火灾场景计算分析及结果运用

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• 特别的忐忑
  根据计算结果确定或者和修改完善设计，对于上述火灾场景下能否达到设定的设计目标进行分析评价。若设计不能满足设定的消防安全目标或低于规范规定的性能水平，则需要对其进行修改与完善，并重新进行评估直至其满足设定的消防安全目标为止。
  一、用于分析计算结果的判定指标
  (一)人员生命安全判定准则
  火灾对人员的危害主要来源于火灾产生的烟气，主要表现在烟气的热作用和毒性方面，另外对于疏散而言烟气的能见度也是一个重要的影响因素。所以在分析火灾对疏散的影响时，一般从温度、毒性气体的浓度、能见度等方面进行讨论。通常情况下人员疏散安全判据指标如下表4-3-6-1所示：
  表4-3-6-1 人员疏散安全判据指标
  项 目 人体可耐受的极限
  能见度 当热烟层降到2m下时，对于大空间其能见度临界指标为10m
  使用者在烟气中疏散的温度 2m以上空间内的烟气平均温度不大于180℃;当热烟层降到2.0m下时，持续30分钟的临界温度为60℃
  烟气的毒性 一般认为在可接受的能见度的范围内，毒性都很低，不会对人员疏散造成影响(一般CO判定指标为2500ppm)。
  注：表中指标来源于2006年12月《中国消防手册》第三卷P726.
  (二)防止火灾蔓延扩大判定准则
  为减少火灾时财产损失和降低对工作运营的影响，消防设计主要是通过采用一系列消防安全措施控制火灾的大面积蔓延扩大来实现的。造成火灾蔓延的因素很多，如飞火、热对流、热辐射等。对于相邻建筑物之间的火灾蔓延，防火设计规范通过要求一定的防火间距来进行控制，而对于同一防火分区内的火灾蔓延则没有明确的规定。在性能化的分析中，不论是同一防火分区内的火灾蔓延，还是相邻建筑物之间的火灾蔓延，都是在一定的设定火灾规模下通过控制可燃物间距，或在一定间距条件下控制火灾的规模等方式来防止火灾的蔓延。性能化分析中通常采用辐射热分析方法，来分析火灾蔓延情况。
  火灾发生时，火源对周围将产生热辐射和热对流，火源周围的可燃物在热辐射和热对流的作用下温度会逐渐升高，当达到其点燃温度时可能会发生燃烧，导致火灾的蔓延。
  根据澳大利亚建筑规范协会出版的《防火安全工程指南》提供的资料，在火灾通过辐射蔓延的设计中，当被引燃物是很薄很轻的窗帘、松散地堆放的报纸等非常容易被点燃的物品时临界辐射强度可取10kW/m2;当被引燃物是带软垫的家具等一般物品时临界辐射强度可取20kW/m2;对于5cm或更厚的木板等很难被引燃的物品临界辐射强度可取40kW/m2.如果不能确定可燃物的性质，为了保守起见临界辐射强度取10kW/ m2.
  (三)钢结构防火保护判定准则
  火灾下钢结构破坏判定准则可分为构件和结构两个层次，分别对应局部构件破坏和整体结构破坏。一般来说，其判定准则有下列三种形式：
  (1)在规定的结构耐火极限时间内，结构或构件的承载力Rd应不小于各种作用所产生的组合效应Sm，即
  Rd≥Sm (4-3-6-1)
  (2)在各种作用效应组合下，结构或构件的耐火时间td应不小于规定的结构或构件的耐火极限tm，即
  td≥tm (4-3-6-2)
  (3)火灾下，结构极限状态时的临界温度Td应不小于在规定的耐火时间内结构所经历的最高温度Tm，即
  Td≥Tm (4-3-6-3)
  上述三个要求本质上是等效的，进行结构抗火设计时，满足其一即可。
  如采用临界温度法验证钢结构防火安全性，判定指标可采用日本耐火安全检证法提供的临界温度指标，即Td =325℃。
  二、计算结果分析
  (一)烟气模拟分析
  烟气模拟分析需要首先在软件中输入计算参数，一般火灾模拟需要输入的参数包括：
  ①模型场景物理模型;
  ②边界条件;
  ③定义火源;
  ④定义消防系统。
  烟气模拟分析可以得到烟气运动规律和模拟空间的环境参数指标，经常用到的参数包括：
  ①烟气的温度;
  ②烟气的能见度;
  ③烟气的毒性;
  ④气体流速;
  ⑤辐射强度。
  (二)疏散模拟分析
  疏散模拟分析需要首先在软件中输入计算参数，一般疏散模拟需要输入的参数包括：
  ①人员疏散空间模型;
  ②人员特性;
  ③流出系数;
  ④边界层宽度。
  人员疏散分析可以得到人员疏散的状态，可得到的结果包括：
  ①人员疏散行动时间;
  ②最小行走路径;
  ③疏散出口拥堵情况;
  ④出口利用的有效性。
  三、计算结果应用
  计算结果可以用于判定所设置的安全目标是否可以实现，如下以人员安全疏散为例进行说明。
  保证人员安全疏散是建筑防火设计中的一个重要的安全目标，人员安全疏散即建筑物内发生火灾时整个建筑系统(包括消防系统)能够为建筑中的所有人员提供足够的时间疏散到安全的地点，整个疏散过程中不应受到火灾的危害。
  建筑的使用者撤离到安全地带所花的时间(RSET)小于火势发展到超出人体耐受极限的时间(ASET)，则表明达到人员生命安全的要求。即保证安全疏散的判定准则为：
  RSET + Ts < ASET (4-3-6-4)
  其中：
  RSET—疏散所需要的时间;
  ASET—开始出现人体不可忍受情况的时间，也称可用疏散时间或危险来临时间;
  Ts—安全裕度。
  式中，疏散所需时间RSET(或以tescape表示)，即建筑中人员从疏散开始至全部人员疏散到安全区域所需要的时间，疏散过程大致可分为感知火灾、疏散行动准备、疏散行动机到达安全区域等几个阶段。
  危险到来时间ASET(或以trisk表示)，即疏散人员开始出现生理或心理不可忍受情况的时间，一般情况下，火灾烟气是影响人员疏散的最主要因素，常常以烟气降下一定高度或浓度超标的时间作为危险来临时间。
  安全裕度Ts，即防火设计为疏散人员所提供的安全余量。
  火灾时人员疏散过程与火在发展过程的关系可用图4-3-6-1来表示。在人员疏散时间与火势蔓延时间之间引入安全系数，以解决在发生火情可能出现的不确定性问题。
  根据计算结果确定或者和修改完善设计，对于上述火灾场景下能否达到设定的设计目标进行分析评价。若设计不能满足设定的消防安全目标或低于规范规定的性能水平，则需要对其进行修改与完善，并重新进行评估直至其满足设定的消防安全目标为止。否则，该试设计应被淘汰。
  如对某一地下机械停车库应用案例进行分析。
  (一)烟气流动模拟分析
  停车库采取机械排烟方式。车库内不划分防烟分区。机械排烟量按6次换气/h确定并考虑1.5倍的安全余量，所需机械排烟量不应小于7.5×104m3/h.采取机械补风方式，低位补风，机械补风量不应小于排烟量的1/2.
  为验证上述排烟方案能否满足所有火灾情况下排烟要求，报告利用火灾动力学软件pyrosim2012对地下机械停车库防排烟效果进行模拟，给出验证结果和模拟结论，建立模型 如下。
  三维视图 三维视图
  小汽车 小客车
  图4-3-6-1 某地下机械停车库整体模型
  考虑位于地下六层小汽车火灾，考虑自动灭火系统有效，排烟系统有效，设计最大热释放速率1.5MW，快速t平方火，模拟时段为1200s.
  1.烟气流动
  T=1200s(烟气) T=1200s(喷淋)
  图4-3-6-2 烟气流动
  2.CO浓度
  距B6层地面2.1m高度(1200s) 距B5层地面2.1m高度(1200s)
  距B4层地面2.1m高度(1200s) 距B3层地面2.1m高度(1200s)
  距B2层地面2.1m高度(1200s) 距B1层地面2.1m高度(1200s)
  图4-3-6-3 CO浓度分布(距B6层地面2.1m高度)
  3.温度分布
  距B6层地面2.1m高度(1200s) 距B5层地面2.1m高度(1200s)
  距B4层地面2.1m高度(1200s) 距B3层地面2.1m高度(1200s)
  距B2层地面2.1m高度(1200s) 距B1层地面2.1m高度(1200s)
  图4-3-6-4 温度分布(距B6层地面2.1m高度)
  4.能见度分布
  距B6层地面2.1m高度(1200s) 距B5层地面2.1m高度(1200s)
  距B4层地面2.1m高度(1200s) 距B3层地面2.1m高度(1200s)
  距B2层地面2.1m高度(1200s) 距B1层地面2.1m高度(1200s)
  图4-3-6-5 能见度分布(距B6层地面2.1m高度)
  5.模拟结果总结
  模拟结果表明，排烟方案至少在271s为B1层人员安全疏散提供保证，至少在308s为B2层人员安全疏散提供保证，至少在357s为B3层人员安全疏散提供保证，至少在517s为B4层人员安全疏散提供保证，至少在638s为B5层人员安全疏散提供保证，至少在960s为B6层人员安全疏散提供保证。
  (二)人员疏散模拟分析
  该机械车库设置2部楼梯，可用总疏散宽度为1.8m.
  疏散人数按检修测试状态考虑，保守设置每层2人，共12人。
  对于发生火灾的封闭房间，则可采用《日本避难安全检证法》提供的房间疏散开始时间量化计算方法，其计算方法如公式所示。
  (4-3-6-5)
  Afloor为建筑面积，本工程单层房间面积493 m2，计算得到疏散开始时间45s，考虑一定安全系数，取60s.
  利用Pathfinder软件模拟疏散行动时间。
  T=10s T=20s
  T=30s T=40s
  T=50s T=60s
  图4-3-6-6 各时刻人员疏散状态
  对B1层至B6层进行人员疏散整体模拟分析，可以看出：人员通过LT1，LT2向上疏散至室外安全区，人员全部疏散至安全区域所需行动时间为62s.各楼层疏散行动时间如下表所示。
  表4-3-6-2 B1层至B6层各区域人员疏散行动时间
  疏散场景 楼层 人数(人) 行动时间
  整体疏散 B6层 2 12
  B5层 2 17
  B4层 2 15
  B3层 2 20
  B2层 2 7
  B1层 2 16
  完成全部疏散 12 62
  各区域人员疏散安全判断汇总见下表。
  表4-3-6-3 人员疏散安全性判断表
  区域 RSET(s) ASET(s) 是否满足
  疏散条件
  B6层 78 960 是
  B5层 86 638 是
  B4层 83 517 是
  B3层 90 357 是
  B2层 71 308 是
  B1层 84 271 是