的种类计计算出来来。用这种控控制火灾灾危险源源的方法法来计算算建筑物物内火灾灾人员疏疏散的时时间，即即控制建建筑物内内的第nn单元的的火灾荷荷载的量量，不超超过该类类物质在在燃烧时时，造成成对建筑筑物内人人
12、员产生生危险时时间tn,j所需要要的火灾灾荷载阈阈值，就就可以保保证建筑筑物内的的人员在在发生火火灾的时时候能够够进行安安全疏散散。这样样，在对对建筑物物进行防防火设计计的时候候，就可可以通过过两个途途径来解解决建筑筑物发生生火灾时时人员疏疏散的问问题。其其一，在在建筑物物的设计计时，规规划好建建筑物的的用途，计计算好建建筑物内内将要放放置的火火灾荷载载，然后后计算出出tn,j，在此此基础上上设计建建筑物内内人员疏疏散通道道，使得得人员能能够在预预定的时时间内疏疏散初建建筑物；其二，在在建筑物物的设计计时，尽尽量采用用距离控控制疏散散过程来来代替瓶瓶颈控制制过程1，这这样可以以尽量缩缩短逃生生
13、所用时时间，再再根据设设计好的的方案，计计算出疏疏散所用用的时间间tn,i，并以以此为标标准来确确定建筑筑物所能能够承受受的火灾灾荷载。3、疏散散时间和和火灾荷荷载阈值值人员安全全疏散时时间tn,ii包括两两个部分分，第一一个部分分是疏散散前的滞滞后时间间tn,i,1，不同同的建筑筑结构、探测系系统和人人员群体体，这个个滞后时时间变化化较大，但但是可以以针对具具体的建建筑物、探测系系统及其其居住的的群体来来确定该该值。第第二部分分是疏散散中通过过某距离离及其在在某些重重要出口口的等待待时间ttn,ii,2，解解决这个个时间的的办法是是结合建建筑物的的特点选选用一些些比较成成熟的适适合建筑筑物特
14、点点的疏散散软件来来计算，进进而得到到此值。如EVVACNNET44和CRRISPP等模型型适用于于计算办办公楼等等类型的的建筑物物的人员员疏散4,5。火灾荷载载的阈值值是一个个建筑物物内火灾灾荷载的的等效值值。火灾灾中危害害人身安安全的是是火灾产产生的火火焰和烟烟气的热热辐射、烟气层层的高温温和有毒毒性气体体浓度，要要确保建建筑中人人员的安安全，就就得 使使火灾产产生的热热量和有有毒性气气体危急急人员之之前撤离离建筑物物。因此此，在确确立这个个阈值时时，可以以从火灾灾荷载所所产生的的热量和和生成的的有毒性性气体的的量这两两个方面面着手计计算，即即根据危危及人员员生命安安全的热热量值和和烟气层
15、层的高度度为标准准。当烟烟气层高高于人眼眼特征高高度，11802000的烟气气层产生生的热辐辐射将会会对人造造成严重重灼烧；当烟气气层低于于人眼特特征高度度，11101120的烟气气层将会会对人造造成直接接烧伤；在烟气气层低于于人眼特特征高度度时，还还可以根根据可能能产生的的某种有有害燃烧烧产物的的浓度临临界浓度度判定是是否达到到危险状状态。在在火灾中中，这三三种危险险状况哪哪一个先先到达就就采取哪哪一个为为判断依依据。当当前，在在模拟烟烟气运动动的程序序中，有有区域模模拟程序序如CFFASTT6和场场模拟程程序如FFDS。根据不不同的要要求可以以采用不不同类型型的模拟拟程序进进行计算算。4、
16、计算算实例R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10浴室洗手间出口楼梯1楼梯2走 廊图1 宿舍楼一楼平面示意图80 m6 m28 m12.6 m5.4 m43 m洗手间 我们采采用某高高校学生生宿舍楼楼为例。宿舍楼楼有7层层，每层层有399个宿舍舍，其平平面结构构如图11所示。每个房房间的尺尺寸是:5.443.003.00m3，房间间的门宽宽为0.8m。楼层之之间由两两驾楼梯梯连接，每每段楼梯梯有200级，单单级楼梯梯的宽度度为0.3m，楼楼梯出口口的宽度度为1.3m，出出口的宽宽度1.8m。以最危危险的情情况为例例进行模模拟计算算，即当当东头的的楼梯不不开放时时的情况况，因此此在计算算时它只
17、只是一个个烟气的的通道，而而不是疏疏散通道道。运用用EVAACNEET4模模拟计算算该宿舍舍楼疏散散时间。将399个宿舍舍简化成成1图所所示的110个房房间R11R110，其其中一些些参数如如表1所所示。 表11 宿宿舍楼基基本参数数表房间编号号房间尺寸寸（m3）居住人数数火灾荷载载（Kgg）纸张木材纤维塑料其它R16.05.443.0084004002008080R29.05.443.0012600600300120120R312.005.443.0016800800400160160R49.05.443.0012600600300120120R515.005.443.00161000010
18、000500160160R66.05.443.0084004002008080R715.005.443.00201000010000500200200R812.005.443.00168008004008080R99.05.443.0012600600300120120R1018.005.443.00241200012000600240240时间/s浓度ppm图4 上层空气中CO浓度随时间变化曲线（room1起火）时间/s楼层七层六层五层四层三层二层一层图2 不同楼层人员疏散完毕所用时间变化曲线离开楼梯间所用时间离开楼层所用时间通过EVVACNNET44程序计计算得，整整个楼层层居住的的864
19、4人，在在3555s内疏疏散出建建筑。计计算的一一些典型型结果如如图2所所示。从从图2可可以看出出，不同同楼层的的人员所所需要的的疏散时时间是不不一样的的，而该该建筑物物的整个个疏散是是由其西西部楼梯梯的瓶颈颈控制疏疏散过程程，因此此在每层层楼的走走廊上的的人都需需要排队队等待疏疏散。以以上所计计算的疏疏散时间间是tn,ii的第二二部分时时间tn,ii,2，即即疏散中中通过某某距离及及其在某某些重要要出口的的等待时时间，所所以这个个疏散时时间还得得加上ttn,ii的第一一部分时时间tn,ii,1。国内外外一些疏疏散专家家学者对对tn,ii,1的的值做了了一些研研究，它它可以通通过参考考一些文文
20、献得到到。本建建筑物是是某高校校的学生生宿舍楼楼，其居居住者都都是青年年学生，他他们的火火灾意识识较强，而而且能够够比较快快捷的采采取疏散散行动，设设该时间间为900s33，则则整个疏疏散过程程所用的的时间为为4455s。运用CFFASTT4011模拟计计算建筑筑物内火火灾烟气气的运动动规律。分别设设定火灾灾发生在在六楼的的房间11和房间间4。由由于不同同类型的的模拟程程序对建建筑结构构的划分分不一致致，为了了便于计计算，现现将宿舍舍简化成成如图33所示的的房间，进进行烟气气有关特特性的模模拟计算算。通过过调查和和简化，得得到的现现存每个个单元内内的火灾灾荷载如如表1所所示，首首先计算算现存在
21、在的这些些火灾荷荷载在发发生火灾灾的时候候到达危危险状态态的时间间是否超超过人员员疏散所所用的时时间tn,ii，然后后以这个个火灾荷荷载为基基础，来来确定该该建筑物物的火灾灾荷载阈阈值。在在这个算算例中，模模拟计算算了由现现有的火火灾荷载载在发生生火灾时时所产生生的有毒毒性气体体CO的的浓度、不同单单元内空空气中OO2的浓度度、不同同单元内内上层烟烟气的温温度、下下层空气气的温度度以及烟烟气层的的高度曲曲线。room6room7room5room2room4room3room1图3 运用CFAST计算时该建筑的简化图图4显示示了不同同时刻不不同房间间内上层层空气中中CO浓浓度随时时间变化化的曲
22、线线，从图图中可以以看出空空气中含含有COO没有超超过5000pppm，研研究结果果表明只只有当CCO的浓浓度超过过32000pppm时才才会在短短时间内内对人员员造成伤伤害。因因此，在在此处可可以不用用考虑CCO对人人员造成成的伤害害。图55和图66分别是是两个不不同房间间起火时时，不同同房间内内烟气层层高度随随时间的的曲线。为了不不使火灾灾产生的的烟气影影响疏散散，在疏疏散结束束之前，烟烟气层不不得下降降到人员员疏散的的位置上上。因此此烟气层层高度SS的标准准满足关关系式7：（1）式中，ss是烟气气层分界界处距疏疏散通道道地面的的高度（mm），HH是顶棚棚距火源源的高度度（m），hh是疏散
23、散地面距距火源的的高度（mm）。在在模拟计计算中，设设定着火火位置为为0.77m处，因因此s的的值为11.766m。由由EVAACNEET4模模型计算算出来的的疏散时时间表明明六楼人人员全部部疏散完完毕所用用的时间间为2110s，而而这些人人都必须须通过楼楼梯井即即rooom6，但但是rooom66在1660s的的时候烟烟气层便便下降到到1.664m，即即表明该该数据可可以作为为判定标标准。图图7和图图8分别别是rooom11和rooom44起火时时，不同同房间内内下层温温度随时时间变化化的曲线线，如图图所示，rroomm6在2210ss时的温温度没有有超过1110，即在在此处可可以不用用考虑
24、下下层温度度对人员员造成的的危害。图9和和图100分别是是rooom1和和rooom4起起火时，不不同房间间内上层层温度随随时间变变化的曲曲线。研研究表明明，要确确保人员员安全疏疏散，则则应当满满足如下下关系式式7：（2）式中，T热气气层的温温度上升升值（KK），tte是疏疏散人员员暴露在在热气层层中的时时间，44103是结合合Harrberr法则和和将老鼠鼠暴露在在高温空空气的实实验，暴暴露温度度与不能能行走时时间的实实验数据据所得到到的回归归方程的的常数项项。从图图5和图图6中得得知，1160ss以后人人员要从从rooom6中中疏散出出来，就就得暴露露在热烟烟气层中中。从1155ss到21
25、10s期期间，上上层温度度随时间间的变化化曲线可可以近似似看成是是一条温温度随时时间变化化直线，结结合图99和图110，该该直线为为（3）式中，bb是个常常数。将将3式代代入2式式进行计计算得：（4）显然，44式计算算出来的的结果明明显大于于2式中中给出的的结果。因此，这这个结果果也表明明该情况况下的火火灾荷载载数量是是超过了了火灾荷荷载的阈阈值范围围的。至于求解解该建筑筑物的火火灾荷载载阈值，其其具体的的算法和和上面求求解方法法雷同，由由于篇幅幅的关系系不再累累述。以以rooom4着着火为例例，该单单元内的的火灾荷荷载阈值值为：纸纸张22200KKg，木木材22200KKg，时间/s温度/图
26、5 不同房间烟气层高度曲线（room1起火）图6 不同房间烟气层高度曲线（room4起火）时间/s温度/温度/时间/s图9上层温度随时间变化曲线（room1起火）时间/s温度/图10 上层温度随时间变化曲线（room4起火）图7 下层温度随时间变化曲线（room1起火）温度/时间/s时间/s温度/图8 下层温度随时间变化曲线（room4起火）纤纤维12200KKg。这这些物质质的热释释放速率率、发烟烟量等都都是以CCFASST4001模型型中的标标准来定定量的。5 、分分析 上面的的算例给给出了比比较完整整的分析析计算过过程和明明确的结结论判断断。火灾灾荷载的的阈值是是针对不不同楼层层不同单单
27、元而变变化的，它它与楼层层的高度度、起火火所在的的房间以以及建筑筑物本身身的结构构特点有有着较大大的关系系。它们们之间的的这些关关系现在在还没有有完全弄弄清楚，需需要进一一步的找找出它们们之间的的规律，还还需要在在这方面面作出较较为大量量的工作作。运用用这种方方式分析析和研究究人员疏疏散问题题，它不不适合于于超高层层建筑物物。对于于目前比比较普遍遍采用的的中庭式式建筑，这这个中厅厅就相当当于一个个很大的的烟气通通道，结结合烟气气在中庭庭式运动动规律，能能够比较较容易的的计算出出不同楼楼层内所所能承载载的火灾灾荷载8。实际火火灾中，是是通过建建筑物内内的火灾灾荷载来来的热释释放速率率来判定定火灾
28、的的大小的的，但是是这个参参数在实实际的工工程应用用中比较较难以控控制，而而热释放放速率的的大小取取决于火火灾荷载载。因此此，在工工程应用用中可以以通过设设定一个个比例系系数K来确定定热释放放速率和和火灾荷荷载之间间的关系系。 在确定定火灾荷荷载阈值值时，可可以先参参考已经经计算了了的例子子，然后后根据这这些例子子中，所所能造成成对人员员伤害的的种类（如如，烟气气层高度度、温度度或有毒毒性气体体的量等等）为基基础进行行修改，来来得到所所需要的的火灾荷荷载阈值值。这样样可以减减少寻找找火灾荷荷载阈值值的工作作。同时时，还可可以根据据建筑物物中所需需要放置置物品的的种类，进进行不同同类型的的火灾荷
29、荷载阈值值的转换换，以达达到工程程的需要要。对于于那些需需要放置置较多超超过火灾灾荷载阈阈值的单单元，还还可以通通过更改改建筑物物的结构构方式来来满足性性能化防防火设计计的需要要。如，扩扩大疏散散通道、实行防防火防烟烟分区、增大排排烟系统统的功率率，以达达到工程程应用的的目标。6、结论论 建筑火火灾中人人员安全全疏散的的研究是是一个很很复杂的的问题。本文基基于性能能化防火火设计的的思想，结结合建筑筑物的结结构、建建筑物内内的火灾灾荷载和和火灾烟烟气运动动的规律律来研究究火灾中中人员安安全疏散散问题。这种方方法采用用从根本本上控制制建筑物物内的火火灾荷载载的方式式来研究究建筑物物火灾中中人员疏疏
30、散问题题，有机机的将建建筑物火火灾中人人员疏散散与所产产生烟气气、热量量等结合合起来，从从理论的的角度上上保证了了在发生生火灾时时人员能能够安全全的疏散散出建筑筑物。在在烟气的的运动规规律、热热量的传传播以及及火灾中中产生的的有毒有有害性气气体研究究方面，国国内外的的专家学学者作了了很多的的研究，这这为分析析与研究究火灾中中人员疏疏散提供供了另一一个良好好的锲机机。同时时，在对对这些问问题本身身的研究究以及如如何与疏疏散结合合起来还还需要开开展大量量的实验验研究工工作。参考文献献1 陈智明明,霍然然,王浩浩波,曾曾德云.某教学学楼火灾灾中人员员安全疏疏散时间间德预测测J.火灾灾科学,20003
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