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防火屏障对建筑火灾风险的影响——以CUrisk为例
摘 要
CUrisk作为一种综合的火灾风险分析模型，在过去的十年中得到了积极的发展。最近，CUrisk系统结构中集成了屏障失效子模型和火灾蔓延子模型。CUrisk可以通过火灾蔓延子模型提供屏障失效后的火灾蔓延结果数据。本文以一幢六层轻框架结构公寓楼为例，进行火灾风险分析，旨在展示CUrisk的性能，特别是墙体屏障对建筑火灾风险的影响。该公寓楼有18种不同的墙体屏障设计，都是轻型框架组件，但配置不同。在火灾发生的公寓内，这些墙体屏障在未扑灭的火灾作用下有不同的失效时间，从而导致火灾蔓延到相邻的隔间有不同时间。在火灾未扑灭时，火势在60分钟内蔓延的图形显示出了良好的防护模式和防火屏障在控制火灾中的重要作用。此外，本文还讨论了隔墙设计对居民风险的影响。结果表明，采用较好的防火屏障设计的建筑可以降低居住人员的死亡，并对其进行了定量描述。
关键词: 火灾风险评估;阻碍失败;火势蔓延;生命风险;人员疏散
1.介绍
基于性能的防火安全设计理念被许多国家所接受和实践，使得在严格的规范环境下不可能建造的建筑成为可能。为了便于这项工作，我们建立了一些综合的火灾风险评估模型，其中包括加拿大的热火灾应急预案[1]和FIERAsystem[2]，澳大利亚的CESARE-Risk[3]，英国的CRISP[4]和新西兰的B-RISK[5]。这些模型的建立是为了模拟火灾事件的各个方面，如火灾的增长、烟气运动和人员疏散，并试图从火灾风险评估的角度来解释这些方面之间的动态相互作用。事实上，这种方法比FDS[6]等单功能模型或疏散模型有优势，后者只能模拟烟雾的扩散或疏散，而忽略了两者之间的动态交互。上述综合火灾风险分析模型都有子模型，可以利用一到两个区域模型，预测建筑物火灾起源地和烟气条件下的火灾发展。他们也有疏散模型来评估火灾下的人员安全。其中大部分都有一个经济损失子模型来计算火灾损失。然而，对于障碍物破坏和火灾蔓延的计算，没有一个模型有令人满意的解决方案。它们要么使用非常简单的方法或工程判断，要么依赖于不太适合其系统结构的外部模型的结果。CUrisk[7]是加拿大卡尔顿大学开发的综合火灾风险分析模型。它可以根据建筑物的特点和现有的主动和被动消防系统，使用选定的火灾场景来评估建筑物的整体火灾风险。它包括一个系统模型(如图1所示)和十余个子模型。系统模型设置一组预先确定的过程来协调所有的子模型。在执行火灾风险分析时，火灾场景由火灾场景子模型生成。对于每一种火灾情景，考虑主动消防系统如洒水器、探测器、报警或消防部门的干预，通过火势增长、烟气移动、障燃物破坏和火灾蔓延的子模型预测建筑火灾的可持续性条件。在此基础上，结合建筑物失稳条件对居民运动和行为的影响，模拟了居民的反应和疏散过程，并对由此产生的生命风险进行了预测。火灾造成的经济损失也用经济损失子模型计算。在处理了特定设计的所有火灾场景后，确定了两个最终输出参数:火灾成本预期和预期寿命风险。
图1 CUrisk系统模型示意图
CUrisk在过去几年中有了一些重大改进。对双层烟气运动子模型[8]进行了改进，描述了上下两层界面的传热传质过程。在该子模型中还进行了修改，以考虑木材构件对木结构火灾的影响。最重要的是，在CUrisk模型中加入了完全集成的障碍 Failure子模型和Fire Spread子模型。基于分量减法的思想，建立了势垒破坏子模型[10]。考虑到影响装配失效的一些因素的不确定性，可以在任意给定的火灾烈度下产生障壁失效概率。火灾蔓延子模型[10,11]是一种基于贝叶斯网络方法的概率模型，在火灾情景下，可以产生火灾源隔间到建筑内任何其他隔间的时间和火灾蔓延概率。
在CUrisk中，利用居民响应子模型[12]预测火灾紧急情况下居民的反应。基于居民响应模型，预测了在局部报警、中心报警和语音报警激活后，居民通过直接感知火灾信号、接收火灾报警信号的概率。居民疏散子模型[13]采用粗糙网络方法对建筑物进行描述，用个体视角来表示居民，然后将每个居民的疏散路径和时间数据提供给生命危险子模型。生命危险由生命危险子模型计算，并表示为死亡和受伤人数。居民个人的生命危险是根据他们的疏散通道和该通道沿线的火灾危险条件确定的。每个居住者的死亡概率是热、有毒气体和火灾传播的综合效应。预期寿命风险是两个最终决策参数之一，定义为建筑物中每个人每年的预期死亡频率。此外，经济损失子模型和建筑成本子模型一起，根据火灾条件、内容的经济价值和破坏准则，计算出每个火灾场景的经济损失。与ERL相似，火灾成本期望(Fire Cost期望值，FCE)是CUrisk的另一个最终决策参数。如果有可用的参考数据，可以直接使用ERL和FCE作为决策参数，或者可以与另一个类似的、但认为符合代码的构建进行比较。
本文以火灾风险分析为例，论证了CUrisk在经过近期改进后的功能和性能。特别强调了屏障失效子模型和火灾蔓延子模型在结合其他子模型评价居民风险中的作用。
2.一个使用CUrisk的案例研究
2.1 案例研究设计
即将出台的加拿大国家建筑法规(NBCC)将允许建造6层以下的可燃轻型住宅和办公楼。这是从NBCC 2010[14]增加的，该法规对可燃建筑的限制为四层。因此，本案例研究设计了一座六层轻框架公寓。其平面图和尺寸如图2所示。总建筑面积805平方米，建筑高度3米。每层有10套2居室公寓(8米times;8米)，其中5套位于40米times;1.5米的走廊两侧。在楼层的每一端都有一个公共区域，一个电梯(隐蔽的)和一个楼梯间(对公共区域完全开放)。所有楼层的布局都是相同的，除了位于一楼两端的两个出口(2米times;2米)外。所有公寓的设计都是一样的。每套公寓都有一个客厅，一个厨房和两个卧室。忽略所有公寓内的分区，在CUrisk模拟中将每个公寓视为一个隔间。每套公寓都有一扇通往走廊的门(高2米，宽0.9米)和一扇窗户(高1.5米，宽4.5米)。一扇高2米、宽0.9米的门连接着走廊和公共区域。所有公寓的大门(走廊),走廊和开放建筑入口设置为10%,和所有的窗户都被假定为300°C。
Apt. 1
2
Apt. 3
4
5
6
7
8
9
10
Elevator
Common Area
Stairs Room
b
每个公寓:
8.0 m * 8.0 m窗口面积:
1.5米*4.5米
图2 (a)首层平面图，(b)公寓等空间尺寸
假设每间公寓有4人居住(每间卧室有2人居住)，为2010年加拿大国家建筑规范(NBCC)[14]规定的设计居住者荷载。居住者被假定为50%的男性，50%的女性，50%的成年人和50%的儿童。
按照规范要求在建筑内安装有源消防系统。所有的公寓和走廊都安装了洒水装置。所有的公寓都安装了烟雾报警器，所有的走廊和楼梯间都安装了烟雾报警器。消防行动时间分为通知时间、响应时间和设置时间，分别设置为30秒、360秒和120秒。
2.2 防火屏障设计
防火屏障包括墙壁、地板、门窗。在本案例研究中，我们设计了18种类型的公寓墙体屏障，并将其列在表1中。这些墙体为轻型框架结构，其破坏行为由障壁破坏子模型计算。所有木螺柱或钢螺柱的标称尺寸为2英寸times;4英寸(工程实践中为38.1 mmtimes;88.9 mm)，间距为400mm 型腔为空腔或填充玻璃纤维或岩石纤维。使用1/2英寸(12.7毫米)或3/8英寸(15.9毫米)的X型石膏板。
为了比较不同墙体屏障对建筑火灾风险的影响，假设同一建筑中所有墙体屏障类型相同。这就导致了18种建筑设计分别使用18种类型的墙体屏障。所有其他的障碍物(楼层、门窗)在这18个建筑设计中都是一样的。
表1公寓墙面清单
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|
Wall # |
Studs type |
Cavity filling |
Gypsum board thickness (mm) |
Number of layers on both sides |
|
1 |
Wood |
Void |
12.7 |
1 |
|
2 |
Wood |
Glass Fiber |
12.7 |
1 |
|
3 |
Wood |
Rock Fiber |
12.7 |
1 |
|
4 |
Wood |
Void |
15.9 |
1 |
|
5 |
Wood |
Glass Fiber |
15.9 |
1 |
|
6 |
Wood |
Rock Fiber |
15.9 |
1 |
|
7 |
Wood |
Void |
12.7 |
2 |
|
8 |
Wood |
Glass Fiber |
12.7 |
2 |
|
9 |
Wood |
Rock Fiber |
12.7 |
2 |
|
10 |
Steel |
Void |
12.7 |
1 |
|
11 |
Steel |
Glass Fiber |
12.7 |
1 |
|
12 |
Steel |
Rock Fiber |
12.7 |
1 |
|
13 |
Steel |
Void |
15.9 |
1 |
|
14 |
Steel |
Glass Fiber |
15.9 |
1 |
|
15 |
Steel |
Rock Fiber |
15.9 |
1 |
|
16 |
Steel |
Void |
12.7 |
2 |
|
17 |
Steel |
Glass Fiber |
12.7 |
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