性能化防火设计在大型建筑物中的应用研究外文翻译资料

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性能化防火设计在大型建筑物中的应用研究

摘要:本文利用火灾模拟软件FDS（Fire Dynamics Simulator）和疏散软件Building EXODUS，通过计算机对某体育馆进行定量模拟，得到了安全疏散时间（ASET）与必需安全疏散时间（RSET）的差值。根据模拟结果，结合现有的“办公模式”即消防设计规范，对体育馆的性能化防火设计进行了研究。最后，对体育馆的消防设计进行了评估。

关键词:建筑物；FDS火灾模拟；Building EXODUS疏散模拟；性能化防火设计

1. 引言

火灾在各种灾害中发生最频繁并且是破坏性灾难之一。其直接经济损失是地震的五倍，仅次于旱涝灾害，但在所有灾害发生频率中位居首位。

目前，我国建筑消防设计是基于相关标准的，这种设计被称为规范性设计或“办公模式”防火设计。该规范被称为“办公模式”消防规范。这是人类与火抗争的宝贵经验的结晶，对建筑消防安全保障起到了很好的作用，同时也存在着一些问题和不合理之处。随着新建筑的出现，尽管在设计规范中使用了特定的规范，但在实际的建筑设计中经常会遇到不符合实际需求的标准规范。在不同的设计规范中，经常会出现标准条款无法相互协调的情况，从而导致建筑成本增加。

性能化设计方法是一种基于消防安全工程的新型消防设计方法，它根据建筑物的结构、功能和内部可燃物等具体情况，运用消防安全工程的原理和方法，对火灾的危险性和危害性进行定量预测和评估,以获得最佳的设计决策并为建筑物提供最合理的防火保护。

1. 研究对象和仿真软件
2. 研究对象

本文的研究对象是常州的某大型体育馆。体育馆的建筑面积为18155平方米，高度为23.95米，主体结构为框架结构，屋顶为大跨度钢结构，局部结构为混凝土结构。建筑工程设计等级为中等，结构的使用寿命为50年，属于乙级中型体育馆。该建筑包括东西两个大厅，分别是主大厅（篮球场）和训练馆。体育馆地上四层，耐火等级为二级；地下一层，耐火等级为一级。主厅可容纳4998名观众，展厅面积为3300平方米。体育馆的施工效果图如图1所示。

1. 仿真软件

图1 常州大学体育馆建筑效果鸟瞰图

FDS（Fire Dynamics Simulator）是美国国家建筑局火灾研究实验室开发的一种基于现场模拟的火灾模拟软件，在消防安全工程领域有着广泛的应用。本文的火灾模拟首先使用PyroSim 2010软件构建模型，然后使用FDS 5.0软件进行计算，最后通过SMV（Smokeview）进行3D演示。Building EXODUS结合了社会因素，包括每个员工的属性和社会学特征，如年龄、姓名、性别、步行速度和死亡等，大约22个参数。

本文研究了安全疏散所需的最长时间与达到危险状态的时间之间的差异，并改进了现有的消防设计，以使安全疏散所需的最长时间少于达到危险状态的时间。

1. 建筑火灾模拟
2. 构建模型

由于FDS只用于长方体的建模和计算，而体育馆新颖独特，且处处流线型，所以体育馆的几何模型只近似于真实结构，建立了几何模型（见图2）。

图2 体育馆篮球场的FDS几何模型

1. 火灾现场设置

本文主要模拟体育馆馆内无烟情况下火灾烟气的扩散，燃烧热释放速率峰值符合国际标准组织ISO3795，如表1所示：

表1 FDS仿真的特定火灾场景设置

1. 仿真结果与分析
   1. Smokeview演示的烟气和温度变化

图3和图4分别显示了火灾发生600s后体育馆内的烟气扩散和温度分布。

图3 火灾发生600秒后烟气扩散

图4 火灾发生600秒后体育馆内的温度分布

从Smokeview演示的烟气和温度变化可以直观地看出烟气扩散和温度分布随时间而变化。

• 1. 烟层高度，二氧化碳浓度，能见度模拟结果

图5-图8分别为探测位置烟层高度探测结果图、二氧化碳浓度曲线、能见度变化曲线。

图7 三楼礼堂二氧化碳浓度模拟结果

图6 二楼礼堂烟层高度模拟结果

图5 三楼礼堂烟层高度模拟结果

图8 三楼礼堂能见度模拟结果

根据所有的模拟结果图，并与疏散人员身高的数值和地板定位高度的数值进行比较，得到了t_R1、t_R2、t_R3三种情况下各层人员达到危险状态的时间，具体结果见表2。

• • 1. 其他影响因素的模拟结果

图9至图12为不同高度感测点的烟气浓度曲线。横坐标表示时间，在图中为秒；纵坐标表示烟气浓度，具体结果如下图所示：

图9 烟气浓度模拟结果

从曲线可以看出，烟气浓度在开始时保持稳定，之后随着时间的推移，烟气浓度波动，整体平稳上升，表现为烟气浓度、火源放热率、温度和氧浓度。场馆内的温度变化规律与烟雾高度变化规律一致，四楼900s时温度仅在40℃以内，因此温度对体育馆内人员疏散影响不大。氧浓度和二氧化碳浓度对体育馆内人员疏散无影响。

图12 四楼礼堂氧变化曲线

图11 四楼礼堂温度变化曲线

图10 11.5米高处火源放热率曲线

1. 模拟结论

（1）火灾发展到人们所能忍受的极限时间（TASTE），如表2所示。

表2 人体达到耐受极限时间

（2）篮球场相对宽敞，因此，人们可以研究到的最高点是四楼的观众席，那里的温度900s时在40摄氏度以内，下面几层的人群几乎不受影响，所以，温度对体育馆内人员疏散影响不大。同时，从图中可以看出，氧浓度和二氧化碳浓度对体育馆内人员疏散的影响也很小。

1. 疏散模拟
   1. 构建模型

首先使用CAD创建布局计划；它仅考虑紧急出口，例如墙壁、门、窗户、走廊和楼梯。然后将其导入Building EXODUS软件。在定义光栅、连接节点、添加出口、添加人群和设置逃生场景后，完成模型的构建。逃生者总数为3000人，大多数观众位于篮球场的观众区域，人员属性根据国家标准确定。构建模型的体育馆第二层布局图如图13所示。它可以检查Building EXODUS中每一层的人员密度和人员逃生路线，第二层的人员逃生路线如图14所示。

图13 Building EXODUS中第二层布局

图14 模型第二层人员逃生路线

• 1. 仿真结果与分析

图15为全员疏散模拟结果曲线。它描述了19号门的人员逃生情况（模型中的门数，下同）。

图15 所有人员疏散结果随逃生时间的变化

由图15可以看出，人员疏散结果形成典型的s曲线，因此，本次模拟基本模拟了火灾发生时的人员逃生情况。19号门的人员疏散曲线也是s型，说明火灾发生后前300秒为正常疏散，300秒后在门口出现人员拥挤现象，因此人员疏散率降低。其他门的人员逃生曲线为J型，说明大部分门疏散正常，没有出现拥挤现象。

Building EXODUS可输出每个逃生人员的数据和每个安全出口的人员逃生情况，表3列出了17号门、19号门和22号门的人员逃生情况。

图16 19号门人员逃生情况随逃生时间的变化

表3 部分门的使用信息

• 1. 仿真结论

通过综合仿真信息可以得出以下结论：

（1）这是整个被困人群在每一层楼逃生所需的时间（见表4）。

表4 逃生者需要的最长时间

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