武建力，高 抗

中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056

1 项目概况

华中科技大学精密重力测量山洞实验室作为“精密重力测量国家重大科技基础设施”的重要组成部分，是“十二五”期间国家优先支持的16项重大科技基础设施建设项目之一。项目建成运行后，可满足我国地球科学、资源勘探、国家安全等对重力数据和重力基准的战略需求，为建设国家科技创新中心和创新体系奠定坚实基础。

山洞实验室位于华中科技大学校园内的喻家山下，总体呈“L”形布置，总长525.5m，建筑面积为5943.71m2，实验室在隧道内沿隧道流线并排布置，山洞实验室最大埋深91.3m，南侧为直通室外的出入口，西侧与既有山洞实验室衔接。

山洞实验室分隔为三个不同的功能区：中间为5m宽的洁净实验室，右侧为实验人员和设备日常进出的走道，左侧为火灾时安全疏散的避难走道。

2 防火设计方案研究

2.1 消防难点

整个山洞实验室呈“L”形长条状布置，且埋深较大，消防难点主要体现在以下两个方面。

（1）防火分区面积划分没有明确的依据。该项目总面积为5943.71m2，根据《建筑设计防火规范》（GB 50016—2014）（以下简称《防火规范》）要求一般地下建筑防火分区最大允许建筑面积为500m2，地下设备用房最大允许面积不大于1000m2，而对于地下营业厅、展览厅的防火分区最大允许面积可不大于2000m2。华科山洞实验室内主要物品为实验仪器、计算机、实验室台，主要进行物理实验，没有易燃易爆危险化学品。一般情况下实验室内仪器产生的数据均为自动上传，无须人工干预，只有要对仪器进行安全检查和维护等行为时，才会安排人员进入实验室，因此实验室内日常工作人员数量很少。综合考虑以上因素，该工程分为3个防火分区，每个防火分区面积均不超过2000m2。

（2）直通室外安全出口设置条件有限，疏散距离长。该项目左侧沿山洞设置避难走道，避难走道一端能够直通室外，另一端与既有山洞实验室连通。与高速公路隧道人行通道类似，避难走道与设备走道通过防烟前室相连，当发生火灾时，实验室人员从设备走道穿过防烟前室进入避难走道，疏散至室外或通过防烟楼梯间直通室外。根据《防火规范》要求，避难走道直通地面的出口不应小于2个，并应设置在不同方向；当避难走道仅与一个防火分区相通且该防火分区至少有1个直通室外的安全出口时，可设置1个直通地面的出口，任一防火分区通向避难走道的门至该避难走道最近直通地面的出口的距离不应大于60m。由于山洞实验室呈长条状布置，每个防火分区设置1个直通地面出口，不满足距离不应大于60m的要求。

2.2 方案研究

针对以上难点，笔者设计了三种方案进行研究比较。

（1）方案一：5处竖井。此方案完全依照《防火规范》，满足避难通道直通地面的出口的距离不应大于60m的要求。此时避难走道上共需设置5部疏散楼梯，任意两部疏散楼梯之间间距均不大于120m，山洞实验室设置5处竖井。山洞实验室是要求振动、电磁干扰小，温度恒定的场所。竖井设置过于密集，对山洞的温度场、电磁场破坏严重，因此该方案可行性不大。

（2）方案二：1处竖井。考虑到山洞实验室工作人员较少，人员单一，参照《地铁设计防火标准》（GB 51298—2018）中站台任意一点至地面疏散时间不大于6min，在避难走道靠近既有山洞实验室附近设置一处竖井作为直通地面出口，此时山洞实验进口和出口有两处直通室外出口。华科山洞实验室全长约525.5m，从最远点到安全出口的距离约262.75m，每股人流按0.55m计，避难走道1.2m满足两股人流通行，地下室每100人疏散宽度为1.0m，频率为1步半/s（60～100m/min、4～5km/h），正常人每分钟步行速度约1m/s，步距约60～75cm，在紧急逃生时，逃生速度=步行+小跑速度=1.5m/s，故疏散时间共为256s+26s=282s=4.7min＜6min，满足疏散要求。此时，虽然满足疏散时间的要求，但是第二防火分区没有一个直通室外的出口，火灾情况下消防与救援人员不能及时进入火灾现场，此方案可行性也不大。

（3）方案三：2处竖井。对方案一和方案二的防火设计进行优化后，同时考虑通风排烟需求，在洞身设置2处竖井。1#竖井作为通风排烟竖井，2#竖井设置消防电梯，作为消防救援人员进出通道。火灾情况下，实验人员可通过避难走道从出入口直通室外，或者经过联络通道逃至既有山洞实验室。

3 消防性能化评估

消防性能化评估是指根据项目的功能特点，以一定的消防安全目标为要求，采用适用的计算分析工具和方法，基于综合安全性能分析和评估后，最终确定防火设计方案的方法。

针对上述山洞实验室防火设计的优化方案，还需要采用烟气模拟及人员疏散模拟的量化方法对提出的两处竖井方案进行评估，以验证方案的可行性。

此外，针对山洞实验室的特点，消防性能化评估的首要消防安全目标是人员安全，火灾时确保所有人员能够安全疏散。为了实现人员安全疏散的评估，将通过烟气流动和人员疏散两个方面的模拟，对比量化的人员安全疏散时间，最终判断目标是否实现，即从火灾发生到建筑物内人员全部安全疏散完毕的时间小于火灾发展到人体耐受极限条件的时间，则人员的疏散过程是安全的。

3.1 火灾场景分析

（1）烟气流动模拟分析。该评估利用FDS软件对火灾发展过程及烟气控制过程进行数值模拟计算，验证烟气控制系统是否能够实现相应的性能化设计目标。根据山洞实验设计图纸以及火灾场景的设置情况，建立第二防火分区FDS模型，如图1所示。

图1 第二防火分区FDS模型图

针对上述设计的火灾场景，计算并分析确定各火灾场景的烟气危险来临时间，根据烟气模拟结果，在采取消防措施并且排烟有效的情况下，能够将烟气控制在火灾所在区域，达到控制烟气的目的。

（2）人员安全疏散模拟分析。山洞实验室的建设条件与高速公路山岭隧道类似，并且人员荷载较小，安全疏散设计参考双孔隧道中采用人行横通道方式进行设计。人行横通道的间隔要能有效保证隧道内的人员在较短时间内进入人行横通道。结合相关的火灾设计场景，该评估对应设立了4个疏散场景对山洞实验室的疏散进行了模拟。①疏散场景一：封堵21#实验室左侧附近的安全出口，着火实验室内无人员工作或参观，对应于火灾场景A。②疏散场景二：封堵21#实验室左侧附近的安全出口，着火实验室内有人员工作或参观该疏散场景对应于火灾场景A。③疏散场景三：封堵激光测距实验室附近的安全出口，着火实验室内无人员工作或参观，景对应于火灾场景B。④疏散场景四：封堵激光测距实验室附近的安全出口，着火实验室内有人员工作或参观，对应于火灾场景B。

3.2 评估结论

通过对设定的火灾场景进行模拟计算，并针对各火灾场景相应设定的4个疏散场景人员的疏散过程进行模拟计算，可以得到危险来临时间TASET和必须疏散时间TRSET对比表。通过对比可以看出，除工况A00，即山洞实验室的灭火系统与排烟系统全部失效的情况下，人员疏散时间小于危险来临时间外，其他工况人员均能在可提供的安全疏散时间内疏散完毕。

评估结果表明：在保障山洞实验室安全疏散设施、机械排烟系统、自动灭火系统、火灾自动报警系统等消防设施有效工作的情况下，火灾时山洞实验室内的烟气能得到较好控制，人员能够在危险来临前疏散到安全区域。该防火设计方案可以保障人员疏散安全，实现了设定的安全目标。

4 结束语

文章通过对现有防火设计规程不完全适用的华中科技大学精密重力测量山洞实验室的防火设计方案进行比较研究和性能化评估后，得到了可以满足火灾情况下实验室安全运行和人员安全疏散的防火设计方案，可为该项目的设计、审查、审批提供依据，也可为类似工程的消防安全策略提供参考。