火灾场景和疏散场景设定

申请免费试用、咨询电话：400-8352-114

内容摘要：火灾场景是对某特定火灾从引燃或者从设定的燃烧到火灾增长到最高峰以及火灾所造成的破坏的描述。火灾场景的建立应包括概率因素和确定性因素；也就是说，此种火灾发生的可能性有多大，如果真的发生了，那么火灾又是怎么发展和蔓延的。在建立火灾场景时，我们应该考虑的因素有很多，其中包括：建筑的平面布局；火灾荷载及分布状态；火灾可能发生的位置；室内人员的分布与状态；火灾可能发生时的环境因素等。

一、火灾场景确定的原则

火灾场景的确定应根据最不利的原则确定，选择火灾风险较大的火灾场景作为设定火灾场景。如火灾发生在疏散出口附近并令该疏散出口不可利用、自动灭火系统或排烟系统由于某种原因而失效等。火灾风险较大的火灾场景一般为最有可能发生，但火灾危害不一定最大；或者火灾危害大，但发生的可能性较小的火灾场景。

火灾场景须能描述火灾引燃、增长和受控火灾的特征以及烟气和火势蔓延的可能途径、设置在建筑室内外的所有灭火设施的作用、每一个火灾场景的可能后果。

1.在设计火灾时，应分析和确定建筑物的以下基本情况

①建筑物内的可燃物；

②建筑的结构、布局；

③建筑物的自救能力与外部救援力量。

2.在进行建筑物内可燃物的分析时应着重分析以下因素

①潜在的引火源；

②可燃物的种类及其燃烧性能；

③可燃物的分布情况；

④可燃物的火灾荷载密度。

3.在分析建筑的结构布局时应着重考虑以下因素

①起火房间的外形尺寸和内部空间情况；

②起火房间的通风口形状及分布、开启状态；

③房间与相邻房间、相邻楼层及疏散通道的相互关系；

④房间的围护结构构件和材料的燃烧性能、力学性能、隔热性能、毒性性能及发烟性能。

4.分析和确定建筑物在发生火灾时的自救能力与外部救援力量时应着重考虑以下因素

①建筑物的消防供水情况和建筑物室内外的消火栓灭火系统；

②建筑内部的自动喷水灭火系统和其他自动灭火系统（包括各种气体灭火系统、干粉灭火系统等）的类型与设置场所；

③火灾报警系统的类型与设置场所；

④消防队的技术装备、到达火场的时间和灭火控火能力；

⑤烟气控制系统的设置情况。

5.在确定火灾发展模型时，应至少考虑下列参数

①初始可燃物对相邻可燃物的引燃特征值和蔓延过程；

②多个可燃物同时燃烧时热释放速率的叠加关系；

③火灾的发展时间和火灾达到轰燃所需时间；

④灭火系统和消防队对火灾发展的控制能力；

⑤通风情况对火灾发展的影响因子；

⑥烟气控制系统对火灾发展蔓延的影响因子；

⑦火灾发展对建筑构件的热作用。

二、确定火灾场景的方法

确定火灾场景可采用下述方法：故障类型和影响分析、故障分析、如果－怎么办分析、相关统计数据、工程核查表、危害指数、危害和操作性研究、初步危害分析、故障树分析、事件树分析、原因后果分析和可靠性分析等。

事件树是风险级别评定程序中常用的一个方法，不过风险级别评定过程常常可以进行简化。在这种情形下，风险级别评定不需要事件树就能进行。然而，在不能使用简化方式的时候需要采用事件树的方法，根据构成火灾场景单一的事件的发生概率，得到该火灾场景的发生概率。

（一）事件树

事件树的构建代表与火灾场景相关的从着火到结束的时间事件顺序。事件树的构建始于初始的事件，例如对于所有消防安全系统的特征及所有居住者而言，与初始状态相结合的初始事件是起火。接着构建分叉和添加分支来反映每个可能发生的事件。此过程不断反复直到表现出所有可能的初始状态。每个分叉是基于可能事件的发生来构建的。贯穿此树的路径代表研究的火灾场景。

事件树表现为火灾特征、系统及特征的状态、人员的响应、火灾最终结果和影响后果的其他方面的变化。与建筑系统和特征相关的事件实例包括：

①火灾引燃的第二个物件；

②火灾被门或其他障碍物阻隔；

③质量下降或性能降低的系统或特征；

④窗户上的玻璃破裂。

事故树是类似事件树的逻辑树，不过在每个分支上是一个条件或状况，而不是按时间发展的事件。场景是贯穿这混合树的一条单一的路径。

（二）发生的概率

采用获得的数据和推荐的工程评价方法估算每个事件发生的概率。对于有些分支，初始火灾的特征是主导因素，火灾事故数据是获得合适概率的数据源。

通过沿着路径直到场景的所有概率相乘来评估每个场景相关的概率。

（三）火灾后果的考虑

采用获得的可靠数据和推荐的工程评价方法来估计每个场景的后果。后果应以适当的方式（如人员死伤或预期的火灾损失费用）来体现。此估计可以考虑随时间改变的影响。

当估算因火灾导致人员死伤的后果时，应保证使用的数据是与研究中的场景相关的。有关人员行为取决于环境的性质。

（四）风险评定

按风险顺序评定程序，风险可通过后果的概率和场景的发生概率相乘进行估算。

（五）最终的选择

对于每一个消防安全目标，应选用风险级别最高的火灾场景进行定量分析。所选的场景应该代表主要的累加风险，即所有场景的风险总和。

①应考虑一个火灾场景对风险的重大影响，否则可能忽略一个特殊的消防安全系统或特殊的设计；

②在此阶段，由于一个场景产生的结果导致设计所需采用的费用相当高，而不考虑它对风险的重大影响是不恰当的。应该在详细的分析之后，来决定是否接受这个导致成本过高的特殊火灾场景的风险。

三、火灾场景设计

设计火灾是对某一特定火灾场景的工程描述，可以用一些参数如热释放速率、火灾增长速率、物质分解物、物质分解率等或者其他与火灾有关的可以计量或计算的参数来表现其特征。

（一）火灾危险源辨识

设计火灾场景，首先应进行火灾危险源的辨识。分析建筑物里可能面临的火灾风险主要来自哪些方面。分析可燃物的种类，火灾荷载的密度，可燃物的燃烧特征等。火灾危险源识别是开展火灾场景设计的基础环节，只有充分、全面地把握建筑物所面临的火灾风险的来源，才能完整、准确地对各类火灾风险进行分析、评判，进行采取针对性的消防设计措施，确保将火灾风险控制在可接受的范围之内。

（二）火灾增长

火灾在点燃后热释放速率将不断增加，热释放速率增加的快慢与可燃物的性质、数量、摆放方式、通风条件等有关。原则上，在设计火灾增长曲线时可采用以下几种方法：①可燃物实际的燃烧实验数据；②类似可燃物实际的燃烧实验数据；③根据类似的可燃物燃烧实验数据推导出的预测算法；④基于物质的燃烧特性的计算方法；⑤火灾蔓延与发展数学模型。在性能化设计中，如果能够获得所分析可燃物的实际燃烧实验数据，那么采用实验数据进行火灾增长曲线的设计是最好的选择。

大量实验表明，多数火灾从点燃到发展到充分燃烧阶段，火灾中的热释放速率大体上按照时间的平方的关系增长，只是增长的速度有快有慢，因此在实际设计中我们常常采用这一种称为“t平方火”的火灾增长模型对实际火灾进行模拟。火灾的增长规律可用下面的方程描述：

（4-3-5-1）

式中 —热释放速率，kW；

—火灾增长系数，kW/s2；

t—时间，s。

t平方火的增长速度一般分为慢速、中速、快速、超快速四种类型，如图4-3-5-1所示，其火灾增长系数如表4-3-5-1所示。

图4-3-5-1 四种t平方火增长曲线

表4-3-5-1 四种标准t2火

增长类型 火灾增长系（kW/s2） 达到1MW的时间（s） 典型可燃材料

超快速 0.1876 75 油池火、易燃的装饰家具、轻的窗帘

快速 0.0469 150 装满东西的邮袋、塑料泡沫、叠放的木架

中速 0.01172 300 棉与聚酯纤维弹簧床垫、木制办公桌

慢速 0.00293 600 厚重的木制品

实际火灾中，热释放速率的变化是个非常复杂的过程，上述设计的火灾增长曲线只是与实际火灾相似，为了使得设计的火灾曲线能够反映实际火灾的特性，应作适当的保守的考虑，如选择较快的增长速度，或较大的热释放速率等。

（三）设定火灾

安全目标不同，确定最大火灾规模的方法也不同。火灾规模是性能化设计中的重要参数，工程上通常参考以下三种方法来综合确定火灾的规模。

1.喷淋启动确定火灾规模

对于安装自动喷水灭火系统的区域，其火灾发展通常将受到自动喷水灭火系统的控制，一般情况下自动喷水灭火系统能够在火灾的起始阶段将火扑灭，至少是将火势控制在一定强度下。

假定自动喷水灭火系统启动后火势的规模将不再扩大，火源热释放速率保持在喷头启动时的水平。自动喷水灭火系统控制下的火灾规模可以使用DETACT分析软件进行预测。

考虑到同一类型喷头之间RTI值之间的差异，在采用上述方法预测火灾规模时建议取最大的RTI值。比如，ESFR喷头取28（m• s）0.5，快速响应喷头取50（m• s）0.5，普通喷头取350 （m• s）0.5。

2.相关设计规范或指南

上海市工程建设规范《民用建筑防排烟技术规程》DGJ 08-88“火灾模型的确定和排烟量”给出了各类场所的火灾模型，有关商业建筑的火灾规模参见下表4-3-5-2。

表4-3-5-2 热释放量

建筑类别 热释放量Q（ＭＷ）

设有喷淋的商场 ５

设有喷淋的办公室、客房 １.５

设有喷淋的公共场所 ２.５

设有喷淋的汽车库 １.５

设有喷淋的超市、仓库 ４

设有喷淋的中庭 １

无喷淋的办公室、客房 ６

无喷淋的汽车库 ３

无喷淋的中庭 ４

无喷淋的公共场所 ８

无喷淋的超市、仓库 ２０

注：设有快速响应喷头的场所可按本表减小40%。

3.根据燃烧实验数据确定

根据物品的实际燃烧实验数据来确定最大热释放速率是最直接和最准确的方法，一些物品的最大热释放速率可以通过一些科技文献或火灾试验数据库得到。例如，表4-3-5-3是NFPA92B中提供的部分物品燃烧时最大热释放速率的数据，图4-3-5-2为美国国家技术与标准研究院（NIST）火灾试验数据库FASTDAT中提供的席梦思床垫的火灾实验热释放速率曲线。

表4-3-5-3 NFPA92B中提供的最大热释放速率的数据

物品 质量（kg） 最大热释放速率（kW）

废纸篓 0.73-1.04 4-18

天鹅绒绵窗帘 1.9 160-240

丙烯酸纤维绵窗帘 1.4 130-150

电视机 27-33 120-290

实验用座椅 1.36 63-66

实验用沙发 2.8 130

干燥的圣诞树 6.5-7.4 500-600

图4-3-5-2 席梦思床垫燃烧热释放速率曲线

4.根据轰然条件确定

轰燃是火灾从初期的增长阶段向充分发展阶段转变的一个相对短暂的过程。发生轰然时室内的大部分物品开始剧烈燃烧，可以认为此时的火灾的功率，即热释放速率，达到最大值。根据英国学者托马斯（Thomas）的研究结果，室内火灾发生轰燃时的临界热释放速率可以用下面的公式表示：

（4-3-5-2）

式中 Qfo—房间达到轰燃所需的临界火灾功率， kW；

AT—房间内扣除开口后的总表面积， m2；

Av—开口的面积，m2；

Hv—开口的高度，m。

由于上述结果是以一个面积为16m2大小的房间内的火灾实验数据得出的，因此对于小房间的情况预测结果能够比较好地反映实际情况，而对于较大的房间上述公式可能会有较大的误差。另外有一些学者通过木材和聚亚安酯（polyurethane）实验得出轰燃时的平均热释放速率为：

（4-3-5-3）

式中 Qfo—房间达到轰燃所需的临界火灾功率， kW；

Av—开口的面积，m2；

Hv—开口的高度，m。

这里 称为通风因子，是分析室内火灾发展的重要参数。在通风因子的一定范围内，可燃物的燃烧速率主要由进入燃烧区域的空气流量决定，这种燃烧状况称为通风控制。如果房间的开口逐渐增大，可燃物的燃烧速率对空气的依赖逐渐减弱，当开口达到一定程度后可燃物的燃烧主要由可燃物的性质决定，此时的燃烧状况称为燃料控制。对于木质纤维物质的燃烧，可用下面的条件判断燃烧的状态：

通风控制： （4-3-5-4）

燃料控制： （4-3-5-5）

式中 AF——可燃物燃烧的表面积，m2。

5.燃料控制型火灾的计算方法

对于燃料控制型火灾,即火灾的燃烧速度由燃料的性质和数量决定时，如果知道燃料燃烧时单位面积的热释放速率，那么可以根据火灾发生时的燃烧面积乘以该燃料单位面积的热释放速率得到最大的热释放速率，表4-3-5-4 是NFPA92B中提供的部分物质单位地面面积热释放速率。如果不能确定具体的可燃物及其单位地面面积的热释放速率，也可根据建筑物的使用性质和相关的统计数据，来预测火灾的规模，例如NFPA92B中建议对于零售商店火灾单位面积热释放速率可取为500kW/m2，办公室内火灾可取为250kW/m2。

表4-3-5-4 NFPA92B中提供的单位地面面积热释放速率

物质 每平方英尺面积的热释放速率（kW）

堆叠起1.5英尺高的木架 125

堆叠起5英尺高的木架 350

堆叠起10英尺高的木架 600

堆叠起16英尺高的木架 900

堆叠起5英尺装满东西的邮袋 35

甲醇 65

汽油 290

煤油 290

柴油 175

四、疏散场景确定

疏散场景设计需要考虑影响人员安全疏散的诸多影响因素，特别是疏散通道的情况、人员状态（如人员密度、对建筑的熟悉程度等）、火灾烟气和人员的心理因素。根据烟气计算的火灾场景建立相应疏散模型，并应考虑火灾烟气阻塞出口的最不利工况，计算人员安全疏散时间。

（一）疏散过程

疏散是伴随着新的冲动的产生和在行动过程中采取新的决定的一个连续的过程。在某种程度上一种简化过程的方法就是从工程学的角度将疏散过程分为三个阶段：

①察觉（外部刺激）

②行为和反应（行为举止）

③运动（行动）

此时，人员的信息处理过程见图4-3-5-3所示。

图4-3-5-3 人员的信息处理过程

（二）安全疏散标准

如果人员疏散到安全地点所需要的时间小于通过判断火场人员疏散耐受条件得出的危险来临时间，并且考虑到一定的安全余量，则可认为人员疏散是安全的，疏散设计合理；反之则认为不安全，需要改进设计。

疏散时间（RSET）包括疏散开始时间（tstart）和疏散行动时间（taction）两部分。疏散时间预测将采用以下方法：

RSET＝tstart＋taction （4-3-5-6）

1.疏散开始时间（tstart）

疏散开始时间即从起火到开始疏散的时间，一般地，疏散开始时间与火灾探测系统、报警系统，起火场所、人员相对位置，疏散人员状态及状况、建筑物形状及管理状况，疏散诱导手段等因素有关。疏散开始时间（tstart）可分为探测时间（td）、报警时间（ta）和人员的疏散预动时间（tpre）。

tstart?= td + ta + tpre （4-3-5-7）

其中：

探测时间（td）：火灾发生、发展将触发火灾探测与报警装置而发出报警信号，使人们意识到有异常情况发生，或者人员通过本身的味觉、嗅觉及视觉系统察觉到火灾征兆的时间。

报警时间（ta）：从探测器动作或报警开始至警报系统启动的时间。

人员的疏散预动时间（tpre）：人员的疏散预动时间为人员从接到火灾警报之后到疏散行动开始之前的这段时间间隔，包括识别时间（trec）和反应时间（tres）。

tpre=trec + tres （4-3-5-8）

其中：

识别时间（trec）为从火灾报警或信号发出后到人员还未开始反应的这一时间段。当人员接受到火灾信息并开始作出反应时，识别阶段即结束。

反应时间（tres）：为从人员识别报警或信号并开始做出反应至开始直接朝出口方向疏散之间的时间。与识别阶段类似，反应阶段的时间长短也与建筑空间的环境状况有密切关系，从数秒钟到数分钟不等。

2.疏散行动时间（taction）

疏散行动时间（taction）即从疏散开始至疏散到安全地点的时间，它由疏散动态模拟模型模拟得到。疏散行动时间预测是基于建筑中人员在疏散过程中是有序进行，不发生恐慌为前提的。

图4-3-5-4 火灾发展与人员疏散过程关系

如上图所示，考虑到疏散过程中存在的某些不确定性因素（实际人员组成、人员状态等），需要在分析中考虑一定的安全余量以进一步提高建筑物的疏散安全水平。安全余量的大小应根据工程分析中考虑的具体因素，计算模拟结果的准确程度以及参数选取是否保守，是否考虑到了足够的不利情况（如，考虑在火灾区附近的疏散出口被封闭）等多方面确定。

（三）疏散相关参数计算

1.火灾探测时间

设计方案中所采用的火灾探测器类型和探测方式不同，探测到火灾的时间也不相同。通常，感烟探测器要快于感温探测器，感温探测器要快于自动喷水灭火系统喷头的动作时间，线型感烟探测器的报警时间与探测器安装高度以及探测间距有关，图像火焰探测器则与火焰长度有关。因此，在计算火灾探测时间时可以通过计算火灾中烟气的减光度、温度或火焰长度等特性参数来预测火灾探测时间。

一般情况下，对于安装火灾感温探测器的区域，火灾探测时间可采用DETACT分析软件进行预测。对于安装火灾感烟探测器的区域，火灾可以通过计算各火灾场景内烟感探测器动作时间来确定。为了安全起见，也可将喷淋头动作的时间作为火灾探测时间。

2.疏散准备时间

发生火灾时，通知人们疏散的方式不同，建筑物的功能和室内环境不同，人们得到发生火灾的消息并准备疏散的时间也不同。BSDD240中提供了预测火灾确认时间的经验数据，如表4-3-5-5所示，可供分析时参考。

表4-3-5-5 各种用途的建筑物采用不同报警系统时的人员识别时间统计结果

建筑物用途及特性 人员响应时间（min）

报警系统类型

W1 W2 W3

办公楼、商业或工业厂房、学校(居民处于清醒状态，对建筑物、报警系统和疏散措施熟悉) <1 3 >4

商店、展览馆、博物馆、休闲中心等(居民处于清醒状态，对建筑物、报警系统和疏散措施不熟悉) <2 3 >6

旅馆或寄宿学校(居民可能处于睡眠状态，但对建筑物、报警系统和疏散措施熟悉) <2 4 >5

旅馆、公寓(居民可能处于睡眠状态，对建筑物、报警系统和疏散措施不熟悉) <2 4 >6

医院、疗养院及其他社会公共机构(有相当数量的人员需要帮助) <3 5 >8

表中的报警系统类型为：

W1－实况转播指示，采用声音广播系统，例如从闭路电视设施的控制室；

W2－非直播（预录）声音系统、和/或视觉信息警告播放；

W3－采用警铃、警笛或其他类似报警装置的报警系统。

3.疏散开始时间

疏散开始时间包括火灾探测时间和疏散准备时间两部分，可根据前面的分析结果相加得到。当采用日本避难安全检证法提供的疏散时间预测模型时，疏散开始时间按如下公式计算：

（4-3-5-9）

式中，tstart —疏散开始时间，min；

A—为火灾区域建筑面积，m2；

（四）人员数量

人员数量通常由区域的面积和该区域内的人员密度的乘积来确定。在有固定座椅的区域，则可以按照座椅数来确定人数。在业主方和设计方能够确定未来建筑内的最大容量时，则按照该值确定疏散人数。否则，需要参考国内、国外相关的标准，由相关各方协商确定。下面是在商业建筑人员疏散分析中经常采用的确定疏散人数的方法。

例如《商店建筑设计规范》JGJ 48规定，商店营业部分疏散人数的计算，可按每层营业厅和为顾客服务用房的面积总数乘以换算系数（人/m2）来确定：第 一、二层，每层换算系数为0.85；第三层，换算系数为0.77；第四层及以上各层，每层换算系数为0.60。

NFPA101提供的人员密度数据如下表所示。

表4-3-5-6 NFPA101 人员密度

场 合 人员密度m2/人

商务区/办公室区(层) 9.3

游泳池（水面区域） 4.6

游泳池（池岸区域） 2.8

食堂/餐厅 1.25

有设备的健身房 4.6

室内溜冰场 4.6

日本《避难安全检证法》提供的人员密度数据如下表所示。

表4-3-5-7 日本《避难安全检证法》中人员密度

场 合 人员密度m2/人

办公室、会议室 8

餐饮场所 1.5

自由活动/通行区域 2

（五）人员行进速度

人的行进速度与人员密度、年龄和灵活性有关。当人员密度小于0.5人/m2时，人群在水平地面上的行进速度可达70m/min并且不会发生拥挤，下楼梯的速度可达51～63m/min。相反，当人员密度大于3.5人/m2时，人群将非常拥挤基本上无法移动。研究表明，人员密度和行进速度之间存在式4-3-5-10所示的关系，

用数学表达式可表示为：

（4-3-5-10）

式中 V—人员行进速度，m/min；

D—人员密度(不小于0.5),人/m2。

K—系数，对于水平通道K=84.0，对于楼梯台阶K=51.8(G/R)1/2，G与R分别表示踏步的宽度和高度。

Simulex疏散模型中默认的人员行进速度分男人、女人、儿童和长者四种，其步行速度如下表所示。

表4-3-5-8 人员步行速度及类型比例

人员种类 正常速度m/s 速度分布

男人 1.35 正态分布±0.2m/s

女人 1.15 正态分布±0.2m/s

儿童 0.9 正态分布±0.1m/s

长者 0.8 正态分布±0.1m/s

（六）流动系数

人员密度与对应的人流速度的乘积，即单位时间内通过单位宽度的人流数量，称为流动系数（specific flow）。流动系数反映了单位宽度的通行能力。如下式所示：

（4-3-5-11）

式中 F —流动系数，(人/min)/m；

V —人员行进速度，m/min；

D —人员密度,人/m2。

对大多数通道来说，通道宽度是指通道的两侧墙壁之间的宽度。但是大量的火灾演练实验表明人群的流动依赖于通道的有效宽度而不是实际宽度，也就是说在人群和侧墙之间存在一个“边界层”。下面的表4-3-5-9给出了典型通道的边界层厚度。在工程计算中应从实际通道宽度中减去边界层的厚度，采用得到的有效宽度进行计算。

表4-3-5-9 通道的边界层厚度

类型 减少的宽度指标

楼梯间的墙 15㎝

扶手栏杆 9㎝

剧院座椅 0㎝

走廊的墙 20㎝

其它的障碍物 10㎝

宽通道处的墙 <46㎝

门 15㎝

（七）安全裕度

在疏散行动时间的计算中，有些计算模型假设疏散人员具有相同的特征，在疏散开始过程中疏散人员按既定的疏散路径有序地进行疏散，在疏散过程中人流的流量与疏散通道的宽度成正比分配，人员从每个可用的疏散出口疏散且所有人的疏散速度一致并保持不变等等。

考虑到危险来临时间和疏散行动时间分析中存在的不确定性，需要增加一个安全余量。当危险来临时间分析与疏散时间分析中，计算参数选取为相对保守值时，安全裕度可以取小一些，否则，安全裕度应取较大值。依据《消防安全工程师指南》的建议，安全裕度可取为０～１倍的疏散行动时间。

对于商业建筑来说，由于人员类型复杂，对周围的环境和疏散路线并不都十分熟悉，所以在考虑安全裕度的选择时，取值建议不应小于0.5倍的疏散行动时间。