城中村某自建房通道障碍物对人员疏散的影响

陈溢彬 许秦坤 杜佳欣 吴 丹 诸 勇 陈荣彬

(1.西南科技大学环境与资源学院 四川绵阳 621010； 2.中国政法大学中欧法学院 北京 102249)

城中村是指在中心城区被城市包围或者在城市边缘区与城市建成区相连、全部或大部分农用地被征用、外来常住人口聚集的村庄。城中村是城市化的产物，也是大量外来人口到达城市落脚的第一站[1-2]。城中村房屋的典型特点就是楼与楼之间间隔小，称为“握手楼”。通常一楼都是作为商铺进行出租，二楼以上为租房。为了扩大房间的面积，通常楼梯都非常窄且有各式各样的杂物堆放，火灾隐患十分突出。一旦发生火灾会因疏散不利而导致烟气窒息和中毒，发生群死群伤恶性事件。目前大多数疏散研究都集中在地铁、超市、高校等场景，对安全隐患更大的城中村却很少研究。本次实验运用FDS(Fire Dynamics Simulator)对火场情况进行模拟，得出火场温度以及烟气层高度对人的影响及临界时间点，运用Pathfinder对人员疏散进行实验模拟，分析不同楼梯阻塞比对人员疏散的影响。

1 实验设置

1.1 数值模拟介绍

本文以广东某城中村为例，通过走访调查总结，使用火灾动力学模拟软件FDS计算火灾中的烟气蔓延和热传递过程,研究火灾发展过程以及烟气蔓延规律,并以此获得人员可用安全疏散时间。本次实验建筑物一楼为商铺、二楼以上为租房。如图1所示，模型尺寸为11.4 m×12.9 m×19.6 m，单层高3 m，起火楼层位于3楼(11.4 m×12.9 m×12 m)，该楼层走廊总长度为8 m，在走廊每隔1 m距离设置温度测点，每隔2 m距离设置CO测点、能见度测点，高度均为1.6 m，测点布置如图1(b)所示。Heskestad[3]指出火灾的发展过程前期遵守t2火的增长，因此本文采用t2火进行模拟，考虑最不利因素选取火源增长因子α=0.046 9 kW/s2，t2火模型公式如式(1)：

Q=αt2

(1)

式中：Q为热释放速率，kW；α为火灾增长系数，kW/s2；t为时间，s。

根据文献[4]选取火源功率为3 MW，计算得出热释放速率在253 s达到最大值，总燃烧时长900 s。为了使模拟结果更加接近真实情况，本次模拟网格采用火灾特征直径(D❋)(Characteristic fire diameter)公式[5]来计算，如式(2)，网格划分为0.1 m×0.1 m×0.1 m。

(2)

式中：D❋为火灾特征直径；g为重力加速度；Q为火源热释放速率，kW；ρ0为空气密度，kg/m3；Cp为定压比热容，kJ/kg·K；T0为环境空气温度，K。

通过Pathfinder分析人员疏散过程，Pathfinder有SFPE和Steering两种模式，前者以路径长度作为疏散选择标准，疏散人员将根据就近原则选择疏散出口，后者则采用路径规划与人员碰撞相结合制定人员疏散策略[6]，因此Steering模式更加符合现实中人员遇到火灾疏散的情况，所以采用后者进行模拟。设置人员由楼梯进行逃生，楼梯宽度为1.1 m，转角平台2.56 m2，踏步高度为0.2 m，每层楼随机分布6～8位人员，总人数24人。考虑到烟气浓度与可见度会对人员行走速度产生影响，因此将人员行走速度设置为最小0.6 m/s，最大1.8 m/s，平均行走速度为1.2 m/s。为了研究楼梯阻塞比对人员逃生的影响，分别设置了0～20% 阻塞比。考虑到一般农村自建房没有安装烟雾探测器，根据实际燃烧情况发生火灾楼层(3楼)人员意识到火灾最先疏散，其次是四楼(烟气在热浮力的作用下会向四楼扩散)，最后为2楼人员。根据文献[7]选取反应时间分别为30，35，40 s。

图1 建筑物结构图Fig.1 Building structure

2 结果与分析

2.1 火场温度

研究表明，当火灾发生时，死亡案例大部分发生在邻近的房间或更远的地方而不是起火房间之内，而且大部分死亡人员都发生在轰燃后的阶段[8]。由于人们居住的方式发生了变化，现代化的合成材料被广泛应用于家具上，阻燃成分增加，导致烟气毒性增加，高温烟气是导致人员伤亡的主要原因。烟气在火灾初期阶段的水平运行速度为0.3 m/s，轰燃前烟气扩散速度为0.5～0.8 m/s[9]。

图2为着火楼层发生火灾后50，100，150 s时的烟气蔓延情况。在发生火灾50 s后烟气撞击顶棚后开始沿着天花板向整个楼层蔓延，此时温度场、能见度对人逃生影响相对较小，属于最佳的逃生时间段。当燃烧达到100 s时，烟气生成量大于逸散量，烟气层开始下降并逐渐达到成年人的呼吸高度，同时烟气也开始向楼梯间蔓延，在温度差的作用下产生烟囱效应，向楼上蔓延。当火灾发展到150 s时，高温烟气充满整个楼层，烟气以竖向下沉为主，楼层能见度减低，对人员逃生影响非常大。

图2 不同时间段烟气蔓延情况Fig.2 Smoke spread in different time periods

霍然等[10]研究表明，人员处于65 ℃的环境中将无法呼吸，从安全角度考虑，可以把60 ℃作为温度危险临界点。有关资料表明[11]，人类不能在CO体积分数为10×10-4环境中超过30 min，故将CO体积分数为5×10-4作为临界值。能见度对火场逃生至关重要，可将能见度低于10 m的时间定义为能见度的特征时间，当火场中达到任意一种情况都可认定火灾达到危险状态。走廊通道是人员逃生的必经之路，根据所布置的测点绘制走廊通道的温度图、能见度图和CO浓度图，如图3所示。

图3 走廊通道火源热释放速率、温度、CO浓度和能见度动态图Fig.3 Dynamic graph of heat release rate, temperature, CO concentration and visibility of fire source in the corridor

根据国家卫健委2015年报告，我国成年人身高已经超过1.5 m[12]，本文根据火源楼层层高选取高度1.6 m处测点进行分析。图3(a)为整个火场的火源热释放速率，功率在接近253 s左右达到最大值3 MW，随后开始下降，到400 s左右火源功率开始趋向0，因此本文选取0～400 s进行分析。将总长为8 m的走廊通道每隔1 m位置所测的温度数据绘制图3(b)所示的温度趋势图，可以看出走廊通道温度随着时间的增加而增加。越靠近火源受热辐射影响越大，因此温度增长越快。最靠近火源位置的测点达到温度临界值的时间为100 s左右，而通道上其它地方达到临界值的时间基本相同，为139.5 s，因此可将139.5 s作为温度的临界值。图3(c)显示了总长为8 m走廊通道区域范围内CO体积分数随时间变化曲线。CO会使人产生头晕等症状，导致CO中毒。由上文可知，CO体积分数临界点为5×10-4，其达到临界值的时间为200 s。从图3(d)可以看出，由于楼层低，能见度达到临界值的时间为100 s，但不同于其他疏散研究的是，本次疏散是发生在一个熟悉的环境，且建筑物面积较小，而大多数疏散研究的是公共场所，在不熟悉建筑物布局的情况下，能见度高低对人的影响非常大。对本次人员疏散来说能见度的高低影响相对较小。后文仅研究温度、CO的临界值对人员疏散的影响。

2.2 人员疏散分析

火灾发生后对人员是否能安全疏散主要取决于两个特征时间[13-14]，即人员安全疏散可用时间Taset(Available Safe Egress Time)；二是人员疏散到安全场所所需的时间Trset(Required Safe Egress Time)。为了保证人员的安全疏散就必须满足Taset-Trset>0，并且差值越大对人员逃生越有利。Trset通常由火灾报警时间、人员响应时间和人员疏散时间组成，即Trset=td+tpre+tm。而Taset与火灾发展等因素有关，数值受火场参数影响很大，很难定量化。通过Pathfinder模拟得出不同工况Trset时间如图4所示。

图4 不同阻塞比疏散图Fig.4 Evacuation charts with different blocking ratios

图4(a)为当楼梯无阻塞比时人员疏散到安全地方所用时间Trset=132.0 s，小于Taset=139.5 s，在此情况下人员可以安全疏散。当阻塞比为5%～20%时，Trset大于Taset，在此情况下人员无法进行安全撤离，可能出现人员伤亡的情况。当阻塞比仅为5%时，与无阻塞相比Trset相差了11 s，足以看出障碍物对人员疏散影响非常大。图4(b)为楼梯拥堵情况，5种工况均有出现，拥堵现象出现在二楼楼层时间为50 s后，且阻塞比越大拥堵情况越久、滞留人数越多，说明疏散通道上障碍物对人安全疏散的影响非常大。5%～20% 阻塞比工况相比于无阻塞的工况疏散的必要时间Trset分别增加了8%，11%，13%和16%。详情如表1所示。

表1 疏散结果汇总Table 1 Summary of evacuation results

3 结论

通过对某城中村火灾过程进行模拟，再通过设置不同障碍物对人员逃生影响进行分析，得出以下结论：(1)火灾发生后的100 s左右，高温烟气就会充满整个楼层，由于楼层低，烟气层沉降快，温度、CO和能见度很快就达到临界值，人员可用于安全疏散的时间Taset仅为139.5 s。(2)当火灾发生时，对于没有消防通道的建筑物来说，楼梯就是生命通道。通过设置不同阻塞比的楼梯间作为比较研究，发现阻塞比越大，对人员疏散影响越大。当楼梯没有障碍物时，人员逃生时间Taset-Trset>0，在此情况下人员能够进行安全疏散。5%阻塞比逃生所需的Trset时间比无阻塞楼梯增加了11 s，20%阻塞比比无阻塞楼梯增加了21.5 s。由此可知，楼梯障碍物是人员逃生的主要障碍。(3)楼梯作为主要逃生通道，保证其畅通性尤为重要，很大程度上能提高建筑的疏散能力。对于一栋已经建好的并且没有预留相关配套设施的建筑来讲，按规范要求整改成本是非常高的，在现实生活中应保证楼梯间没有障碍物，定期检查以确保疏散通道畅通。相关社区也应大力宣传、定期检查，提高社区居住人员的安全意识，防止危险事件的发生。