性能化防火分析中的安全疏散时间判据

安全技术/防火防爆

性能化防火分析中的安全疏散时间判据

1 性能化防火分析方法简介

性能化防火分析方法要求根据具体建筑物的火灾发展特性来决定其防火需要，使火灾安全目标、火灾损失目标和设计目标良好结合，有助于实现火灾防治的科学性、有效性和经济性的统一，尤其适用于那些超出现有规范要求的建筑[1] 。从20 世纪80 年始，澳大利亚、新西兰、加拿大、日本、英国、美国、瑞典、芬兰、等国家和地区相继开展了性能化防火的理论研究及实际应用，取得了不同程度的进展， 一些相对成熟的方法已经投入实际使用[2～4] 。发展和完善该体系的工作目前已经成为国际火灾科学和火灾安全工程学的热点和前沿课题之一。

性能化防火分析一般包括以下一些主要内容:

确定分析对象的现场状况；

设定防火安全目的和目标；

选择合适的定量分析方法；

具体分析影响防火安全目标的因素；

火灾防治有效性与经济性的评价；

给出分析报告。

其中确定分析对象的防火安全目的和目标要求是进行性能化防火分析的出发点。总的说来基本的防火安全目的可分为与生命安全直接相关的目的和与其它安全相关的目的，前者考虑的是在火灾中的各类人员的安全，包括居住者、工作人员、顾客、消防人员等，通常这是大部分建筑物防火安全的主要目标。要达到该目标，应当根据烟气的流动特点和人员的行为特点，做好疏散通道、避难区的设计，选用合适的火灾探测报警系统和疏散诱导系统，保证所有人员能在有效安全时间内撤离起火建筑。其它安全目的包括保护财产安全、保证系统运行的连续性、保护环境等。围绕着这些基本目的，还需要细化出许多具体的目标。本文对目前国际上常用的人员安全疏散时间判据进行讨论，在时间线的基础上提出了一种更为合理有效的判据，并通过典型案例对其作进一步阐明。

2 常用的人员安全疏散时间判据

如图1 所示，火灾发展与人员疏散可认为同时沿着一条时间线不可逆进行。火灾过程大体分为起火、火灾增大、充分发展、火势减弱、熄灭等阶段，从人员安全的角度出发主要关心前两个阶段。人员疏散一般要经历察觉到火灾、行动准备、疏散行动、疏散到安全场所等阶段。在此过程中，探测到室内发生火灾并给出报警的时刻和火灾状态对人构成危险的时刻具有重要意义。保证建筑物内人员安全疏散的关键是所有人员疏散完毕所需的时间必须小于火灾发展到危险状态的时间[5] 。

设从起火到室内人员发现火灾的时刻为tb ， 开始疏散的时刻为tc ，到达安全的时刻为ts ，而火灾对人构成危险的时刻为th ， 因此人员的可用安全疏散时间(ASET) t a 就是发现火灾到火灾构成危险状态的时间间隔，即:

ta = th - tb (1)

而人员的所需安全疏散时间(RSET) t r 为:

tr = ts - tc (2)

如果希望人员成功撤离这些危险区域，则必须保证

tr ta (3)

在性能化防火分析与设计中，可以通过火灾模型得到烟气运动特性，并进而确定可用安全疏散时间；可以通过人员疏散模型得到所需安全疏散时间，并同可用安全疏散时间进行比较，对建筑物的防火安全设计作出评价。

然而值得注意的是:室内人员发现火灾的时间往往早于人员开始疏散的时间，如存在一段人员准备疏散时间，即tctb 。而人员准备疏散时间影响因素多，变化幅度大，在实际应用中难以准确估计，多依赖一些经验公式，如文献[6] 。如果该时间相当长，即使上述两种疏散时间满足式(3) 的条件，人员也未必能够安全逃生，比如可用疏散时间为90s ，准备疏散时间为20s ，必需疏散时间为80s ，累计需要时间为100s ，大于可用疏散时间，人员并不能安全疏散。其原因在于两种疏散时间参数的起始原点不一致(存在准备疏散时间) ，导致式(3) 只是安全疏散的必要条件，而非充分必要条件。因此给实际应用时判断是否足够安全带来一些潜在的不确定性，有必要发展一种更为合理有效、满足充分必要条件的安全时间判据。

3 新的人员安全疏散时间判据

新判据仍采用时间线概念，但具体判定准则是从火灾发生到危险状态的时间tH是否大于从火灾发生到建筑物内人员全部疏散完毕的时间tE ， 如图2 所示。值得注意的是，与常用的时间判据不同，新判据中两种时间参数均从火灾发生的时刻开始计算，即在坐标上具有共同的原点，在判断其是否安全时具有充分必要性，避免了原判据的不足之处。本文考虑的火灾危害包括了对人员的直接危害(如烟气危害) 和间接危害(如通过热- 力耦合作用破坏建筑结构并发生坍塌) ，到达危险状态时间tH 由着火到形成两种危害之一的最短时间确定， 可以方便地由目前一些通用的火灾模型进行计算得到。而人员全部疏散完毕的时间tE 由火灾探测报警时间( talarm) 、人员准备疏散时间( tresp) 和人员疏散运动时间( tmove) 三者之和确定，如下式所示:

tE = talarm + tresp + tmove (4)

降低其中任一阶段时间都有利于人员安全疏散，在实际应用中可以根据需要合理调配各分阶段所需时间，以满足合适的消防设施性能价格比要求。如通过火灾早期探测来降低探测报警时间；通过声光诱导系统来降低准备疏散时间；通过增加疏散通道的有效宽度和减少疏散距离来降低人员疏散运动时间等等。除达到保证人员安全疏散的主要目标外，还可以通过火灾早期探测和高效扑救来降低火灾损失达到保证财产安全的目标。因此本文中的新时间判据可以用下式表达:

tE tH (5)

通过这种原点一致的时间线分析方法，可以在人员疏散运动时间基本确定的条件下，直观得到达到安全目标时各个分阶段(如探测报警) 所允许的最大反应时间，从而为选择合适的火灾探测以及防排烟方案提供科学依据。本文将结合具体案例作进一步阐明。

4 某机场新航站楼的性能化防火分析

该新航站楼建筑面积约8 万平米，具有内部空间大、功能多、利用人员多且不确定的特点，超出了现行《建筑设计防火规范》的要求，因此有必要运用性能化防火分析方法，根据建筑物的结构、用途和内部可燃物等具体情况，对火灾危险性和危害性进行定性或定量的分析评估，为获得优化的防火设计方案提供依据。主要评估研究目标是保证生命安全，即发生设定的火灾时确保所有人员能够安全疏散，其次是保证财产安全，降低火灾的直接和间接损失。研究手段包括调查类比、理论分析、模拟实验研究和计算机数值模拟等等，评估的依据包括可用的国内外建筑防火规范、同类航站楼的火灾安全系统设计经验、火灾科学和火灾安全工程学的最新进展。

通过数值模拟计算发现大空间中火灾烟气层温度很低，不会导致钢结构倒塌，因此火灾的危害主要来自于烟气对人员的直接危害。由于大空间蓄烟能力很强，10MW 火灾的烟气层在30 分钟之内不会下降到危害人体的高度，而在此期间室内所有人员均可以安全疏散(利用多子空间区域模拟方法计算火灾烟气特性[7] ，利用多粒子- 自驱动模型计算人群疏散特性[8]) 。

而夹层国际通道层高为3. 5m ，烟气危险高度为2. 2m ，蓄烟能力较差，对人员疏散有一定的影响，需要深入细致的分析。根据危险源辨识结果，本文分别选取火源功率为1MW 和2MW ，分别选取烟气自然填充和机械排烟方式(排烟速率:7.5m3/ s) 进行计算。图3 (a) 是2MW 火灾时自然填充和机械排烟情况下的人员疏散和烟气特性，这里没有考虑探测报警时间和人员准备疏散时间，仅计算了人员疏散时间，然后再反推可以接受的剩余时间。在自然填充的情况下，火灾烟气层下降到危险高度大约需要110s ；在机械排烟情况下，火灾烟气层下降到危险高度大约需要160 秒。图3 (b) 是1MW 火灾时自然填充和机械排烟情况下的人员疏散和烟气特性图，也没有考虑探测报警时间和人员准备疏散

时间。在自然填充的情况下，火灾烟气层下降到危险高度大约需要140s ；在机械排烟情况下，火灾烟气层下降到危险高度大约需要340s。

考虑到该夹层国际通道为开阔的狭长空间，其人员准备疏散时间较短，并且其中的可燃物仅限于旅客行李，而且旅客也一般不在夹层逗留，因此可以通过严格的安全管理降低火灾危险性和危害性。最大人员荷载情况下的人员疏散运动时间为100s ，因此，当采用自然填充时，为确保人员安全，2MW 火灾情况下火灾探测报警与人员准备疏散时间之和必须控制在10s 之内，这对火灾探测和人员反应提出了很高的要求，从技术上难以达到；而采用机械排烟时，2MW 火灾情况下该时间之和可以放宽到60s ，这种要求一般可以实现。同时，通过加强安全管理，可以把夹层国际通道的火源功率控制在1MW 以下，这样，在自然填充和机械排烟两种情况下的火灾探测报警和人员准备疏散时间之和应该分别控制在40s 和240s 之内，这就大大提高了人员疏散的安全性。早期火灾探测与联动系统将大大有利于人员安全疏散。

5 结语

目前常用的性能化防火分析中的安全疏散时间判据存在必要而非充分条件的缺点，给判断是否真正安全带来不确定性，本文提出的时间判据具有满足充分必要条件，简单可靠，使用方便的优点，在实际应用中可以更合理地调配探测报警时间、准备疏散时间和疏散时间的比例，以达到合适的消防设施性能价格比，具有良好的应用前景。