摘要 近年來, 隨著特殊及複合式建築物的興起, 大型挑空空間無論是旅館 百貨商場抑或辦公大樓的設計上常被採用 ; 當然, 尤其挑空中庭建築物因為空間型態特殊, 其建築物之走廊 ( 避難安全區劃空間 ) 採用環繞挑空中庭的配置最為常見, 因此, 在法規上必須依挑空樓地板面積與挑空樓層數部分要求獨立區劃

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1 中華大學 碩士論文 大型挑空中庭建築物避難模擬評估之研究 A Study of Large Atrium Buildings on Evacuation Simulation 系所別 : 建築與都市計畫學系 學號姓名 :M 指導教授 : 江崇誠 簡志良 副教授 中華民國 102 年 9 月

2 摘要 近年來, 隨著特殊及複合式建築物的興起, 大型挑空空間無論是旅館 百貨商場抑或辦公大樓的設計上常被採用 ; 當然, 尤其挑空中庭建築物因為空間型態特殊, 其建築物之走廊 ( 避難安全區劃空間 ) 採用環繞挑空中庭的配置最為常見, 因此, 在法規上必須依挑空樓地板面積與挑空樓層數部分要求獨立區劃, 故於區劃上一般以防火鐵捲門 ( 與煙偵測連動 ) 之設置為手段, 防止火災延燒, 更能有效阻擋煙流擴散 國內對大型挑空中庭建築物以建築物防火避難安全性能驗證技術手冊計算評估中, 因中庭挑空緣故無法以一般居室計算條件進行煙層下降時間計算, 因此必須仰賴火災煙控模擬軟體或避難軟體作為輔助評估, 而 2010 年 5 月 NIST 發表 FDS 附屬避難軟體 Fire Dynamics Simulator+Evacuation (FDS+Evac), 目前國內對於該避難軟體研究不多, 其指令操作與限制僅能參考 FDS+Evac 操作手冊, 但其有關避難影響指令因子有其必要逐一探討, 並探討有無其他限制 本研究首先以建築物防火避難安全性能驗證技術手冊中 避難行動之假設條件 為情境模擬基礎, 探討 FDS+Evac 影響避難之指令細項中所有避難影響因子, 並提出指令操作與限制條件, 其中避難網格與避難出口寬度關係以及增設障礙物傢俱對避難上有一定影響 最後將指令限制條件運用在實際大型挑空中庭建築物平面上進行 FDS+Evac 模擬操作, 並與國內評估上常見之建築物防火避難安全性能驗證技術手冊進行比較分析其差異係數, 其中與技術手冊相同參數條件增設避難障礙物情境之差異係數較為接近技術手冊計算值, 希望本研究所探討指令操作限制與差異係數, 能作為往後該避難軟體運用實際建築物避難評估上之參考依據 關鍵字 : 大空間煙控 FDS+Evac 防火避難 挑空中庭建築物 i

3 Abstract With exceptional and composite buildings rise in recent years. Hotels and department stores or commercial buildings are often used in large atrium building design. Because atrium building a special type of space. Using surround the most common configuration of the atrium space in the corridor (evacuation safety zoning space). So atrium building must be in accordance pick an empty floors area and number of floors for independent zoning regulations. Commonly used fireproof rolling door (with smoke detection linked) in divisions designed to prevent the spread of fire, effectively blocking plume dispersion. Large atrium building using evacuation verification calculation in Taiwan. Because it does not use common evacuation verification calculation for smoke layer fall time, so it must rely on the Computer evacuation simulation smoke control or Computer evacuation simulation as a secondary assessment. Since May 2010 NIST published FDS subsidiary of Computer evacuation simulation, Fire Dynamics Simulator + Evacuation (FDS+Evac). Computer evacuation simulation of paper in Taiwan now rarely. Instruction and restrictions only refer to the operation manual of FDS+Evac, so it is must investigate effects on asylum directives factor. The research firstly the use of fire evacuation verification calculation of "evacuation of assumptions" as the basis of simulated conditions. Institute of influential factors itemized evacuation instructions in FDS+Evac, proposed operation and limitations. Of which evacuation grid meshs and evacuation exit door width of the relationship between, and increasing obstacles have a certain influence on the evacuation. Finally the use of actual large atrium building on the FDS+Evac, and evacuation verification calculation for comparative analysis and coefficient of variation. Among evacuation verification calculation set to the same conditions and increasing obstructions simulated difference coefficient values close to evacuation verification calculation. Hope that results of this ii

4 study can be used as future use in Computer evacuation simulation evaluation on the actual building of reference. Keywords:large space smoke control, FDS+Evac, fire prevention and evacuation, atrium building iii

5 謝誌 伴隨著師長與親友的期許, 本論文順利通過碩士論文口試並付梓, 願將這份喜悅呈獻恩師江教副授崇誠, 並致上最高的謝意 承蒙恩師一貫治學嚴謹 悉心指導之下, 在漫漫研究路程上一路探索未敢稍加懈怠 恩師的諄諄教誨與鉅細靡遺的帶領之下, 開啟了浩瀚學海的大門, 強調學理與實務並重之觀點, 遂有此論文研究主題之產生 碩士學位僅為階段性之歷程, 未來仍將秉持嚴謹態度, 在學術 專業與社會服務上持續努力 感謝碩士論文之完成, 承蒙紀教授人豪 林教授文欽及恩師共同組成的論文口試試委員會, 使本研究學理與實務更臻堅實與完備 感謝系上系主任閻教授克勤 陳教授榮村 陳教授天佑 解教授鴻年 胡教授太山 謝教授偉勳 王老師維民 蔡老師宜穎 陳老師琪美等諸位先生的悉心傳授與學理養成 感謝 AUDPPL 研究室學長曾聖 欣弘 際翔 宥銓 思漢 智凱 學姊雅棻等在專業及技術上的支援, 同窗戰友治學 學弟豈民等在庶務上及精神上的支援, 一併致謝 感謝博士班清雄老師 徐大哥偉陵的鼓勵, 同窗紹宇 凱婷 佩蓉 姵妏 仁宏 燿光 鑫培 楚翹 琳秋 于震 佳蓓 聖辰等同學, 與學弟妹智凱 旻湄 采玲等在求學中的相互激勵 感謝爺爺 奶奶 爸 媽 妹妹等至親, 在過程中的照顧與支持 謹以碩士論文獻給含辛茹苦的父母雙親, 感謝家人全力的關懷與支持, 激勵與安慰 最後, 再次銘謝於修業其間所有曾惠賜協助的師長 前輩 至親及益友, 願與各位共享榮譽與喜悅 志良謹誌於 新竹 香山 中華大學建築及都市計畫研究所 iv

6 目錄 摘要...v Abstract...vi 謝誌... vv 目錄... v 表目錄...vx 圖目錄...xv 第一章緒論 1-1 研究動機背景 研究目的 研究範圍與對象 研究方法 研究流程...4 第二章挑空中庭建築特性與煙控設計之探討 2-1 挑空中庭特性探討 挑空中庭建築物定義 挑空中庭建築防災特性 建築物火災類型與成長過程 挑空中庭煙控設計基準 FDS 火災模擬軟體分析與相關研究之探討 FDS 火災模組介紹 FDS 基礎理論公式 格點參數設定.26 v

7 2-2-4 FDS 架構與特性 FDS 操作流程 FDS 相關研究整理 FDS+Evac 避難模擬軟體分析與相關研究之探討 FDS+Evac 避難模組介紹 人員移動模型理論公式 身體特徵模型 煙氣毒害判斷死亡 緊急出口選擇 群組 FDS+Evac 相關研究整理 建築物防火避難安全性能驗證技術手冊之探討 建築物防火避難安全性能驗證技術手冊介紹 避難安全性能定義 避難安全性能驗證技術手冊相關規定...45 第三章 FDS+Evac 軟體操作與限制之探討 3-1 FDS+Evac 操作畫面步驟之設定 FDS+Evac 避難影響因子之探討 PERS 人員設定 避難開始時間之影響 步行時間之影響 EVAC 疏散網格配置與設定 避難出口位置對人員避難選擇上之影響 人員初始分布位置之影響 MESH 避難網格.76 vi

8 3-5-1 火災網格與避難網格之影響 避難網格與人員避難移動關係之探討 避難網格大小與避難出口寬度之影響 避難行動假設條件與模擬結果之探討.92 第四章避難模擬結果與計算結果之比較分析 4-1 基地空間介紹 FDS+Evac 模擬結果之比較 FDS+Evac 指令操作與限制運用實際建築平面之假設條件設定 FDS+Evac 與建築物防火避難安全性能驗證技術手冊相同影響因子之探討 大型挑空中庭建築物模擬情境設定 大型挑空中庭建築物模擬結果 建築物防火避難安全性能驗證技術手冊計算結果之分析 居室避難完成時間之計算結果 樓層避難完成時間之計算結果 FDS+Evac 避難模擬結果與避難完成時間之計算結果比較分析 居室避難完成時間之比較 樓層避難完成時間之比較 第五章結論與建議 5-1 結論 建議 參考文獻 121 附件一 FDS+Evac 內設值指令撰寫 126 附件二 A 居室居室計算 附件三 A 居室樓層計算 vii

9 附件四 I 居室樓層計算 134 viii

10 表目錄 表 2-1 火災類型分類表..8 表 2-2 中庭穩態火源判斷火源設計方法 10 表 2-3 煙層介面指標表 16 表 2-4 大型空間或挑空中庭建築物相關研究整理 19 表 2-5 層化現象相關研究整理表 20 表 2-6 大型空間或挑空中庭建築物運用 FDS 相關研究整理表 28 表 2-7 表 2-8 FDS+Evac 內設身體類型尺寸與其移動速度表 39 FDS+Evac 內出口選擇的優先順序表 41 表 2-9 大型空間或挑空中庭建築物運用 FDS+Evac 相關研究整理表..42 表 2-10 避難安全性能驗證技術手冊之建築物適用範圍表..45 表 2-11 居室避難安全驗證法 - 居室避難性能驗證公式表..47 表 2-12 居室避難安全驗證法 - 樓層避難性能驗證公式表..50 表 3-1 避難行動假設條件分析表 55 表 3-2 FDS+Evac 避難影響因子分析表 56 表 3-3 避難開始時間模擬情境設定表 57 表 3-4 步行時間模擬情境設定表 63 表 3-5 避難出口模擬情境設定表 71 表 3-6 人員初始分布位置模擬情境設定表 73 表 3-7 火災網格與避難網格操作比較表 ( 單避難平面 ).76 表 3-8 火災網格與避難網格操作比較表 ( 設置 FED).77 表 3-9 火災網格與避難網格不同公倍數網格模擬結果表 78 表 3-10 避難網格大小與避難出口寬度座標 FDS+Evac 運算結果比較表 ( 避難出口寬度 0.9m)..86 表 3-11 避難網格大小與避難出口寬度座標 FDS+Evac 運算結果比較表 ( 避難出口寬 ix

11 度 1.2m)...88 表 3-12 避難網格大小與避難出口寬度座標 FDS+Evac 運算結果比較表 ( 避難出口寬度 1.5m)...89 表 3-13 避難網格大小與避難出口寬度座標 FDS+Evac 運算結果比較表 ( 避難出口寬度 1.8m)...90 表 3-14 FDS+Evac 指令操作與限制結果表..92 表 4-1 大型挑空中庭建築物資料表 94 表 4-2 各居室淨面積與最長步行距離數據表 96 表 4-3 避難相關參數表 97 表 4-4 大型挑空中庭建築物居室模擬情境設定表 98 表 4-5 大型挑空中庭建築物樓層模擬情境設定表 99 表 4-6 居室避難安全性能驗證之計算結果表..113 表 4-7 樓層避難安全性能驗證之計算結果表..113 表 4-8 居室避難模擬結果與技術手冊計算結果比較表..114 表 4-9 樓層避難模擬結果與技術手冊計算結果比較表 (A 居室 ) 115 表 4-10 樓層避難模擬結果與技術手冊計算結果比較表 (I 居室 ) 116 x

12 圖目錄 圖 1-1 研究流程圖..4 圖 2-1 燃料支配型火災示意圖..9 圖 2-2 換氣支配型火災示意圖..9 圖 2-3 火災成長歷程示意圖..9 圖 2-4 穩態火源示意圖 10 圖 2-5 非穩態火源示意圖 11 圖 2-6 火災成長模式圖 11 圖 2-7 挑空中庭及大空間蓄煙設計理念 13 圖 2-8 挑高中庭及大空間自然排煙設計示意圖 14 圖 2-9 挑高中庭及大空間機械排煙設計示意圖 14 圖 2-10 避難與危險波及時間關係示意圖..18 圖 2-11 氣體混和分率圖..24 圖 2-12 工作架構圖..27 圖 2-13 社會力 (social force) 概念圖.33 圖 2-14 居室出口所形成的人流流量圖..33 圖 2-15 c soc R i 和 R i 半徑向量的定義示意圖...36 圖 2-16 三個圓錐體所組成的智能體身體模型圖..38 圖 2-17 Smokeview 呈現的智能體身體模型圖.38 圖 2-18 樓層避難安全驗證法 - 居室避難安全驗證程序圖 47 圖 2-19 樓層避難安全驗證法 - 樓層避難安全驗證程序圖 50 圖 3-1 圖 3-2 圖 3-3 FDS+Evac 觀察人員避難動態圖步驟一 53 FDS+Evac 觀察人員避難動態圖步驟二 54 FDS+Evac 之 FED 煙霧毒性指數圖...54 圖 3-4 情境一避難開始時間模擬過程圖 58 xi

13 圖 3-5 情境二避難開始時間模擬過程圖 59 圖 3-6 情境三避難開始時間模擬過程圖 60 圖 3-7 情境四避難開始時間模擬過程圖 61 圖 3-8 人員密度情境一步行時間模擬過程圖 63 圖 3-9 人員密度情境二步行時間模擬過程圖 64 圖 3-10 人員密度情境三步行時間模擬過程圖..65 圖 3-11 障礙物情境一步行時間模擬過程圖..66 圖 3-12 障礙物情境二步行時間模擬過程圖..66 圖 3-13 障礙物情境三步行時間模擬過程圖..67 圖 3-14 障礙物情境四步行時間模擬過程圖..68 圖 3-15 避難出口位置對人員避難選擇模擬過程圖..72 圖 3-16 人員初始分布 10 次模擬通過避難出口時間圖 ( 單人 ).74 圖 3-17 人員初始分布 10 次模擬通過避難出口時間圖 ( 多人 ).75 圖 3-18 人員移動於網格點線示意圖..78 圖 3-19 人員避難移動與網格關係模擬過程圖..79 圖 3-20 避難出口寬度與避難網格比較圖 : 避難出口寬度 0.5m 80 圖 3-21 避難出口寬度與避難網格比較圖 : 避難出口寬度 0.9m 81 圖 3-22 避難出口寬度與避難網格比較圖 : 避難出口寬度 1m...82 圖 3-23 避難出口寬度與避難網格比較圖 : 避難出口寬度 1.2m 83 圖 3-24 避難出口寬度與避難網格比較圖 : 避難出口寬度 1.5m 84 圖 3-25 避難出口寬度與避難網格比較圖 : 避難出口寬度 1.8m 85 圖 4-1 情境一 FDS+Evac 內設條件居室模擬過程圖 102 圖 4-2 情境二 FDS+Evac 內設條件加入影響避難路徑障礙物居室模擬過程圖 103 圖 4-3 情境三技術手冊相同避難因子參數條件模擬過程圖..105 圖 4-4 情境四技術手冊相同避難因子參數條件加入影響避難路徑障礙物模擬過程 xii

14 圖..106 圖 4-5 情境一 FDS+Evac 內設條件樓層模擬過程圖 108 圖 4-6 情境二 FDS+Evac 內設條件加入影響避難路徑障礙物樓層模擬過程圖 109 圖 4-7 情境三技術手冊相同避難因子參數條件樓層模擬過程圖..110 圖 4-8 情境四技術手冊相同避難因子參數條件加入影響避難路徑障礙物樓層模擬過程圖..112 xiii

15 第一章緒論 1-1 研究背景與動機 因整體社會環境的變遷, 都市不斷的擴張, 在有限的土地資源下, 為能收容更多人口, 建築物逐漸朝向大規模化 高層化 1 及用途複雜化的趨勢, 其中以 大型空間 或 挑空中庭建築 的空間設計較為特殊, 因為其廣闊的活動範圍與視覺感受, 以及橫跨樓層間的視覺美感, 主要應用於飯店旅館 百貨商場或辦公大樓 該類型建築物發生火災時, 濃煙容易從挑空區域蔓延至高樓層導致避難上較低樓層的危險, 內部收容人員利用該設施, 而不受到煙害並能夠避難安全與否, 與建築物內部各空間要素的配置 動線的安排 此用型態及內部收容人員特性與避難逃生的困難度具有密切的關係 2, 因此煙與避難上影響極為重要 目前國內在防火避難審查機制規範上, 分為規格式以及性能式兩種方法 規格式指法條上的規範, 依條列式法條規定進行逐一檢討,; 性能式 : 指突破法條上限制, 滿足法規上無法解決的規範, 目前國內在性能評估手段, 常用以內政部建築研究所出版之 建築物防火避難安全性能驗證技術手冊 為大宗, 而在火災煙控軟體評估常以火災煙控模擬軟體 FDS, 避難軟體則以 Building EXODUS 及 SIMULEX, 作為防火避難評估主流 而 2010 年 5 月 NIST 發表 FDS 附屬避難軟體 FDS+Evac, 目前國內對於該避難軟體研究不多, 因此本研究以 FDS+Evac 進行避難模擬探討, 並逐一探討相關避難影響因子之指令操作與限制, 作為日後 FDS+Evac 進行避難模擬時之參考依據 1

16 1-2 研究目的 故本研究目的如下 : 1. 透過國內外相關參考文獻, 包含挑空中庭建築物相關文獻,FDS 火災煙控模擬軟體運用在挑空中庭建築物案例, 以及 FDS+Evac 新避難軟體相關文獻等探討, 作為本研究大型挑空中庭建築物模擬設定上之參考 2. 以建築物防火避難安全性能驗證技術手冊中 避難行動之假設條件 為基礎, 利用虛擬小空間進行模擬分析各指令細項中相關避難影響因子, 探討其 FDS+Evac 避難行動模式與相關研究限制, 以作為後續進行實際案例操作之參考依據 3. 依據前述 FDS+Evac 避難影響因子之操作與限制條件, 本研究實際運用在大型挑空中庭建築物平面上, 並與建築物防火避難安全性能驗證技術手冊設定相同參數與設置避難障礙物模式下, 比較其居室與樓層避難完成時間並進行分析, 探討其時間差異, 以期提出 FDS+Evac 運用實際建築物避難評估上之參考依據 1-3 研究範圍與對象 由於挑空中庭建築物服務核配置常見為分散在建築物四處, 人員避難時必須環繞挑空中庭走廊進行避難, 此類型建築物與一般建築物在配置服務核明顯不同 因此, 本研究嘗試利用這樣的配置關係, 探討模擬與技術手冊結果是否有較凸顯之差異性, 故本研究選定某複合式商業大樓作為研究對象 2

17 1-4 研究方法 本研究方法以文獻回顧 數值計算法及電腦數值模擬等方法, 茲分述如下 : 一 文獻回顧法藉由國內外大空間及挑空中庭煙控設計與避難模擬相關研究資料之蒐集, 以了解挑空中庭之空間特性, 煙控設計與避難特性, 作為本研究後續參考依據 二 數值計算法本研究以建築物防火避難安全性能驗證技術手冊計算其結果, 再與 FDS+Evac 避難模擬軟體進行比較分析 三 電腦數值模擬本研究以 FDS+Evac 避難模擬軟體為主, 先嘗試探討此軟體操作上限制, 再與建築物防火避難安全性能驗證技術手冊相同參數設定值, 並在相同參數下進行模擬分析, 所得其結果與手冊計算結果進行差異性比較分析 3

18 1-5 研究流程 大型挑空中庭建築物避難模擬評估之研究 研究動機與目的 挑空中庭建築物特性 FDS 火災煙控模擬 研究方法設定相關文獻蒐集與探討 FDS+Evac 軟體操作與限制之探討 FDS+Evac 與性能驗證相同參數設定避難開人員步行避難障始時間密度速度礙物模擬結果與建築物防火避難安全性能驗證技術手冊計算結果之比較分析結論與建議 FDS+Evac 避難模擬 建築物防火避難安全性能驗證手冊 1. 反應 察覺時間 2. 煙密度 3. 人員屬性 4. 人員密度 5. 火源位置 熱輻射危害與障礙物 6.FED 煙霧毒性指數 7. 避難出口位置 8. 人員初始分布位置 9. 火災網格與避難網格 10. 人員避難移動 11. 避難出口寬度 建築物防火避難安全性能驗證手冊之計算結果分析 圖 1-1 研究流程圖 4

19 第二章挑空中庭建築特性分析與煙控設計 2-1 挑空中庭建築特性分析 挑空中庭建築物, 是指建築物內部具有大規模的挑空空間型態之建築物而言, 為近年來常出現之建築空間型 目前我國建築相關法規中, 並無對此類建築物作出明確的定義, 因此為釐清並確立本研究的主題, 以下就挑空中庭建築物列出其定義及特性 挑空中庭建築物定義 4 5 吳啟哲 (1992) 提出在歐美法規規範之一 NFPA 生命保障法規 (Lift safety code) 中明定挑空中庭條件為, 水平距離大於 20 英呎 ( 約 6M), 且面積在 1000 平方英呎 ( 約 93m2 ) 以上者 ; 而在東京消防廳對於中庭相關消防對策研究報告中, 對中庭定義為, 乃挑空達兩層樓以上, 周圍多配置居室 走廊等生活空間, 藉充分的高度及面積, 而具有鄰接外部空間之環境者, 稱為 挑空中庭建築物 林慶元 林裕昌 (1995) 彙整出美國與日本對於 挑空中庭建築物 定義中, 提出 挑空中庭建築物 定義為, 建築物內部, 存有跨越兩個樓層以上之挑空空間, 此挑空空間四周, 除了面對居室 走廊 樓梯等與人們關係的生活環境以外, 具有相當的高度與面積, 並且與戶外空間有相近的環境性質 因此, 本研究所稱之 挑空中庭建築物, 是指被包含於建築物內的封閉空間 具有的面積與高度, 且在火災發生時, 中庭具有相當的蓄煙空間 經由上述分析界定, 故在本研究所指的 挑空中庭建築物 定義如下 : 針對具有頂蓋之挑空中庭建築物, 其建築物內封閉空間外, 中庭空間具有相當面積與高度, 且在火災發生時, 中庭具有相當的蓄煙空間 5

20 2-1-2 挑空中庭建築防災特性 6 挑空中庭建築物其挑空空間貫穿每層樓的水平區劃, 發生火災時, 因特殊空間緣故, 無法控制火與煙氣的流動方向, 導致火與煙氣容易延燒或擴散到其他樓層或整個樓層, 造成此類型建築物危害程度比一般建築物來的高, 因此在煙控設計及防火區劃方面必須比其他建築物還要嚴謹 以下就挑空中庭建築物的防災特性, 作詳細說明 : 一 挑高中庭建築物火災危險特徵 1. 煙急速擴散的危險當建築物室內空氣溫度高於室外時, 由於室內外空氣密度的不同而產生浮力 建築物內上部的壓力大於室外壓力, 下部的壓力小於室外壓力 當外牆上有開口時, 通過建築物上部的開口, 室內空氣沿樓梯間 電梯井 管道井等豎井流動而流向室外 ; 通過下部的開口, 室外空氣進入豎井流動而流向室內, 形成所謂的煙囪效應 而煙囪效應分為正煙囪效應與逆煙囪效應兩種現象, 正煙囪效應, 指由高層建築物內外空氣的密度差造成的, 高層建築物的外部溫度低於內部溫度而形成的壓力差將空氣從低氣壓入, 穿過建築物向上流動, 然後從高處流出建築物 ; 反之, 逆煙囪效應, 指若建築物外部溫度高於內部溫度時, 所形成的壓力差將空氣從高處壓入, 則建築物豎井空間則有向下的氣流產生 火災時, 由於燃燒放出大量熱量, 室內溫度快速升高, 建築物的煙囪效應更加明顯, 使火災的蔓延更加迅速 一般火災煙氣在垂直方向方向的擴散流動速度較大, 通常為 1~5 m/s 在樓梯間或管道井中, 由於煙囪效應產生的拉力, 煙氣流動可達 6~8 m/s 2. 避難安全之危險挑空中庭發生火災時, 因為火與煙氣會迅速蔓延於整棟建築物中, 使得整棟建築物的人們, 會在同一時間內採取避難措施, 而因避難人數眾多的緣故, 會產生推擠現象, 使避難之速度緩慢造成危險 6

21 3. 火災燃燒型態改變之危險由於挑空中庭空間規模具有相當面積, 火災發生時, 因空氣量充足緣故, 其燃燒型態會由 燃料支配型 燃燒轉變為 換氣支配型 燃燒, 導致火災燃燒區域急速擴大, 容易造成火煙急速蔓延到整棟建築物 4. 火災早期感知與滅火困難由於挑空中庭具有相當高的高度, 若在天花板裝設感知器或自動灑水設備, 可能因高度過高以致偵測煙霧速度過慢, 導致滅火效果大減 二 避難與消防特徵 1. 在數個樓層中有同時採取消防活動由於挑空中庭之特殊空間型態, 當火災發生時, 火與煙氣可能急速蔓延擴大於整棟建築物中 因此在滅火行動 人員救助行動 避難誘導方面, 也必須在數個樓層內同時進行 在這樣的情況下消防隊員所需範圍將變很廣, 更需要更多人力 2. 避難者之避難路徑與消防人員之路徑重疊由於挑空中庭建築之火災特性緣故, 所產生濃煙會急速蔓延至整棟建築物, 同時避難人員採取避難動行動至安全梯與通道上向外逃生, 而與消防人員向內進行救助行動形成困難 三 挑空中庭建築在火災發生時較一般建築有利之因素 1. 因挑空中庭建築內部的緣故, 使在整棟建築物內之避難人員可藉由挑空中庭之空間, 清楚了解本身在建築物內部位置 2. 火災發生時, 可清楚了解火災發生點位置與濃煙擴散之範圍, 進而選擇較安全的避難路線 7

22 2-1-3 建築物火災類型與成長過程 一 建築物火災類型與型態 7 8 建築物火在的預測需要藉由火災類型的不同進行火源的設定 當火災發生於區劃空間時, 會受到可燃物配置以及開口供氣等因素的影響, 使得火災危害的程度與方式皆有所不同, 根據文獻針對空間特性與可燃物數量的多寡, 將火災的類型予以分類, 如表 所示 表 2-1 火災類型分類表 全面火災 局部火災 特性可燃物燃燒型態代表性場所 時間長而發熱速度慢時間短而發熱速度快 區劃內可燃物分佈均勻 可燃物稀少, 空間大且分佈獨立 供氣支配型火災 燃料支配型火災 賣場專櫃 展示品集中的店舖空間捷運車站 體育館 大型挑高空間等 當一個區劃空間大而可燃物配置分散且稀少時, 在發生火災時由於供氣充足的關係, 可燃物火勢會在某的區域突然增大, 但是也因為可燃物配置較為分散的關係, 所以不易造成引燃及延燒, 只會在區劃內的局部產生火災, 而區劃內的溫度也因此不一致 ; 或是可燃物的體積與空間體積相對較小者, 就算區劃內發生火災, 也僅於局部發生, 如圖 2-1 所示, 此類火災稱之為局部火災 相反的, 當可燃物的分佈密集且數量多時, 各個可燃物間引燃較為容易, 火災是會造成全面性的燃燒於整個區劃空間 由於可燃物的體積相對於空間體積較大, 造成火災發生時, 建築物的構造限制了釋熱的火焰, 使區劃空間內溫度較為一致, 此時的火災受到開口部供氣量的影響, 這類型的火災火場內的溫度差異不大, 如圖 2-2 所示, 稱之為全面火災 8

23 圖 2-1 燃料支配型火災示意圖 圖 2-2 換氣支配型火災示意圖 二 火災成長階段 9 10 嚴重燃燒 火災溫度 燃燒面積擴大 全面性燃燒 局部燃燒 ( 閃燃 ) 火源著火 起火 火焰延燒 發生閃燃 最高溫度 嚴重燒損 燒失熄火 起火期成長期全盛期衰退期 圖 2-3 火災成長歷程示意圖 9 火災就整個發展過程分別為起火期 成長期 全盛期和衰退期然後到最終熄滅, 等四個時期, 如圖 2-3 所示 由於因為燃料特性的關係, 所以每個起火期的時間各有不同, 如液體和氣體火災甚至沒有起火期 ; 在火災的成長期, 會隨著持續燃燒時間的延長, 如無外界條件干涉, 則會有越來越多的可燃物參與燃燒, 火災的溫度 熱釋放率也相應不斷增大, 當火災發展到一定程度, 因為可燃物數量以及種類的不同, 還可能出現閃燃現象, 火災開始進入全盛期, 隨後一段時間內的火災熱釋放率則保持穩 9

24 定, 其最大熱釋放率主要取決於燃料的數量與性質 著火空間的通風條件等, 火災經 過一段時間的持續發展後, 隨著燃料數量的減少, 火災最終進入衰退期, 當燃料全部 耗盡後火災隨之熄滅 火源的設計對於評估建築物火災有極大影響, 熱釋放率影響著火源的大小, 而熱釋放率亦會影響火源的成長速率, 而火源設計之基礎分別以穩態火源 (Steady fire) 與非穩態火源 (Unsteady fire) 兩種火源條件, 以下就兩種不同火源條件作基本之說明 本研究為了嚴謹起見以穩態火源作為模擬火源設定條件 1. 穩態火源在自然狀態下火源為非穩態火源, 但如果將其理想化成穩態的火源比較容易描述與研究, 對於評估模擬結果也較為嚴謹, 如圖 2-4 所示 一個穩態的火源在熱釋放率的定義上是為一定值, 在應用上, 通常採用穩態火源作為明確且保守的設計 此外, Heating (1999) 依據 NFPA 92B 提出中庭穩態火源以可燃物載量判斷火源設計的方法, 如表 2-2 所示 圖 2-4 穩態火源示意圖 11 表 2-2 中庭穩態火源判斷火源設計方法 12 可燃物載量 火源設計 (MW) 低 (( 燃料限制中庭的最低標準的火源 ) 2 典型 ( 中庭可燃物的最低標準的火源 ) 5 高 ( 大規模火災 ) 25 10

25 2. 非穩態火源火源之設計需考慮隨時間變化的熱釋放率, 在火災初期階段, 火源可以充分使氣體流動, 此時其熱釋放率由燃燒體之型式數量及外型輪廓來決定, 通常火源成長初期燃燒的熱釋放率並不高, 但隨著時間的增加, 熱釋放率值不斷增大, 熱釋放率隨著曲線而上升, 此階段稱為火災成長期, 如圖 2-5 所示 一般來說, 物質的火災成長過程, 其熱釋放率會與時間的平方成正比, 可將此狀況表示成為理想化拋物線方程式 T-squared fire, 而依據不同使用分區而訂定不同的成長係數, 其燃燒曲線又分為 Ultra Fast Fast Medium Slow, 如圖 2-6 所示 圖 2-5 非穩態火源示意圖 11 圖 2-6 火源成長模式圖 13 11

26 2-1-4 挑空中庭煙控設計基準 近年來, 建築科技及建築材料的進步, 同時建築物的種類日新月異, 漸漸地發現此類新式建築如採條列式法規的設計常會面臨到設計者因侷限於法規規範而無法發揮此類型建築空間優勢等問題, 因而強迫建築物修改其原有設計, 而喪失原有建築物所能提供的功能, 目前國外先進國家 ( 美 日 英 澳 紐 ) 皆針對大空間煙控系統設計研究, 而美國的 NFPA 92B 及英國的 BRE 之研究為最為完整 一 煙控技術規範重點 14 挑空中庭及大空間建築物煙控設計, 主要分為兩個目的, 第一部分解決挑空中庭部分及大空間建築物內部空間之濃煙 ; 第二部份防止濃煙蔓延至其他連接空間, 故挑空中庭及大空間建築物煙控設計其主要目的為 : 1. 保持煙層底部於預先決定之高度 2. 提供充分之時間, 讓避難人員在無煙的空間及避難通道進行避難動作, 到達出口或避難區域 3. 限制火場的煙無法進入避難通道 避難區或與挑空中庭等大空間連接空間等 4. 提供合適之能見度, 使消防人員可接近火場 到達火場 進而滅火 5. 能夠排除蓄積於其內的濃煙 6. 限制煙層溫度 二 煙控設計分析 挑空中庭及大空間建築物內部煙控設計, 可分為自然式煙控及強制性煙控兩種, 自然式煙控主要針對蓄煙及自然排煙為設計目的, 而強制性煙控則針對機械排煙為設計目地, 以下就蓄煙 自然排煙及機械排煙三種常見於挑空中庭及大空間建築物的煙控設計加以分析 12

27 1. 蓄煙煙控設計當挑空中庭及大空間建築物發生火災時, 煙柱向上流動至建築物之頂部, 煙開始於中庭及大空間內部填充並慢慢沈積形成煙層 (Smoke Layer), 此建築型態頂部空間若設置蓄煙空間, 能使建築內部提供一條無煙之逃生避難路徑, 如圖 2-7 所示 圖 2-7 挑空中庭及大空間蓄煙設計理念 17 常見之蓄煙空間設計設置在頂部空間外, 可配合中庭及大空間周圍區域設置防火 / 防煙區劃設計, 一方面防止煙流蔓延至其他樓層造成避難障礙 ; 一方面可限制煙層區域 蓄煙煙控設計, 其作用除能減緩煙層下降速度外, 更能提供自然排煙口有利煙控性能, 但啟動自然排煙口至全面開放, 皆需一段時間, 若有蓄煙區設計, 可作為緩衝排煙口完全開啟之時段, 因此在火災發生時, 能夠最先發揮作用之煙控策略, 提供人員早期避難之需 2. 自然排煙煙控設計典型挑空中庭及大空間建築物之自然排煙煙控設計, 於建築物之頂部設計凸出的屋頂 頸部, 形成蓄煙空間設計, 再利用位於頂部或側邊之自然排煙口將煙排出, 進一步獲得最佳之煙控性能, 如圖 2-8 所示 13

28 圖 2-8 挑高中庭及大空間自然排煙設計示意圖 17 自然排煙口之位置, 最理想為位於挑空中庭頂部, 或者蓄煙空間之高點, 而自然排煙口的排煙量與排煙口大小 煙層深度及煙的溫度有關, 可藉由電腦模擬或全尺度實驗, 印證其煙控性能 3. 機械排煙煙控設計挑空中庭及大空間建築物之機械排煙煙控設計, 主要目的為控制煙層至建築物內之安全高度, 以減緩煙層下降速度, 以提供一條無煙之逃生避難路徑, 保障挑空中庭與其周圍區域之人身安全 另除上述頂部蓄煙空間配合自然排煙之設計外, 也亦可於蓄煙空間之頂部或側面, 裝置機械排煙煙控系統, 如圖 2-9 所示 圖 2-9 挑高中庭及大空間機械排煙設計示意圖 17 頂部機械排煙之設計理念中, 良好的應用蓄煙空間之設計與機械排煙風管系統之 14

29 設計同等重要 良好之蓄煙設計, 更可預防拉穿現象 (Plug-holing) 產生 三 煙流特性與危害 由火災發生時 煙之危害 可知煙流具 毒性 高熱 與 遮蔽性, 若要使人員在避難時避免受到煙毒而無法避難, 因此需要更明確定義煙層介面, 在 大空間建築火災性能式煙控系統設計與應用手冊 中, 五項危險指標有 溫度 可見度 一氧化碳濃度 二氧化碳濃度 與 煙層高度, 這五項危險指標在離地 1.8M 的高度介面中, 只要其中一項指標最快到達危險值, 就以最快到達的危險時間做為煙層下降時間 根據美國國家防火協會 (NFPA) 對煙的定義, 煙乃是由物質燃燒後形成的固體懸浮物 液態粒子與氣態粒子, 再加上引進的空氣混合而成 燃燒的產物通常包括固體微粒 燃燒不完全的燃料 水蒸氣 一氧化碳 二氧化碳以及其他有毒與腐蝕性氣體等 19, 以下就煙之特性加以說明 煙之高溫火焰上方之煙霧即使上升至天花板, 其溫度火場中, 煙霧因密度低空氣而往上浮升, 起火初期在天花板下方留有相當高度之冷空氣空間, 加上煙霧在蔓延之過程中不斷受到冷卻, 令火場避難者仍有安全逃生之機會 2. 煙之毒性在建築物發生火災時, 由於火場中燃燒物的不同與現在環境條件的不同, 所產生的濃煙在性質上與內容上都有很大不同, 煙中之氣體, 未必全是具有毒性, 但大部分都包含有毒的氣體 3. 煙之遮蔽性當火災發生時, 濃煙所造成之遮蔽性乃由煙之散射 吸收係數 阻擋性 室內亮度 光線之波長及辦認識物體為發光或是反光等因素影響, 光線穿越煙層中, 致使光之強度漸弱, 於火場造成能見度之降低, 不利於火災搶救與火場逃生 15

30 四 煙層介面之定義 17 下列五項標準參考 大空間建築火災性能式煙控系統設計與應用手冊, 主要在規範人體受到危害程度指標值, 如表 2-3 所示 為了後續模擬設定需擷取出與本研究相關之五個評估指標作為判斷煙層下降時間參考依據 1. 溫度 : 火災發生時, 火源燃燒會釋放熱量, 人體能承受極限溫度為不能高於 可見度 : 火災發生時, 濃煙會造成視線不良, 人體能承受極限可見度為不能低於 10m 3. 一氧化碳濃度 : 火災發生時, 有毒性氣體會吸入身體, 人體能承受極限一氧化碳濃度需低於 1500ppm 4. 二氧化碳濃度 : 火災發生時, 有毒性氣體會吸入身體, 人體能承受極限二氧化碳濃度需低於 5% 5. 煙層高度 : 離地 1.8M 以上 表 2-3 煙層介面指標表 17 危害指標 承受極限 溫度不能高於 60 可見度 一氧化碳濃度 不能低於 10 m 需低於 1500 ppm 二氧化碳濃度需低於 5% 煙層高度 離地 1.8M 以上 煙層判定上雖然有此五種煙層介面指標做為參考, 但在評估上只要其中一項判斷 指標最早到達 1.8M 界線高度, 就會以最嚴苛之介面指標做為主要判斷依據 16

31 五 避難理論分析 1. 避難安全標準 21 避難安全亦指當災難來臨時, 人員透過一些措施, 安全逃離建築物或到達臨時安全的等待救援空間 換句話說, 建築設計中如何控制人員避難時間, 要小於危險來臨的時間, 即為安全避難 ; 相反地, 則避難失敗 在這個簡單確充滿複雜的問題中, 要如何去達成安全避難, 由英國學者 Marchant 提出避難設施包括出入口 走廊 ( 通道 ) 及樓梯, 設計時基本上須考慮火場燃燒之成長及變化 火場避難者心理生理狀態及行為之變化 火場避難環境之變化 22 形成上述三項因素變化之成因, 相當多且複雜, 但可以確定此三項因素具隨時間而變化之特性, 配合這項概念 T a T T b cr T m 1 (2-1) 其中, T : 察覺火災時間 a T b: 對火災發生作反應之時間 T m : 抵達安全地點之行動時間 T cr : 避難容許時間 2. 避難各項所需時間 23 建築物內避難者之安全性受到火災發生各種時間之影響, 分別記述如下 : (1) 避難開始時間 : 從火災發生到人員開始避難之時間稱之 主要受到建築物利用 管理狀態 火警自動警報設備的設置狀況 通報 傳達系統之信賴度等之左右 現階段之避難開始評估, 以日本為例, 其採行對火災警報探測器反應作動時間 防火管理人火警確認作為 收容人員之反應能力及對避難路徑選擇判斷能力等之 檢測 觀察及實驗分析, 評估出該階段所需之時間 (2) 避難行動所需時間 : 避難開始到避難結束之時間, 即為避難行動所需時間, 此受 建築物中避難設施的配置 避難者的行動能力所左右 17

32 (3) 危險狀態發生時間 : 因煙下降 閃燃現象的產生 煙之擴散等影響至居室 避難路徑造成危險狀態, 此種由火災發生到危險狀態發生之時間稱之 而此時間主要受到居室大小 內部裝潢 防排煙性能 撒水設備及防火區劃的設置所左右 (4) 避難安全餘裕時間 : 透過避難所需時間和安全容許極限時間作比較, 以判斷建築物內避難人員安全與否 圖 2-10 避難與危險波及時間關係示意圖 24 18

33 六 大空間或挑空中庭相關研究整理 表 2-4 大型空間或挑空中庭建築物相關研究整理 年代作者著作名稱內容摘要 2003 楊智勝 ( 中山大學機械工程學系博論 ) 楊冠雄等人 ( 內政部建築研究所委託研究報告 ) 陳清峰 ( 長榮大學職業安全與衛生研究所碩論 ) 28 大型購物中心大空間之性能式煙控與避難系統設計分析及全尺度驗證印證建築火災煙控性能提升之研究 ( 室內中庭及大空間煙氣層流作用對火災探測及排煙功能效應及系統連動之驗證分析 ) 挑空空間煙控系統之分析與探討 本研究內容分為煙控性能分析與避難性能分析兩部分, 煙控性能分析利用區域模擬 CFAST 與場模擬 STAR-CD 兩種電腦模擬進行濃煙沈積速度測, 並評估蓄煙煙控與機械排煙煙控策略之可行性 而避難性能分析方面, 以 SIMULEX 避難軟體模擬各區域人員於火災發生時逃生動態過程, 並計算避難動作時間 再以蒙地卡羅數量化風險評估法計算火災發生時的總避難時間, 最後將煙沈積至設計淨高的時間與總避難時間相互比較, 確認煙控性能之安全性 本研究以全尺度驗證探討室內中庭及大空間層流作用形成原因與對火災探測器的影響 研究結果 : 1. 傳統火焰型與集中型熱煙探測器對小規模火災, 因發煙量與熱輻射量無法達到鳴動範圍, 導致無法有效偵測火警發生 ; 而大規模火災時, 探測器能於第一時間有效偵測火災, 但若配置位置離火點有段距離, 因此火災發生時形同失效 2. 光電式分離型煙探測器經由實驗可知為最適合裝置於大空間建築之探測器之一 其優點為不會因偵測範圍內有非預期遮蔽物造成火警誤報, 在實驗中大空間探測器鳴動時, 煙層仍然停留在 6F 走道上, 因此若能與機械排煙風機作有效連動, 能抑制煙層下降與增加人員逃生時間 本研究以不同中庭結構類型建築物, 配合不同之火源熱釋放率及補氣口大小, 探討分析有效煙控條件 ; 另外, 以不同中庭結構類型建築物進行 1/2 縮小尺度的電腦模擬, 探討 1/2 縮小尺度模型實驗的可行性 研究結果 : 1. 在相同補氣口條件下, 無隔層建築物煙層溫度比有隔層較高, 溫度曲線有較為均勻, 排煙量也較高 ; 而在煙層高度方面, 無隔層煙層高度比有隔層較低 2. 在相同熱釋放率條件下, 煙層高度會隨著補氣口高度增大而增加, 但若熱釋放率與補氣口高度太大時, 可能會導致煙層高度降低情形發生 19

34 3. 進行 1/2 縮小尺度模型實驗發現, 牆壁的熱慣性對煙層溫度及排煙量影響甚大, 若牆壁熱慣性依照尺度法則規定進行修正, 其溫度分布及排煙量結果與全尺度實驗較為接近 七 層化現象定義與相關研究之探討 1. 層化現象定義中庭建築空間在實際燃燒情況下, 進行排煙動作時, 一般高度可順利進行排煙, 而高度越高之中庭建築空間, 因煙粒子受熱浮力影響上升至一定高度, 可能因煙粒子冷卻, 反而導致煙層下降時間加快, 使人員避難時間縮短造成危險, 此現象稱為層化現象 (Smoke Stratification) 3. 層化現象相關文獻整理目前國內 外針對層化現象研究極為少數, 本研究將其相關研究文獻彙整如表 2-5 所示 表 2-5 層化現象相關研究整理表 年代作者著作名稱內容摘要 2005 楊冠雄等人 ( 內政部建築研究所委託研究報告 ) 盧建宏 ( 國立交通大學 / 機械工程系碩士論文 ) 6 建築火災煙控性能提升之研究 ( 室內中庭及大空間煙氣層流作用對火災探測及排煙功能效應及系統連動之驗證分析 ) 挑高中庭之性能式火災 本研究以全尺度驗證探討室內中庭及大空間層流作用形成原因與對火災探測器的影響 研究結果 : 1. 經由全尺度實驗結果得知, 於夏天高溫情形下, 屋頂附近溫度之室溫為 35, 約比正常室溫 30, 高約 5, 亦即試驗場上方形成較弱之煙氣層流現象 2. 雖有煙氣流層現象存在, 但在實驗結果顯示, 煙流仍可穿過煙氣層流, 而正常啟動火災探測器, 不影響火災探測器之功能 大空間中庭高度 41.5m 的頂部因日光照射或熱輻射等效應而使該處空氣受熱, 使得其密度略低於周遭環境溫度, 則有 層化 (Smoke Stratification) 之現象產生 本研究考慮因夏天屋頂玻璃受輻射熱傳及內部空間溫度可達 50 判定為層化現象產生 探討層化現象與煙流平均溫度之比較, 並討論 20

35 2008 John H. Klote,DSc, PE 25 Kurt Puchala, P.E 層化現象之分析 State-of-the-Art Atrium Smoke Control Small Atria Smoke Control 此效應是否對煙無法到蓄煙區頂部與是否影響排煙問題 屋頂因太陽輻射影響,60 英呎 (18m) 高中庭下的熱空氣層溫度超過 120 (48 ), 當煙流平均溫度少於熱空氣時, 煙將分化熱空氣層 三層樓高的學生宿舍, 每層約 1,2000 平方英呎 (1,100 m2 ) 小中庭建築, 本研究進行檢查發現, 層化現象發生時, 在火災所釋放的熱能發現 ; 1. 因空間大煙冷卻關係, 導致天花板溫度平衡 2. 位於熱空氣下方 3. 高通風率與大量冷空氣混合煙的空間 本研究以 NFPA 92B 的穩態火源設計, 發現地板燃燒溫度與天花板環境溫度之間溫度差若大於 275 (135 ) 將可能產生層化, 若環境溫度設定 70 (21 ), 預計不會有層化產生 由於挑空中庭建築物因挑空中庭關係, 中庭空間在實際燃燒情況下, 煙粒子受熱浮力影響上升, 煙偵測連動排煙設備, 進行排煙動作, 一般高度可順利進行排煙, 而高度越高的中庭空間, 煙粒子受熱浮力上升至一定高度時, 反而因冷卻產生層化現象, 而導致煙層下降越快, 導致避難逃生餘裕時間縮短, 造成避難安全上之危險性 21

36 2-2 FDS 火災模擬軟體分析與相關研究之探討 FDS 火災模組介紹 FDS(Fire Dynamics Simulator) 火災煙控模擬軟體, 為美國 NIST(National Institute of Standards and Technology) 國家標準局與技術協會機構下之 BFRL(Building and Fire Research Laboratory) 建築物與火災研究實驗室所研發之計算流體力學軟體, 主要以大渦流模擬法 LES(Large Eddy Simulation) 為基礎, 由 NIST 發展計算流體力學 CFD(Computational Fluid Dynamics), 可用於模擬三維的火災情境, 此模組將模擬範圍切割成若干正立方體之數值網格, 所有計算都必須在網格內完成, 因此網格越細, 計算上越複雜, 相對模擬時間就越長 FDS 能較為準確預估火災發生時火場的壓力 熱釋放率, 燃燒所產生危害物質溫度 CO CO 2, 與影響人員避難的能見度 煙層下降時間等火災物理數據, 另外除了數值模擬外, 更能夠過後處理程式 Smokeview, 觀察建築物內煙流動向狀況, 目前 FDS 台灣運用在火災煙控模擬評估上, 為最常用之場模式軟體, 故本研究以 FDS 版本為研究分析工具 FDS 基礎理論公式 8 10 整體流場模型是由數個基本守恒方程式所架構, 包括質量守恆 動量守恆 能量守恆以及狀態方程式, 適用於低馬赫數的熱驅動流場分析, 其理論方程式如下 : 1. 基本方程式 質量守恆方程式 (Conservation of Mass) u t m b (2-2) 動量守恆方程式 (Conservation of Momentum) t u uu p g f b ij (2-3) 22

37 能量守恆方程式 (Conservation of Energy) t Dp Dt h h u q q q s 狀態守恆方程式 (Conservation of State) s b (2-4) p RT W (2-5) 其中, 為密度,u 為速度向量, m 的各種外力項, h 為熱焓值, ij q s 為液體的生成或消耗率, f b 為重力向外 為壓力張量, q 釋放率, 為液滴蒸發所消耗的熱釋放率, b 因為黏滯力轉換成熱能的逸散項 2. 燃燒模型 b 為化學反應中單位體積產生的熱 q 為傳導與輻射熱通量, 為動能 FDS 提供兩種燃燒模式可選擇使用, 依照格點來決定使用模式 在使用 LES 法計 算方面, 由於格點尺寸不夠小至足以解析燃料及氧的擴散, 於是使用混合分率燃燒模 式 (Mixture Fraction), 而大部分通用的燃燒反應為 : CxHyOzNaMb vo O VCO CO vh2oh2o vcoco vss vn2n2 vmm 其中, N 2 為氮氣,M 為物種平均分子量,FDS 設定在不消耗氧氣的過程中反應的, 而反應是可簡化為以下方程式 : v F v O v P 0 F p (2-6) P 其中,v 為化學當量係數,O 為氧氣, F 為燃料, P 為生成物 再 FDS 裡, 煤 煙被設定為碳與氫的混合物, X 為煙的產量, 由以下方程式表示 : W H 為碳與氫的原子數, v S 為煤煙的化學劑量係數, y S v F S ys W ; W S X H W H X H W C S 1 (2-7) 23

38 而 v CO 為化學劑量係數, y CO 為二氧化碳量, 由以下方程式表示 : W F vco yco (2-8) WS 上列方程式意指煙與二氧化碳的生成率是在通風良好的情況之下, 而混合分率 Z 的定義為方程式表示 :: SYF YO Y I SY Y F O O Z, v W O O S, F 1 vfwf v (2-9) 上列方程式中, Y 為環境中氧的質量分率, Y I 為燃料流部分的濃度百分比, O F W 為燃料的分子量, W 為氧的分子量, 而混和分率也遵守質量守恆定律 : F O DZ DZ (2-10) Dt 假設化學反應無限快, 則燃料與氧氣無法共存, 所以火焰表面為燃料與氧氣同時消失的地方, 其混和分率為 : YO Z ( x, t) Z f ; Z f I (2-11) sy Y F O 在 FDS 中, 所有的氣體都會混合, 如圖 2-15 所示, 而氧氣與燃料的方程式, 假設在瞬間反應下 圖 2-11 氣體混和分率圖 29 24

39 3. 熱輻射模型 氣體的輻射傳遞方程式 (Radiative Transport Equation) 為 : x s kx, I x I x s s I, b, (2-12) 其中,s 為 I x, s的單位向量強度, 而 I x, s k x,代表吸收係數, x I b 是波長等於 時的輻射強度, 則為 Planck function 給定的源項 在實用的模擬光譜無法解的相當精準, 所以再進入波段較小時的輻射幅度是分散 的, 而分離的輻射轉換方程式是由每一個波段裡所衍生出來的, 所以方程式轉換為 :, n N x s k x I x I x, s s I 1 n,, (2-13) n b n 其中 I n 為積過波段 n 的強度, k n 為波段 n 裡的適當平均吸收係數, 而 以表示成黑體輻射 (Blackbody Radiation) 百分比 : I F, max T n x I b, n 可 4 n min b, n (2-14) 其中 為史蒂芬波茲曼常數, 度全部的總和 : I N x s I x s, n 1 n, F n 為計算因子, 而當所有波段強度已知, 則總強 (2-15) 而在能量方程式中熱輻射損失項為 : x xu x I x, Ux Ix s q d r 4 b 4, (2-16) 定義輻射熱通量 q 為 : r x six sd q r, 4 (2-17) 25

40 2-2-3 格點參數設定探討 30 在 FDS 模擬分析中, 計算模擬範圍的格點分布, 一方面必須考慮有足夠的密度, 以正確合理地描述流場中每一個位置之物理量變化, 另一方面又必須兼顧計算資源之有效運用與計算時間之控制 因此, 太密的格點系統將造成格點數目太多, 而導致計算時間太久 計算資源需求過高之問題 ; 相反地, 若格點系統分布太過稀疏, 將可能造成無法正確描述流場之問題 此外, 根據 FDS 手冊中美國核管理管理委員會研究 文獻 31 提到 D 所示 : * / x 的網格大小結果比例需在 4 至 16 之間的範圍內, 其公式如下 D * Q c pt g 2 5 (2-18) FDS 架構與特性 本研究選擇以 FDS 火災煙控模擬程式為評估方法, 原因為目前國內外 FDS 軟體在進行建築物火災動態模擬評估上有相當的精準性, 尤其 FDS 運算 場模擬 其火災 煙模擬行為較詳盡 FDS 處理架構與程序分為以下三個部分 : 1 前處理: 於前處理中, 利用純文字格式輸入模擬之模型條件, 建立 FDS 的 data 檔, 包括 : 模型尺寸 格點配置 環境溫度 材質特性 實體物與牆面 邊界條件等, 作為模擬計算基礎, 並根據 FDS 內建軟體的資料庫中, 選擇所需火源燃燒物的數值及設定模擬燃燒的時間數據 2 數值解: 即是 FDS 的運算核心部分, 主要依靠 FDS 運算前處理提供的條件參數, 並以數值方式求解, 並將所需計算結果輸出 3 後處理:FDS 後處理部分與 Open GL 繪製軟體 Smokeview 結合, 可將 FDS 所計算結果, 利用 2D 與 3D 動畫方式呈現, 可依照研究目的, 觀察影響人員避難的煙流方向 能見度 一氧化碳濃度及煙層下降與時間關係, 或灑水動作 偵測器動作與排煙設施做動等情況 26

41 2-2-5 FDS 操作流程 FDS 的架構與操作過程如圖 2-12 所示, 首先必須輸入一個 Input file 的 data 檔, 經由 FDS 運算後結果產生副檔名, 包括.smv.sf.bf.out.csv *.q.iso 等檔案, 再利用後處理程式 Smokeview 針對火場內溫度場 速度場 流場 CO 濃度 CO 2 濃度及能見度等數值, 以 3D 動態方式呈現, 達到虛擬實境的效果 執行後同時產生四個電子試算表檔案, 包括 :hrr.csv mass.csv tc.csv, 產生量測數據, 並可與 Smokeview 輸出後製作成圖表, 方便使用者檢視 Input (data 檔 ) 前處理 FDS 數值解 Smokeview Input (*.smv) 3D 觀察 SlicarVect or slice (*.sf) 動畫切面圖 Boundary (*.bf) 邊界資料 Particle (*.part) 控制粒子和水滴 Iso-surface (*.iso) 等位面動畫圖 Plot3D (*.q) 流體區域靜態圖面 後處理 Confing (*.ini) Smokeview Graphics 圖形 圖 2-12 FDS 與 Smokeview 之組織架構與操作流程圖 27

42 2-2-6 FDS 相關研究整理 表 2-6 大型空間或挑空中庭建築物運用 FDS 相關研究整理表 年代作者著作名稱內容摘要 2001 李訓谷 ( 中山大學機械工程學系博論 ) 蔡尤溪等人 ( 建築中心委託內政部建築研究所研究報告 ) 林俊豪 ( 台北科技大學冷凍空調工程學系碩論 ) 34 大空間中庭建築性能式煙控系統設計分析建築防煙技術及實驗研究子計畫 (Ⅱ) ( 大空間防煙性能模擬與現場實測基準之研究 ) 大空間排煙設置參數對排煙性能影響之研究 本研究先經由文獻收集有關火災煙柱與煙層沈積速率之理論分析, 歸納出影響大空間中庭建築煙控系統設計之重要參數, 包括 : 煙柱傳輸延遲時間 天花板噴流傳輸延遲時間 煙捲吸率 機械排煙量以及自然排煙量 以理論公式與場模擬 FDS 火災模擬結果與文獻彙整結果進行比較分析, 再以大空間全尺度實驗探討各種煙控策略對煙層沈積速率的影響, 並加以印證理論公式場模擬的適用性, 最後建立一套簡單的性能式煙控系統設計準則 本研究以參考國際性 NFPA 92B 大空間防煙性能基準為標準, 進行理論探討比較國內案例, 提出適當之設計與計算方法, 達到安全之煙害管理, 並探討以 FDS 火災軟體 FLUENT 電腦軟體與 CFAST 區域模擬實驗值進行軟體比較分析其精準性 研究結果 : 1. 以不同格點大小分析結果得知,FDS 火源表面測點誤差較大, 在離火源點 1m 距離最為精準 2. FLUENT 電腦軟體由於使用許多假設火災簡化數值, 在相同格點下時, 模擬結果與 FDS 模擬結果以及實驗值相差較大, 若不進行簡化假設及格點加密或許可與實驗值相近, 但必須評估電腦計算時間 3. CFAST 區域模擬時間比 FLUENT 電腦軟體時間較為縮短許多, 雖區域模擬操作方法現今仍為研究人員參考依據, 但若模擬煙流狀況及細部數值模擬仍需以 FDS 進行模擬取得較為精準數值 本研究先將經由 NFPA 92B 與國內相關建築大空間煙控設計的彙整, 進行理論探討, 再以 FDS 火災模擬大空間中庭空間, 探討排煙口設置 風速與風量對大空間排煙的影響 研究結果 : 1. 經由相關文獻彙整分析結果得知, 良好的大空間中庭機械排煙煙控設計, 需具有 0.8(z/H) 的平均高度 2. 模擬設置多點排煙口與單點排煙口結果得知, 多點排煙口比單點排煙口更能將大空間煙流均勻排除, 在 28

43 2006 葉琮勤 ( 中山大學機械工程學系博論 ) 劉明溱 ( 中華大學建築與都市計畫學系畢業專題 ) 楊育荃 ( 雲林科技大學工程科技研究所博論 ) 19 大空間建築性能式煙控系統設計之 3D CFD 電腦模擬分析與全尺寸實驗印證建築物煙控探討之研究 以大型展覽館為例數值模擬於大型室內空間中火煙模式之應用與研究 相同排煙量與補氣口情況下, 多點排煙口比單點排煙口高於 10% 安全高度, 減少煙層高度增加避難逃生 3. 模擬補氣口位置與大小結果得知, 補氣口越大對煙控越有利, 但也必須考量外氣季節風對補氣口的影響, 因此建議以機械補氣口為最佳 本研究主要分為三個階段, 先將大空間型態建築物進行 條列式 與 性能式 兩種型態煙控設計, 再以 FDS 火災模擬其結果進行比較分析, 最後以 性能式 煙控設計進行全尺度實驗結果印證其性能式設計之性能 本研究以 FDS 火災軟體探討大型展覽館的煙控與煙流關係, 模擬煙流在建築物內部情形, 再分析煙流對內部人員避難逃生的影響 研究結果 : 1. 挑空空間能使煙層下降較為緩慢, 藉此達到蓄煙功效, 使機械排煙或自然排煙完全開啟時, 可有緩衝時間, 以降低煙層對內部人員避難逃生上的危險 2.FDS 輔助模擬建築內部挑空空高度 排煙口大小與排煙機風量選擇及設計, 以降低不當設計所造成對人員避難逃生上的危險, 但在 FDS 進行模擬數據時, 網格細緻度關係到模擬結果的準確性, 因此本研究將較細格點設置於火源及偵測典範圍, 其餘設置較粗網格, 使模擬數據較為精準 3. 經由 FDS 偵測點所模擬數據結果得知, 可視度對內部人員為最直接影響, 因此利用煙控將煙流控制或限制在某一部分區域或高度, 使降低煙流對人員逃生避難能見度的影響 本研究以 FDS 火災模擬進行大型體育場溫度分布與煙層下降高度模擬分析, 評估最佳格點配置方法, 使未來火災研究者作為實驗模擬依據 研究結果 : 1. 大型空間若設定均勻格點, 可能導致模擬計算時間增長, 因此以非均勻格點為最佳配置方式 2. 在不考慮火源位置時, 進行溫度模擬, 格點約 0.1~0.15 所測出溫度預測值較佳 ; 若熱釋放率以 1MW 與 5MW 進行溫度模擬, 發現格點為 時, 溫度預測值較佳 29

44 2007 洪誌壕 ( 淡江大學機械與機電工程學系碩論 ) 盧建宏 ( 交通大學機械工程系碩論 ) 林靖山 ( 交通大學機械工程學系碩論 ) 38 大空間中庭建築性能式煙控系統設計分析 以車站為例挑高中庭之性能式火災煙控設計研究防火性能式設計應用於電影院與挑高中庭之建築物 本研究依據 NFPA 92B 作為大空間中庭煙控設計規範, 以 FDS 火災模擬進行車站月台層數值分析, 建立一套車站性能式煙控與避難系統設計基準 研究結果 : 1. 設置火源為至於中央大廳與穿堂層模擬結果得知, 由於中央大廳部分為挑空區域, 剛開始煙流快速下降至大廳大門後, 煙流開始往大門排出並維持穩定狀態 ; 穿堂層部分由於因中央大廳防火鐵捲門連動關閉關係, 煙流被隔絕於穿堂層, 並由上方自然排煙口排出, 並無危害到人員避難逃生 本研究分為三個案例, 案例二為戲院, 其他為挑空中庭案例, 探討 FDS 火災模擬與 Simulex 避難模擬, 以機械排煙評估三種案例的煙控設計, 分析人員避難狀況及避難所需時間, 藉此判斷是否避難安全 研究結果 : 1.FDS 以離地板 1.8m 之危害人員危險指標為判斷人員是否安全為標準, 結果得知三個案例人員危害值都在標準內, 人員均能避難安全, 其中案例一所設逃生出口均勻分布, 對避難逃生的順暢性有很大幫助 本研究分為兩個案例進行 FDS 火災模擬與 SIMULEX 避難軟體分析, 案例一為挑高中庭, 其改變火源位置與排煙風量, 探討挑高中庭煙流狀況, 並觀察中庭部分防火鐵捲門關閉時人員是否有受困其中可能性 ; 案例二為電影院, 其改變火源位置與排煙口位置, 探討不同配置下對煙控的影響 研究結果 : 1. 案例一結果得知, 因挑高中庭建築型態關係, 煙流往中庭向外擴散與人員避難方向相同, 經由檢測每層 1.8m 高度, 並未受到煙流所影響 ; 另外火源設置中庭中央與樓層下方結果得知, 中央部分煙流直接到達頂層, 流層下方煙流反而在到達頂層前便往中間其他樓層擴散 2. 案例二結果得知, 因電影院上方有蓄煙效果, 加上機械排煙作動, 可確保人員避難安全 ; 另外火源設置較低與較高區域結果得知, 火源較低區域易使煙流急速下降並擴散到整個空間, 造成人員避難危險, 而火源較高區域, 使煙流侷限於天花板區域, 對於較低區域人員避難有充分時間 30

45 2009 江德煌 ( 中華大學建築與都市計畫學系碩論 ) 18 大空間煙控與全尺寸燃燒驗證之比較研究 以高雄是現代化體育館為案例 3. 在防火鐵捲門關閉時, 人員有充分時間避難至安全區域 本研究以 FDS 火災模擬進行高雄市現代體育館實際案例模擬, 再與全尺寸燃燒實驗結果進行煙層相關數值評估比較, 並分析其差異性 研究結果 : 1. 經由比較結果得知,FDS 火災軟體不論是煙流模擬 煙層下降時間判定均與實際全尺寸燃燒實驗結果相近, 而在 FDS 火源持續燃燒假設下, 更可預估發煙量大的火源情境, 對於整體評估結果更為嚴謹 2.FDS 可利用 3D 模型著實表現建築物空間尺度, 以及各種消防安全設備 ( 如排煙口 撒水頭及進氣口等 ) 作動情形, 因此應用在設計階段尚未興建工程的煙控性能評估有其可信性與可行性 31

46 2-3 FDS+Evac 避難模擬軟體分析與相關研究之探討 FDS + Evac 避難模組介紹 FDS 避難模組 Evacuation(Evac), 由芬蘭的 VTT(VTT Technical Research Centre of Finland) 技術研究中心所開發, 作為 FDS 的附屬程式運行, 加入避難模組的 FDS 程式稱為 FDS+Evac, 並於 2010 年 5 月發表 FDS5.5.0+Evac2.2.2 FDS+Evac 結合火災煙流動態模組與避難模組的一種模擬軟體, 主要運算空間內人員疏散狀況, 此軟體可與 FDS 火災煙流動態模擬同時運行, 也可獨立運行作業, 但 FDS+Evac 的避難網格不等同於 FDS 火災網格屬於獨立運作, 必須獨立設置避難網格指令, 當運算完成後呈現方式與 FDS 相同, 通過後處理 Smokeview 軟體結果輸出至螢幕上, 顯示出人員的避難狀況 人員的身體特徵顏色或死亡顏色等狀況, 方便讓使用者了解此軟體在整體火災與避難上的過程 人員移動模型理論公式 FDS+Evac 依據 Helbing 研究小組所提出 社會力(social force) 模型, 意指利用社會心理學為基礎, 以能與真實狀況相近, 例人員避難時能在合理範圍內每個智能體能互相保持距離 與牆壁 ( 障礙物 ) 保持距離, 避難時每個智能體避難時間不同, 或可能產生智能體堆積擁擠等狀況, 作為人員移動運算的基礎理論, 其 中 f f soc soc soc ij ji f 分別代表智能體 i 與智能體 j 智能體 j 與智能體 i 智能體 i 與 iw 牆壁的社會力,r 代表智能體 i 與智能體 j 之間或智能體 i 與牆壁的距離, 如圖 2-13 所示 32

47 圖 2-13 社會力 (social force) 概念 39 FDS+Evac 假設人員避難時將人員視為煙粒子流量, 將出口視為抽風口, 通過正 負壓關係將人員吸出, 藉此形成避難路徑, 如圖 2-14 所示 圖 2-14 居室出口所形成的人流流量 39 另外, 在 FDS+Evac 在避難時假設每個智能體都可個別特質與逃生策略, 因此每 個智能體都遵循個別的移動方程式, 由 dx i / dt 使智能體產生移動速度 t 以下人 員移動模型分為九個方程式 : v i 移動方程式 m i 2 d X dt i 2 t f i t i t (2-19) 其中, m : 智能體質量 i X i t: 智能體 i 在時間 t 時的位置 33

48 f i t: 周圍環境施於智能體的外力 i t 環境力方程式 : 小的隨機變動力量 f i mi i 0 soc c att soc c v i vi fil fij fij fiw fiw ji w k f att ik (2-20) 其中, i : 鬆弛時間參數 0 v : 智能體 i 目標速度 i v i: 智能體 i 初始速度 f s o c il : 智能體 i 與智能體 j 的社會力 c f ij : 智能體 i 與智能體 j 的接觸力 f a t t ij : 智能體 i 與智能體 j 的相互作用力 f s o c iw : 智能體 i 與牆壁的社會力 f c iw : 智能體 i 與牆壁的接觸力 f a t t ik 社會力方程式 : 智能體 i 與牆壁的環境相互作用力 f soc ij Ae i d r ij ij / B 1 cos i i ij 1 i nij 2 (2-21) 其中, A i : 力量的強度 r ij : 智能體 i 與智能體 j 身體圓形中心間的距離 d ij : 智能體 i 與智能體 j 身體圓形半徑的總合 34

49 B i: 力量的空間範圍 接觸力方程式 f c ij i: 控制社會力的各向異性 ij : 智能體 i 受力方向與智能體 j 移動方向間的角度 n ij : 從智能體 j 指向智能體 i 的單位向量 n t kijrij dij cdvij n ij ijrij dij v ijtij (2-22) 其中, k ij : 半徑彈力強度力量常數 c d: 阻尼參數 n v ij : 智能體 i 與智能體 j 間接觸法線速度差 ij : 摩擦力強度力量常數 t v ij : 智能體 i 與智能體 j 間接觸切線速度差 轉動方程式 t ij : 智能體 i 與智能體 j 的接觸圓形單位切線向量 I z i 2 d i 2 dt t M z i t z i t (2-23) 其中, I z i : 慣性力矩 i t: 智能體 i 在時間 t 的角度 M z i t : 作用於智能體 i 的總力矩 z i t : 小的隨機變動力矩 35

50 轉動力力矩方程式 M z i M M M (2-24) c i soc i i 其中, M : 作用於智能體 i 的總力矩 z i c M i : 作用於智能體 i 的接觸力力矩 soc M i : 作用於智能體 i 的社會力力矩 接觸力力矩方程式 M i : 作用於智能體 i 的移動力力矩 c c R f i ij c M i (2-25) 其中, ji 社會力力矩方程式 R c i : 智能體 i 中心指向接觸點的半徑向量, 如圖 2-19 所示 c f ij : 智能體 i 與智能體 j 的接觸力 soc soc R f i ij soc M i (2-26) 其中, ji R soc i : 智能體 i 中心指向社會力的虛構接觸點, 如圖 2-15 所示 f s o c ij : 智能體 i 與智能體 j 的社會力 圖 2-15 c soc R i 和 R i 半徑向量的定義 39 36

51 i 移動力力矩方程式 M i z Ii z i z 0 0 Ii t t ~ 0 t i i z i i (2-27) 其中, M : 作用於智能體 i 的移動力力矩 z I i : 慣性力矩 z i : 鬆弛時間參數 i t : 目前身體角度 0 i : 目標身體角度 0 : 轉動智能體的最大目標角速度 t: 目前角速度 ~0 i : 目標角速度 身體特徵模型 FDS+Evac 智能體身體模型, 由 Langston 46 與 Korhonen 等人的理論, 在二維平面上以三個圓形組合代表智能體的身體模型, R 為身體半徑, t R s 為肩膀半徑, R 為人體中心到肩膀邊界的距離, d 為人體中心到肩膀中心的距 d 離, 如圖 2-16 所示, 而在 FDS 後處理程式 Smokeview 呈現上有四種方式, 結構體越多 執行速度就越慢, 如 2-17 所示 s 37

52 圖 2-16 三個圓錐體所組成的智能體身體模型 39 粒子型 圓盤型 人體型 橢圓型 圖 2-17 Smokeview 呈現的智能體身體模型 ( 本研究整理 ) 38

53 此外,FDS+Evac 內設置有五種身體類型, 分別為成人 男人 女人 小孩以及 老人, 其針對不同人員種類給予不同的步行速度, 如表 2-7 表 2-7 FDS+Evac 內設身體類型尺寸與其移動速度 39 身體種類 R d (m) R t / R d R s / R d d s / R d 移動速度 (m/s) 成人 0.255± ±0.30 男人 0.270± ±0.20 女人 0.240± ±0.20 小孩 0.210± ±0.30 老人 0.250± ± 煙氣毒害判斷死亡 目前 FDS+Evac 版本判斷人員死亡, 依據 Purser 51 所提出的有效劑量分率或煙霧毒性指數 FED (Fractional Effective Dose,FED) 概念, 運用在火災煙流毒氣中 CO CO 2 O 2 三種濃度值來計算 FED 值, 故 FDS+Evac 中的智能體在避難時, 不受煙層或能見度所影響而導致避難終止或死亡, 則以煙流中的危害因子毒氣達到危害值,FED 值大於 1 時判定智能體死亡才會停止避難, 其方程式 (2-28) 如下所示 : FED tot FED HV FED (2-28) CO CO 2 O 2 其中, FED tot : 總煙霧毒性指數 FED CO:CO 煙霧毒性指數 HV CO 2 :CO 2 換氣過度因子 FED O 2 :O 2 煙霧毒性指數 方程式 (2-28) 不包括麻醉劑 NCN 的影響, 假設 CO 2 濃度較低且無麻醉效應, 而 CO 2 濃度達到 5% 時也無麻醉效性, 更無毒性反應, 但當火災所產生各種危害因子時,CO 2 只會因換氣過度刺激呼吸, 導致呼吸速率增加產生影響, 另外, 其 CO 煙霧毒性指數 方程式 (2-29) 如下所示 : 39

54 FED CO C t CO (2-29) 其中, FED CO :CO 煙霧毒性指數 C :CO 濃度 (ppm) CO t: 時間 (sec) 而 O 2 的煙霧毒性指數方程式 (2-30) 如下所示 : t FED O 2 60exp Co 其中, FED (2-30) O 2 :O 2 煙霧毒性指數 2 C O 2 :O 2 濃度 (ppm) t: 時間 (sec) CO 2 引起換氣過度因子方程式 (2-31) 如下所示 : 2 exp Cco HV CO (2-31) 其中, HV CO 2 :CO 2 換氣過度因子 C CO 2 :CO 2 濃度 (ppm) 緊急出口選擇 在 FDS+Evac 中, 每個智能體的緊急出口選擇, 會受到出口位置 其他智能體移動方向 是否熟悉出口及出口位置的能見度所影響, 而可能選擇不同緊急出口, FDS+Evac 將每個緊急出口的優先順序分為七種, 如表 2-8 所示, 每個智能體會依照優先順序做出選擇 40

55 表 2-8 FDS+Evac 內出口選擇的優先順序 39 優先順序 出口能見度出口熟悉度阻礙狀況 智能體在 Smokeview 中顯示的顏色 1 可見 熟悉 無阻礙 黑色 2 不可見 熟悉 無阻礙 黃色 3 可見 不熟悉 無阻礙 藍色 4 可見 熟悉 有阻礙 紅色 5 不可見 熟悉 有阻礙 綠色 6 可見 不熟悉 有阻礙 洋紅色 0 不可見 不熟悉 無阻礙 青綠色 0 不可見 不熟悉 有阻礙 青綠色 群組 依據社會心理學的觀點, 避難時人群會組成一個小團體, 在建築避難模型中要考慮這種行為, 可使用 Hebling 方程來模擬這個群組行為 在模型中這些行為被分為兩個階段 : 1. 聚集階段 : 群組成員相互走到一起組成群組 2. 出口階段 : 這個群組一起通過選擇的出口 這兩個階段通過改變 Hebling 方程中優選步行方向來實現, 在聚集階段人員趨於向群組的中心運動 當與其他人員的距離控制在一個值範圍內時, 則認為這個群組形成 這意味著任何一個群組中的人員都被設置為使用相同的流場 在向出口運動時他們仍然保持在一起 這個通過調整他們的步行速度和指向人群中心的外加力來實施的力稱為群組力 41

56 2-3-7 FDS+Evac 相關研究整理 表 2-9 大型空間或挑空中庭建築物運用 FDS+Evac 相關研究整理表 年代作者著作名稱內容摘要 2010 紀人豪等人 ( 內政部建築研究所委託研究報告 ) 陳汝昌 ( 中央警察消防科學碩論 ) 41 原有合法小規模旅館建築物防火避難改善方案之實驗驗證及電腦模擬分析大型商場建築避難動態模擬研究 本研究針對小規模旅館建築物為標的, 以白雪大旅社實際火災資料, 經由 FDS+Evac 避難模擬軟體進行火場重建, 並引入防火避難設施及消防安全設備改善設計情境, 探討此類型建築物防火安全改善對策, 再經由上述情境與全尺寸實驗探討避難時間之差異性, 提出可行性與修正研擬方案 研究結果分為兩大類 : 1.FDS+Evac 避難模擬方面 (1) 重建模型後與實際火災狀況相近 (2) 經由重建後結果, 增設梯間區劃及撒水設備情境, 其結果得知, 增設梯間區劃雖能防止火災延燒至起火層以外樓層, 但對人員避難安全並無明顯幫助 ; 增設灑水設備能有效增加人員成功避難機率 2. 全尺寸實驗增設火災警報器 避難出口 指示照明燈 水平與垂直區劃 防火管理與訓練計畫等情境, 再與模擬結果之避難時間進行分析結果得知, 預防性避難演練與火災開始時間的預防確實能有效降低避難逃生時間 本研究以 FDS+Evac 避難模擬軟體, 探討大型商場建築內個防火捲門關閉時, 是否對人員避難造成影響, 再探討煙層高度 火場溫度 CO CO2 能見度與輻射強度是否造成人員避難上危害, 與 FED 煙霧毒性指數值驗證結果, 最後在與建築物防火避難安全性能驗證技術手冊所計算結果進行分析 研究結果 : 1. 將防火鐵捲門關閉後, 人員無法避難至各出口, 導致人員避難失敗 2. 在各層出口 1.8m 設置測點, 並以 FED 值進行危害人員分析, 結果得知, 各出口 FED 值都為大於 1, 因此判定人員避難安全 3. 在避難模擬結果發現, 因建築物內部設計動線不良所致, 導致人員出現壅擠狀況, 並增設出口或增寬出口等改善情境, 結果得知人員皆能避難安全 4. 避難模擬結果與建築物防火避難安全性能驗證技術手冊所計算結果比較分析, 結果得知, 驗證計算能針對各 42

57 2011 白坤鼎 ( 吳鳳科技大學消防學系碩士在職班碩論 ) 21 建築物人員避難安全評估與 FDS+Evac 電腦模擬之應用研究 以大型展覽館為例 避難時間並判斷是否安全, 相反的,FDS+Evac 避難模擬能能夠經由危險因子與 FED 值得知建築物內多少人員避難失敗 本研究以 FDS+Evac 避難模擬軟體, 初步探討大型展覽館內會議中心避難空間針對出口寬度大小與出口熟悉度進行分析, 再以單一樓層大型展覽館將危害值測點設置避難路徑及出口, 探討模擬結果, 最後建立整棟避難模型, 分析模擬結果 研究結果 : 1. 改變出口寬度大小確實能夠讓縮短避難時間, 但出口 2m 擴增至 4m 避難時間緊縮短 4 秒, 因出口越大並不代表避難時間有一定影響 2. 改變人員對出口熟悉度結果得知, 熟悉人員與不熟悉人員初期時間會回堵至出口, 但熟悉人員比不熟悉人員的避難完成時間相差 1 分鐘之久 3. 由於會議中心空間高度高, 形成蓄煙空間, 提高人員安全避難時間, 因此人員避難安全 4. 整棟避難結果得知, 二樓空間有回堵狀況, 建議改變避難出口, 分散人員避難狀況 經由表 相關研究整理得知, 大型空間或挑空中庭建築物歷年來相關研究大多以 FDS 火災模擬軟體與 SIMULEX 避難模擬軟體居多 又因近年 FDS 發表附屬避難軟體 FDS+Evac, 經由本研究表 2-9 相關研究得知, 目前 FDS+Evac 僅藉由操作手冊上的指令撰寫進行避難模擬 改變避難出口條件探討避難行為, 或僅止於與技術手冊計算避難完成時間結果之比較等, 但對於指令操作上是否有操作與限制的問題, 以及技術手冊中避難行動假設條件 避難計算上各相關因子等與模擬之差異性並不明確, 因此針對各避難影響因子與指令操作限制與技術手冊計算結果之差異性分析, 對於 FDS+Evac 此軟體於日後運用於避難評估上實有其必要性 43

58 2-4 建築物防火避難安全性能驗證技術手冊之探討 建築物建築物防火避難安全性能驗證技術手冊介紹 52 我國在民國 93 年起藉建築技術規則總則篇第 3 條及第 3 條之 4, 開始實施性能設計之防火避難安全計畫審查新制 其目的為因應世界建築防火工程科技發展之潮流, 並解決特殊建築物建構之需求及追求安全投資之經濟效益, 以推動我國建築避難安全設計走向性能式法規, 同時以國內需求為基礎, 建立一個合理可行的法規規範, 為我國發展避難安全性能法規之主要方向 經由上述條文所制定的 建築物防火避難安全性能驗證技術手冊 是我國避難安全性能驗證法之重要參考準則 其理念在於憑各建築物避難安全性能方向設計, 以確保人員在遭受火煙侵襲前可以完成避難行動 避難安全性能定義 建築物防火避難安全性能驗證技術手冊採用國際火災工學相關學術及規範準則資料分析避難人員能承受之煙層下降高度, 推算出避難容許時間, 然後再以調查歸類所得之收容密度 步行速度 出口流量 居室面積 步行距離與出口寬度等資料, 依所建立知驗算公式推估避難完成所需時間後, 再與避難容許時間比對, 確認避難是否符合安全 建築物所需避難安全性能驗證, 依驗證對象不同, 而區分為 樓層避難安全性能驗證 及 整棟避難安全性能驗證 兩種驗證方式 樓層避難安全性能驗證, 係以建築物知單一樓層為對象 自該樓層之任一居室發生火災, 位於該樓層之所有避難人員從開始避難智避難完成為止, 各居室及從各居室通往直通樓梯之走廊等設施, 需能保持火災所產生之煙或氣體不會下降至造成人員避難的避難障礙之高度 整棟避難安全性能驗證, 係以整棟建築物為對象 建築物內任一居室發生火災, 位於該棟建築物內所有避難人員從開始避難至避難完成為止, 各居室及從各居室 44

59 通往直通樓梯之走廊等設施, 需能保持火災所產生之煙或氣體不會下降至造成人員避難的避難障礙之高度與蔓延至直通樓梯間之性能表現 上述樓層避難安全性能驗證定義中所提及的 避難完成, 係指該樓層內所有避難人員進入直通樓梯間 ; 至於整棟避難安全性能驗證定義中所提及的 避難完成, 係指該建築物內所有避難人員避難至建築外部空間或具有類似機能之據點 避難安全性能驗證技術手冊相關規定 一 適用範圍 手冊之適用範圍不包含醫院 養老院 幼稚園與托兒所等無自力避難能力之人員 及 F 類場所及危險工廠 儲藏庫等高火載量及可能快速延燒之 C 類及 I 類場所, 以下 列情形之建築物為適用範圍, 如表 2-10 所示 表 2-10 避難安全性能驗證技術手冊之建築物適用範圍 類別 類別定義 空間名稱 A 類 公共集會類 公集會 觀賞 社交 等候運輸工具, 且無法 戲 ( 劇 ) 院 電影院 演藝廳 車站 航空站 候船室等空間 防火區劃之場所 B 類 商業類 供商業交易 陳列展售 娛樂 餐飲 消費之場所 夜總會 酒家 理容院 KTV MTV 公共浴室 百貨公司 商場 市場 量販店 餐廳 旅館 觀光飯店等空間 D 類 休閑 文教類 供運動 休閒 參觀 閱覽 教學之場所 保齡球館 溜冰場 會議廳 展示廳 博物館 美術館 圖書館 各級學校教室等空間 E 類 宗教 殯 供宗教信徒聚會殯葬之 寺 廟 教堂 宗祀等空間 葬類 場所 G 類 辦公 服務類 供商談 接洽 處理一般事務或一般門診 零售 日常服務之場所 金融機構 證卷交易所 政府機關 一般辦公室 事務所 一般診所 衛生所 店鋪等空間 H 類住宿類 供特定人住宿之場所 寄宿舍 招待所 住宅 集合住宅等空 間 45

60 二 避難性能驗證之限制避難安全性能驗證主要為假設在發生火災情況下, 所有避難人員由居室避難至直通樓梯, 在火煙未波及前避難至安全處所, 方署安全, 故此驗證先決條件為確保直通樓梯等避難設施可避免火煙直接侵襲之防火構造建築物 ; 另使用相關經驗公式與參數資料, 係針對有自行避難人員進行觀察及實驗調查所得, 因此驗證法無法適用以收容無法自力避難人員為主之空間設施 ; 再者不同用途居室, 其起火危險性 內部人員之避難能力 火載量的規模及管理體制均不相同, 應避免不同空間彼此間煙之流動擴散, 而予以必要的防煙區劃 ; 而當天花板高度超過 20 公尺時, 由於空間大 容積大 煙層下降至底部將相當花費時間, 分析此煙流特性, 在實際上將產生問題 因此本法並非適用於任何空間特性之建築物, 其限制如下 : 1. 無法適用於無自力完成避難行動人員之場所 2. 每一防煙區劃面積小於 1,500 平方公尺 3. 天花板高度限制小於 20 公尺 4. 除排煙相關設施外, 不考量其他滅火設備動作之影響 三 避難安全性能驗證之驗證法之程序 1. 居室避難安全性能驗證法 居室避難安全驗證法 其驗證避難安全步驟可分為三階段, 第一階段針對可能起火的居室並假設在火災發生, 以驗證居室內人員 ( 含必須經由該居室始能避難之人員 ) 能否安全至居室外避難 具體而言, 乃先計算該樓層的各居室所有人員自離開居室至完成避難所需時間, 次而計算火災所產生之濃煙及氣體下降至造成人員避難障礙之高度, 煙層下降過程中所需時間, 最後確認居室避難完成時間是否超過煙層下降時間 居室避難安全驗證之程序示意圖與程序如圖 2-18 所示 46

61 居室避難安全驗證 計 1. 避難開始時間 2. 步行至居室出口所需之時間 3. 通過出口所需之時間 計算上之參數 建築物收容人員密度居室之面積大小步行速度出口寬度有效出口流動係數 算避難至居室外所需之時間 計算居室煙層下降時間 4. 煙層下降至造成避難障礙之高度的時間計算上之參數可燃物的量 ( 堆積及內部裝修 ) 居室之面積大小煙的發生量防煙區劃之性能有效排煙量防煙區劃 / 排煙效果係數 居室避難所需時間 居室煙層下降時間 圖 2-18 樓層避難安全驗證法 - 居室避難安全驗證程序圖 53 居室避難開始時間居室避難移動時間居室通過出口 t start t treavel t queue 表 2-11 樓層避難安全驗證法 - 居室避難性能驗證公式表 53 Aarea 30 l max i v A N B eff area eff 47

62 所需時 間 避難路徑等部分該居室出口直通地面其他場合 ( 非直接通往地面之出口 ) 避難路徑可收容人數 A p A an 有效流動係數 ( N ) N eff 90 co area N 90 eff Aco p A an area N eff eff 80 A Bneck max a Broom p A co n load 80, B B neck load 當 t B eff reach 0.14 f m max B room 7.2 f 時 m t reach 1,0 堆積可燃物火災成長率 f f f ( q 170) q 5 1 ( q 170) 1 內部裝修材火災成長率 m 內部裝修材 耐燃一級 ( 磚 石料 人造石 混凝土 柏油及其製品 陶瓷品 金屬材料 塑膠製品及其他類似耐火性之材料 ) m 居室避 難完成 時間 耐燃二級 ( 混凝土 磚或空心磚 瓦 石料 人造石 石 棉製品 鋼鐵 旅 玻璃 玻璃纖維 礦棉 陶瓷品 砂漿 石灰及其他類似材料, 經中央主管建築機關認定 合格者 ) 耐燃三級 ( 耐燃合板 耐燃纖維板 耐燃塑膠板 石膏板 及其他類似之材料, 經中央主管建築機關認定合格者 ) 木材及其他類似材料的加工 0.35 tescape= t start + t treavel + t queue 48

63 煙層下 降時間 t s V V s e A max 9 room V e S 3 5 / 3 f A 1/ m room H low H low H room 1.8 * A E min H room 1.8 V, / 3 t start : 火災時該居室內人員開始避難所需要時間 ( 分 ) A area : 居室之樓地板面積 ( m2 ) t treavel : 在居室內任一點至出口所需之步行時間 ( 分 ) l i : 居室內任一點至出口所需之步行距離 (m) v : 步行速度 (m/ 分 ) 備註 t queue : 居室內人員通過該居室出口所需時間 ( 分 ) : 居室內人口密度 ( 人 / m2 ) A area : 居室各部分之樓地板面積 ( m2 ) N eff : 有效流動係數 ( 人 / 分 /m) Beff : 有效出口寬度 (m) tescape : 避難完成時間 ( 分 ) 2. 樓層避難安全性能驗證法第二階段則考量起火室以外之部分, 驗證該樓層中全部人員是否可以安全避難 因為煙可能蔓延至居室外部, 造成逃生避難障礙, 所以避難人員至居室外部後, 仍未屬安全狀況, 所以樓層避難安全驗證法將避難人員從避難開始至避難完成所需時間分為避難人員避難至直通樓梯之避難開始時間 步行時間 通過出口之避難所需時間的總和, 次而計算其避難路徑之樓層濃煙及氣体下降至造成避難障礙之高度所需之時間, 即所謂煙層下降時間, 以確認其樓層避難完成時間是否超過煙層之下降時間, 最後確認該樓層內所有居室人員在不同的避難路徑下是否可以安全的避難逃生 樓層避 49

64 難安全驗證之程序示意圖與程序如圖 2-19 所示 第三階段為分別假設樓層內各居室為起火室, 驗證樓層避難所需時間均小於煙層 下降時間後, 完成樓層避難安全性能驗證 樓層避難安全驗證 1. 避難開始時間 2. 步行至樓梯出口所需之時間 3. 通過地面出口所需之時間 計算上之參數 建築物收容人員密度居室 走廊 樓梯之面積大小步行速度出口寬度有效出口流動係數 計算避難至直通樓梯所需之時間 計算避難路徑之煙層下降時間 煙層下降至造成避難障礙之高度 的時間 ( 從起火室至直通樓梯出 口所有避難路徑煙層下降時間之 最小值 ) 計算上之參數 可燃物的量 ( 堆積及內度裝修 ) 居室 走廊之面積大小煙的發生量防煙區劃之性能有效排煙量 防煙區劃 / 排煙效果係數 樓層避難所需時間 樓層煙層下降時間 圖 2-19 樓層避難安全驗證法 - 樓層避難安全性能驗證程序圖 53 表 2-12 樓層避難安全驗證法 - 樓層避難安全性能驗證公式表 53 樓層避難開始時間樓層避難移動時間 t start t start t treavel A floor 30 A floor l max i v 考量睡眠空間等建築物 ( 不包含醫院 診療所及兒童福利設施 ) 其他種類用途場所 ( 不包含醫院 診療所及兒童福利設施 ) 50

65 樓層通過出 口所需時間 t queue pa N B eff area st 避難路徑等部 分 該居室出口直 通地面 其他場合 ( 非直 接通往地面之 出口 避難路徑可收容人數 Ast. 25 p A area 有效流動係數 ( N ) N eff Ast p A area N eff N eff 320 Bst B neck p eff A Aload st 樓層避難完成時間煙層下降時間 tescape= t start t s A max room V 1. 起火室 V s + t treavel + t queue H room 1.8 V,0.01 e S 3 3 A 1/ H 5/ H H f m room 2. 起火室以外之空間 low (1) 防火防煙門 : Vs 0. 2AOP low room 5 / 3 (2) 防火門 : Vs 2AOP (3) 其他開口構造 : V max V,0 0 Ve V e * min A E s s t start : 火災時在該樓層人員開始避難所需要時間 ( 分 ) A floor : 該樓層之樓地板面積 ( m2 ) 備註 t treavel : 該樓層各居室到達任一直通樓梯所需之步行時間 ( 分 ) l i : 該樓層各居室至直通樓梯任一口之步行距離 (m) v : 步行速度 (m/ 分 ) 51

66 t queue : 該樓層人員通過直通樓梯出口所需時間 ( 分 ) : 人員密度 ( 人 / m2 ) A area : 該樓層各居室之樓地板面積 ( m2 ) N eff : 有效流動係數 ( 人 / 分 /m) Bst : 該樓層之直通樓梯出口寬度 (m) tescape : 避難完成時間 ( 分 ) t s : 該居室火災時煙層下降到達避難障礙高度的時間 ( 分 ) 52

67 第三章 FDS+Evac 軟體操作與限制之探討 3-1 FDS+Evac 操作畫面步驟之設定 在探討 FDS+Evac 指令操作與限制前, 本研究先以 FDS+Evac 避難軟體中 Smokeview 之人員避難動態與煙霧毒性指數 FED, 兩種動態畫面操作步驟作簡單陳述 一 Smokeview 之人員避難動態在避難結果分析中,Smokeview 後處理軟體可以 3D 方式觀察人員避難狀況, 而 FDS+Evac 所呈現方式以四種人員模型, 可供研究者選擇, 參閱圖 因此觀察人員避難動態操作步驟為以下兩步驟 : 1. 在 Smokeview 畫面按右鍵, 先選擇 Load/Unload ( 代入 / 取消 ), 在至 Evacuation ( 避難 ) 選項中, 選擇模擬之空間 Mesh ( 網格範圍 ), 所呈現人員模型畫面為粒子型態, 如圖 3-1 所示 圖 3-1 FDS+Evac 觀察人員避難動態圖步驟一 2. 若想以其他型態之人員模型進行觀察時, 先選擇 Show/Hide ( 顯示 / 隱藏 ), 在至 Use Avatar ( 人員模型 ) 選項中, 選擇適合之人員模型, 其中,Avatar_1 為粒子型 Avatar_2 為圓柱型 human_fixed 為內建統一顏色之人員模型 human_altered_with_data 為撰寫指令時自訂顏色之人員模型 ellipsoid 為橢圓型 disk 為圓盤型, 如圖 3-2 所 53

68 示 圖 3-2 FDS+Evac 觀察人員避難動態圖步驟二二 煙霧毒性指數 FED 目前 FDS+Evac 版本判斷人員死亡, 依據有效劑量分率或煙霧毒性指數 FED (Fractional Effective Dose,FED) 概念, 運用在火災煙流毒氣中 CO CO 2 O 2 三種濃度值來計算 FED 值, 故 FDS+Evac 中的人員避難時, 不受煙層或能見度所影響而導致避難終止或死亡, 則以煙流中的危害因子毒氣達到危害值,FED 值大於 1 時判定人員死亡才會停止避難 在觀察煙霧毒性指數 FED 時, 需與上述人員避難動態同時觀察人員模型顏色之變化, 進而藉由煙霧毒性指數 FED 判斷避難人員是否死亡, 其操作步驟為, 在 Smokeview 畫面按右鍵, 先選擇 Show/Hide ( 顯示 / 隱藏 ), 在至 Humans ( 人類 ) 選項中, 選擇 HUMAN_FED_DOSE ( 煙霧毒性指數 ), 如圖 3-3 所示 圖 3-3 FDS+Evac 之 FED 煙霧毒性指數圖 54

69 3-2 FDS+Evac 避難影響因子之探討 本研究以建築物防火避難安全性能驗證技術手冊之 避難行動之假設條件 為 FDS+Evac 假設條件模擬基礎, 探討與避難行動之假設條件相關之 FDS+Evac 指令, 如表 3-1 所示 表 3-1 避難行動假設條件分析表 51 一二三四五六七八九十 建築物防火避難安全性能驗證技術手冊 避難人員在空間內呈均勻之分布狀況起火空間內部人員發現火災後立即開始避難空間內部人員同時避難, 但起火室與非起火室之時間不同從居室各部份到出口之步行距離之最長距離計算避難者依指定之避難路徑進行避難假設對居室避難最不利位置 ( 如出口寬度最大處等 ) 為起火處, 且考量室內可燃物及內部裝修材料對火災初期擴大燃燒的影響, 來計算有效出口寬度受火災影響之使用情形考量避難空間是否充分收容避難者之影響來計算出口流動係數有效值避難者步行速率一定, 且無後面追過前者或重複來回相同路徑之情形避難者之移動情形受出入口條件之限制避難路徑若多條時, 以選擇最近之路徑為準 依表 3-1 避難行動假設條件分析表整理出影響 FDS+Evac 相關指令後, 再進行分析出這些指令細項影響避難假設條件之因子 因此, 本研究將 FDS+Evac 影響指令分為三大項, 針對各項指令細項可修正之避難影響因子探討其以下議題, 如表 3-2 所示, 並以 10m x 10m 之虛擬小空間逐一進行模擬 55

70 表 3-2 FDS+Evac 避難影響因子分析表 FDS+Evac 指令 避難影響因子 探討模擬議題 PRE_EVAC_DIST( 反應時間 ) PERS DET_EVAC_DIST( 察覺時間 ) TDET_SMOKE_DENS( 煙密度 ) 人員屬性 避難開始時間之影響人員屬性對人員步行時間之影響 人員密度 人員密度對人員步行時間之影響 火源位置 熱輻射危害與障礙物火源位置 熱輻射危害與障礙 物對人員步行時間之影響 避難出口位置 人員對避難出口位置選擇之影 EVAC 響 人員初始分布 人員初始分布對避難時間之影 響 火災網格與避難網格 火災網格與避難網格運算之影 響 人員避難移動 避難網格與人員避難移動之探 MESH 討 避難出口寬度 避難網格大小與避難出口寬度 之影響 56

71 3-3 PERS 人員設定 FDS+Evac 中 PERS 指令主要針對人員反應時間 察覺時間 煙密度 步行時間 FED 煙霧毒性危害指數危害高度 輸出 Smokeview 觀看 FED 危害指數時間及人員屬性等設定, 其中以避難開始時間 步行時間與 FED 煙霧毒性指標危害高度三個, 對避難或判定人員死亡上有一定影響, 本研究以下將針對表 3-2 中 PERS 避難影響因子逐一模擬探討 避難開始時間之影響 在 FDS+Evac 中可經由修改 PRE_EVAC_DIST 反應時間 DET_EVAC_DIST 察覺 時間以及 TDET_SMOKE_DENS 煙密度來決定人員避難開始時間, 因此本研究將設 定以下四個情境進行模擬, 如表 3-3 所示 1. 避難開始時間模擬情境設定 表 3-3 初始避難時間模擬情境設定表 模組 參數 設定值 模組 參數 設定值 模擬時間 20s 避難網格 0.2m x 0.2m x 0.2m 火災網格 0.1m x 0.1m x 0.1m 避難出口寬 1.5m 火災模組 環境初始溫度 25 避難網格 度反應時間 未設定 1 秒 熱釋放率 1.62MW( 開始最 察覺時間 未設定 1 秒 大 ) 火源位置 居室中央 煙密度 內設值 情境一 反應 察覺時間與煙密度皆未設定 情境二 反應 察覺時間未設定與煙密度內設值 0.1 情境三 反應 察覺時間設定 1 秒與煙密度未設定 情境四 反應 察覺時間設定 1 秒與煙密度內設值

72 2. 避難開始時間模擬結果 (1) 情境一 2s 4s 6s 8s 10s 10.1s( 開始避難 ) 10.2s 10.3s 10.4s 10.5s 10.6s 10.7s 圖 3-4 情境一避難開始時間模擬過程圖 58

73 (2) 情境二 2s 4s 6s 8s 10s 10.1s( 開始避難 ) 10.2s 10.3s 10.4s 10.5s 10.6s 10.7s 圖 3-5 情境二避難開始時間模擬過程圖 59

74 (3) 情境三 1s 2s( 開始避難 ) 2.1s 2.2s 2.3s 2.4s 2.5s 2.6s 2.7s 2.8s 2.9s 3s 圖 3-6 情境三避難開始時間模擬過程圖 60

75 (4) 情境四 1s 2s 2.1s 2.2s( 開始避難 ) 2.3s 2.4s 2.5s 2.6s 2.7s 2.8s 2.9s 3s 圖 3-7 情境四避難開始時間模擬過程圖 61

76 結果得知, 情境一與情境二避難開始時間皆為 10.1 秒開始避難, 因此可判斷在皆未設定反應 察覺時間與煙密度時,FDS+Evac 以煙密度為依據 ; 情境三結果與設定反應 察覺時間在相同時間開始避難 ; 情境四則因反應 察覺時間與煙密度皆設定時, 避難開始時間為 2.2 秒, 因此可得知在皆設定下, 以反應 察覺時間為主 綜合四種情境結果得知, 煙密度是判斷反應與察覺時間的一種, 因此如果在未設定反應與察覺時間情境時,FDS+EVAC 內建自行以煙密度為判斷依據, 且無論空間大小若其依煙密度的反應 察覺時間快速且相差並不大, 另外, 相較於技術手冊之避難開始時間 ( 即反應 察覺時間 ), 與 面積成正比, 可見其差異性相當顯著, 因此在後續實際空間檢討上將納入檢討 步行時間之影響 在 FDS+Evac 中人員步行時間可能因人員屬性 人員密度 火源位置 熱輻射危害距離以及傢俱障礙物等因素影響到人員步行時間, 由於 FDS+Evac 操作手冊中, 已得知其人員屬性各有不同的步行速度, 在避難時間上有有所差異 因此本研究只針對人員屬性 人員密度及障礙物三項進行模擬 人員密度情境一跟二設定不同人員密度下, 在避難差異為何, 並探討在相同步行時間下, 居室最遠端人員通過避難出口是否技術手冊假設條件相同不超過前者 ; 另外以情境二與情境三探討單一人種屬性與不同人種屬性, 在不同步行時間下, 最後人員通過避難出口時間比較其差異 在障礙物設定部分, 情境一與情境二以火源位置不同與所產生熱輻射危害距離是否影響人員步行時間 ; 此外, 在技術手冊中人員步行距離計算以假設避開居室內傢俱之最遠距離為最嚴苛條件, 因此本研究與技術手冊的步行距離假設條件下, 情境三 四模擬辦公室內部辦公桌配置狀況, 以無設置障礙物與設置障礙物進行兩種情境模擬, 並觀察四種情境在設置障礙物下人員是否有跨越情況, 其設定情境如表 3-4 所示 62

77 1. 步行時間模擬情境設定 表 3-4 步行時間模擬情境設定表 模組 參數 設定值 模組 參數 設定值 模擬時間 20s 避難網格 0.2m x 0.2m x 0.2m 火災網格 0.1m x 0.1m x 0.1m 避難出口寬 1.5m 火災模組 環境初始溫度 25 避難網格 度人員密度 18 人 50 人 熱釋放率 1.62MW 人員屬性 18 人 50 人 火源位置 居室中央 靠門 障礙物 50 人 人員密度 情境一 設定成年人人數 18 人 情境二 設定成年人人數 50 人 人員屬性 情境三 設定各種人員屬性人數各 10 人 情境一 設定火源位置居室中央 障礙物 情境二 設定火源位置居室靠門 情境三 無設置障礙物 情境四 設置障礙物高度 1m ( 依辦公桌擺設 ) 2. 步行時間影響結果 (1) 人員密度 情境一 2s 4s 6s 8s 10s 12s 圖 3-8 人員密度情境一步行時間模擬過程圖 63

78 情境二 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s 18s 20s 22s 24s 圖 3-9 人員密度情境二步行時間模擬過程圖 64

79 (2) 人員屬性 情境三 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s 18s 20s 22s 24s 圖 3-10 人員密度情境三步行時間模擬過程圖 65

80 (3) 障礙物 情境一 ( 火源設置居室中央 ) 2s 3s 4s 5s 6s 7s 情境二 ( 火源設置居室靠門 ) 圖 3-11 障礙物情境一步行時間模擬過程圖 2s 3s 4s 5s 6s 7s 圖 3-12 障礙物情境二步行時間模擬過程圖 66

81 情境三 ( 無設置障礙物 ) 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s 18s 20s 21.4s 30s 圖 3-13 障礙物情境三步行時間模擬過程圖 67

82 情境四 ( 設置障礙物 - 依辦公桌擺設 ) 2s 4s 6s 8s 10s 12s 14s 16s 18s 20s 22s 27.9s 圖 3-14 障礙物情境四步行時間模擬過程圖 68

83 在探討人員密度大小其差異結果得知, 情境一最遠端人員通過避難出口時間為 秒, 情境二為 秒, 可得知人員密度小在通過避難出口時可能產生阻塞機率越高, 對避難時間上影響就越高, 另外在避難行動假設條件中提到在相同步行速度下, 人員無後者追過前者情況, 本研究以居室最遠端之人員觀察發現, 情境一與情境二都出現追過前者情況, 因此與計算手冊之假設條件有所不同 在探討單一人員屬性與不同人員屬性其差異結果得知, 情境二最遠端人員通過避難出口時間為 秒, 情境三為 秒, 兩情境最後人員通過避難出口時間差距不大, 原因在於情境二為單一人員屬性, 在步行速度相同下, 上述結論提到雖在最遠端人員仍會追過前者情況, 但在同時通過避難出口時會導致出口阻塞 ; 情境三為不同人員屬性, 在步行速度不一致, 對每個人種通過避難出口時間也不一致情況下, 反而較不容易造成出口阻塞狀況發生, 因此設定採用不同人員屬性在實際空間下模擬較為保守 綜合三種情境, 在人員密度大小得知, 1. 人員密度小在通過避難出口時可能產生阻塞機率越高, 對避難時間上影響就越高 2. 在避難行動假設條件中提到在相同步行速度下, 人員無後者追過前者情況, 情境一與情境二都出現追過前者情況, 因此與計算手冊之假設條件有所不同 在不同人員屬性模擬得知, 1. 單一人員屬性跟不同人員屬性在避難完成時間上差異並不顯著, 從模擬結果可知步行速度 ( 移動時間 ) 並不如出口寬度 ( 通過出口時間 ) 之影響來的大, 此觀察結果與技術手冊計算上較為接近 2. 技術手冊無針對人員屬性設定, 因此在技術手冊前提假設條件中步行速度一定時無超越情形, 而 FDS+Evac 的模擬觀察中可知, 模擬上因人員屬性 步行速度之不同會有超越情形產生, 因此運用在實際空間下, 設定不同人員屬性模擬較為保守 69

84 在障礙物方面, 情境一與情境二, 分別將火源位置設置於居室中央與靠門, 因火源熱釋放率設定 1.62MW 換算影響輻射距離約 40cm, 可從模擬過程圖得知, 人員在避難時, 並無會因熱輻射影響到步行距離, 而人員在碰撞到火源障礙物或其他人員時, 會影響自身的步行時間 情境三 四依辦公室內部辦公桌配置狀況模擬下, 情境三無設置障礙物居室最遠端人員通過出口時間為 21.4 秒, 而情境四設置障礙物居室最遠端人員通過出口時間為 27.9 秒, 另外, 本研究也針對人員避難時是否跨越障礙物情況進行模擬, 經由四種情境得知,FDS+Evac 已將障礙物 OBST 視為虛擬牆壁, 因此人員避難如同煙流, 沿著牆壁避難到出口 綜合上述情境得知, 1. 情境一與情境二結果得知, 人員不會因火源位置或受到熱輻射的影響, 而有避開火源或影響步行時間, 僅將火源位置視為障礙物, 而在碰撞到障礙物或出現阻塞情況, 基於 Evac 基礎理論 ( 社會力 接觸力等 ) 之影響, 因而導致人員互相碰撞進而影響步行時間, 此與避難行動假設條件 ( 人無碰撞情形 ) 有所差異 2. 在 FDS+Evac 模擬並未考量實際避難時, 人員是以最短距離通過避難出口, 而技術手冊在計算步行距離時, 已經考量以最嚴苛人員避開傢俱下的最遠步行距離為計算值, 因此 FDS+Evac 在避難時間上一定比技術手冊較短, 本研究後續也將以障礙物設置運用在實際空間探討人員避難時間差異 3. 針對人員避難時是否跨越障礙物情況進行模擬結果得知,FDS+Evac 將障礙物假設為虛擬牆壁, 因此不會有跨越情況發生, 此觀察結果與技術手冊相近 70

85 3-4 EVAC 疏散網格配置與設定 FDS+Evac 中 EVAC 指令主要針對已知避難出口位置與人員初始分布位置等設定, 其中探討避難出口位置對人員避難選擇上之影響, 以及人員初始分布位置對避難時間之影響, 本研究以下將針對表 3-2 中 EVAC 避難影響因子逐一模擬探討 避難出口位置對人員避難選擇上之影響 在技術手冊中的避難行動假設條件下, 避難路徑多條時, 人員會選擇最近之路徑 為避難路徑, 本研究以相同假設條件下模擬, 其設定情境如表 3-5 所示 1. 避難出口位置模擬情境設定 表 3-5 避難出口模擬情境設定表 模組 參數 設定值 模組 參數 設定值 模擬時間 20s 避難網格 0.1m x 0.1m x 0.1m 火災網格 0.1m x 0.1m x 0.1m 避難出口寬 1.5m 火災模組 環境初始溫度 25 避難網格 度避難出口 兩處 71

86 2. 避難出口位置模擬結果 2s 3s 4s 5s 6s 7s 圖 3-15 避難出口位置對人員避難選擇模擬過程圖 由圖 3-15 結果得知在設置兩處不同避難出口時,FDS+Evac 人員在避難時也會自 行選擇離自身較近的避難出口, 因此與避難行動假設條件中多條情況下, 人員避難路 徑選擇以最近路徑為主之條件相符 72

87 3-4-2 人員初始分布位置之影響 人員初始分布位置對避難時間上有所差異, 因此本研究針對單人與多人個別進行 10 次模擬, 探討人員初始分布位置是否不同, 並以居室最後人員通過避難出口之時 間比較差異, 其設定情境如表 3-6 所示 1. 人員初始分布位置模擬情境設定 表 3-6 人員初始分布位置模擬情境設定表 模組 參數 設定值 模組 參數 設定值 模擬時間 20s 避難網格 0.1m x 0.1m x 0.1m 火災 火災網格 0.1m x 0.1m x 0.1m 避難 避難出口寬 1.5m 模組 網格 度 環境初始溫度 25 人員數量 1 人 10 人 73

88 2. 人員初始分布位置位置模擬結果 (1) 單人 Case1:11.93s Case2:10.39s Case3:11.32s Case4:12.91s Case5:11.32s Case6:14.34s Case7:11.61s Case8:14.21s Case9:10.66s Case10:12.33s 圖 3-16 人員初始分布 10 次模擬通過避難出口模擬過程圖 ( 單人 ) 74

89 (2) 多人 Case1:12.56s Case2:12.53s Case3:11.37s Case4:13.12s Case5:11.35s Case6:12.68s Case7:13.29s Case8:10.72s Case9:12.93s Case10:12.03s 圖 3-17 人員初始分布 10 次模擬通過避難出口模擬過程圖 ( 多人 ) 由結果得知,FDS+Evac 在人員初始分布位置採隨機不平均分布, 因此每次模擬模擬位置皆不同, 在通過避難出口時間有所影響 75

90 3-5 MESH 避難網格 火災網格與避難網格之影響 FDS+Evac 操作手冊中提到,FDS+Evac 避難模擬可與 FDS 火災煙控模擬同時進行運算, 但在網格設置上必須區分避難網格與火災網格, 兩種網格皆屬於獨立運算, 本研究嘗試將以兩種網格同時運算及獨立避難網格運算, 在單獨避難情況及設置 FED 危害高度兩種狀況下進行比較, 其分析結果如表 3-7 所示 1. 單避難平面表 3-7 火災網格與避難網格操作比較表 ( 單避難平面 ) 網格 指令 火災與避難網格同時運算 &MESH IJK=20,30,6,XB=0,10,0,15,0,3/ ( 火災網格 ) &MESH IJK=20,30,1,XB=0,10,0,15,0,2, EVAC_Z_OFFSET=1.0,EVACUATIO N=.TRUE.,EVAC_HUMANS=.TRUE., ID='1EVAC' / ( 避難網格 ) 避難網格 &MESH IJK=20,30,1,XB=0,10,0,15,0,2, EVAC_Z_OFFSET=1.0,EVACUATIO N=.TRUE.,EVAC_HUMANS=.TRUE., ID='1EVAC' / ( 避難網格 ) 執行可執行可執行 76

91 2. 設置 FED 危害高度 表 3-8 火災網格與避難網格操作比較表 ( 設置 FED) 網格 指令 火災與避難網格同時運算 &MESH IJK=20,30,6,XB=0,10,0,15,0,3/ ( 火災網格 ) &MESH IJK=20,30,1,XB=0,10,0,15,0,2, EVAC_Z_OFFSET=1.0,EVACUATIO N=.TRUE.,EVAC_HUMANS=.TRUE., ID='1EVAC' / ( 避難網格 ) 避難網格 &MESH IJK=20,30,1,XB=0,10,0,15,0,2, EVAC_Z_OFFSET=1.0,EVACUATIO N=.TRUE.,EVAC_HUMANS=.TRUE., ID='1EVAC' / ( 避難網格 ) 執行 可執行 經由表 3-7 結果得知, 就單獨避難情況下, 仍可進行運算, 但僅能觀察人員避難過程, 而表 3-8 加入 FED 危害高度結果得知, 在單獨避難網格無法進行運算, 程式錯誤顯示 : ERROR: Problems to read the FED file ( 錯誤 : 無法讀取 FED 文件 ), 原因在於避難網格指令只針對人員高度位置設置避難網格, &MESH IJK=20,30,1,XB=0,10,0,15,0,2, EVAC_Z_OFFSET=1.0, EVACUATION =.TRUE., EVAC_HUMANS=.TRUE., ID='1EVAC' / 而 FED 煙霧毒性指數必須給予偵測毒性指數之危害高度, 與火災偵測點相同原理, 因此在運算 FDS+Evac 避難時, 仍需搭配 FDS 火災網格 另外, 本研究也將嘗試將火災網格與避難網格以不同公倍數情況下進行模擬, 其結果如表 3-9 所示 經由結果得知, 在不同公倍數情境模擬下仍可進行運算, 但若想 77

92 同時進行火災與避難運算時, 為了防止運算後失真影響避難時間, 因此兩種網格盡可 能設置一致較為保守 表 3-9 火災網格與避難網格不同公倍數網格模擬結果表 情境 火災網格 避難網格 執行 情境一 0.3mx0.3m 0.5mx0.5m 可執行 情境二 0.2mx0.2m 0.5mx0.5m 可執行 情境三 0.3mx0.3m 2mx2m 可執行 人員避難移動與避難網格關係之探討 避難軟體 Buiding EXODUS 人員移動以網格面之直線或交叉斜線上移動, 如圖 3-20 示意圖所示 因此本研究以模擬 1mx1m 避難網格, 觀察 FDS+Evac 人員在避難移動上與避難網格之關係 圖 3-18 人員移動於網格點線示意圖 78

93 2s 3s 4s 5s 圖 3-19 人員避難移動與網格關係模擬過程圖經由表 3-19 結果得知,FDS+Evac 人員在分布位置與移動上皆未像 Buiding EXODUS 以網格面之直線或交叉斜線上移動, 因此初步研判 FDS+Evac 的人員移動與避難網格無關直接關係 避難網格大小與避難出口寬度之影響 FDS+Evac 指令中 EXIT 避難出口寬度大小取決於避難網格細緻度, 而在避難時, 避難出口寬度對於人員通過避難出口有一定影響, 因此本研究以 0.5m 0.9m 1m 1.2m 1.5m 1.8m 等 6 種不同避難出口寬度與 0.1m x 0.1m 0.5m x 0.5m 1m x 1m 2m x 2m 等 4 種不同網格大小之情境進行比較 79

94 避難出口寬度 0.5m 網格 0.1mx0.1m 示意圖 網格 0.5mx0.5m 示意圖 網格 1mx1m 示意圖 網格 2mx2m 示意圖 圖 3-20 避難出口寬度與避難網格比較圖 : 避難出口寬度 0.5m 80

95 避難出口寬度 0.9m 網格 0.1mx0.1m 示意圖 網格 0.5mx0.5m 示意圖 網格 1mx1m 示意圖 網格 2mx2m 示意圖 圖 3-21 避難出口寬度與避難網格比較圖 : 避難出口寬度 0.9m 81

96 避難出口寬度 1m 網格 0.1mx0.1m 示意圖 網格 0.5mx0.5m 示意圖 網格 1mx1m 示意圖 網格 2mx2m 示意圖 圖 3-22 避難出口寬度與避難網格比較圖 : 避難出口寬度 1m 82

97 避難出口寬度 1.2m 網格 0.1mx0.1m 示意圖 網格 0.5mx0.5m 示意圖 網格 1mx1m 示意圖 網格 2mx2m 示意圖 圖 3-23 避難出口寬度與避難網格比較圖 : 避難出口寬度 1.2m 83

98 避難出口寬度 1.5m 網格 0.1mx0.1m 示意圖 網格 0.5mx0.5m 示意圖 網格 1mx1m 示意圖 網格 2mx2m 示意圖 圖 3-24 避難出口寬度與避難網格比較 : 避難出口寬度 1.5m 84

99 避難出口寬度 1.8m 網格 0.1mx0.1m 示意圖 網格 0.5mx0.5m 示意圖 網格 1mx1m 示意圖 網格 2mx2m 示意圖 圖 3-25 避難出口寬度與避難網格比較 : 避難出口寬度 1.8m 85

100 經由結果得知, 避難出口寬度為 0.5m 時, 因 FDS+Evac 內設人員直徑為 52cm, 人員則因避難出口寬度不足而無法通過避難出口 ; 另外, 全部情境中在網格 1m x 1m 情況下, 避難出口會受限於網格大小而被縮減或擴張 ; 而全部情境中在網格 2m x 2m 情況下, 避難出口座標因無法抓到最近網格座標, 因此避難出口寬度視為 0 因此導致人員無法避難 因此本研究嘗試找出網格 2mx2m 模擬下, 避難出口寬度被視為 0 情況, 以建築上常見 0.9m 1.2m 1.5m 以及 1.8m 4 種出口寬度, 與網格則以 0.9m 1m 1.1m 1.5m 以及 1.8m 5 種不同網格大小, 分別以避難出口座標未座落在網格上 x1 座標座落網格上以及 x2 座標座落在網格上三種進行模擬探討, 其模擬結果如下表所示 1. 避難出口寬度 :0.9m 表 3-10 避難網格大小與避難出口寬度座標 FDS+Evac 運算結果比較表 ( 避難出口寬度 0.9m) 網格 0.9m 1m 1.1m 座標位置 修正座標 避難出口寬度座標 避難出口寬度運算結果 避難出口寬度變化 &MESH IJK=10,10,1, XB=0,9,0,9,0,2,/ 無 Old XB=5,5.9,9,9,0,2, / 0.9m 不變 New XB=5.4,6.3,9,9,0,2, / X1 Old XB=5.4,6.3,9,9,0,2, / 0.9m 不變 New XB=5.4,6.3,9,9,0,2, / &MESH IJK=10,10,1, XB=0,10,0,10,0,2,/ 無 Old XB=5.3,6.2,10,10,0,2, / 1m 擴張 New XB=5,6,10,10,0,2, / X1 Old XB=5,5.9,10,10,0,2, / 1m 擴張 New XB=5,6,10,10,0,2, / X2 Old XB=5.1,6,10,10,0,2, / 1m 擴張 New XB=5,6,10,10,0,2, / &MESH IJK=10,10,1, XB=0,11,0,11,0,2,/ 無 Old XB=5.3,6.2,11,11,0,2, / 1.1m 擴張 New XB=5.5,6.6,11,11,0,2, / X1 Old XB=5.5,6.4,11,11,0,2, / 1.1m 擴張 New XB=5.5,6.6,11,11,0,2, / X2 Old XB=5.7,6.6,10,10,0,2, / 1.1m 擴張 New XB=5.5,6.6,11,11,0,2, / &MESH IJK=10,10,1, XB=0,15,0,15,0,2,/ 無 Old XB=5,5.9,15,15,0,2, / 1.5m 擴張 New XB=4.5,6,15,15,0,2, / 86