地下综合换乘广场火灾蔓延及烟气流动状态分析
彭晓航 时颖倩
（唐山市公安消防支队，河北 唐山）
摘要：本文对某城市地下综合换乘广场火灾危险性进行分析，运用火灾动力学模拟软件FDS（Fire Dynamics Simulator）对其性能化防火设计的防火效果进行模拟。通过对特定火灾场景火灾蔓延及烟气流动的模拟计算，得出各安全出口清晰高度处的最低能见度、最高温度、最高CO浓度及到达安全出口可用疏散时间等必要逃生条件，从而得到此设计是否能满足防火要求。
关键词：综合换乘广场；性能化；烟气；FDS模拟
1 引言
随着我国高速铁路建设的飞速发展，火车越来越成为人们便捷出行的主要选择。近年来新兴的综合型综合换乘广场，集候车室、出站口、车辆换乘、商业店面等多方设施为一整体，为集约用地、方便管理，其设计往往不能满足目前《建筑设计防火规范》的规定，需要用性能化防火设计来满足其防火要求。本文利用FDS火灾模拟软件，对某市新建综合换乘广场地下广场建筑综合体进行火灾蔓延及烟气流动状态分析，判断其性能化设计是否可满足实际防火需求。
2 工程概况
某综合换乘广场地下广场，总用地面积111078.33m2，建筑面积为259804.57m2。南北两侧为出让用地的写字楼、酒店、综合商业楼和邮政枢纽楼等配套设施。
广场中央，地面为火车站的绿化集散广场，地下一层为商业、出租车场的综合体，与火车站出站通道及南北地面商业相连通，地下二层为地下车库及设备用房。与南北两侧配套设施物理隔离。综合换乘广场地下广场防火分区示意图见图1。
图1 综合换乘广场地下广场防火分区示意图
3 火灾特点及危险性
地下综合换乘广场是火车、汽车、出租车的综合换乘空间，每天都有大量的旅客通过。一旦发生火灾，易造成重大人员伤亡和财产损失，不仅直接影响到列车的正常运营，而且还会产生严重的不良社会影响。其火灾危险性主要集中在以下几个方面。
3.1 人员密集，疏散难度大
本建筑内人员相对密集，由于地下换乘人员不能直接到达地面，疏散距离较长，加之地下空间出入口少，通道狭窄，环境密闭，通风、照明条件差，因此疏散难度较大。
3.2 地下空间规模大，火灾防治问题突出
一是散热困难，地下空间没有太多的窗户，烟气无法尽快散出，燃烧产生的热量大部分积聚在室内，导致室内温度上升较快。二是烟气量大，地下空间内新鲜空气较地上层供应不足，一旦发生火灾，基本上处于低氧浓度的燃烧，不完全燃烧程度严重，会产生大量浓烟。三是火灾扑救难度大，地下空间发生火灾时，救援通道单一，消防人员无法直接观察火灾具体位置和状况，且不能使用毒性较大灭火剂。
通过上述分析，该综合换乘广场地下广场综合体火灾危险区主要在交通换乘通道及商业区。因此，本文着重分析商业区、交通换乘通道发生火灾的情况。
4 性能化防火分区设计
由于建筑的特殊使用需求，采用如下方式进行防火分区的划分：一是采用下沉广场将地下商业分成四部分，确保每部分商业总面积小于20000m2。二是将交通换乘通道作为“临时安全区”。交通换乘通道主要作为人员走道，无固定火灾荷载，本身火灾发生概率较低，该建筑公共走道自身的宽度不小于8m，其内部任意点到最近安全出口不大于60m，并且设置自动喷水灭火系统，从而使交通换乘通道作为一个较安全的人员疏散过渡区域，形成“临时安全区”。三是商业店铺形成“防火单元”。采用防火玻璃或受喷淋保护钢化玻璃系统将店铺与公共区域之间分隔开，同时店铺内部设置火灾报警、自动喷水灭火和机械排烟系统，若干个同侧相连的店铺与其他店铺之间用防火墙分隔开，形成相互独立的“防火单元”。
通过以上途径，使得商业部分按照2000m2设置防火分区，出租车场按照4000m2设置防火分区，其他部分按照1000m2设置。
5 火灾蔓延及烟气流动分析及判断标准
5.1 火灾蔓延及烟气流动分析
火灾的蔓延方式有火焰接触、延烧、热传导、热辐射等。当可燃物为离散布置时，热辐射是一种促使火灾在室内及建筑物间蔓延的重要形式。当火灾烟气达到足够的温度时，其产生的热辐射强度将会引燃周围可燃物，从而导致火灾的蔓延。本文通过FDS模拟计算得到火源所在防火区域之外的其他防火区域的烟气层最高温度。如果烟气层温度高于设定的极限温度，则认为火灾将通过热辐射在防火区域间进行蔓延；如果烟气层温度小于设定的极限温度，可认为火灾不会通过热辐射在防火区域间进行蔓延。
5.2 判定标准
根据相关试验，可燃物品被引燃所需的最小热流为10kW/m2。火灾的辐射热为10kW/m2时，约相当于烟气层的温度达到360～400℃时的状态。因此本文将360℃作为火灾在防火区域间蔓延的极限温度，即烟气层温度大于该值时，火灾将通过热辐射在防火区域间进行蔓延；当烟气层温度小于该值时，可认为火灾不会通过热辐射的方式在防火区域间蔓延。本文提出如下判定标准。
（1）着火区域内的顶棚烟气温度小于600℃，地面热辐射热通量小于20kW/m2。
（2）着火区域以外区域内的可燃物所接受的热辐射小于10kW/m2，烟气温度小于360～400℃。
6 人员安全疏散判断标准
人员安全疏散过程的安全性分析通过模拟计算确定。具体分析过程是：首先分析需要评估的建筑物火灾危险性，并根据评估的火灾危险性设定相应的火灾场景和疏散场景；然后利用模拟软件对不同火灾场景下的火灾蔓延及烟气扩散过程进行模拟计算，得到可用安全疏散时间TASET；利用疏散模拟软件对疏散场景下的人员疏散过程进行模拟，得到必要的安全疏散时间TRSET；最后判断TASET>TRSET是否成立。若TASET>TRSET成立，则可以认为在该火灾场景下，人员可以安全疏散，场所的设计的安全的。通常认为在模拟计算过程中影响人员安全疏散的主要性能参数包括烟气层高度、对流热、热辐射、能见度、烟气毒害性等方面。
本文对所有安全出口处以上参数进行分析，危险状况的性能判据设定如下：
（1）烟气层距离人员活动地板高度2.3m以下的温度不应超过60℃。
（2）烟气距离人员活动地面高度2.3m以下的能见度不小于10.0m。
（3）烟气距离人员活动地面高度2.3m以下的CO浓度不大于500ppm。
7 火灾场景分析
7.1 火灾荷载分析
火灾荷载是建筑物内所有可燃物燃烧释放出的总热值，空间内的火灾荷载越大，其火灾危险性和危害性越大。本建筑火灾荷载主要在集散通道和两侧商铺、餐厅较为集中。交通换乘通道内的可燃物除信息提示屏幕、指示牌、广告牌等固定可燃物外，最主要的可燃物是旅客随身携带的行李，商业店铺的主要可燃物为商铺内出售的商品，餐厅主要可燃物为桌椅。
7.2 火源位置分析
火源位置是设定火灾场景中的重要参数，在设定火灾场景时，一般可根据建筑的几何特征和火灾危险性分析结果来设置。在选取发生火灾的位置时，主要考虑某处发生火灾后，可能对人员的疏散造成最不利影响的情况。基于对本建筑内可燃物分布的分析，本文共设置了5处火源位置。
火源位置A：火灾发生在换乘大厅北侧通道附近某餐饮店内，可燃物为餐饮桌椅，见图2。
图2 火源位置
火源位置B：火灾发生在换乘大厅中部通道内，可燃物为旅客行李，见图2。
火源位置C：火灾发生在换乘大厅南侧通道附近某餐厅内，可燃物为座椅，见图2。
火源位置D：火灾发生在换乘大厅北侧通道附近某商场内，可燃物为服装等商品，见图2。
火源位置E：火灾发生在换乘大厅中部通道附近某商场内，可燃物为服装等商品，见图2。
7.3 火灾增长速率分析
大多数民用建筑火灾在没有可燃液体和可燃气体参与，而以纤维类火灾为主要特征时，其初期增长速率都较缓慢。当火灾增长到一定规模后，增长速率将加速。火灾的热释放速率与火灾发展时间关系可用（公式1）表示：
（1）
式中，
为火源热释放速率，kW；α为火灾增长系数，kW/s2；t为火灾的燃烧时间，s；t0为火灾的阴燃时间，s。
在工程应用中，由于火灾阴燃阶段对火灾蔓延影响较小，通常可不考虑火灾达到有效燃烧需要的时间，仅研究火灾开始有效燃烧后的情况，故取t0=0。因此火灾热释放速率随时间的变化关系可以简化为：
（2）
对于t2火灾的类型，国际标准ISO/TS 16733根据火灾增长系数α的值定义了4种标准t2火灾：慢速火、中速火、快速火和超快速火，它们分别在600s、300s、150s、75s时刻可达到1MW的火灾规模，具体参数见表1。
表1 火灾增长系数
本文根据公安部天津消防研究所关于商铺火灾、行李火灾的实验研究，将商铺火灾设定火灾初期按t2快速火增长，火灾增长系数为α=0.04689；将行李火灾设置为按t2中速火发展，其火灾增长系数α=0.01172kW/s2，根据美国NIST、加拿大NRC（National Research Council）和IRC（Institute for Research in Construction）关于桌椅火灾的实验结果，将餐饮火灾设定为按t2快速火发展，其火灾增长系数α=0.04689kW/s2。
7.4 火灾最大热释放速率分析
火灾的最大热释放速率与起火区的火灾荷载以及起火后的消防控制措施有关。本建筑各功能区域均设有自动喷水灭火系统。当自动喷水灭火系统维护管理良好时，其区域内的火灾可按受到自动喷水灭火系统控制的火灾考虑。通常可设定：当自动喷水灭火系统启动一定时间以后，火灾热释放速率将不再增加，并在维持一定的时间后逐渐衰减。
通过参考相关文献，设定三种火灾最大热释放速率如下。
（1）商铺火灾：Q=0.047（t-t0）2，自动灭火系统有效时，在142s火灾达到最大热释放速率1.5MW；自动灭火系统失效时，在505s火灾达到最大热释放速率12.0MW。
（2）行李火灾：Q=0.012（t-t0）2，自动灭火系统有效时，在268s火灾达到最大热释放速率1.3MW；自动灭火系统失效时，在600s火灾达到最大热释放速率4.3MW。
（3）餐饮店火灾：Q=0.047（t-t0）2，自动灭火系统有效时，在142s火灾达到最大热释放速率1.5MW；自动灭火系统失效时，在531s火灾达到最大热释放速率13.2MW。
7.5 火灾场景设定
根据前文分析结果，将火灾场景设置如表2。
表2 设定火灾场景分析汇总表
7.6 FDS模型建立
由于FDS在建模时，只能建立矩形模型。因此，对于本建筑的弧形中庭等圆弧模型，本文采用了以折线代替弧线的处理方式。图3、图4为模型效果图。
图3 FDS模型
图4 FDS模型
初始条件
（1）建筑模型：以建筑实际尺寸建模。
（2）环境条件：环境初始温度24℃，初始风速0m/s。
（3）壁面边界条件：绝热。
（4）排烟系统：和火灾报警系统联动启动。
（5）燃料类型：复合材料。
（6）模拟时间：1800s。
8 模拟结果分析
通过FDS模拟计算，得到各安全出口附近清晰高度处各项参数的极限值如表3所示。
表3 各安全出口附近清晰高度处各项参数的极限值
9 结论
通过对设定火灾场景下火灾烟气运动的模拟分析，可得到如下结论。
（1）北部通道和南部通道附近的商场厅发生火灾时，不论灭火系统是否有效，大部分烟气将通过下沉广场排出室外，可将烟气控制在局部区域。
（2）中部通道发生火灾时，在排烟系统有效动作的情况下，不论灭火系统是否有效，大部分烟气将通过自然排烟口排出室外，可将烟气控制在局部区域，在排烟系统失效的情况下，中部通道内会充满烟气，会影响人员安全疏散。
综上所述，针对该综合换乘广场地下广场综合体所确定的排烟设计方案可行。
参考文献
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