第五节火灾场景和疏散场景设定

　　一、火灾场景确定的原则

　　在设计火灾时，应分析和确定建筑物的以下基本情况：

　　1)建筑物内的可燃物。

　　2)建筑的结构、布局。

　　3)建筑物的自救能力与外部救援力量。

　　在进行建筑物内可燃物的分析时，应着重分析以下因素：

　　1)潜在的引火源。

　　2)可燃物的种类及其燃烧性能。

　　3)可燃物的分布情况。

　　4)可燃物的火灾荷载密度。

　　在分析建筑的结构布局时，应着重考虑以下因素：

　　1)起火房间的外形尺寸和内部空间情况。

　　2)起火房间的通风口形状及分布、开启状态。

　　3)房间与相邻房间、相邻楼层及疏散通道的相互关系。

　　4)房间的围护结构构件和材料的燃烧性能、力学性能、隔热性能、毒性性能及发烟性能。

　　分析和确定建筑物在发生火灾时的自救能力与外部救援力量时，应着重考虑以下因素：

　　1)建筑物的消防供水情况和建筑物室内外的消火栓灭火系统。

　　2)建筑内部的自动喷水灭火系统和其他自动灭火系统(包括各种气体灭火系统、干粉灭火系统等)的类型与设置场所。

　　3)火灾报警系统的类型与设置场所。

　　4)消防队的技术装备、到达火场的时间和灭火控火能力。

　　5)烟气控制系统的设置情况。

　　在确定火灾发展模型时，应至少考虑下列参数：

　　1)初始可燃物对相邻可燃物的引燃特征值和蔓延过程。

　　2)多个可燃物同时燃烧时热释放速率的叠加关系。

　　3)火灾的发展时间和火灾达到轰燃所需的时间。

　　4)灭火系统和消防队对火灾发展的控制能力。

　　5)通风情况对火灾发展的影响因子。

　　6)烟气控制系统对火灾发展蔓延的影响因子。

　　7)火灾发展对建筑构件的热作用。

　　二、确定火灾场景的方法

　　确定火灾场景可采用下述方法：故障类型和影响分析、故障分析、如果一怎么办分析、相关统计数据、工程核查表、危害指数、危害和操作性研究、初步危害分析、故障树分析、事件树分析、原因后果分析和可靠性分析等。

　　事件树是风险级别评定程序中常用的一个方法，不过风险级别评定过程常常可以进行简化。在这种情形下，风险级别评定不需要事件树就能进行。然而，在不能使用简化方式的时候需要采用事件树的方法，根据构成火灾场景单一事件的发生概率，得到该火灾场景的发生概率。

　　1.事件树

　　事件树的构建代表与火灾场景相关的从着火到结束的时间事件顺序。事件树的构建始于初始的事件，例如对于所有消防安全系统的特征及所有居住者而言，与初始状态相结合的初始事件是起火。通过构建分叉和添加分支来反映每个可能发生的事件。此过程不断反复直到表现出所有可能的初始状态。

　　每个分叉是基于可能事件的发生来构建的。贯穿此树的路径代表研究的火灾场景。

　　事件树表现为火灾特征、系统及特征的状态、人员的响应、火灾最终结果和影响后果的其他方面的变化。与建筑系统和特征相关的事件实例包括：

　　1)火灾引燃的第二个物件。

　　2)火灾被门或其他障碍物阻隔。

　　3)质量下降或性能降低的系统或特征。

　　4)窗户上的玻璃破裂。

　　事故树是类似事件树的逻辑树，不过在每个分支上是一个条件或状况，而不是按时间发展的事件。

　　场景是贯穿着混合树的一条单一的路径。

　　2.发生的概率

　　采用获得的数据和推荐的工程评价方法估算每个事件发生的概率。对于有些分支，初始火灾的特征是主导因素，火灾事故数据是获得合适概率的数据源。

　　通过沿着路径直到场景的所有概率相乘来评估每个场景相关的概率。

　　3.火灾后果的考虑

　　采用获得的可靠数据和推荐的工程评价方法来估计每个场景的后果。后果应以适当的方式(如人员死伤或预期的火灾损失费用)来体现。此估计可以考虑随时间改变的影响。

　　当估算因火灾导致人员死伤的后果时，应保证使用的数据是与研究中的场景相关的。有关人员行为取决于环境的性质。

　　4.风险评定

　　按风险顺序评定程序，风险可通过后果的概率和场景的发生概率相乘进行估算。

　　5.最终的选择

　　对于每一个消防安全目标，应选用风险级别最高的火灾场景进行定量分析。所选的场景应该代表主要的累加风险，即所有场景的风险总和。

　　1)应考虑一个火灾场景对风险的重大影响，否则可能忽略一个特殊的消防安全系统或特殊的

　　设计。

　　2)在此阶段，由于一个场景产生的结果导致设计所需采用的费用相当高，而不考虑它对风险的重大影响是不恰当的。应在详细分析后再决定是否接受这个导致成本过高的特殊火灾场景的风险。

　　三、火灾场景设计

　　(一)火灾危险源辨识

　　设计火灾场景时，首先应进行火灾危险源的辨识。分析建筑物里可能面临的火灾风险主要来自哪些方面。分析可燃物的种类、火灾荷载的密度、可燃物的燃烧特征等。火灾危险源识别是开展火灾场景设计的基础环节，只有充分、全面地把握建筑物所面临的火灾风险的来源，才能完整、准确地对各类火灾风险进行分析、评判，通过采取有针对性的消防设计措施，确保将火灾风险控制在可接受的范围之内。

　　(二)火灾增长

　　火灾在点燃后其热释放速率将不断增加，热释放速率增加的快慢与可燃物的性质、数量、摆放方式、通风条件等有关。原则上，在设计火灾增长曲线时可采用以下几种方法：①可燃物实际的燃烧实验数据;②类似可燃物实际的燃烧实验数据;③根据类似的可燃物燃烧实验数据推导出的预测算法;

　　④基于物质的燃烧特性的计算方法;⑤火灾蔓延与发展数学模型。在性能化设计中，如果能够获得所分析可燃物的实际燃烧实验数据，那么采用实验数据进行火灾增长曲线的设计是最好的选择。大量实验表明，多数火灾从点燃到发展再到充分燃烧阶段，火灾中的热释放速率大体上按照时间的平方的关系增长，只是增长的速度有快有慢，因此在实际设计中人们常常采用这一种称为“t平方火”的火灾增长模型对实际火灾进行模拟。火灾的增长规律可用下面的方程描述：

　　Q=at2(4.3.1)

　　式中Q——热释放速率(kW);

　　a——火灾增长系数(kW/s2);

　　t——时间(s)。

　　“t平方火”的增长速度一般分为慢速、中速、快速、超快速四种类型，如图4-3-2所示，其火灾增长系数见表4-3-5。

　　实际火灾中，热释放速率的变化是一个非常复杂的过程，上述设计的火灾增长曲线只是与实际火灾相似，为了使得设计的火灾曲线能够反映实际火灾的特性，应作适当的保守考虑，如选择较快的增长速度或较大的热释放速率等。

　　(三)设定火灾

　　安全目标不同，确定最大火灾规模的方法也不同。火灾规模是性能化设计中的重要参数，工程上通常参考以下三种方法来综合确定火灾的规模。

　　1.喷淋启动确定火灾规模

　　对于安装自动喷水灭火系统的区域，其火灾发展通常将受到自动喷水灭火系统的控制，一般情况下自动喷水灭火系统能够在火灾的起始阶段将火扑灭，至少是将火势控制在一定强度以下。

　　假定自动喷水灭火系统启动后火势的规模将不再扩大，火源热释放速率保持在喷头启动时的水平。

　　自动喷水灭火系统控制下的火灾规模可以使用DETACT分析软件进行预测。

　　考虑到同一类型喷头之间RTI值的差异，在采用上述方法预测火灾规模时建议取最大的RTI值。例如，ESFR喷头取28(m·s)0.5，快速响应喷头取50(m·s)0.5，普通喷头取350(m·s)0.5。

　　2.相关设计规范或指南

　　有关商业建筑的火灾规模可参见表4-3-6。

　　3.根据燃烧实验数据确定

　　根据物品的实际燃烧实验数据来确定最大热释放速率是最直接和最准确的方法，一些物品的最大热释放速率可以通过一些科技文献或火灾试验数据库得到。例如，表4-3-7是NFPA928中提供的部分物品燃烧时最大热释放速率的数据，图4-3-3所示为美国国家技术与标准研究院火灾试验数据库FAST-DAT中提供的席梦思床垫的火灾试验热释放速率曲线。

　　4.根据轰然条件确定

　　轰燃是火灾从初期的增长阶段向充分发展阶段转变的一个相对短暂的过程。发生轰然时室内的大部分物品开始剧烈燃烧，可以认为此时的火灾功率(即热释放速率)达到最大值。根据英国学者托马斯(Thomas)的研究结果，室内火灾发生轰燃时的临界热释放速率的计算公式为：

　　式中Qfo——房间达到轰燃所需的临界热释放速率(kW);

　　AT——房间内扣除口后的总表面积(m2);

　　AV——开口的面积(m2);

　　HV——开口的高度(m)。

　　由于上述结果是以一个面积为16m2的房间内的火灾实验数据得出的，因此对于小房间的情况预测结果能够比较好地反映实际情况，而对于较大的房间，式(4-3-2)的计算结果可能会有较大的误差。

　　另外，一些学者通过木材和聚亚安酯实验得出轰燃时的临界热释放速率为

　　式中Qfo——房间达到轰燃所需的临界热释放速率(kW);

　　AV——开口的面积(m2);

　　HV——开口的高度(m)。

　　这里AVHV1/2称为通风因子，是分析室内火灾发展的重要参数。通风因子在一定范围内，可燃物的燃烧速率主要由进入燃烧区域的空气流量决定，这种燃烧状况称为通风控制。如果房间的开口逐渐增大，可燃物的燃烧速率对空气的依赖逐渐减弱，当开口达到一定程度后可燃物的燃烧主要由可燃物的性质决定，此时的燃烧状况称为燃料控制。对于木质纤维物质的燃烧，可用下面的条件判断燃烧的状态,即

　　式中AF——可燃物燃烧的表面积(m2)。

　　5.燃料控制型火灾的计算方法

　　对于燃料控制型火灾，即当火灾的燃烧速度由燃料的性质和数量决定时，如果知道燃料燃烧时单位面积的热释放速率，那么可以根据火灾发生时的燃烧面积乘以该燃料单位面积的热释放速率得到最大的热释放速率，表4-3-8是NFPA928中提供的部分物质单位地面面积热释放速率。如果不能确定具体的可燃物及其单位地面面积的热释放速率，也可根据建筑物的使用性质和相关的统计数据来预测火灾的规模。例如，NFPA928中建议零售商店火灾单位面积热释放速率可取为500kW/m2，办公室内火灾可取为250kW/m2。

　　四、疏散场景确定

　　疏散场景设计需要考虑影响人员安全疏散的诸多因素，特别是疏散通道的情况、人员状态(如人员密度、对建筑的熟悉程度等)、火灾烟气和人员的心理因素。根据烟气计算的火灾场景建立相应的疏散模型，并应考虑火灾烟气阻塞出口的最不利工况，计算人员安全疏散时间。

　　(一)疏散过程

　　疏散是伴随着新的冲动的产生和在行动过程中采取新的决定的一个连续过程。在某种程度上，一种简化过程的方法就是从工程学的角度将疏散过程分为三个阶段：察觉(外部刺激)、行为和反应(行为举止)、运动(行动)。

　　(二)安全疏散标准

　　如果人员疏散到安全地点所需的时间小于通过判断火场人员疏散耐受条件得出的危险来临时间，并且考虑到一定的安全余量，则可认为人员疏散是安全的，疏散设计合理;反之则认为不安全，需要改进设计。

　　疏散时间(RSET)包括疏散开始时间(tstart)和疏散行动时间(taction)两部分。疏散时间的预测公式为：

　　1.疏散开始时间(tstart)

　　疏散开始时间即从起火到开始疏散的时间，一般情况下，疏散开始时间与火灾探测系统、报警系统、起火场所、人员相对位置、疏散人员状态及状况、建筑物形状及管理状况、疏散诱导手段等因素有关。疏散开始时间可分为探测时间(td)、报警时间(ta)和人员的疏散预动时间(tpre)，即

　　其中，td是指火灾发生、发展将触发火灾探测与报警装置而发出报警信号，使人们意识到有异常情况发生，或者人员通过本身的味觉、嗅觉及视觉系统察觉到火灾征兆的时间;ta是指从探测器动作或报警开始至警报系统启动的时间;tpre是指人员从接到火灾警报之后到疏散行动开始之前的这段时间间隔，包括识别时间(trec)和反应时间(tres)，即

　　其中，trec是指从火灾报警或信号发出后到人员还未开始反应的时间。当人员接受到火灾信息并开始作出反应时，识别阶段即结束;tres是指从人员识别报警或信号并开始作出反应至开始直接朝出口方向疏散的时间。与识别阶段类似，反应阶段的时间长短也与建筑空间的环境状况有密切关系，从数秒钟到数分钟不等。

　　2.疏散行动时间(tacteon)

　　疏散行动时间即从疏散开始至疏散到安全地点的时间，它由疏散动态模拟模型得到。疏散行动时间的预测是基于建筑中人员在疏散过程中是有序进行，不发生恐慌为前提的。

　　火灾发展与人员疏散过程的关系如图4-3-5所示。

　　考虑到疏散过程中存在的某些不确定性因素(实际人员组成、人员状态等)，需要在分析中考虑一定的安全余量以进一步提高建筑物的疏散安全水平。安全余量的大小应根据工程分析中考虑的具体因素，计算模拟结果的准确程度以及参数选取是否保守，是否考虑到了足够的不利情况(如考虑在火灾区附近的疏散出口被封闭)等多方面确定。

　　(三)疏散相关参数

　　1.火灾探测时间

　　一般情况下，对于安装火灾感温探测器的区域，火灾探测时间可采用DETACT分析软件进行预测。对于安装火灾感烟探测器的区域，火灾可以通过计算各火灾场景内烟感探测器动作时间来确定。为了安全起见，也可将喷淋头动作的时间作为火灾探测时间。

　　2.疏散准备时间

　　发生火灾时，通知人们疏散的方式不同，建筑物的功能和室内环境不同，人们得到发生火灾的消息并准备疏散的时间也不同。BSDD240中提供了预测火灾确认时间的经验数据，可供分析时参考，见表4-3-9。

　　3.疏散开始时间

　　疏散开始时间的计算公式为

　　(四)人员数量

　　人员数量通常由区域的面积和该区域内的人员密度的乘积来确定。在有固定座椅的区域，则可以按照座椅数来确定人数。在业主方和设计方能够确定未来建筑内的最大容量时，则应按照该值确定疏散人数。否则，需要参考国内外相关标准，由各相关方协商确定。下面是在商业建筑人员疏散分析中经常采用的确定疏散人数的方法.

　　(五)人员行进速度

　　(六)流动系数

　　人员密度与对应的人员行进速度的乘积，即单位时间内通过单位宽度的人流数量称为流动系数(specific flow)。流动系数反映了单位宽度的通行能力。其计算公式为：

　　F=VD(4-3-11)

　　式中F——流动系数/[(人/min)/m];

　　V——人员行进速度(m/min);

　　D——人员密度(人/m2)。

　　对大多数通道来说，通道宽度是指通道的两侧墙壁之间的宽度。但是大量的火灾演练实验表明人群的流动依赖于通道的有效宽度而不是实际宽度，也就是说在人群和侧墙之间存在一个“边界层”。表4-3-9给出了典型通道的边界层厚度。在工程计算中应从实际通道宽度中减去边界层的厚度，再用得到的有效宽度进行计算。

　　(七)安全裕度

　　在疏散行动时间的计算中，有些计算模型假设疏散人员具有相同的特征，在疏散开始过程中疏散人员按既定的疏散路径有序地进行疏散，在疏散过程中人流的流量与疏散通道的宽度成正比分配，人员从每个可用的疏散出口疏散且所有人的疏散速度一致并保持不变。

　　考虑到危险来临时间和疏散行动时间分析中存在的不确定性，需要增加一个安全余量。当危险来临时间分析与疏散行动时间分析中，计算参数取为相对保守值时，安全裕度可以取小一些，否则，安全裕度应取较大值。一般情况下，安全裕度建议取为0～1倍的疏散行动时间。

　　对于商业建筑来说，由于人员类型复杂，对周围的环境和疏散路线并不都十分熟悉，所以在选择安全裕度时，取值建议不应小于0.5倍的疏散行动时间。