航站樓性能化防火設(shè)計中的PyroSim與Pathfinder的應(yīng)用

關(guān)鍵詞：PyroSim中文網(wǎng)、煙氣流動模擬分析軟件（CFD）、PyroSim煙氣流動模擬分析軟件 、消防安全評估軟件、人員疏散能力模擬分析軟件、Pathfinder人員疏散能力模擬分析軟件

1 航站樓仿真模型建立

以某機場的 T2 航站樓為參考， 結(jié)合實際情況和航站樓模擬普遍性原則， 使用 SketchUp 來構(gòu)建一個簡化的航站樓模型用于火災(zāi)仿真模擬， 其構(gòu)建效果如圖1。

該機場 T2 航站樓是主樓加長廊的前列式航站樓， 主樓屋面由 9 個鼓包組成， 從中間到兩邊逐漸遞減， 為多曲面形式。 采用漸變波浪形雙曲屋面， 金屬屋蓋使用“大跨度、 小曲率、 多變化” 的結(jié)構(gòu)， 四壁采用鋼結(jié)構(gòu)嵌套透明鋼化玻璃作為墻面， 具有良好的透光性和觀賞性。模型在 SketchUp 上構(gòu)造完成后， 將模型導(dǎo)出為 DXF 格式三維模型文件導(dǎo)入基于 FDS 的消防模擬軟件 PyroSim， 對航站樓進行火災(zāi)仿真模擬分析。 考慮到航站樓面積和空間巨大， 為便于研究， 截取航站樓模型中候機區(qū)中央大廳一側(cè)的防火分區(qū)進行針對性的火災(zāi)模擬， 設(shè)置相關(guān)探測裝置。 該防火分區(qū)長 420 m， 寬 38 m， 高 7 m， 總面積為 15960 m² ， 其局部效果如圖 2 所示。

2 火災(zāi)煙氣仿真模擬

2. 1 火災(zāi)場景預(yù)設(shè)

設(shè)起火原因是模擬區(qū)域中部的書店一木質(zhì)書架和書籍起火， 引燃周圍物品， 產(chǎn)生了大量的濃煙， 則火源熱釋放速率與時間的指數(shù)增長值呈正相關(guān)。 根據(jù)原則， 這里要求除起火書店以外其他的功能建筑均為關(guān)閉的狀態(tài)， 以利于煙氣的累積。參照建筑防火規(guī)范， 設(shè)定火災(zāi)模擬的初始條件。 環(huán)境初始溫度為 20℃， 初始相對濕度為 50%， 防火分區(qū)大氣壓為101. 3 kpa， 風(fēng)速 0 m/s。 結(jié)合現(xiàn)有研究成果， 設(shè)定火源熱釋放速率為 3× 106 W。 由于可燃物主要是書架、 書籍、 行李、易燃裝飾材料， 因此火災(zāi)增長類型為快速火， 火災(zāi)增長系數(shù)α為 0. 047 kW/s， 則可計算出火災(zāi)荷載時間， 即 T load ＝Rα＝30000. 047 ＝253 s。

2. 2 火災(zāi)模擬結(jié)果分析

在進行多次測試后， 對模擬網(wǎng)格密度和模擬時間進行修正優(yōu)化， 將模擬運行時間定為 1200 s。 通過 Smokeview 三維動畫演示可以看出，在防火分區(qū)內(nèi)的書店起火后，易燃物燃燒產(chǎn)生的煙霧迅速擴散和在航站樓頂部聚集， 并隨著煙氣量的增大， 煙氣層高度逐漸降低。 特別是位于起火點的左側(cè)的候機區(qū)域， 由于沒有大型出口， 煙氣聚集和下降速度遠快于通向中央大廳一側(cè)的候機區(qū)域。

2. 2. 1 煙氣層高度變化分析

火災(zāi)事故中人員的死亡往往是由煙氣造成的。 根據(jù)公式：H s ＞H c ＝H p ＋0. 1H b

H s 為煙氣層高度； H p 為人眼特征高度； H b 為建筑物頂棚高度； H c 為對人構(gòu)成危險的臨界高度。設(shè)人眼高度為 1. 7 m， 則通過上公式可知該防火分區(qū)發(fā)生火災(zāi)時， 煙氣層對人構(gòu)成危險的臨界高度為 2. 4 m。 當(dāng)煙氣層的高度下降到 2. 4 m 時， 對人員構(gòu)成危險。 如圖 3、 圖4 為起火點兩側(cè)在整個模擬過程中煙氣層的下降高度圖。

根據(jù)圖 3、 圖 4，在 160 s 時，因為起火點左側(cè)沒有大型的出口，排煙受阻，煙氣層高度急劇降低到 1. 0 m 的高度，而右側(cè)盡管通往航站樓中央大廳和另一側(cè)候機區(qū)域，排煙較為順暢，煙氣層高度也還是快速降低到 2. 6 m。如果消防設(shè)備沒有及時啟動工作，排煙設(shè)備不能正常運行,將會嚴重影響疏散安全,對還未逃離防火分區(qū)內(nèi)的人員構(gòu)成生命威脅。

2. 2. 2 熱輻射與溫度的關(guān)系

在模擬過程中， 監(jiān)測點和溫度切片數(shù)據(jù)反映出模擬區(qū)域登機口的頂部煙氣溫度都未超過 180℃， 而在 2. 4 m 處煙氣溫度在 400 s 之前也沒有超過 25℃（圖 5）。 起火源居于防火分區(qū)中部， 因此各疏散出口距離火源有一定的距離，煙氣流到達疏散口附近需要與常溫空氣對流、 熱交換， 溫度會隨之降低。 通過對比設(shè)在距離起火點兩側(cè) 152 m 處的溫度探測點收集的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，各安全出口和主要疏散通道區(qū)域2. 4 m處的空氣溫度在35℃以下,可判定煙氣熱輻射溫度不會對安全出口和疏散通道產(chǎn)生太大的影響。

圖5.起火點近登記口2.4m處空氣溫度曲線

3 航站樓安全疏散模型

3. 1 人員安全疏散標準

判定候機廳火災(zāi)人員疏散的安全性， 主要依據(jù)劃定的防火分區(qū)內(nèi)全數(shù)人員是否能夠在危險來臨之前到達安全疏散場所來確定。 人員必需安全疏散用時 RSET， 是指從火災(zāi)發(fā)生到人員全部安全疏散到另一區(qū)域的時間； 可用疏散時間 ASET，是指從起火到整個環(huán)境狀況已經(jīng)不能滿足人員安全疏散的時間。根據(jù)建筑物內(nèi)人員消防疏散計算模型， 疏散成功的判定標準為 RSET＜ASET。

3. 2 安全疏散場景設(shè)置

基于航站樓的結(jié)構(gòu)功能和布局特點， 結(jié)合大多數(shù)旅客對航站樓環(huán)境陌生， 火災(zāi)發(fā)生后不易疏散和易發(fā)生煙氣聚集使人視野受阻、 窒息等不利情況， 為有效模擬出發(fā)生火災(zāi)時不利情況， 設(shè)定如下模擬：

圖6.防火分區(qū)Pathfinder模擬疏散模型

①結(jié)合該機場日常人流量情況， 設(shè)定發(fā)生火災(zāi)時該模擬區(qū)域人員有 5000 名， 人員密度為 0. 313 per/m2 ；

②人員結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 包含有兒童、 青壯年和中老年人， 他們的移動速度和形體大小均存在明顯差異， 參考 GB10000-88《中國成年人人體尺寸》 設(shè)定人員的移動速度 Max 值為 1. 55 m/s， Min 值為 0. 85 m/s； 身高 Max 值為 1. 86 m， Min 值為 1. 56 m； 肩寬 Max 值為 45. 5 cm， Min 值為 37. 5 cm。

③根據(jù)民用航空機場相關(guān)管理規(guī)定， 登機口沒有航班靠泊時， 應(yīng)予以關(guān)閉， 避免無關(guān)人員未經(jīng)許可由廊橋進入機場飛行區(qū)。 設(shè)定登機口在火災(zāi)模擬期間， 關(guān)閉 18 個登機口中的 10 個。

④人員運動模式設(shè)定為 SFPE 模式。

⑤火災(zāi)發(fā)生后， 人員反應(yīng)時間為 60 s，即 T start ＝60 s。

3. 3 安全疏散模擬分析

對相關(guān)參數(shù)進行設(shè)定后， 人員疏散模擬通過 PyroSim 的配套軟件——Pathfinder 來實現(xiàn)。 這是一款基于人員進出和運動的仿真模擬軟件。 它可以計算預(yù)設(shè)在模擬區(qū)域內(nèi)的每個人員的獨立運動， 并給予了一套獨立的參數(shù)， 同時通過三維動畫展現(xiàn)人員疏散的整個過程。 建立起來的仿真疏散模擬效果如圖 6 所示。通過運行模擬疏散模型， 得到各個可用逃生出口的人員疏散通行數(shù)據(jù)：

3. 4 疏散能見度分析

人員在緊急情況下容易產(chǎn)生驚慌和失去理智，在候機區(qū)內(nèi)眾多的功能建筑阻礙下，以及部分可用出口離人員當(dāng)前位置較遠，決定 24 m 作為判斷能否安全疏散的標準。根據(jù)切片分析結(jié)果，除起火書店外，出口和疏散通道的能見度均在 30 m 左右沒有達到危險狀態(tài)。然而，候機廳縱向長度很大，遠疏散距離可達 420 m，發(fā)生火災(zāi)時，一旦視野不開闊，人員易朝近出口聚集，造成擁擠現(xiàn)象（如圖 7）。

4 、疏散優(yōu)化建議

4. 1 合理劃分室內(nèi)建筑布局

根據(jù)模擬結(jié)果能夠看出，室內(nèi)建筑布局結(jié)構(gòu)往往會對人員疏散的速度產(chǎn)生很大影響。當(dāng)室內(nèi)建筑物布置過多或過于集中，通道設(shè)置不合理，會嚴重影響人員緊急疏散的效率。如圖 8，該候機區(qū)域的椅子分布面積過大、擺放間距過寬，對部分人員的撤離造成了一定的阻礙。 因此在日常維護和管理中，注重功能建筑設(shè)置的科學(xué)性。對重點防火單位，如書店和服飾店， 應(yīng)盡量保證不能將其挨在一起設(shè)置，避免起火時火勢容易迅速蔓延的情況發(fā)生。

4. 2 重視登機口疏散功能

候機區(qū)域四周一般均為寬闊的機坪，它們之間通過登機口連接，當(dāng)候機區(qū)域發(fā)生火災(zāi)時，人員撤離火災(zāi)區(qū)域快捷高效的路徑就是通過登機口疏散到機坪上。 但基于航空安全的需要， 登機口通常情況是在有需要上下旅客的客機停靠時，才在特定時間開放給旅客和工作人員登機使用；在其他時間段，登機口往往是處于鎖閉狀態(tài)人員無法正常通行（圖 8）。而在發(fā)生火災(zāi)時，如果沒有良好的疏散預(yù)案和聯(lián)動設(shè)施，可能會出現(xiàn)大量登機口處于鎖閉狀態(tài)無法承擔(dān)起人員疏散的功能，嚴重影響人員疏散效率，威脅人員生命財產(chǎn)安全。 建議登機口完善技術(shù)設(shè)置，使得在候機區(qū)域發(fā)生火災(zāi)后，消防系統(tǒng)啟動的時候，同步解鎖關(guān)閉的登機口，讓人員迅速通過近的登機口撤離到安全區(qū)域。

4. 3 完善候機區(qū)域應(yīng)急處置方案， 加強日常消防安全管理對候機樓的安全疏散標志， 特別是對地面設(shè)置發(fā)光且明顯的逃生標志， 要進行定期檢查， 保證處于清晰可見狀態(tài)，方便在火災(zāi)濃煙中被困人員能循著這些標志快速逃生。 加強對設(shè)備、 電纜的定期檢修、 檢查， 避免火災(zāi)的發(fā)生。 對重點防火單位加強安全巡視， 減少潛在安全隱患， 防患于未然。重視應(yīng)急預(yù)案的編制和演練， 保證在各種應(yīng)急狀態(tài)下人員能夠以較短的時間離開危險區(qū)域。 減少航站樓內(nèi)易燃物的使用和堆放， 擴大每件可燃物間的擺放距離， 在修建航站樓中盡可能使用耐火防燒的材料， 值機柜臺等設(shè)施也要采用不易燃燒材料制造， 避免發(fā)生火災(zāi)時出現(xiàn)火燒連營的情況。