地下綜合換乘廣場火災蔓延及煙氣流動狀態分析

彭曉航　時穎倩

（唐山市公安消防支隊，河北　唐山）

摘要：本文對某城市地下綜合換乘廣場火災危險性進行分析，運用火災動力學模擬軟件FDS（Fire Dynamics Simulator）對其性能化防火設計的防火效果進行模擬。通過對特定火災場景火災蔓延及煙氣流動的模擬計算，得出各安全出口清晰高度處的最低能見度、最高溫度、最高CO濃度及到達安全出口可用疏散時間等必要逃生條件，從而得到此設計是否能滿足防火要求。

關鍵詞：綜合換乘廣場；性能化；煙氣；FDS模擬

1　引言

隨著我國高速鐵路建設的飛速發展，火車越來越成為人們便捷出行的主要選擇。近年來新興的綜合型綜合換乘廣場，集候車室、出站口、車輛換乘、商業店面等多方設施為一整體，為集約用地、方便管理，其設計往往不能滿足目前《建筑設計防火規范》的規定，需要用性能化防火設計來滿足其防火要求。本文利用FDS火災模擬軟件，對某市新建綜合換乘廣場地下廣場建筑綜合體進行火災蔓延及煙氣流動狀態分析，判斷其性能化設計是否可滿足實際防火需求。

2　工程概況

某綜合換乘廣場地下廣場，總用地面積111078.33m²，建筑面積為259804.57m²。南北兩側為出讓用地的寫字樓、酒店、綜合商業樓和郵政樞紐樓等配套設施。

廣場中央，地面為火車站的綠化集散廣場，地下一層為商業、出租車場的綜合體，與火車站出站通道及南北地面商業相連通，地下二層為地下車庫及設備用房。與南北兩側配套設施物理隔離。綜合換乘廣場地下廣場防火分區示意圖見圖1。

3　火災特點及危險性

地下綜合換乘廣場是火車、汽車、出租車的綜合換乘空間，每天都有大量的旅客通過。一旦發生火災，易造成重大人員傷亡和財產損失，不僅直接影響到列車的正常運營，而且還會產生嚴重的不良社會影響。其火災危險性主要集中在以下幾個方面。

3.1　人員密集，疏散難度大

本建筑內人員相對密集，由于地下換乘人員不能直接到達地面，疏散距離較長，加之地下空間出入口少，通道狹窄，環境密閉，通風、照明條件差，因此疏散難度較大。

3.2　地下空間規模大，火災防治問題突出

一是散熱困難，地下空間沒有太多的窗戶，煙氣無法盡快散出，燃燒產生的熱量大部分積聚在室內，導致室內溫度上升較快。二是煙氣量大，地下空間內新鮮空氣較地上層供應不足，一旦發生火災，基本上處于低氧濃度的燃燒，不完全燃燒程度嚴重，會產生大量濃煙。三是火災撲救難度大，地下空間發生火災時，救援通道單一，消防人員無法直接觀察火災具體位置和狀況，且不能使用毒性較大滅火劑。

通過上述分析，該綜合換乘廣場地下廣場綜合體火災危險區主要在交通換乘通道及商業區。因此，本文著重分析商業區、交通換乘通道發生火災的情況。

4　性能化防火分區設計

由于建筑的特殊使用需求，采用如下方式進行防火分區的劃分：一是采用下沉廣場將地下商業分成四部分，確保每部分商業總面積小于20000m²。二是將交通換乘通道作為“臨時安全區”。交通換乘通道主要作為人員走道，無固定火災荷載，本身火災發生概率較低，該建筑公共走道自身的寬度不小于8m，其內部任意點到最近安全出口不大于60m，并且設置自動噴水滅火系統，從而使交通換乘通道作為一個較安全的人員疏散過渡區域，形成“臨時安全區”。三是商業店鋪形成“防火單元”。采用防火玻璃或受噴淋保護鋼化玻璃系統將店鋪與公共區域之間分隔開，同時店鋪內部設置火災報警、自動噴水滅火和機械排煙系統，若干個同側相連的店鋪與其他店鋪之間用防火墻分隔開，形成相互獨立的“防火單元”。

通過以上途徑，使得商業部分按照2000m²設置防火分區，出租車場按照4000m²設置防火分區，其他部分按照1000m²設置。

5　火災蔓延及煙氣流動分析及判斷標準

5.1　火災蔓延及煙氣流動分析

火災的蔓延方式有火焰接觸、延燒、熱傳導、熱輻射等。當可燃物為離散布置時，熱輻射是一種促使火災在室內及建筑物間蔓延的重要形式。當火災煙氣達到足夠的溫度時，其產生的熱輻射強度將會引燃周圍可燃物，從而導致火災的蔓延。本文通過FDS模擬計算得到火源所在防火區域之外的其他防火區域的煙氣層最高溫度。如果煙氣層溫度高于設定的極限溫度，則認為火災將通過熱輻射在防火區域間進行蔓延；如果煙氣層溫度小于設定的極限溫度，可認為火災不會通過熱輻射在防火區域間進行蔓延。

5.2　判定標準

根據相關試驗，可燃物品被引燃所需的最小熱流為10kW/m²。火災的輻射熱為10kW/m²時，約相當于煙氣層的溫度達到360～400℃時的狀態。因此本文將360℃作為火災在防火區域間蔓延的極限溫度，即煙氣層溫度大于該值時，火災將通過熱輻射在防火區域間進行蔓延；當煙氣層溫度小于該值時，可認為火災不會通過熱輻射的方式在防火區域間蔓延。本文提出如下判定標準。

（1）著火區域內的頂棚煙氣溫度小于600℃，地面熱輻射熱通量小于20kW/m²。

（2）著火區域以外區域內的可燃物所接受的熱輻射小于10kW/m²，煙氣溫度小于360～400℃。

6　人員安全疏散判斷標準

人員安全疏散過程的安全性分析通過模擬計算確定。具體分析過程是：首先分析需要評估的建筑物火災危險性，并根據評估的火災危險性設定相應的火災場景和疏散場景；然后利用模擬軟件對不同火災場景下的火災蔓延及煙氣擴散過程進行模擬計算，得到可用安全疏散時間T_ASET；利用疏散模擬軟件對疏散場景下的人員疏散過程進行模擬，得到必要的安全疏散時間T_RSET；最后判斷T_ASET>T_RSET是否成立。若T_ASET>T_RSET成立，則可以認為在該火災場景下，人員可以安全疏散，場所的設計的安全的。通常認為在模擬計算過程中影響人員安全疏散的主要性能參數包括煙氣層高度、對流熱、熱輻射、能見度、煙氣毒害性等方面。

本文對所有安全出口處以上參數進行分析，危險狀況的性能判據設定如下：

（1）煙氣層距離人員活動地板高度2.3m以下的溫度不應超過60℃。

（2）煙氣距離人員活動地面高度2.3m以下的能見度不小于10.0m。

（3）煙氣距離人員活動地面高度2.3m以下的CO濃度不大于500ppm。

7　火災場景分析

7.1　火災荷載分析

火災荷載是建筑物內所有可燃物燃燒釋放出的總熱值，空間內的火災荷載越大，其火災危險性和危害性越大。本建筑火災荷載主要在集散通道和兩側商鋪、餐廳較為集中。交通換乘通道內的可燃物除信息提示屏幕、指示牌、廣告牌等固定可燃物外，最主要的可燃物是旅客隨身攜帶的行李，商業店鋪的主要可燃物為商鋪內出售的商品，餐廳主要可燃物為桌椅。

7.2　火源位置分析

火源位置是設定火災場景中的重要參數，在設定火災場景時，一般可根據建筑的幾何特征和火災危險性分析結果來設置。在選取發生火災的位置時，主要考慮某處發生火災后，可能對人員的疏散造成最不利影響的情況。基于對本建筑內可燃物分布的分析，本文共設置了5處火源位置。

火源位置A：火災發生在換乘大廳北側通道附近某餐飲店內，可燃物為餐飲桌椅，見圖2。

火源位置B：火災發生在換乘大廳中部通道內，可燃物為旅客行李，見圖2。

火源位置C：火災發生在換乘大廳南側通道附近某餐廳內，可燃物為座椅，見圖2。

火源位置D：火災發生在換乘大廳北側通道附近某商場內，可燃物為服裝等商品，見圖2。

火源位置E：火災發生在換乘大廳中部通道附近某商場內，可燃物為服裝等商品，見圖2。

7.3　火災增長速率分析

大多數民用建筑火災在沒有可燃液體和可燃氣體參與，而以纖維類火災為主要特征時，其初期增長速率都較緩慢。當火災增長到一定規模后，增長速率將加速。火災的熱釋放速率與火災發展時間關系可用（公式1）表示：

　　 （1） 　　

式中，為火源熱釋放速率，kW；α為火災增長系數，kW/s²；t為火災的燃燒時間，s；t₀為火災的陰燃時間，s。

在工程應用中，由于火災陰燃階段對火災蔓延影響較小，通常可不考慮火災達到有效燃燒需要的時間，僅研究火災開始有效燃燒后的情況，故取t₀=0。因此火災熱釋放速率隨時間的變化關系可以簡化為：

　　 （2） 　　

對于t²火災的類型，國際標準ISO/TS 16733根據火災增長系數α的值定義了4種標準t²火災：慢速火、中速火、快速火和超快速火，它們分別在600s、300s、150s、75s時刻可達到1MW的火災規模，具體參數見表1。

本文根據公安部天津消防研究所關于商鋪火災、行李火災的實驗研究，將商鋪火災設定火災初期按t²快速火增長，火災增長系數為α=0.04689；將行李火災設置為按t²中速火發展，其火災增長系數α=0.01172kW/s²，根據美國NIST、加拿大NRC（National Research Council）和IRC（Institute for Research in Construction）關于桌椅火災的實驗結果，將餐飲火災設定為按t²快速火發展，其火災增長系數α=0.04689kW/s²。

7.4　火災最大熱釋放速率分析

火災的最大熱釋放速率與起火區的火災荷載以及起火后的消防控制措施有關。本建筑各功能區域均設有自動噴水滅火系統。當自動噴水滅火系統維護管理良好時，其區域內的火災可按受到自動噴水滅火系統控制的火災考慮。通常可設定：當自動噴水滅火系統啟動一定時間以后，火災熱釋放速率將不再增加，并在維持一定的時間后逐漸衰減。

通過參考相關文獻，設定三種火災最大熱釋放速率如下。

（1）商鋪火災：Q=0.047（t-t₀）²，自動滅火系統有效時，在142s火災達到最大熱釋放速率1.5MW；自動滅火系統失效時，在505s火災達到最大熱釋放速率12.0MW。

（2）行李火災：Q=0.012（t-t₀）²，自動滅火系統有效時，在268s火災達到最大熱釋放速率1.3MW；自動滅火系統失效時，在600s火災達到最大熱釋放速率4.3MW。

（3）餐飲店火災：Q=0.047（t-t₀）²，自動滅火系統有效時，在142s火災達到最大熱釋放速率1.5MW；自動滅火系統失效時，在531s火災達到最大熱釋放速率13.2MW。

7.5　火災場景設定

根據前文分析結果，將火災場景設置如表2。

7.6　FDS模型建立

由于FDS在建模時，只能建立矩形模型。因此，對于本建筑的弧形中庭等圓弧模型，本文采用了以折線代替弧線的處理方式。圖3、圖4為模型效果圖。

初始條件

（1）建筑模型：以建筑實際尺寸建模。

（2）環境條件：環境初始溫度24℃，初始風速0m/s。

（3）壁面邊界條件：絕熱。

（4）排煙系統：和火災報警系統聯動啟動。

（5）燃料類型：復合材料。

（6）模擬時間：1800s。

8　模擬結果分析

通過FDS模擬計算，得到各安全出口附近清晰高度處各項參數的極限值如表3所示。

9　結論

通過對設定火災場景下火災煙氣運動的模擬分析，可得到如下結論。

（1）北部通道和南部通道附近的商場廳發生火災時，不論滅火系統是否有效，大部分煙氣將通過下沉廣場排出室外，可將煙氣控制在局部區域。

（2）中部通道發生火災時，在排煙系統有效動作的情況下，不論滅火系統是否有效，大部分煙氣將通過自然排煙口排出室外，可將煙氣控制在局部區域，在排煙系統失效的情況下，中部通道內會充滿煙氣，會影響人員安全疏散。

綜上所述，針對該綜合換乘廣場地下廣場綜合體所確定的排煙設計方案可行。

參考文獻

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