2019二級消防工程師講義：火災場景和疏散場景設定

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火災場景和疏散場景設定

一、火災場景確定的原則

在設計火災時，應分析和確定建筑物的以下基本情況：

1)建筑物內(nèi)的可燃物。

2)建筑的結(jié)構(gòu)、布局。

3)建筑物的自救能力與外部救援力量。

在進行建筑物內(nèi)可燃物的分析時，應著重分析以下因素：

1)潛在的引火源。

2)可燃物的種類及其燃燒性能。

3)可燃物的分布情況。

4)可燃物的火災荷載密度。

在分析建筑的結(jié)構(gòu)布局時，應著重考慮以下因素：

1)起火房間的外形尺寸和內(nèi)部空間情況。

2)起火房間的通風口形狀及分布、開啟狀態(tài)。

3)房間與相鄰房間、相鄰樓層及疏散通道的相互關系。

4)房間的圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)件和材料的燃燒性能、力學性能、隔熱性能、毒性性能及發(fā)煙性能。

分析和確定建筑物在發(fā)生火災時的自救能力與外部救援力量時，應著重考慮以下因素：

1)建筑物的消防供水情況和建筑物室內(nèi)外的消火栓滅火系統(tǒng)。

2)建筑內(nèi)部的自動噴水滅火系統(tǒng)和其他自動滅火系統(tǒng)(包括各種氣體滅火系統(tǒng)、干粉滅火系統(tǒng)等)的類型與設置場所。

3)火災報警系統(tǒng)的類型與設置場所。

4)消防隊的技術裝備、到達火場的時間和滅火控火能力。

5)煙氣控制系統(tǒng)的設置情況。

在確定火災發(fā)展模型時，應至少考慮下列參數(shù)：

1)初始可燃物對相鄰可燃物的引燃特征值和蔓延過程。

2)多個可燃物同時燃燒時熱釋放速率的疊加關系。

3)火災的發(fā)展時間和火災達到轟燃所需的時間。

4)滅火系統(tǒng)和消防隊對火災發(fā)展的控制能力。

5)通風情況對火災發(fā)展的影響因子。

6)煙氣控制系統(tǒng)對火災發(fā)展蔓延的影響因子。

7)火災發(fā)展對建筑構(gòu)件的熱作用。

二、確定火災場景的方法

確定火災場景可采用下述方法：故障類型和影響分析、故障分析、如果一怎么辦分析、相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)、工程核查表、危害指數(shù)、危害和操作性研究、初步危害分析、故障樹分析、事件樹分析、原因后果分析和可靠性分析等。

事件樹是風險級別評定程序中常用的一個方法，不過風險級別評定過程常?？梢赃M行簡化。在這種情形下，風險級別評定不需要事件樹就能進行。然而，在不能使用簡化方式的時候需要采用事件樹的方法，根據(jù)構(gòu)成火災場景單一事件的發(fā)生概率，得到該火災場景的發(fā)生概率。

1.事件樹

事件樹的構(gòu)建代表與火災場景相關的從著火到結(jié)束的時間事件順序。事件樹的構(gòu)建始于初始的事件，例如對于所有消防安全系統(tǒng)的特征及所有居住者而言，與初始狀態(tài)相結(jié)合的初始事件是起火。通過構(gòu)建分叉和添加分支來反映每個可能發(fā)生的事件。此過程不斷反復直到表現(xiàn)出所有可能的初始狀態(tài)。

每個分叉是基于可能事件的發(fā)生來構(gòu)建的。貫穿此樹的路徑代表研究的火災場景。

事件樹表現(xiàn)為火災特征、系統(tǒng)及特征的狀態(tài)、人員的響應、火災最終結(jié)果和影響后果的其他方面的變化。與建筑系統(tǒng)和特征相關的事件實例包括：

1)火災引燃的第二個物件。

2)火災被門或其他障礙物阻隔。

3)質(zhì)量下降或性能降低的系統(tǒng)或特征。

4)窗戶上的玻璃破裂。

事故樹是類似事件樹的邏輯樹，不過在每個分支上是一個條件或狀況，而不是按時間發(fā)展的事件。

場景是貫穿著混合樹的一條單一的路徑。

2.發(fā)生的概率

采用獲得的數(shù)據(jù)和推薦的工程評價方法估算每個事件發(fā)生的概率。對于有些分支，初始火災的特征是主導因素，火災事故數(shù)據(jù)是獲得合適概率的數(shù)據(jù)源。

通過沿著路徑直到場景的所有概率相乘來評估每個場景相關的概率。

3.火災后果的考慮

采用獲得的可靠數(shù)據(jù)和推薦的工程評價方法來估計每個場景的后果。后果應以適當?shù)姆绞?如人員死傷或預期的火災損失費用)來體現(xiàn)。此估計可以考慮隨時間改變的影響。

當估算因火災導致人員死傷的后果時，應保證使用的數(shù)據(jù)是與研究中的場景相關的。有關人員行為取決于環(huán)境的性質(zhì)。

4.風險評定

按風險順序評定程序，風險可通過后果的概率和場景的發(fā)生概率相乘進行估算。

5.最終的選擇

對于每一個消防安全目標，應選用風險級別最高的火災場景進行定量分析。所選的場景應該代表主要的累加風險，即所有場景的風險總和。

1)應考慮一個火災場景對風險的重大影響，否則可能忽略一個特殊的消防安全系統(tǒng)或特殊的

設計。

2)在此階段，由于一個場景產(chǎn)生的結(jié)果導致設計所需采用的費用相當高，而不考慮它對風險的重大影響是不恰當?shù)?。應在詳細分析后再決定是否接受這個導致成本過高的特殊火災場景的風險。

三、火災場景設計

(一)火災危險源辨識

設計火災場景時，首先應進行火災危險源的辨識。分析建筑物里可能面臨的火災風險主要來自哪些方面。分析可燃物的種類、火災荷載的密度、可燃物的燃燒特征等。火災危險源識別是開展火災場景設計的基礎環(huán)節(jié)，只有充分、全面地把握建筑物所面臨的火災風險的來源，才能完整、準確地對各類火災風險進行分析、評判，通過采取有針對性的消防設計措施，確保將火災風險控制在可接受的范圍之內(nèi)。

(二)火災增長

火災在點燃后其熱釋放速率將不斷增加，熱釋放速率增加的快慢與可燃物的性質(zhì)、數(shù)量、擺放方式、通風條件等有關。原則上，在設計火災增長曲線時可采用以下幾種方法：①可燃物實際的燃燒實驗數(shù)據(jù);②類似可燃物實際的燃燒實驗數(shù)據(jù);③根據(jù)類似的可燃物燃燒實驗數(shù)據(jù)推導出的預測算法;

④基于物質(zhì)的燃燒特性的計算方法;⑤火災蔓延與發(fā)展數(shù)學模型。在性能化設計中，如果能夠獲得所分析可燃物的實際燃燒實驗數(shù)據(jù)，那么采用實驗數(shù)據(jù)進行火災增長曲線的設計是最好的選擇。大量實驗表明，多數(shù)火災從點燃到發(fā)展再到充分燃燒階段，火災中的熱釋放速率大體上按照時間的平方的關系增長，只是增長的速度有快有慢，因此在實際設計中人們常常采用這一種稱為“t平方火”的火災增長模型對實際火災進行模擬?；馂牡脑鲩L規(guī)律可用下面的方程描述：

Q=at2(4.3.1)

式中Q——熱釋放速率(kW);

a——火災增長系數(shù)(kW/s2);

t——時間(s)。

“t平方火”的增長速度一般分為慢速、中速、快速、超快速四種類型，如圖4-3-2所示，其火災增長系數(shù)見表4-3-5。

實際火災中，熱釋放速率的變化是一個非常復雜的過程，上述設計的火災增長曲線只是與實際火災相似，為了使得設計的火災曲線能夠反映實際火災的特性，應作適當?shù)谋Ｊ乜紤]，如選擇較快的增長速度或較大的熱釋放速率等。

(三)設定火災

安全目標不同，確定最大火災規(guī)模的方法也不同?；馂囊?guī)模是性能化設計中的重要參數(shù)，工程上通常參考以下三種方法來綜合確定火災的規(guī)模。

1.噴淋啟動確定火災規(guī)模

對于安裝自動噴水滅火系統(tǒng)的區(qū)域，其火災發(fā)展通常將受到自動噴水滅火系統(tǒng)的控制，一般情況下自動噴水滅火系統(tǒng)能夠在火災的起始階段將火撲滅，至少是將火勢控制在一定強度以下。

假定自動噴水滅火系統(tǒng)啟動后火勢的規(guī)模將不再擴大，火源熱釋放速率保持在噴頭啟動時的水平。

自動噴水滅火系統(tǒng)控制下的火災規(guī)?？梢允褂肈ETACT分析軟件進行預測。

考慮到同一類型噴頭之間RTI值的差異，在采用上述方法預測火災規(guī)模時建議取最大的RTI值。例如，ESFR噴頭取28(m·s)0.5，快速響應噴頭取50(m·s)0.5，普通噴頭取350(m·s)0.5。

3.根據(jù)燃燒實驗數(shù)據(jù)確定

根據(jù)物品的實際燃燒實驗數(shù)據(jù)來確定最大熱釋放速率是最直接和最準確的方法，一些物品的最大熱釋放速率可以通過一些科技文獻或火災試驗數(shù)據(jù)庫得到。例如，表4-3-7是NFPA928中提供的部分物品燃燒時最大熱釋放速率的數(shù)據(jù)，圖4-3-3所示為美國國家技術與標準研究院火災試驗數(shù)據(jù)庫FAST-DAT中提供的席夢思床墊的火災試驗熱釋放速率曲線。

4.根據(jù)轟然條件確定

轟燃是火災從初期的增長階段向充分發(fā)展階段轉(zhuǎn)變的一個相對短暫的過程。發(fā)生轟然時室內(nèi)的大部分物品開始劇烈燃燒，可以認為此時的火災功率(即熱釋放速率)達到最大值。根據(jù)英國學者托馬斯(Thomas)的研究結(jié)果，室內(nèi)火災發(fā)生轟燃時的臨界熱釋放速率的計算公式為：

式中Qfo——房間達到轟燃所需的臨界熱釋放速率(kW);

AT——房間內(nèi)扣除口后的總表面積(m2);

AV——開口的面積(m2);

HV——開口的高度(m)。

由于上述結(jié)果是以一個面積為16m2的房間內(nèi)的火災實驗數(shù)據(jù)得出的，因此對于小房間的情況預測結(jié)果能夠比較好地反映實際情況，而對于較大的房間，式(4-3-2)的計算結(jié)果可能會有較大的誤差。

這里AVHV1/2稱為通風因子，是分析室內(nèi)火災發(fā)展的重要參數(shù)。通風因子在一定范圍內(nèi)，可燃物的燃燒速率主要由進入燃燒區(qū)域的空氣流量決定，這種燃燒狀況稱為通風控制。如果房間的開口逐漸增大，可燃物的燃燒速率對空氣的依賴逐漸減弱，當開口達到一定程度后可燃物的燃燒主要由可燃物的性質(zhì)決定，此時的燃燒狀況稱為燃料控制。對于木質(zhì)纖維物質(zhì)的燃燒，可用下面的條件判斷燃燒的狀態(tài),即

式中AF——可燃物燃燒的表面積(m2)。

5.燃料控制型火災的計算方法

對于燃料控制型火災，即當火災的燃燒速度由燃料的性質(zhì)和數(shù)量決定時，如果知道燃料燃燒時單位面積的熱釋放速率，那么可以根據(jù)火災發(fā)生時的燃燒面積乘以該燃料單位面積的熱釋放速率得到最大的熱釋放速率，表4-3-8是NFPA928中提供的部分物質(zhì)單位地面面積熱釋放速率。如果不能確定具體的可燃物及其單位地面面積的熱釋放速率，也可根據(jù)建筑物的使用性質(zhì)和相關的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來預測火災的規(guī)模。例如，NFPA928中建議零售商店火災單位面積熱釋放速率可取為500kW/m2，辦公室內(nèi)火災可取為250kW/m2。

四、疏散場景確定

疏散場景設計需要考慮影響人員安全疏散的諸多因素，特別是疏散通道的情況、人員狀態(tài)(如人員密度、對建筑的熟悉程度等)、火災煙氣和人員的心理因素。根據(jù)煙氣計算的火災場景建立相應的疏散模型，并應考慮火災煙氣阻塞出口的最不利工況，計算人員安全疏散時間。

(一)疏散過程

疏散是伴隨著新的沖動的產(chǎn)生和在行動過程中采取新的決定的一個連續(xù)過程。在某種程度上，一種簡化過程的方法就是從工程學的角度將疏散過程分為三個階段：察覺(外部刺激)、行為和反應(行為舉止)、運動(行動)。

(二)安全疏散標準

如果人員疏散到安全地點所需的時間小于通過判斷火場人員疏散耐受條件得出的危險來臨時間，并且考慮到一定的安全余量，則可認為人員疏散是安全的，疏散設計合理;反之則認為不安全，需要改進設計。

疏散時間(RSET)包括疏散開始時間(tstart)和疏散行動時間(taction)兩部分。

1.疏散開始時間(tstart)

疏散開始時間即從起火到開始疏散的時間，一般情況下，疏散開始時間與火災探測系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、起火場所、人員相對位置、疏散人員狀態(tài)及狀況、建筑物形狀及管理狀況、疏散誘導手段等因素有關。疏散開始時間可分為探測時間(td)、報警時間(ta)和人員的疏散預動時間(tpre)，

其中，td是指火災發(fā)生、發(fā)展將觸發(fā)火災探測與報警裝置而發(fā)出報警信號，使人們意識到有異常情況發(fā)生，或者人員通過本身的味覺、嗅覺及視覺系統(tǒng)察覺到火災征兆的時間;ta是指從探測器動作或報警開始至警報系統(tǒng)啟動的時間;tpre是指人員從接到火災警報之后到疏散行動開始之前的這段時間間隔，包括識別時間(trec)和反應時間(tres)，即

其中，trec是指從火災報警或信號發(fā)出后到人員還未開始反應的時間。當人員接受到火災信息并開始作出反應時，識別階段即結(jié)束;tres是指從人員識別報警或信號并開始作出反應至開始直接朝出口方向疏散的時間。與識別階段類似，反應階段的時間長短也與建筑空間的環(huán)境狀況有密切關系，從數(shù)秒鐘到數(shù)分鐘不等。

2.疏散行動時間(tacteon)

疏散行動時間即從疏散開始至疏散到安全地點的時間，它由疏散動態(tài)模擬模型得到。疏散行動時間的預測是基于建筑中人員在疏散過程中是有序進行，不發(fā)生恐慌為前提的。

考慮到疏散過程中存在的某些不確定性因素(實際人員組成、人員狀態(tài)等)，需要在分析中考慮一定的安全余量以進一步提高建筑物的疏散安全水平。安全余量的大小應根據(jù)工程分析中考慮的具體因素，計算模擬結(jié)果的準確程度以及參數(shù)選取是否保守，是否考慮到了足夠的不利情況(如考慮在火災區(qū)附近的疏散出口被封閉)等多方面確定。

(三)疏散相關參數(shù)

1.火災探測時間

一般情況下，對于安裝火災感溫探測器的區(qū)域，火災探測時間可采用DETACT分析軟件進行預測。對于安裝火災感煙探測器的區(qū)域，火災可以通過計算各火災場景內(nèi)煙感探測器動作時間來確定。為了安全起見，也可將噴淋頭動作的時間作為火災探測時間。

2.疏散準備時間

發(fā)生火災時，通知人們疏散的方式不同，建筑物的功能和室內(nèi)環(huán)境不同，人們得到發(fā)生火災的消息并準備疏散的時間也不同。

3.疏散開始時間

(四)人員數(shù)量

人員數(shù)量通常由區(qū)域的面積和該區(qū)域內(nèi)的人員密度的乘積來確定。在有固定座椅的區(qū)域，則可以按照座椅數(shù)來確定人數(shù)。在業(yè)主方和設計方能夠確定未來建筑內(nèi)的最大容量時，則應按照該值確定疏散人數(shù)。否則，需要參考國內(nèi)外相關標準，由各相關方協(xié)商確定。下面是在商業(yè)建筑人員疏散分析中經(jīng)常采用的確定疏散人數(shù)的方法.

(五)人員行進速度

(六)流動系數(shù)

人員密度與對應的人員行進速度的乘積，即單位時間內(nèi)通過單位寬度的人流數(shù)量稱為流動系數(shù)(specific flow)。流動系數(shù)反映了單位寬度的通行能力。其計算公式為：

F=VD(4-3-11)

式中F——流動系數(shù)/[(人/min)/m];

V——人員行進速度(m/min);

D——人員密度(人/m2)。

對大多數(shù)通道來說，通道寬度是指通道的兩側(cè)墻壁之間的寬度。但是大量的火災演練實驗表明人群的流動依賴于通道的有效寬度而不是實際寬度，也就是說在人群和側(cè)墻之間存在一個“邊界層”。在工程計算中應從實際通道寬度中減去邊界層的厚度，再用得到的有效寬度進行計算。

(七)安全裕度

在疏散行動時間的計算中，有些計算模型假設疏散人員具有相同的特征，在疏散開始過程中疏散人員按既定的疏散路徑有序地進行疏散，在疏散過程中人流的流量與疏散通道的寬度成正比分配，人員從每個可用的疏散出口疏散且所有人的疏散速度一致并保持不變。

考慮到危險來臨時間和疏散行動時間分析中存在的不確定性，需要增加一個安全余量。當危險來臨時間分析與疏散行動時間分析中，計算參數(shù)取為相對保守值時，安全裕度可以取小一些，否則，安全裕度應取較大值。一般情況下，安全裕度建議取為0～1倍的疏散行動時間。

對于商業(yè)建筑來說，由于人員類型復雜，對周圍的環(huán)境和疏散路線并不都十分熟悉，所以在選擇安全裕度時，取值建議不應小于0.5倍的疏散行動時間。

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