大型体育文化馆消防性能化设计_卢春艳.pdf

第 44 卷 第 3 期安全Vol44 No32023 年 3 月Safety SecurityMar 2023引用格式:卢春艳，李家民，杨鸿扬，等大型体育文化馆消防性能化设计 J 安全，2023，44(3):4350作者简介:卢春艳(1984)，女，大学本科，工程师，主要研究方向为建筑工程消防审验。Email:1105632427qqcom通信作者:廖烈谊(1987)，男，硕士，工程师，主要研究方向为消防安全。DOI:1019737/jcnkiissn10023631202303007大型体育文化馆消防性能化设计卢春艳工程师李家民工程师杨鸿扬工程师姚柳碧工程师廖烈谊工程师豆鹏亮高级工程师(南宁市建设工程消防服务中心，广西 南宁 530029)【摘要】为合理设计地下多层体育馆的防排烟系统，提高体育馆防火安全性，采用计算流体力学方法和消防性能化分析，结合建筑的使用用途和特点，设定典型火灾场景开展数值仿真，针对该类体育文化馆消防设计方案中建筑防火分区面积超过规范限值要求的情况，研究优化后消防设计方案能否满足消防安全目标，并验证该方案的可靠性。结果表明:优化后各火灾场景下的防排烟系统可维持人员相对安全的水平，并有一定的安全余量，可达到国家防火技术标准的同等水平。【关键词】性能化设计;防排烟;疏散时间;大型体育文化馆中图分类号:X932文献标识码:A文章编号:10023631(2023)03004308Demonstration of Performancebased Fire Protection Designfor a Large Sports and Cultural CenterLU ChunyanLI JiaminYANG HongyangYAO LiubiLIAO LieyiDOU Pengliang(Nanning Construction Project Fire Service Center，Nanning Guangxi 530029，China)Abstract:In order to design the smoke control system of a gymnasium with multistorey of basements rea-sonably，the computational fluid dynamics method was used to analyze and demonstrate the performancebased fire protection by setting up a typical fire scenario in combination with the use and characteristics of thebuilding when the area of the buildings fire compartment in the fire protection design scheme of a gym excee-ded the requirements of the specification According to the demonstration results，the optimized fire protectiondesign scheme is proposed to ensure that the building fire protection design scheme meets the fire safety ob-jectives Through the fire smoke simulation and personnel safety evacuation simulation of the optimized build-ing fire protection design scheme，there liability of the optimized fire protection design scheme is verifiedesult shows that the optimized smoke exhaust system of each fire scenario can maintain the safety environ-ment for personnel to escape，and has a certain safety margin，which can reach the same level as the nationalfire prevention technical standardKeywords:performancebased design;smoke control;evacuation time;large gymnasium34专项研究2023 年第 3 期大型体育文化馆消防性能化设计0引言随着城市化进程加快，人们物质文化需求日益增长，各地涌现大量体育文化馆。由于大型体育文化馆具有建筑规模大、容量大、人员密集等特点1，一旦发生火灾，烟气蔓延快，人们疏散困难，会造成巨大的人员伤亡和财产损失。因此，为避免发生事故，在体育文化馆投入使用前应进行消防设计。体育馆建筑通常具有空间大的特征，为了达到训练功能和美观，该类建筑防火分区划分超标现象较普遍，同时为充分利用城镇土地和满足体育馆功能需求，体育馆设置多层地下室的情况时有出现，以上现象均难以通过现有消防设计规范进行防排烟系统设计，因此需要开展特殊消防设计，采用新技术手段进行方案优化和可行性论证，以达到规范要求的同等防火目标。国外较早开展消防性能化防火设计研究，提出大量建筑设计相关规范。1985 年英国发布的建筑法包含大篇幅的性能化规定2;此后新西兰也提出国家级的规范，在性能化方面，比英国发布的更为细致3;1995 年美国消防工程师协会(Society ofFire Protection Engineers，SFPE)出版了SFPE 防火安全工程手册4(SFPE Handbook of Fire ProtectionEngineering)成为各国性能化防火设计的标杆性规范;2014 年，Alvarez 等5 介绍一个以风险为导向的性能化设计新框架并具体阐述其实施过程。我国开展研究较晚，1996 年才开始系统研究性能化设计6。李引擎等7 提出性能化设计的概念，对传统设计和性能化设计进行比较。2008 年奥运会之后，体育馆、会展中心等大型建筑涌现，学者们将性能化设计应用于实际工程。朱世敏8 采用火灾动力学模拟工具(Fire Dynamics Simulator，FDS)和 Path-finder 对体育馆的火灾烟气及安全疏散进行分析并提出优化方案;赵伟刚等9 用数值模拟的方法，建立火灾场景，对体育馆的消防设计进行评估;边浩10 利用建筑信息模型(Building Information Mod-eling，BIM)建立体育馆模型，分析体育馆内的火灾烟气蔓延和人员疏散。但以上研究主要是针对地下 1 层的体育馆，对地下多层体育馆的火灾烟气蔓延及人员疏散规律并未涉及。为探究地下多层体育馆的消防设计思路，以某地下 3 层且防火分区超过规范限值的体育馆为研究对象，利用计算流体力学方法分析现有防排烟设计方案的烟气控制效果，优化方案并验证其可靠性，提出该类体育馆的消防设计思路和防排烟设计方案。1项目概述1 1建筑基本情况体育馆地上 3 层，地下 3 层，建筑高度 1895m，总建筑面积1292142m2，地上场馆座位数不超过3000个。建筑耐火等级二级，为多层公共建筑(乙级体育建筑)，建筑内设置自动喷淋灭火系统。该建筑地上 3 层为体育场馆，地下 3 层为文化中心，体育馆中间大空间贯通区域为比赛场地，周边布置休息室、运动员等候室、检录处等辅助用房，如图 1。图 1体育馆剖面图Fig1Section view of gymnasium1 2防火设计难点为满足体育馆的使用需求，比赛场地面积较大，且上下楼层贯通，难以与周围的空间进行防火分隔，防火分区面积无法满足规范要求的 5000m2;一般体育馆地下只有 1 层，该体育馆地下 3 层为一个防火分区，面积共计 681840m2，远超出规范要求的 1000m2。虽然 GB 500162014建筑设计防火规范(2018 年版)规定，体育馆防火分区的建筑面积可适当增加，但未明确具体增加幅度。因此，需要采用性能化评估的方式，判断该防火分区的划分是否合理及消防安全水平是否达到规范要求。体育馆地下 3 层，发生火灾后烟气蔓延路径更为复杂，烟气蔓延速度快，无法满足自然排烟要求，难以快速排烟，人员因烟雾而中毒窒息的可能增大，地下空间光亮不足，将加剧人员恐惧心理，并且需要上行疏散，消耗大量体力，增加疏散难度。因此需要判断该地下空间的人员疏散是否能够达到规范要求。442023 年第 3 期专项研究大型体育文化馆消防性能化设计1 3安全判据(1)安全疏散判定准则。对于顶部封闭的体育馆，将以“人员安全疏散时间小于火灾危险来临时间”作为人员安全疏散的判定准则。建筑的使用者撤离到安全地带所花的时间 TSET小于火势发展到超出人体耐受极限的时间 TASET，则表明疏散过程达到人员生命安全的要求。考虑到疏散过程的不确定性，增加安全裕量时间 ts，通常取不小于 01 倍的疏散行动时间11，即:TEST+tsTAEST(1)(2)人员耐受极限判定准则。火灾对人员的危害主要来源于火灾产生的烟气，主要表现为烟气的热作用和毒性，另外对疏散而言烟气的能见度也是一个重要的影响因素。因此，在分析火灾对疏散的影响时，一般从温度、毒性、能见度等方面进行讨论。火灾环境时人员生命的耐受极限12，见表 1。表 1人体耐受极限指标Tab1Human tolerance limit index项目人体可耐受极限烟层高度烟气温度高于 180，烟层临界高度一般为20m烟气温度当热烟层降到 20m 以下，持续时间 30min 的临界温度为 60烟气毒性CO 浓度判定指标为 00005mol/mol，在可接受的能见度范围内，不会对人员疏散造成影响能见度当烟层高度在 20m 以下时，对于大空间其能见度临界指标为 10m，小空间为 5m1 4初始消防设计方案该体育馆分为地上和地下场馆，地上均采用自然排烟，地下均采用机械排烟。地上、地下的中部均设有 3 层通高的比赛及训练场地，周围设看台与附属用房。各楼层使用功能相似，火灾危险源主要是场馆中部的运动员行李物品和看台座椅。通过定性的火灾危险源辨识，地下部分设置 4 处火源，位置分别为负 3 层训练馆中央和东侧休息室、负 2层的体能训练场、负 1 层的普推拉健身室;地上部分考虑 2 处火源，位置分别为 1 层场馆中央和2 层南侧看台区。根据使用功能及喷淋系统是否有效确定各楼层火灾规模。火灾场景设置，见表 2。表 2初始消防设计方案火灾场景设置Tab2Initial performancebased design scheme fire scenario setting编号火源位置假定条件排烟方式自动灭火系统火灾规模/MW补风方式设置目的F31负 3 层训练馆中央机械失效80机械疏散、烟气分析F32F33F21F22F11F12L11L21负 3 层东侧休息室负 2 层体训场负 1 层普推拉室1 层体育馆2 层南侧看台座位区机械失效60机械疏散、烟气分析机械有效15机械疏散、烟气分析机械失效80机械疏散、烟气分析机械有效25机械疏散、烟气分析机械失效60机械疏散、烟气分析机械有效15机械疏散、烟气分析自然失效80自然疏散、烟气分析自然失效30自然疏散、烟气分析初始消防设计方案中，地上均采用自然排烟，地下均采用机械排烟，然而实际情况是地下 3 层至地下 1 层存在经常有人停留和存放可燃物较多的房间的情况，若着火点在上述位置，经模拟分析可知，人员可用安全疏散时间不足 180s;同理，若着火点在地上 2 层看台与疏散楼梯之间的走道，人员可用安全疏散时间不足 100s。初始火灾烟气模拟结果显示，上述 2 种情况，无法满足人员安全疏散时间小于火灾危险来临时间的要求，即无法保证人员安全逃生。初始消防设计方案中，控制烟气的防排烟系统设计虽已达到国家标准，但未满足人员安全疏散的目标，模拟失效。故对初始消防设计方案进行调整，主要调整为:地上部分在原来的自然排烟方式基础上，对地上 2 层看台与疏散楼梯之间的走道，增设机械排烟设施;地上自然排烟顶开窗有效面积由原来的 96m2增加至 1816m2;对地下 3 层至地下 1 层经常有人54专项研究2023 年第 3 期大型体育文化馆消防性能化设计停留和可燃物较多的房间单独划分防烟分区，设置排烟设施。2优化方案数值仿真分析2 1火灾场景设计优化调整后的消防设计方案，体育馆地上 2 层看台走道采用机械排烟，地上其余功能空间均采用自然排烟，地下均采用机械排烟，火灾危险源不变。通过定性的火灾危险源辨识，设置 2 处地上火源及3 处地下火源。地上火源位置分别为 1 层场馆中央、2 层南侧看台区;地下火源位置分别为负 3 层训练馆中央、北侧检录处和负 2 层的体能训练场。体育馆火灾热释放速率规律与 t2更接近，因此各位置火灾类型选取 t2快速增长型火源，增长系数为 00444。火灾场景及火源位置设定，见表 3、如图 2。表 3优化方案火灾场景设置Tab3Fire scenario setting of optimization scheme编号火源位置假定条件排烟方式自动灭火系统火灾规模/MW补风方式设置目的F31负 3 层训练馆中央机械失效80机械疏散、烟气分析F32F33F21F22L11L21负 3 层北侧检录处负 2 层体能训练场1 层体育馆中央2 层南侧看 台 座位区机械失效80机械疏散、烟气分析机械有效25机械疏散、烟气分析机械失效80机械疏散、烟气分析机械有效25机械疏散、烟气分析自然失效80自然疏散、烟气分析机械失效225自然疏散、烟气分析2 2火灾烟气模拟分析根据优化后的消防设计方案要求，分析体育文化馆防火分区面积超限的火灾烟气蔓延过程和危害后果，采用软件 FDS 模拟建筑内火灾烟气流动过程，给出人员可用疏散时间的模拟结果。体育文化馆的三维仿真模型，如图 3。(a)负 3 层(b)负 2 层(c)1 层(d)2 层图 2火源位置Fig2Fire source location642023 年第 3 期专项研究大型体育文化馆消防性能化设计图 3体育馆三维仿真模型Fig33D simulation model of gymnasium火灾场景 F31 中，火源位于体育馆负 3 层训练馆中央，火灾危险性较大，该场景具有典型性。因此，选取此场景具体分析其火灾烟气蔓延的规律。(1)烟气流动。场景 F31 火源处的烟气，由于中间场地贯通，竖直蔓延至体育馆负 1 层顶部，受到阻碍形成顶棚射流，体育馆顶部温度最高处为烟气羽流撞击区。此后烟气沿着负 1 层顶部向四周蔓延，受到四周墙壁阻挡，烟气下沉并不断卷吸冷空气，充满整个负 1 层空间。接着烟气通过楼梯间、安全出口等途径向下蔓延至负 2 层及负 3 层，最后充满整个地下体育馆。(2)温度分布。场景 F31 火灾发展到 1200s时，地下 13 层 2m 处的温度分布，如图 4。负 3 层火源附近高温区域较小，升温区域集中在场馆中间，并沿安全出口向外扩展，是由于场地上下贯通，负 3 层的烟气垂直向上蔓延。负 2 层的升温区域几乎布满 2m 处平面，火源中心的高温区域扩大，图像上侧有较明显的温度分层，是由于负 1 层的高温烟气集中在上侧，沿墙壁下沉至负 2 层。负 1 层的升温区域几乎呈倒三角型，沿上侧边缘温度分层非常明显。这是由于高温烟气竖直蔓延受到上侧墙壁阻挡，下沉聚集在负 1 层顶部附近，短时间无法与下方冷空气快速混合降温。图 4场景 F31 在 1200s 时地下 13 层 2m 处温度Fig4Scene F31 temperature at 2m of the first，second and thirdunder ground floor at 1200s(3)能见度。能见度是人员安全疏散的重要指标，火灾场景 F31 在火灾发生 1200s 时地下 13层 2m 处能见度，如图 5。从负 3 层到负 1 层，能见度为 10m 以下的区域逐渐扩大，即随着楼层的增高，能见度降低。这是由于烟气蔓延过程中，负 1层最早充满烟气，其次是负 2 层，最后是负 3 层，这74专项研究2023 年第 3 期大型体育文化馆消防性能化设计为负 3 层人员疏散争取了大量时间。能见度是该场景下最早到达人体可耐受极限的指标，表明该场景下人员找到逃生路径的难度大大增加。图 5场景 F31 在 1200s 时地下 13 层 2m 处能见度Fig5Scene F31 visibility at 2m of thefirst，second and third under ground floor at 1200s(4)CO 浓度。火灾场景 F3 1 在火灾发生1200s时地下 13 层 2m 处能见度，如图 6。CO 高浓度区域主要集中在负 3 层火源处，在负 1 层 CO浓度增大区域处于上侧，是由于烟气在上侧墙壁聚集过多。在该场景下 CO 浓度超过 00005mol/mol的区域范围较小，对人员安全疏散影响较小。图 6场景 F31 在 1200s 时地下 13 层 2m 处 CO 浓度Fig6Scene F31 CO concentration at 2m of thefirst，second and third under ground floor at 1200s各火灾场景下，地面 2m 高度位置的能见度、温度及 CO 浓度 3 项中任意指标达标即达到危害人员842023 年第 3 期专项研究大型体育文化馆消防性能化设计安全疏散的时间。根据火灾烟气模拟结果，分别对比同一工况下 3 个因素在达到危险状态临界值的最小值即为人员可用疏散时间 TASET。2 3人员疏散模拟分析为验证人员是否可以安全疏散，采用软件 Path-finder 进行模拟，利用 CAD 建筑图纸和基础数据(如人员数量、人体尺寸、出口对行人的吸引程度、行人可以通过的最小宽度、人员最大步行速度等)快速建立各层模型，如图 7。根据设置的 7 个火灾场景及安全冗余量分析，分别设置 10 个均为全员疏散的安全疏散场景，见表 4。根据疏散模拟结果分析，得出不同区域疏散模拟时间，计算出人员必需疏散时间 TSET。为保证人员安全疏散，需考虑安全余量，具体设置为:在原疏散场景的基础上增加 12 倍安全系数，即将各类人群的步行速度降低 83%。对比地下与地上火灾场景，可知地下楼层的人员可用疏散时间均比地上短，表明地下楼层火灾的人员疏散难度更大，需要增加更多排烟设施保障人员安全。地下火灾场景中，火源位于负 3 层检录处的火灾危险性最大，人员必需疏散时间最短，是由于在密闭房间内可燃物更多，燃烧速率加快，烟气蔓延速度加快，导致人员更易处于危险状态。图 7地上 13 层人员分布Fig7Distribution of personnel from the 1stfloor tothe 3rdfloor above the ground表 4疏散场景设置Tab4Evacuation scene setting疏散场景编号疏散场景说明对应火灾场景编号E1负 3 层训练场(馆)发生火灾，全楼疏散E1A12 倍安全系数的负 3 层主训练场(馆)发生火灾，全楼疏散F31E2负 3 层检录处发生火灾，全楼疏散E2A12 倍安全系数的负 3 层检录处发生火灾，全楼疏散F32F33E3负 2 层体训场发生火灾，全楼疏散E3A12 倍安全系数的负 2 层体训场发生火灾，全楼疏散F21F22E4地上 1 层体育馆发生火灾，全楼疏散E4A12 倍安全系数的地上 1 层体育馆发生火灾，全楼疏散L11E5地上 2 层座位区发生火灾，全楼疏散E5A12 倍安全系数的地上 2 层座位区发生火灾，全楼疏散L21为判断人员是否能安全疏散，可将火灾烟气模拟得出的 TASET和人员疏散模拟 TSET对比，验证TASETTSET是否成立。若 TASETTSET，则可认为:在所设定的条件下，体育馆内的人员在火灾危险因素达到危险临界值前能够安全疏散，反之，则判定不能达到安全疏散的目标。火灾烟气模拟结果与人员疏散模拟结果对比，见表 5。根据模拟结果对比，可得出:在模拟时间内，各场景均满足 TASETTSET要求，并有一定的安全余量，人员能够在危险来临时间内安全疏散，此消防设计方案能够符合规范要求。表 5火灾烟气模拟结果与人员疏散模拟结果对比Tab5Comparison between fire smoke simulation resultsand evacuation simulation results火灾场景疏散场景负 3 层负 2 层负 1 层最小TASET/s最大TSET/s结论最小TASET/s最大TSET/s结论最小TASET/s最大TSET/s结论F31E1E1A580221270满足满足283219263满足满足278206221满足满足F32E2E2A442213250满足满足325220268满足满足230206222满足满足94专项研究2023 年第 3 期大型体育文化馆消防性能化设计续表火灾场景疏散场景负 3 层负 2 层负 1 层最小TASET/s最大TSET/s结论最小TASET/s最大TSET/s结论最小TASET/s最大TSET/s结论F33E2E2A680213250满足满足315220268满足满足231206222满足满足F21E3E3A28242257满足满足438211240满足满足248207215满足满足F22E3E3A056242257满足满足96211240满足满足264207215满足满足火灾场景疏散场景地上 1 层地上 2 层地上 3 层最小TASET/s最大TSET/s结论最小TASET/s最大TSET/s结论最小TASET/s最大TSET/s结论L11E4E4A1200695848满足满足623298325满足满足434319361满足满足L21E5E5A1200757792满足满足455406456满足满足499384420满足满足3结论本文采用性能化消防设计的方法，对地下多层体育馆的防排烟设计方案进行优化，验证地下多层体育馆防火分区面积超限的安全性，为此类体育馆的防排烟设计提供参考。本文通过研究得出以下结论:(1)优化后的防排烟设计方案，防排烟系统可维持各火灾场景下人员疏散相对安全的水平，并有一定的安全余量，可达到国家防火技术标准的同等水平，提供解决该类地下多层体育馆防火分区超限难题的可行方案。(2)针对此类防火分区面积超限且地下为多层的体育馆，提出加强防火设计安全性的措施。对地下有大量人员停留或可燃物较多的房间应单独设置防烟分区，增加排烟设施，同时由于中间训练场地通常上下贯通，烟气更易在负 1 层快速蔓延，应在负 1 层设置防烟系统。(3)由于时间和算法的限制，本文仅设置了部分常见的经典火灾场景，未考虑特殊的火灾场景，如体育馆多处位置起火。未来研究可以设置地上、地下多处起火的火灾场景，提出有效的消防设计方案。参考文献 1 王腾高校大型多功能体育馆消防设计研究 J 中国设备工程，2021(7):183184 2 杨濡溢大空间商业建筑性能化防火设计研究 D 株洲:湖南工业大学，2018 3 罗明华性能化防火设计在高层建筑中的应用研究 D 广州:广东工业大学，2022 4 KLEIN A SFPE handbook of fire protection engineering(1995)J Fire safety jounrnal，1997，29(1):6163 5 ALVAEZ A，MEACHAM B J，DEMBSEY N A，et al A framework for riskinformed performancebased fire pro-tection design for the built environment J Fire technology，2014，50(2):161181 6 庄磊，黎昌海，陆守香我国建筑防火性能化设计的研究和应用现状 J 中国安全科学学报，2007，17(3):119125 7 李引擎，刘曦娟建筑防火的性能设计及其规范 J 消防技术与产品信息，1998(11):36 8 朱世敏某体育馆火灾安全风险评估 J 消防科学与技术，2016，35(8):10931095 9 赵伟刚，杨芳，姚浩伟，等某体育馆消防设计分析及火灾风险评估 J 消防科学与技术，2019，38(4):502504 10 边浩基于 BIM 的郑州奥体中心体育馆火灾安全疏散研究 D 郑州:河南工业大学，2020 11 彭琼，寿炜炜上海某体育馆消防排烟系统性能化设计分析 J 制冷空调与电力机械，2004(5):4750，61 12 郭铁男中国消防手册(第三卷)M 上海:上海科学技术出版社，200705