公共管理论文：商业综合体内街人员安全疏散的可行性研究

　　摘要：为解决商业综合体内街疏散距离过长的问题，本文提出采用“准安全区”的解决策略。采用FDS和Building-Exodus计算机模拟的方法，分别计算出商业综合体内的危险临界值TASET和人员需要的安全疏散时间TRSET。研究结果表明：内街满足一些加强条件时，烟气仅影响火源附近的区域，内街的其他区域相对安全，可以作为准安全区；TASET＞TRSET，准安全区的人员可以安全地疏散至室外。
　　关键词：商业综合体论文；人员疏散论文；计算机模拟论文；准安全区
　　前言
　　 随着我国经济的快速发展和城市化进程的加速，人们对建筑的使用空间和结构功能重新定位。现代化集购物、餐饮、休闲、娱乐、文化等功能为一体的商业综合体建筑越来越被人们青睐。然而，该类商业综合体因具有建筑体量大、人员密集、建筑结构功能复杂等特点，使得建筑内部分疏散楼梯不能直通室外，人员疏散距离过长，防火分区面积过大。因此，该类建筑内人员能否安全疏散是一个亟待解决的技术问题。为解决这一问题，国内外众多学者提出诸多理论和实践方法，其中被广泛接受的是在商业综合体内设计“准安全区”的方法。“准安全区”被界定为：在大空间建筑形式内火灾荷载较小的半室外、下沉广场或者无固定火灾荷载，火灾后受烟气影响较小的公共区域。根据建筑的结构形式，设计室内“准安全区”步行街，论证其安全性，人员可以先疏散至“准安全区”，再通过准安全区二度疏散至室外安全区域。本文通过具体项目案例设计“准安全区”，分析准安全区内可能的火灾场景和对应的疏散场景，应用FDS和Building-Exodus计算机模拟软件模拟计算烟气在建筑内的蔓延情况和人员疏散的情况，将模拟计算的结果与准安全区的判定准则作比较，判定准安全区能否作为人员二度疏散的区域。
　　工程设计实例论文
　　工程概况
　　 本文以江苏泰州万达广场为实例研究商业综合体内街作为准安全区。该工程位于泰州市青年路东、济川路北，一期工程主力店（南侧沿济川路），地上5层，建筑高度28.95m，建筑面积96490.86m2，其中：一层为万千百货、儿童活动及大玩家；二层为万千百货、国美及大歌星；三层为万千百货、健身及影城；四层为万千百货、餐饮及影城；五层为万千百货餐饮及影城。二期工程北侧商铺（各铺均为独立的防火单元）地上三层，高度为17m，建筑面积为7231.91m2。一二期工程组合形成的步行街东西长265m，南北东侧长135.6m、西侧长92.8m。设计将首层步行街作为人员疏散的“准安全区”，火灾时二层以上人员首先疏散至一层“准安全区”，然后再疏散至室外安全区域。首层“准安全区”的示意图如图1所示。
　　图1首层准安全区示意图
　　存在的消防安全问题论文
　　商业步行街防火分区面积过大
　　 泰州万达广场的步行街中庭一层和二层、二层和三层之间通过楼板分隔，在楼板的不同部分开口，形成了12个中庭。按照现行规范，需要用防火卷帘将各层的开口与回廊进行分隔，当开口与回廊不做分隔时，步行街防火分区的面积需要三层叠加计算，面积将会达到39566.05m2，远超过了规范规定的最大防火分区面积4000m2的要求。
　　步行街首层部分区域疏散距离超长
　　 该建筑体量巨大，步行街首层部分商铺自疏散门到达安全出口的距离超过60m。不满足江苏省《商规》(DGJ32/J67-2008)第4.4.8条规定[[]]。
　　部分疏散楼梯间在首层不能直通室外
　　 泰州万达广场占地面积大，特殊的设计形式导致步行街内的4#、6#、7#、11#、12#以及15#楼梯在首层无法做到直通室外，如将其改设在靠外墙的部位又不能满足规范有关疏散距离的要求。不满足《高规》(GB50045-95)第6.2.6条规定。
　　解决策略
　　 对于疏散距离超长和部分疏散楼梯首层无法直通室外的问题，本文拟采用首层“准安全区”解决，人员先疏散至首层步行街，然后再通过首层步行街疏散至室外。步行街“准安全区”成立的关键问题就是能否保证其在一定的时间内各火灾参数不至于危及到通过步行街疏散的人员的生命安全。
　　准安全区火灾烟气控制论文
　　烟气判定准则
　　热辐射
　　 研究表明，人体对烟气层等火灾环境的辐射热的耐受极限为2.5kW/m2，即相当于上部烟气层的温度约为180~200℃。表1给出了人体对辐射热的耐受极限[[]]。
　　表1人体对辐射热的耐受极限
　　热辐射强度 <2.5kW/m2 2.5kW/m2 10kW/m2
　　耐受时间 >5min 30s 4s
　　 试验表明，人体呼吸过热的空气会导致热冲击（中暑）和皮肤烧伤。空气中的水分含量对这两种危害都有显著影响，详见表2[[]]。对于大多数建筑环境而言，人体可以短时间承受100℃环境的对流热。选取各层距地面高度2m以下烟气层/空气层温度不超过60℃作为标准。
　　表2人员对热气的耐受极限
　　温度和湿度条件 <60℃，水分饱和 100℃，水分含量<10% 180℃，水分含量<10%
　　耐受时间 >30min 12min 1min
　　烟气能见度
　　 烟气将使能见度降低，进而减慢人员疏散速度，甚至使人员误入歧途而导致伤亡。能见度的度量标准应根据建筑内的空间高度和面积大小确定。表3给出了适用于小空间和大空间的最低光密度和相应的可视距离[[]]。选取各层距地面高度2m以下烟气层/空气层能见度不小于10m作为判定标准。
　　表3建议采用的人员可以耐受的能见度界限值
　　参数 小空间 大空间
　　光密度/(OD/m) 0.2 0.08
　　能见度/m 5 10
　　烟气的毒性
　　 火灾中的热分解产物及其浓度与分布因燃烧材料、建筑空间特性和火灾规模等不同而有所区别。在评价时，要求各种毒性燃烧产物的浓度在30min内不达到人体的忍受极限，通常以CO和CO2的浓度为主要定量判定指标。
　　 人体在5min和30min内所能忍受的这两种燃烧产物的最大剂量及浓度[[]]见表4。选取各层距地面高度2m以下烟气层/空气层CO浓度不大于500ppm[[],[]]作为判断标准。
　　表4人体所能忍受的各种燃烧产物的最大剂量及浓度
　　火灾产物  5min暴露时间  30min暴露时间
　　  暴露剂量
　　(浓度×时间)%·min 浓度最大值
　　 % 暴露剂量
　　(浓度×时间)%·min 浓度最大值
　　%
　　CO 1.5 1 1.5 1
　　CO2 25 6 150 6
　　 
　　机械排烟控制
　　机械排烟设计论文
　　 建筑内的人员伤亡往往是烟气造成的，因此保证准安全区的安全首先要考虑火灾时的烟气控制。建筑准安全区将采用机械排烟和自然排烟相结合的方式将火灾时的烟气排至室外。在该建筑采光顶设置机械排烟系统，在火灾初期将烟气有效排至室外，排烟口位置示意图如图2所示。
　　图2步行街排烟口位置示意图
　　机械排烟量的计算
　　 1) 最小清晰高度
　　   (1)
　　式中： 为最小清晰高度，m；为排烟空间的建筑净高度，m。
　　 2) 烟缕质量流量
　　当，(2)
　　，(3)
　　式中： 为热释放量的对流部分，一般取值为0.7Q，kW；为燃料面到烟层底部的高度，m；为火焰极限高度，；烟缕质量流量，kg/s。
　　 3) 烟气平均温度与环境温度的差
　　  (4)
　　式中： 为烟气平均温度与环境温度的差，K，；为空气的定压比热，一般取1.02，kJ/(kg·K)。
　　 4) 机械排烟量
　　  (5)
　　式中： 为排烟量，m3/s；为环境温度下的气体密度，kg/m3，通常=20℃，=1.2kg/m3；为环境的绝对温度，K；为烟气的平均绝对温度，K，。
　　 对于步行街1层中庭位置发生火灾，热释放速率=4MW，步行街机械排烟量计算结果见表5。
　　表5步行街机械排烟量计算结果
　　/kW /(kg/s) /m /(m3/s)
　　2800 75.13 12.8 73.62
　　 由于计算得到的烟气生成速度为73.62m3/s，在考虑到1.5倍的系数后，得到步行街机械排烟量为3.98×105m3/h，接近于步行街4次换气次数，本报告建议取为6次换气次数的6.00×105m3/h作为步行街机械排烟的排烟量，补风量为排烟量的50%，即3.00×105m3/h，并在后续的计算中对该排烟量下烟气流动进行模拟评估。
　　自然排烟设计
　　 根据建筑的结构在顶部采光顶设计排烟窗，排烟窗的开口面积不小于步行街地面面积的20%。其目的主要是机械排烟系统失效后，其顶部的自然排烟窗同样可以将烟气排至室外，保证准安全区的安全性。其自然排烟窗的位置示意图如图3所示。
　　图3自然排烟窗位置
　　火灾场景设计
　　 通常在计算中不考虑火灾出现明火前的现象，即认为火灾从发生有效燃烧时算起，火灾随着时间的推移而按照指数增长，逐渐发展成为较大规模的火灾，又称时间平方火[[]]。即：
　　  (6)
　　式中为火源热释放速率，kW；为火灾发展系数；为火灾的发展时间，s。
　　 根据NFPA手册，火灾可分为极快、快速、中等和缓慢四种类型[[]]，其火灾发展系数分别为0.0029kW/s2，0.0117kW/s2，0.0469kW/s2，0.1876kW/s2。
　　 在喷淋正常启动的情况下，根据NIST开发的DETACT-QS软件计算得到喷淋动作时间，从而根据t2公式确定火灾热释放速率。DETACT-QS软件计算程序输入参数主要包括：楼层标高、快速响应喷头的RTI、喷头动作温度、喷头距离火源中轴线的距离、环境温度和火灾增长方式等。
　　 根据最不利和代表性原则设计首层可能的火灾场景，火源位置如图1所示，泰州万达广场的火灾场景设计见表6。
　　表6泰州商业综合体内火灾场景设计
　　研究区域 起火点 火灾场景 场景条件
　　一层 1#火源 1 快速火，无水喷淋系统控制，自动排烟窗的可开启面积为1578.5m2，最大热释放速率为4MW
　　  2 快速火，无水喷淋系统控制，自动排烟窗的可开启面积为1578.5m2，最大热释放速率为4MW，东南风，风速3.4m/s
　　  3 快速火，无水喷淋系统控制，自动排烟窗的可开启面积为1578.5m2，最大热释放速率为4MW，东南风，风速10m/s
　　  4 快速火，无水喷淋系统控制，机械排烟量为6.00×105m3/h，最大热释放速率为4MW
　　 2#火源 5 快速火，受水喷淋系统控制，自动排烟窗的可开启面积为1578.5m2，最大热释放速率2.356MW
　　  6 快速火，水喷淋系统失效，自动排烟窗的可开启面积为1578.5m2，最大热释放速率为16.9MW
　　烟气影响范围
　　 “准安全区”安全性的判定取决于烟气蔓延情况，将各个火灾场景下模拟的烟气蔓延情况截图，判定烟气影响的范围。对于首层准安全区内1#火源，火灾场景1的烟气只滞留在三层，火灾场景2和3由于环境风的影响烟气倒灌使得步行街首层也会滞留部分烟气。其烟气影响范围见表7。对于2#火源烟气滞留在火源附近，其他区域的不受烟气影响，其烟气在首层的影响范围见表7。
　　表71#火源和2#火源的烟气影响范围
　　场景2 场景3
　　 
　　场景5 场景6
　　 
　　准安全区人员疏散
　　安全疏散的判断准则
　　 需要的安全疏散时间TRSET为从火灾发生到区域内所有人员完全疏散至安全区域所需时间。允许的疏散时间TASET即从火灾发生到建筑内烟气温度、CO浓度、能见度等指标达到人体的承受极限所经历的时间。人员能够安全疏散的标准[[]]是：
　　  (7)
　　 如果TRSET＞TASET，则意味着建筑内的烟气温度、CO浓度或能见度在全部人员疏散至安全区域前，至少有一项超过人体的承受极限；如果TRSET<TASET，则意味着人员能够安全地从危险区域疏散，即苏宁广场的防火设计符合安全要求[[]]。TASET取决于烟气模拟的临界值，TRSET[[]]通过式(8)计算：
　　  (8)
　　式中： TRSET为总疏散时间（即逃生需要的时间），s；为报警时间，s；人员响应时间，s；为人员疏散行动时间，s；为安全系数，取1.2。
　　 人员疏散时间包括报警时间，人员准备时间和疏散行动所需时间。考虑疏散过程的不确定性影响，对疏散行动时间考虑一个安全系数，疏散时间的组成如图4所示。
　　图4疏散时间组成图
　　安全疏散场景
　　 火灾条件下人员向远离火源方向疏散，考虑火源对附近的楼梯或出口的影响，根据火源位置设计可能的疏散场景。做到人员疏散的最优化，为人员能否安全地通过准安全区提供数据支持。设计的疏散场景见表8。
　　表8疏散场景设计
　　疏散场景 火源位置 模拟疏散区域 疏散场景描述
　　A 1#火源 步行街一至三层 疏散出口和楼梯均可用，人员向远离火源方向疏散
　　B 2#火源 步行街一至三层 火源附近Exit7失效，人员选择其他出口疏散
　　TRSET和TASET对比分析
　　 建筑内危险来临时间为TASET，人员疏散需要的时间为TRSET。对比可用的疏散时间和人员疏散需要的时间，判定人员能否在危险来临之前疏散至安全区域。TASET和TRSET的对比结果见表9。
　　表9TASET和TRSET的对比结果
　　疏散场景 火源位置 火灾场景 疏散区域 /s /s 结论
　　A 1#火源 1 一层 1343 1800 安全
　　   二层 748.5 1800 安全
　　   三层 590(377) 1800 安全
　　  2 一层 1343 1800 安全
　　   二层 748.5 1800 安全
　　   三层 590(377) 1800(465) 安全
　　  3 一层 1343 1800 安全
　　   二层 748.5 1800 安全
　　   三层 590(377) 1800 安全
　　  4 一层 1343 1800 安全
　　   二层 748.5 1800 安全
　　   三层 590(377) 1800(462) 安全
　　B 2#火源 5 一层 1290 1800 安全
　　   二层 814.5 1800 安全
　　   三层 545 1800 安全
　　  6 一层 1290 1800 安全
　　   二层 814.5 1800 安全
　　   三层 545 1800 安全
　　 (注：表中括号内表示局部区域达到临界值的时间或局部区域人员疏散需要时间)
　　 通过对各个火灾场景的烟气模拟分析可知，商业综合的内街在多数场景下在模拟时间1800s内，未达到危险的临界值。仅在火源附近的局部区域达到临界值的时间短一些。就整个商业综合体而言，可作为“准安全区”。
　　结论
　　 1) 对于大型的商业综合体建筑疏散距离超长、楼梯在首层不能直通室外的难题，可以采取“准安全区”的方法解决，使人员首先疏散至相对安全的“准安全区”，然后二度疏散至绝对安全的室外。
　　 2) “准安全区”是实施可燃物控制、灭火控制、防排烟控制和疏散优化等加强措施后，能够满足一定的消防性能指标的供人员二度疏散的集散空间区域。
　　 3) 商业综合体内街的烟气模拟结果表明，火灾仅仅影响内街的局部区域，其他区域在模拟时间内未达到危险的临界值，所以内街可作为“准安全区”，满足人员的安全疏散。
　　 4) 采取自然排烟和机械排烟两种排烟方式，且每一种排烟方式均能满足排烟的要求，确保至少有一种排烟方式是有效的，以此补偿其不能满足消防性能化要求的部分。

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