航站楼性能化防火设计中的PyroSim与Pathfinder的应用

关键词：PyroSim中文网、烟气流动模拟分析软件（CFD）、PyroSim烟气流动模拟分析软件 、消防安全评估软件、人员疏散能力模拟分析软件、Pathfinder人员疏散能力模拟分析软件

1 航站楼仿真模型建立

以某机场的 T2 航站楼为参考， 结合实际情况和航站楼模拟普遍性原则， 使用 SketchUp 来构建一个简化的航站楼模型用于火灾仿真模拟， 其构建效果如图1。

该机场 T2 航站楼是主楼加长廊的前列式航站楼， 主楼屋面由 9 个鼓包组成， 从中间到两边逐渐递减， 为多曲面形式。 采用渐变波浪形双曲屋面， 金属屋盖使用“大跨度、 小曲率、 多变化” 的结构， 四壁采用钢结构嵌套透明钢化玻璃作为墙面， 具有良好的透光性和观赏性。模型在 SketchUp 上构造完成后， 将模型导出为 DXF 格式三维模型文件导入基于 FDS 的消防模拟软件 PyroSim， 对航站楼进行火灾仿真模拟分析。 考虑到航站楼面积和空间巨大， 为便于研究， 截取航站楼模型中候机区中央大厅一侧的防火分区进行针对性的火灾模拟， 设置相关探测装置。 该防火分区长 420 m， 宽 38 m， 高 7 m， 总面积为 15960 m² ， 其局部效果如图 2 所示。

2 火灾烟气仿真模拟

2. 1 火灾场景预设

设起火原因是模拟区域中部的书店一木质书架和书籍起火， 引燃周围物品， 产生了大量的浓烟， 则火源热释放速率与时间的指数增长值呈正相关。 根据原则， 这里要求除起火书店以外其他的功能建筑均为关闭的状态， 以利于烟气的累积。参照建筑防火规范， 设定火灾模拟的初始条件。 环境初始温度为 20℃， 初始相对湿度为 50%， 防火分区大气压为101. 3 kpa， 风速 0 m/s。 结合现有研究成果， 设定火源热释放速率为 3× 106 W。 由于可燃物主要是书架、 书籍、 行李、易燃装饰材料， 因此火灾增长类型为快速火， 火灾增长系数α为 0. 047 kW/s， 则可计算出火灾荷载时间， 即 T load ＝Rα＝30000. 047 ＝253 s。

2. 2 火灾模拟结果分析

在进行多次测试后， 对模拟网格密度和模拟时间进行修正优化， 将模拟运行时间定为 1200 s。 通过 Smokeview 三维动画演示可以看出，在防火分区内的书店起火后，易燃物燃烧产生的烟雾迅速扩散和在航站楼顶部聚集， 并随着烟气量的增大， 烟气层高度逐渐降低。 特别是位于起火点的左侧的候机区域， 由于没有大型出口， 烟气聚集和下降速度远快于通向中央大厅一侧的候机区域。

2. 2. 1 烟气层高度变化分析

火灾事故中人员的死亡往往是由烟气造成的。 根据公式：H s ＞H c ＝H p ＋0. 1H b

H s 为烟气层高度； H p 为人眼特征高度； H b 为建筑物顶棚高度； H c 为对人构成危险的临界高度。设人眼高度为 1. 7 m， 则通过上公式可知该防火分区发生火灾时， 烟气层对人构成危险的临界高度为 2. 4 m。 当烟气层的高度下降到 2. 4 m 时， 对人员构成危险。 如图 3、 图4 为起火点两侧在整个模拟过程中烟气层的下降高度图。

根据图 3、 图 4，在 160 s 时，因为起火点左侧没有大型的出口，排烟受阻，烟气层高度急剧降低到 1. 0 m 的高度，而右侧尽管通往航站楼中央大厅和另一侧候机区域，排烟较为顺畅，烟气层高度也还是快速降低到 2. 6 m。如果消防设备没有及时启动工作，排烟设备不能正常运行,将会严重影响疏散安全,对还未逃离防火分区内的人员构成生命威胁。

2. 2. 2 热辐射与温度的关系

在模拟过程中， 监测点和温度切片数据反映出模拟区域登机口的顶部烟气温度都未超过 180℃， 而在 2. 4 m 处烟气温度在 400 s 之前也没有超过 25℃（图 5）。 起火源居于防火分区中部， 因此各疏散出口距离火源有一定的距离，烟气流到达疏散口附近需要与常温空气对流、 热交换， 温度会随之降低。 通过对比设在距离起火点两侧 152 m 处的温度探测点收集的数据发现，各安全出口和主要疏散通道区域2. 4 m处的空气温度在35℃以下,可判定烟气热辐射温度不会对安全出口和疏散通道产生太大的影响。

图5.起火点近登记口2.4m处空气温度曲线

3 航站楼安全疏散模型

3. 1 人员安全疏散标准

判定候机厅火灾人员疏散的安全性， 主要依据划定的防火分区内全数人员是否能够在危险来临之前到达安全疏散场所来确定。 人员必需安全疏散用时 RSET， 是指从火灾发生到人员全部安全疏散到另一区域的时间； 可用疏散时间 ASET，是指从起火到整个环境状况已经不能满足人员安全疏散的时间。根据建筑物内人员消防疏散计算模型， 疏散成功的判定标准为 RSET＜ASET。

3. 2 安全疏散场景设置

基于航站楼的结构功能和布局特点， 结合大多数旅客对航站楼环境陌生， 火灾发生后不易疏散和易发生烟气聚集使人视野受阻、 窒息等不利情况， 为有效模拟出发生火灾时不利情况， 设定如下模拟：

图6.防火分区Pathfinder模拟疏散模型

①结合该机场日常人流量情况， 设定发生火灾时该模拟区域人员有 5000 名， 人员密度为 0. 313 per/m2 ；

②人员结构复杂， 包含有儿童、 青壮年和中老年人， 他们的移动速度和形体大小均存在明显差异， 参考 GB10000-88《中国成年人人体尺寸》 设定人员的移动速度 Max 值为 1. 55 m/s， Min 值为 0. 85 m/s； 身高 Max 值为 1. 86 m， Min 值为 1. 56 m； 肩宽 Max 值为 45. 5 cm， Min 值为 37. 5 cm。

③根据民用航空机场相关管理规定， 登机口没有航班靠泊时， 应予以关闭， 避免无关人员未经许可由廊桥进入机场飞行区。 设定登机口在火灾模拟期间， 关闭 18 个登机口中的 10 个。

④人员运动模式设定为 SFPE 模式。

⑤火灾发生后， 人员反应时间为 60 s，即 T start ＝60 s。

3. 3 安全疏散模拟分析

对相关参数进行设定后， 人员疏散模拟通过 PyroSim 的配套软件——Pathfinder 来实现。 这是一款基于人员进出和运动的仿真模拟软件。 它可以计算预设在模拟区域内的每个人员的独立运动， 并给予了一套独立的参数， 同时通过三维动画展现人员疏散的整个过程。 建立起来的仿真疏散模拟效果如图 6 所示。通过运行模拟疏散模型， 得到各个可用逃生出口的人员疏散通行数据：

3. 4 疏散能见度分析

人员在紧急情况下容易产生惊慌和失去理智，在候机区内众多的功能建筑阻碍下，以及部分可用出口离人员当前位置较远，决定 24 m 作为判断能否安全疏散的标准。根据切片分析结果，除起火书店外，出口和疏散通道的能见度均在 30 m 左右没有达到危险状态。然而，候机厅纵向长度很大，远疏散距离可达 420 m，发生火灾时，一旦视野不开阔，人员易朝近出口聚集，造成拥挤现象（如图 7）。

4 、疏散优化建议

4. 1 合理划分室内建筑布局

根据模拟结果能够看出，室内建筑布局结构往往会对人员疏散的速度产生很大影响。当室内建筑物布置过多或过于集中，通道设置不合理，会严重影响人员紧急疏散的效率。如图 8，该候机区域的椅子分布面积过大、摆放间距过宽，对部分人员的撤离造成了一定的阻碍。 因此在日常维护和管理中，注重功能建筑设置的科学性。对重点防火单位，如书店和服饰店， 应尽量保证不能将其挨在一起设置，避免起火时火势容易迅速蔓延的情况发生。

4. 2 重视登机口疏散功能

候机区域四周一般均为宽阔的机坪，它们之间通过登机口连接，当候机区域发生火灾时，人员撤离火灾区域快捷高效的路径就是通过登机口疏散到机坪上。 但基于航空安全的需要， 登机口通常情况是在有需要上下旅客的客机停靠时，才在特定时间开放给旅客和工作人员登机使用；在其他时间段，登机口往往是处于锁闭状态人员无法正常通行（图 8）。而在发生火灾时，如果没有良好的疏散预案和联动设施，可能会出现大量登机口处于锁闭状态无法承担起人员疏散的功能，严重影响人员疏散效率，威胁人员生命财产安全。 建议登机口完善技术设置，使得在候机区域发生火灾后，消防系统启动的时候，同步解锁关闭的登机口，让人员迅速通过近的登机口撤离到安全区域。

4. 3 完善候机区域应急处置方案， 加强日常消防安全管理对候机楼的安全疏散标志， 特别是对地面设置发光且明显的逃生标志， 要进行定期检查， 保证处于清晰可见状态，方便在火灾浓烟中被困人员能循着这些标志快速逃生。 加强对设备、 电缆的定期检修、 检查， 避免火灾的发生。 对重点防火单位加强安全巡视， 减少潜在安全隐患， 防患于未然。重视应急预案的编制和演练， 保证在各种应急状态下人员能够以较短的时间离开危险区域。 减少航站楼内易燃物的使用和堆放， 扩大每件可燃物间的摆放距离， 在修建航站楼中尽可能使用耐火防烧的材料， 值机柜台等设施也要采用不易燃烧材料制造， 避免发生火灾时出现火烧连营的情况。