某住院樓安全疏散可靠性分析

1、某住院樓安全疏散可靠性分析隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展我國(guó)醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的建設(shè)也不斷發(fā)展。在國(guó)家的 等級(jí)醫(yī)院中，都設(shè)立有規(guī)模不等的住院樓。住院樓內(nèi)大部分為傷病員，他 們不具備正常健康人的疏散能力，甚至有不少人長(zhǎng)期病臥床上，一切生活 事務(wù)全靠別人護(hù)理，根本不能自行活動(dòng)，遇到火災(zāi)威脅，只能靠他人擔(dān)抬、 背負(fù)進(jìn)行疏散，使逃離火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的難度大大增加，存在疏散人員困難的危 險(xiǎn)性。在任何緊急情況發(fā)生時(shí)要將所有人員疏散難度很大。2005年12月25 日，吉林省遼源市中心醫(yī)院發(fā)生特大火災(zāi)，此次火災(zāi)共造成37人死亡，其 中當(dāng)場(chǎng)死亡22人，送往醫(yī)院經(jīng)搶救無(wú)效死亡15人，95人受傷，其中重傷46 人。此事件更是對(duì)我國(guó)醫(yī)療場(chǎng)所安

2、全疏散可靠性提出質(zhì)疑。類似大量傷亡 事例表明了安全疏散在發(fā)生類似火災(zāi)等緊急情況下的重要性。它是使人能 從發(fā)生事故的建筑中，迅速撤離到安全部位（室外或避難層、避難間等）， 及時(shí)轉(zhuǎn)移室內(nèi)重要的物資和財(cái)產(chǎn)，同時(shí)，盡可能地減少火災(zāi)造成的人員傷 亡與財(cái)產(chǎn)損失，也為消防人員提供有利的滅火條件的重要保障。安全疏散是建筑防火設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的組成部分。它的設(shè)計(jì)質(zhì)量，不 僅關(guān)系到平時(shí)的正常使用，更重要的是一旦發(fā)生火災(zāi)事故，必須保證建筑 物內(nèi)的人員能夠及時(shí)疏散到安全區(qū)域，除此之外，安全疏散也是消防隊(duì)員 撲滅火災(zāi)、營(yíng)救傷員，盡量降低火災(zāi)損失的必要條件。因此安全疏散設(shè)計(jì) 必須滿足我國(guó)現(xiàn)行建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范的基本要求。然而

3、由于住院樓使 用對(duì)象的特殊性，其安全疏散設(shè)計(jì)在滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基本要求時(shí)，有必要 通過(guò)火災(zāi)模擬和工程計(jì)算的手段確認(rèn)其功能的可靠性。本文選取華中地區(qū)某醫(yī)院三層住院樓為對(duì)象，采用火災(zāi)模擬與工程計(jì) 算相結(jié)合的方法對(duì)其疏散設(shè)計(jì)的可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)。住院樓的現(xiàn)狀設(shè)計(jì)此住院樓主要采用磚混結(jié)構(gòu)，起結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)參數(shù)如下表所示：表11 醫(yī)院住院樓的結(jié)構(gòu)參數(shù)房間數(shù)房間20個(gè)房間進(jìn)深（m）6.0 （?。?.0 （大）房間寬度（m）3.0 （?。?、4.0 （大） TOC o 1-5 h z 房間凈高（m）3.6樓道寬度（m）2.0頂棚材料石膏地板材料混凝土墻壁材料石膏高度（m）3.0門（20個(gè)）寬度（m）1.5水平開口高度

4、（m）3.6安全出口（ 1個(gè)）寬度（m）4.0其平面圖與立面圖如下所示：圖11 該醫(yī)院住院樓標(biāo)準(zhǔn)層平面圖ffl fflffl圖1.2 該醫(yī)院住院樓立面圖RSET的計(jì)算對(duì)于計(jì)算參數(shù)設(shè)定與修正的幾點(diǎn)說(shuō)明：（1）該棟三層醫(yī)院住院樓中，假定最不利疏散條件下每間大房間能 容納4人，小房間能容納2人，另外樓道護(hù)士站有8人，每層一共需疏散 64人。（2）計(jì)算疏散時(shí)間必然考慮最不利疏散情況，故設(shè)定起火源在底層5 號(hào)房間內(nèi)（如圖）。第三層5號(hào)房間為最不利疏散房間作為研究主要對(duì)象。（3）一層人員發(fā)現(xiàn)著火到開始疏散的反應(yīng)滯后時(shí)間，由于有大量病 員，所有參數(shù)擴(kuò)大1.5倍，即將正常情況下給出的180秒反應(yīng)滯后時(shí)間修 正

5、為T廣270秒。人員的整個(gè)疏散時(shí)間可分為疏散前的滯后時(shí)間，疏散中通過(guò)某距離的 時(shí)間及在某些重要出口的等待時(shí)間三部分，根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可將 人們的疏散通道分成若十個(gè)小段。在某些小段的出口處，人群通過(guò)時(shí)可能 需要一定的排隊(duì)時(shí)間。于是第i個(gè)人的疏散時(shí)間匕可表示為t = t +礦（d /v ） +義菩 （1）式中，t 為疏散前的滯后時(shí)間，包ii.delayi.n i.nm.queuei.delay括覺(jué)察火災(zāi)和確認(rèn)火災(zāi)所用的時(shí)間；d為第n段的長(zhǎng)度；vin為該人在第n 段的平均行走速度；Ng為第n段出口處的排隊(duì)等候時(shí)間。最后一個(gè)離醫(yī) 院住院樓的人員所用的時(shí)7可就是該住院樓人員疏散所需的疏散時(shí)間。為了

6、 了解醫(yī)院住院樓人員行走情況，提出人員疏散的主要參數(shù)如下表所示。表1.2 人員疏散參數(shù)大廳或走廊樓梯間內(nèi)平均行平均密單位寬度平均流量平均行走速平均密單元寬度走速度度人 /（ m - s）度度平均流量m/s人/ m 2m/s人/ m2人（ m - s）1.320.3080.640.5381.270.4310.610.7191.170.7190.581.0751.021.0750.531.5380.562.1740.432.7030.932.1741.372.7030.93在開始疏散時(shí)算起，某人在房間內(nèi)的逗留時(shí)間視為其排隊(duì)時(shí)間。人的 行走速度根據(jù)不同的人流密度選取。當(dāng)人流密度大于1人/m2時(shí)，采用

7、0.6m/s 的疏散速度；當(dāng)人流密度小于1人/m2時(shí)，疏散速度取為1.2m/s但是由于醫(yī) 院此特殊場(chǎng)景所導(dǎo)致的疏散不便，故將以上疏散速度加以修正，同時(shí)縮小 1.5倍。則在不同人流密度下的疏散速度如下表：表13該住院樓在不同人流密度下的疏散速度人流密度1人/ m 2人流密度1人/ m 20.4m/s0.8m/s圖1.3 頂層疏散示意圖Pauls提出，下樓梯的人員流量f與樓梯的有效寬度w和使用樓梯的人數(shù)p 有關(guān)，其計(jì)算公式為：f=( w/8040)0.73X p 0.27 ( 2)式中，流量f的單位為人/s , w的單位為mm。此公式的應(yīng)用范圍為0.1 p / w 0.55。如此計(jì)算過(guò)程如下： 在

8、第區(qū)域：疏散距離以門的寬度計(jì)算，人流密度1人/ m 2，則T =2/0.8=2.50s ；1在第區(qū)域：疏散人流密度=8/( 3 x 2-1.5)x 2=0.881人/ m 2，則T3=8/0.4=20.00s在第區(qū)域：由于人員在緊急情況下無(wú)法正常判斷疏散形式，容易一 同或結(jié)伴或跟隨于一個(gè)疏散樓梯疏散，考慮最不利情況，處于每層樓中廳 護(hù)士站人員亦從此樓梯疏散的疏散人數(shù)算上護(hù)士站8人，則疏散人流密度 =36/ ( 1.5+2)x( 1.5+2)=2.941 人 / m2，則 T4=4/0.4=10.00s ；在第區(qū)域：三層至二層的樓梯段：p/w =64/400=0.16符合公式計(jì)算要 求，則 匕=

9、(400/8040)0.73 x 640.27 =0.11 x 3.07=0.34 人 /s，則此段樓梯的疏散時(shí) 間=64/0.34=188.24s；二層至一層的樓梯段：p/w =128/400=0.32 符合公式要求，則 /2= (400/8040)0.73 x 1280.27 =0.11 x 3.71=0.41 人 /s，則此段樓梯上的疏 散時(shí)間I =128/0.41=312.19；則樓梯段的疏散時(shí)間T = t +1 =500.43s2512進(jìn)入大廳則進(jìn)入安全階段，由于建筑物大廳面積與大門開口足夠大， 疏散迅速，故設(shè)定由樓梯進(jìn)入大廳到走出大門疏散完畢的時(shí)間為5秒。綜上，考慮最不利情況下疏散

10、通道內(nèi)的疏散時(shí)間和反映滯后時(shí)間，則 總疏散時(shí)間：T = T + T + T + T + T + T =270+2.50+5.63+20+10+500.43=808.56s0 d 12345T0=13.48 分鐘。艮 RSET=13.48 分鐘。ASET的計(jì)算由于該住院樓的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，本文選用火災(zāi)區(qū)域模擬軟件CFAST對(duì)評(píng) 價(jià)對(duì)象的ASET進(jìn)行模擬計(jì)算?；馂?zāi)區(qū)域模擬及CFAST的原理火災(zāi)區(qū)域模擬方法通常將火災(zāi)房間分為上下兩個(gè)區(qū)域，即上部的熱煙 氣區(qū)和下部的冷空氣區(qū)，并且假設(shè)兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的參數(shù)是均勻的，針對(duì)兩個(gè) 區(qū)域分別列出質(zhì)量守恒和能量守恒方程，每一個(gè)方程式都可以依據(jù)質(zhì)量流 量和能量流量來(lái)表達(dá)。這

11、兩個(gè)參數(shù)的變化率反映了在兩區(qū)域之間由于羽 流、自然和機(jī)械通風(fēng)、對(duì)流、輻射、熱傳導(dǎo)等物理現(xiàn)象而導(dǎo)致的質(zhì)量和熱 量交換。區(qū)域之間的質(zhì)量交換主要由羽流和通風(fēng)口的摻混作用造成，能量 交換除了由質(zhì)量交換帶來(lái)的能量傳遞外，還考慮輻射和導(dǎo)熱的影響。如圖 1.4所示，單個(gè)房間被分成兩個(gè)控制體，一個(gè)相對(duì)熱的上層和一個(gè)相對(duì)冷的 下層，分別用mv和mL表示流入上層和下層的質(zhì)量，用s和匕表示流入上 層和下層的熱量。兩層中氣體的參數(shù)有質(zhì)量、內(nèi)能、密度、溫度和體積， 分別用m、E、p、T和V來(lái)表示，i=L表示下層，i=U表示上層。而房間 i i i i i作為一個(gè)整體，假定上下兩層的壓力相同，具有的屬性是壓力P。這11個(gè)

12、 變量通過(guò)下面約束方程聯(lián)系起來(lái)：密度公式p = mV（一）內(nèi)能公式E = clmT（二）理想氣體定律P = Rp T（三）總體積不變V Vl +匕（四）其中密度、內(nèi)能和理想氣體對(duì)上下層均成立，即由（一）、（二）、 （三）式分別對(duì)上下層使用一次，再加上（四）式，共得到7個(gè)方程式。其中定容比熱氣、定壓比熱c、氣體常數(shù)R和熱容比酒個(gè)參數(shù)在推導(dǎo)中均 假定為常數(shù)，并有如下關(guān)系：r -pR = c - ccp v由上下層氣體的質(zhì)量和能量守恒而得到的另外4個(gè)方程dm質(zhì)量微分方程：mdt i能量守恒方程：內(nèi)能+功=熱E + P竺s，i = （U, L）dt dt i從而完成了關(guān)于11個(gè)參數(shù)的方程組的建立。再通

13、過(guò)一系列推導(dǎo)可以得 到如表1.4的所有變量的微分方程式。表1.4 區(qū)域模型的守恒方程變量微分方程質(zhì)量dm= mdti壓力dp _ y 1f 工、 dt V(如)內(nèi)能虬=1( s +vdp) dt y i i dt續(xù)表1.4圖1.4 區(qū)域模型中控制體示意圖體積=|Q1)S vdPdt Py _i dt密度dp _1匚=dt cTV(s cimT )LdPP i i人一1 dt溫度(s - c mT )- V dPi P i i i dtdT _1讓=dt c p V從表1.4中任選4個(gè)獨(dú)立方程，與前面7個(gè)代數(shù)方程構(gòu)成一個(gè)關(guān)于11個(gè)變量的完整的方程組。這4個(gè)獨(dú)立的方程可以用數(shù)值方法解出，其余7個(gè)變

14、量 就可以由這4個(gè)變量推導(dǎo)出來(lái)。在CFAST軟件中，首先可以從V直接算出 U熱煙氣層厚度；其次，溫度T、Tl既是火災(zāi)過(guò)程的主要特征量，也是實(shí)驗(yàn) 較為容易測(cè)定的對(duì)象，再者，V、T、T的方程中均包含空項(xiàng)，在計(jì)算 u u Ldt開口流時(shí)將直接用到P值，這樣就將方程改換為如下有關(guān)區(qū)域溫度（Tv、 T）、體積V和壓力P的獨(dú)立方程組： 乙dp n G + s）=(/ -1)yp L1，s - V dPU U dt-c m T )+ V dPU P U U U dtdt c p V dT 1 dtdt V L U dV U dt dT U（s - c mT ）+ V dPC P V L L P L L L

15、dt _ P L L以此方程組為基礎(chǔ)，即可求解區(qū)域模型中的11個(gè)參變量。CFAST應(yīng)用針對(duì)疏散最不利房間樓層最高，離疏散樓梯間最遠(yuǎn)的樓道末端病房進(jìn) 行研究。以下表1.5是該住院樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與火源假設(shè)參數(shù)：表1.5 住院樓結(jié)構(gòu)及火源（假設(shè)）參數(shù)房間進(jìn)深（m） 房間開間（m） 室內(nèi)凈高（m）頂棚材料地板材料墻壁材料6.03.03.6石膏混凝土石膏樓梯間開口寬度（m）8.0安全出口高度（m）3.6（1）水平出口寬度（m）4.0高度（m）2.5豎直開口無(wú)X （ m）1.0位置Y （ m）1.0Z （ m）1.0主要火源火焰高度（m）0.5燃燒熱（J/g）124000初始可燃物溫度（oC）20火焰的輻射

16、系數(shù)0.35內(nèi)部初始溫度（oC)20.0外部初始溫度（OC)15.5環(huán)境條件內(nèi)外的初始相對(duì)濕度65內(nèi)外壓力P101325（1）設(shè)計(jì)火災(zāi)本火災(zāi)模擬的主要火源是住院樓一層5號(hào)房間中心的病床，模擬實(shí)體 家具火災(zāi)，火災(zāi)的增長(zhǎng)近似按發(fā)展，并設(shè)定在火災(zāi)中噴淋系統(tǒng)將啟動(dòng)。 CFAST軟件中應(yīng)用的設(shè)計(jì)火災(zāi)就是12火災(zāi)發(fā)展模型，它是一種常用的火災(zāi) 發(fā)展模型，用來(lái)描述火災(zāi)過(guò)程中熱釋放速率隨時(shí)間的變化過(guò)程。不考慮火 災(zāi)的初期準(zhǔn)備過(guò)程，其表達(dá)式為：Q = bt 2式中，Q火源的熱釋放速率，kWb火災(zāi)的發(fā)展系數(shù)，b = Q0/tt火災(zāi)的發(fā)展時(shí)間，st0火源的熱釋放速率Q0=1MW時(shí)所需要的時(shí)間，s?；馂?zāi)發(fā)展系數(shù)表征火災(zāi)

17、蔓延的快慢，根據(jù)NFPA的分類，火災(zāi)發(fā)展階 段可分為極快、快速、中等和緩慢四種類型，其對(duì)應(yīng)的參數(shù)值如表1.6所示。 本火災(zāi)采用快速火災(zāi)，艮旺=0.0469，這將在定義主要火源時(shí)使用到。表1.6 火焰水平蔓延速度火災(zāi)蔓延分級(jí)btn緩慢0.0029584中等0.0117292快速0.0469146極快0.187673（2）室內(nèi)火災(zāi)的可耐受條件室內(nèi)火災(zāi)危險(xiǎn)狀態(tài)確定條件為：a）當(dāng)煙氣層界面高于人眼特征高度時(shí)，若上部煙氣層的熱輻射強(qiáng)度 能夠?qū)θ藰?gòu)成傷害，就可以認(rèn)為達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)。有資料表明，煙氣溫度超 過(guò)180 C時(shí)便可構(gòu)成這種危險(xiǎn)。b）如果煙氣層界面低于人眼特征高度，對(duì)人的危害是直接燒傷或吸 入熱氣體，

18、這種危險(xiǎn)狀態(tài)的煙氣溫度值約為110120 C，取115 C。c）當(dāng)煙氣層界面低于人眼特征高度時(shí)，還可以根據(jù)某種有害燃燒產(chǎn) 物的臨界濃度判定是否達(dá)到了危險(xiǎn)狀態(tài)。人眼的特征高度通常為 1.21.8m，取為 1.5m。（3 ）火災(zāi)模擬計(jì)算該火災(zāi)模擬是在最不利條件（出口關(guān)閉、無(wú)機(jī)械通風(fēng)）下進(jìn)行的。設(shè) 計(jì)模擬時(shí)間為1800秒（30分鐘）。在CFAST軟件中輸入模型的相應(yīng)參數(shù)（見(jiàn) 表1.5 ），點(diǎn)擊火災(zāi)模擬按鈕，進(jìn)行火災(zāi)模擬。圖1.61.10給出了火災(zāi)模擬 計(jì)算結(jié)果，結(jié)果表明，在火災(zāi)發(fā)展過(guò)程中：（1）煙氣層高度最低為2.62m， 達(dá)不到危險(xiǎn)臨界條件的1.50m ； （ 2）上部煙氣層最高溫度在火災(zāi)發(fā)生1530 秒（25.5分鐘）以后才達(dá)到180 C；下部空氣層最高溫度在模擬到1800秒（30 分鐘）以后，才達(dá)到30.26 C，遠(yuǎn)低于判據(jù)所規(guī)定的115 C；（ 3 ） CO、CO2 濃度是逐漸增長(zhǎng)的，模擬結(jié)束后分別為0.0553% （小于0.25% ）、1.761% （小于6% ），O2濃度是逐漸下降的，模擬結(jié)束后為18.27%，均不在危險(xiǎn) 范圍內(nèi)。CFAST軟件模擬計(jì)算表明：該醫(yī)院住院樓發(fā)生火災(zāi)后達(dá)到臨界條 件的可耐受時(shí)間，即實(shí)際允許疏散時(shí)間ASET為25.5分鐘12。模擬空間圖與相關(guān)數(shù)據(jù)的曲線圖如下所示：圖1.5 模