航站樓性能化防火設計中的PyroSim與Pathfinder的應用

關鍵詞：PyroSim中文網、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， 結合實際情況和航站樓模擬普遍性原則， 使用 SketchUp 來構建一個簡化的航站樓模型用于火災仿真模擬， 其構建效果如圖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” 的結構， 四壁采用鋼結構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 上構造完成后， 將模型導出為 DXF 格式三維模型文件導入基于 FDS 的消防模擬軟件 PyroSim， 對航站樓進行火災仿真模擬分析。 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中央大廳一側的防火分區進行針對性的火災模擬， 設置相關探測裝置。 該防火分區長 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 火災煙氣仿真模擬

2. 1 火災場景預設

設起火原因是模擬區域中部的書店一木質書架和書籍起火， 引燃周圍物品， 產生了大量的濃煙， 則火源熱釋放速率與時間的指數增長值呈正相關。 根據原則， 這里要求除起火書店以外其他的功能建筑均為關閉的狀態， 以利于煙氣的累積。參照建筑防火規范， 設定火災模擬的初始條件。 環境初始溫度為 20℃， 初始相對濕度為 50%， 防火分區大氣壓為101. 3 kpa， 風速 0 m/s。 結合現有研究成果， 設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， 因此火災增長類型為快速火， 火災增長系數α為 0. 047 kW/s， 則可計算出火災荷載時間， 即 T load ＝Rα＝30000. 047 ＝253 s。

2. 2 火災模擬結果分析

在進行多次測試后， 對模擬網格密度和模擬時間進行修正優化， 將模擬運行時間定為 1200 s。 通過 Smokeview 三維動畫演示可以看出，在防火分區內的書店起火后，易燃物燃燒產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的候機區域， 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的候機區域。

2. 2. 1 煙氣層高度變化分析

火災事故中人員的死亡往往是由煙氣造成的。 根據公式：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 為對人構成危險的臨界高度。設人眼高度為 1. 7 m， 則通過上公式可知該防火分區發生火災時， 煙氣層對人構成危險的臨界高度為 2. 4 m。 當煙氣層的高度下降到 2. 4 m 時， 對人員構成危險。 如圖 3、 圖4 為起火點兩側在整個模擬過程中煙氣層的下降高度圖。

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

2. 2. 2 熱輻射與溫度的關系

在模擬過程中， 監測點和溫度切片數據反映出模擬區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。 通過對比設在距離起火點兩側 152 m 處的溫度探測點收集的數據發現，各安全出口和主要疏散通道區域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

判定候機廳火災人員疏散的安全性， 主要依據劃定的防火分區內全數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， 是指從火災發生到人員全部安全疏散到另一區域的時間； 可用疏散時間 ASET，是指從起火到整個環境狀況已經不能滿足人員安全疏散的時間。根據建筑物內人員消防疏散計算模型， 疏散成功的判定標準為 RSET＜ASET。

3. 2 安全疏散場景設置

基于航站樓的結構功能和布局特點， 結合大多數旅客對航站樓環境陌生， 火災發生后不易疏散和易發生煙氣聚集使人視野受阻、 窒息等不利情況， 為有效模擬出發生火災時不利情況， 設定如下模擬：

圖6.防火分區Pathfinder模擬疏散模型

①結合該機場日常人流量情況， 設定發生火災時該模擬區域人員有 5000 名， 人員密度為 0. 313 per/m2 ；

②人員結構復雜， 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根據民用航空機場相關管理規定， 登機口沒有航班靠泊時， 應予以關閉， 避免無關人員未經許可由廊橋進入機場飛行區。 設定登機口在火災模擬期間， 關閉 18 個登機口中的 10 個。

④人員運動模式設定為 SFPE 模式。

⑤火災發生后， 人員反應時間為 60 s，即 T start ＝60 s。

3. 3 安全疏散模擬分析

對相關參數進行設定后， 人員疏散模擬通過 PyroSim 的配套軟件——Pathfinder 來實現。 這是一款基于人員進出和運動的仿真模擬軟件。 它可以計算預設在模擬區域內的每個人員的獨立運動， 并給予了一套獨立的參數， 同時通過三維動畫展現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據：

3. 4 疏散能見度分析

人員在緊急情況下容易產生驚慌和失去理智，在候機區內眾多的功能建筑阻礙下，以及部分可用出口離人員當前位置較遠，決定 24 m 作為判斷能否安全疏散的標準。根據切片分析結果，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。然而，候機廳縱向長度很大，遠疏散距離可達 420 m，發生火災時，一旦視野不開闊，人員易朝近出口聚集，造成擁擠現象（如圖 7）。

4 、疏散優化建議

4. 1 合理劃分室內建筑布局

根據模擬結果能夠看出，室內建筑布局結構往往會對人員疏散的速度產生很大影響。當室內建筑物布置過多或過于集中，通道設置不合理，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，注重功能建筑設置的科學性。對重點防火單位，如書店和服飾店， 應盡量保證不能將其挨在一起設置，避免起火時火勢容易迅速蔓延的情況發生。

4. 2 重視登機口疏散功能

候機區域四周一般均為寬闊的機坪，它們之間通過登機口連接，當候機區域發生火災時，人員撤離火災區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人員無法正常通行（圖 8）。而在發生火災時，如果沒有良好的疏散預案和聯動設施，可能會出現大量登機口處于鎖閉狀態無法承擔起人員疏散的功能，嚴重影響人員疏散效率，威脅人員生命財產安全。 建議登機口完善技術設置，使得在候機區域發生火災后，消防系統啟動的時候，同步解鎖關閉的登機口，讓人員迅速通過近的登機口撤離到安全區域。

4. 3 完善候機區域應急處置方案， 加強日常消防安全管理對候機樓的安全疏散標志， 特別是對地面設置發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，方便在火災濃煙中被困人員能循著這些標志快速逃生。 加強對設備、 電纜的定期檢修、 檢查， 避免火災的發生。 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。重視應急預案的編制和演練， 保證在各種應急狀態下人員能夠以較短的時間離開危險區域。 減少航站樓內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， 值機柜臺等設施也要采用不易燃燒材料制造， 避免發生火災時出現火燒連營的情況。