某商业综合体室内步行街火灾初期烟气危险性数值模拟

2015-03-24宗周文李建华

中国人民警察大学学报 2015年12期

关键词：中庭步行街火源

宗周文，李建华

(武警学院 a.研究生队； b.消防指挥系，河北廊坊 065000)

某商业综合体室内步行街火灾初期烟气危险性数值模拟

宗周文a，李建华b

(武警学院 a.研究生队； b.消防指挥系，河北廊坊 065000)

运用PyroSim软件，以某典型商业综合体室内步行街为对象建立模型，以一氧化碳浓度、烟气层温度、能见度、可用安全疏散时间为指标，分别设定九组工况进行烟气危险性数值模拟。对比分析了三组最不利工况条件下火灾烟气运动及特性参数变化情况，在此基础上分析得到火灾初期烟气危险性主要表现为烟气遮光性所带来的能见度的迅速下降。

数值模拟；室内步行街；烟气危险性；火灾初期

0 引言

室内步行街作为商业综合体的标志性建筑设计，起到连接各楼层、各区域，融合室内室外空间的作用。从防灭火角度看，室内步行街作为消防性能化设计中的“亚安全区”，既是人员疏散与逃生的主要通道，更是火灾发生后消防员深入内部灭火救援的主要阵地。商业综合体室内步行街一旦发生火灾，灭火救援力量应及时在火灾初期于步行街处展开行动。因此，深入分析商业综合体室内步行街火灾初期烟气危险性，对于指导消防部队制定火灾现场人员疏散与救助方案，控制火势进一步蔓延，最大限度减小火灾危害和损失具有十分重要的意义。

1 火灾场景模型设计

某商业综合体室内步行街共三层，总建筑面积为35 148.49 m2，其中一层12 511.19 m2，二层10 909.6 m2，三层11 727.7 m2。三个楼层(含两侧商铺)作为一个防火分区，面积远远超过《建筑设计防火规范》[1]对低多层防火分区建筑面积不超过5 000 m2的规定。步行街各层之间通过10个中庭上下贯通，其中8个矩形中庭，一个400 m2圆形中庭，一个600 m2椭圆形中庭。步行街模型及首层、二三层布局如图1、图2、图3所示。步行街设有火灾自动报警系统、机械排烟及加压送风系统(商铺内和中庭顶部设机械排烟口)、自动喷水灭火系统、智能定位水炮等消防设施。步行街两侧为商铺、餐饮和生活配套用房。

1.1 火灾模拟软件

PyroSim[2]是由美国国家标准与技术研究院(NIST)研发的专门用于火灾动态仿真模拟的软件。该软件以计算流体动力学为理论依据，为火灾动态模拟提供了一个图形用户界面，可用来创建火灾模拟，仿真模拟预测火灾烟气流动、火灾温度和有毒有害气体浓度分布。

图1 某商业综合体室内步行街PyroSim模型

图2 步行街首层示意图

图3 步行街二层、三层示意图

1.2 火源位置设置

室内商业步行街两侧商铺的火灾荷载大，是容易发生火灾的地方；步行街内的可燃物数量少，发生火灾的概率小，但发生火灾后容易影响两侧商铺及人员通过步行街疏散的安全；三层相对于一层，烟气温度会更高。因此，确定火源位置时，需要考虑火灾发生在步行街内、首层步行街两侧商铺以及三层步行街两侧商铺等不同位置。一般而言，把建筑发生火灾后的15 min作为火灾初期增长阶段，对于商业综合体这种大空间，火灾蔓延发展需要更多时间，为了更好地研究火灾初期烟气危险性，本文模拟时间设定为1 200 s。火源位置如图4所示，三层共有7个防烟楼梯间，分别编为1～7号，如图5所示。

火源位置A：火源位于步行街首层右侧椭圆形中庭，起火物或对象为步行街内临时布置的装饰物、座椅或售货亭，主要用于模拟室内步行街中庭着火后烟气蔓延情况。

图4 火源位置示意图

图5 三层各安全出口位置

火源位置B：火源位于首层中间的安全出口附近精品店内，店内建筑面积大于300 m2，起火对象为服装、货架等，主要用于模拟在商铺与步行街之间的防火分隔失效的情形下，沿主通道商铺内发生火灾后烟气蔓延可能威胁首层圆形中庭附近安全出口的人员疏散的情况。

火源位置C：位于三层右侧椭圆形中庭附近餐饮店内，起火对象为餐桌、桌椅和桌布等，主要用于模拟在餐饮店着火且防火分隔措施失效的情形下，火灾发生在步行街另一端时烟气的蔓延可能会出现的与火源位置A或B不同的情况。

1.3 火灾场景设计

在设定三种不同的火源位置的基础上，根据消防自动喷水灭火系统和机械排烟系统能否有效动作分为九组工况。根据公安部天津消防研究所做的服装火灾试验、美国NIST和加拿大NRC(National Research Council)做的桌椅火灾试验的结果，保守地确定精品店、餐饮店、步行街发生火灾时为t2快速发展火，火灾增长系数α=0.046 89 kW·s-2。本模拟设计的火灾场景汇总见表1。

表1 火灾场景汇总

1.4 网格划分

一般网格尺寸越小，计算精度越高，但网格尺寸过大或者过小均会引起较大的计算误差。网格敏感性分析表明，网格尺寸的经验值为特征火焰直径的1/4～1/16较为合适，应用中可取1/8～1/12。综合考虑时效性与满足模拟计算精度的前提下，此次模拟设定的网格尺寸为0.5m×0.5m×0.5m。

1.5 烟气危险性判据

1.5.1 烟气层高度

火灾案例和试验表明，烟气的热作用、毒性和遮光性是造成人员伤亡的主要因素，所以，本文拟从能见度、毒性气体的浓度、烟气层温度三个方面分析室内步行街火灾初期烟气危险性。发生火灾后，只有当烟气层位于人群头部以上一定高度，才能保证人员疏散时不受热烟气流辐射热的直接威胁。因此，本文设定人员疏散过程中烟气层应该保持在距地面2.0m以上的位置。

1.5.2 能见度

能见度是衡量火场中人员能否自主疏散逃生的重要指标。据不完全统计，火场能见度临界值，从1.5m到13m都有人提出过。美国消防工程师协会(SFPE)《消防工程手册》[3]建议的火场能见度临界值为13m。澳大利亚《消防工程师指南》建议能见度临界值为小空间5m、大空间10m。因为商业综合体室内步行街属于大空间大跨度，所以本文能见度临界值确定为10m。

1.5.3 一氧化碳浓度

一氧化碳浓度是反映人员在疏散过程中吸入有毒气体而发生中毒程度的一个指标。当人体呼吸到一氧化碳后，一氧化碳会与人体内的血红蛋白相结合，消耗血液中的氧，生成对人体有害的化合物，危害人的生命。美国消防工程师协会(SFPE)《消防工程手册》指出人在一氧化碳浓度为1 000ppm的环境中的极限安全时间为30min，而500ppm作为相对较低的浓度，在该浓度下可允许停留的时间较长。保守起见，本文采用300ppm作为一氧化碳浓度危险值判定指标。

1.5.4 烟气层温度

火场中，当烟气层下降到距离地面2m以下高度时，烟气的热作用是主要危险因素。美国消防工程师协会(SFPE)《消防工程手册》指出：人在不高于60 ℃烟气层环境中，可以坚持约30min，若建筑内部疏散距离较短，可以选择较高的温度值。由于商业综合体内部疏散距离较长，因此本文确定烟气层温度极限值为60 ℃。

综上所述，本文设定人员疏散过程中烟气层应该保持在距地面2.0m以上的位置，确定的烟气危险性指标判据见表2。

表2 烟气危险性指标判据

2 数值模拟

2.1 模拟数据处理

该商业综合体室内步行街共三层，分布有精品店、餐饮、娱乐设施等，人流密度较大。一旦发生火灾，烟气借助中庭、开口、竖井等迅速上升到三层然后沉降。模拟中，通过在三层各安全出口处设置测点，可以得到三层各安全出口处可用安全疏散时间tASET。本文着眼于分析最不利条件下(自动喷水灭火系统、机械排烟系统、两侧商铺和步行街防火分隔均失效)室内步行街火灾初期烟气危险性，因此，分别选取三处不同火源位置，自动喷水灭火系统及机械排烟系统均失效条件下(A00工况、B00工况、C00工况)的烟气运动情况进行对比分析。

2.1.1 烟气发展蔓延

图6～图8分别截取了A00、B00、C00工况在300s和600s情况下的烟气蔓延动态，对比了烟气在不同火源位置条件下同一时间的蔓延变化情况。从图中可以看到，大中庭是烟气迅速向上层蔓延的主通道。

2.1.2 能见度变化

图9～图11分别截取了A00、B00、C00工况在三层距地面2m高度处300s和600s条件下烟气能见度变化情况，对比了烟气在不同火源位置条件下同一时间的能见度变化情况。从图中可以看出，大中庭附近安全出口能见度下降较快。

图6 火灾场景A00烟气蔓延情况

图7 火灾场景B00烟气蔓延情况

2.2 模拟结果

2.2.1 可用安全疏散时间

图8 火灾场景C00烟气蔓延情况

图9 火灾场景A00能见度变化情况

可用安全疏散时间即从火灾发生到火灾发展至威胁人员安全疏散时的时间间隔。在模拟时间1 200s内，烟气层温度及毒性气体浓度均保持在危险临界值以下。因此，以能见度下降至临界值10m所需时间作为三层各安全出口处可用安全疏散时间，见表3(表中数据来源于模拟)。

2.2.2 烟气蔓延特点及规律

图6～图8分别为截取的火灾发生后三种工况在300s、600s时的烟气蔓延情况。从图中可以看出，首层一旦发生火灾，烟气迅速沿中庭上升至三层顶棚，然后沿着步行街向另一端蔓延扩散至整个步行街及两侧商铺。

图10 火灾场景B00能见度变化情况

图11 火灾场景C00能见度变化情况

2.2.3 距地面2m高度处烟气特性参数

图12和图13分别是A00工况、B00工况在三层距离地面2m高度处烟气特性参数(CO浓度、温度)变化情况。对于A00工况，三层测点3处烟气特性参数数值较高，温度最高值为63 ℃，CO浓度远远低于危险值；对于B00工况，三层测点7处烟气特性参数数值较高，CO浓度最高值128ppm，温度在1 200s内均低于60 ℃。

2.3 结果对比

参照图6～图13，从烟气发展蔓延、能见度变化、可用安全疏散时间、烟气特性参数四个方面对模拟工况进行对比，具体见表4和表5(表中数据来源于模拟)。

表3 三种工况下三层各安全出口tASET

图12 A00工况三层各安全出口处CO浓度、温度随时间变化情况

3 结论

3.1 火灾初期(1 200s模拟时间内)，最易受到火灾烟气威胁的是三层，室内步行街中庭是烟气横纵蔓延的主要途径，特别是大中庭设计在火灾条件下产生“烟囱效应”，易加速烟气的蔓延。

图13 B00工况三层各安全出口处CO浓度、温度随时间变化情况

3.2 当火源位置位于A，即右侧椭圆形中庭处，三层距离火源最近的安全出口1、2、3最易受到威胁，可用疏散时间最短。当火源位置位于B，即左侧圆形中庭附近精品店时，安全出口5、6、7最易受到威胁。当火源位置位于C，即三层餐饮店时，安全出口1、2、3最易受到威胁。

3.3 就火灾危险性而言，室内步行街两侧精品店火灾危险性大于室内步行街临时设置的移动展台、售货亭的火灾危险性；就起火位置而言，同样是在首层，若首层中庭部位发生火灾，将给烟气上升蔓延带来有利条件，特别是短时间内就会迅速降低三层各安全出口处的能见度，给人员疏散带来严重威胁。

3.4 商业综合体室内步行街属于大跨度大空间，地上楼层由多个中庭贯通，一旦发生火灾，烟气会迅速向顶棚蔓延，火灾初期(1 200s内)，在内部固定设施不能有效动作条件下，烟气危险性主要表现在烟气遮光性所导致的能见度的迅速下降。当能见度下降至临界值(10m)以下时，会给室内人员疏散带来不便和心理上的极大恐慌，特别是在主要疏散出口出现人员拥挤，楼梯间上下人员出现对冲。同时，能见度下降至临界值以下也给现场消防员进入火场内部进行战斗展开带来极大困难：一是火情侦察困难，难以及时准确定位火点；二是人员搜救困难，难以快速有效到达人员被困部位；三是撤退避险困难，容易出现内攻人员迷失方向及被坠落物砸伤的情况。

[1]GB50016—2014,建筑设计防火规范[S].

[2] 吕淑然.火灾与逃生模拟仿真中文教程与工程应用[M].北京:化学工业出版社,2014.

[3] 美国消防工程师协会(SFPE).消防工程手册[M].

(责任编辑李蕾)

The Numerical Simulation of the Initial Fire Smoke Hazards in the Complex Commercial Indoor Pedestrian Streets

ZONG Zhouwena, LI Jianhuab

(a.TeamofGraduateStudent;b.DepartmentofFireCommanding,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

The paper uses the PyroSim software to model and simulates the smoke diffusion under fires in complex commercial indoor pedestrian streets. By setting nine different diffusion conditions and by using evaluation indexes of carbon monoxide, smoke layer temperature, visibility, available safety evacuation time, the fire smoke hazards in the early period of fire were evaluated. The smoke diffusion and characteristic parameters about three most unfavorable working conditions were analyzed. The simulation results indicate that the rapid decline of visibility because the smoke light-blocking is the main hazard in the early period of fire.

numerical simulation; indoor pedestrian street; smoke hazards; initial fire