Время блокирования путей эвакуации: как выбор модели и исходных данных меняет результат расчёта

Время блокирования путей эвакуации — ключевая величина при обосновании безопасной эвакуации и проектных решений. В нормативной практике оно определяется как минимальное из критических времён достижения опасными факторами пожара (ОФП) своих пороговых значений на путях эвакуации на высоте 1,7 м от пола 5. Пороговые значения заданы для повышенной температуры (+70 °С), теплового потока (1400 Вт/м²), потери видимости (20 м), пониженного содержания кислорода (0,226 кг·м⁻³), а также для токсичных газообразных продуктов горения, включая CO₂ с концентрацией 0,11 кг·м⁻³ 5.

Сам расчёт динамики ОФП выполняется одной из трёх групп детерминистических моделей: интегральными, зонными (зональными) и полевыми 15. Выбор между ними — не формальность: от него зависит, насколько детально описывается перенос тепла и продуктов горения в помещении и, следовательно, какие значения времени блокирования будут получены. При этом, как отмечается в литературе, вопрос достоверности и точности методов моделирования остаётся ключевым для большинства задач пожарной безопасности 4.

Что определяет выбор модели

Нормативные предпосылки выбора модели привязаны к геометрии помещения и характеру очага пожара 15. Интегральный метод ориентирован на здания с развитой системой помещений малого объёма простой конфигурации, на случаи, когда размер очага соизмерим с размерами помещения, а линейные размеры отличаются не более чем в пять раз, а также на предварительные расчёты для выявления наиболее опасного сценария 15.

Зонный метод применяется для помещений и систем помещений простой геометрии с теми же ограничениями по соизмеримости размеров, но при условии, что очаг существенно меньше помещения; отдельно он показан для рабочих зон на разных уровнях в пределах одного помещения — например, площадок обслуживания оборудования или внутренних этажерок 5. Полевой метод предназначен для помещений сложной конфигурации и с большим числом внутренних преград — многосветных пространств с галереями и примыкающими коридорами, а также для случаев, когда применимость или информативность зонных и интегральных моделей вызывает сомнение 15.

Отдельное правило касается вытянутых помещений: если при использовании интегральной или зонной модели один линейный размер более чем в пять раз превышает хотя бы один из двух других, помещение требуется делить на соизмеримые участки и рассматривать их как отдельные помещения, сообщающиеся проёмами 1. Использование аналогичной процедуры в случае, когда два линейных размера превышают третий более чем в пять раз, не допускается 1.

Как полевые и зонные модели представляют критическое время

Принципиальное различие между подходами проявляется в трактовке момента достижения критического значения. В полевой модели критическое значение в разных точках помещения достигается не одновременно 1. Поэтому для помещений с соизмеримыми горизонтальными размерами критическое время определяется как максимальное из критических времён для эвакуационных выходов из данного помещения — иначе говоря, как время блокирования последнего выхода 1.

Итоговое время блокирования t_бл вычисляется как минимум из критических времён по отдельным факторам: повышенной температуре, тепловому потоку, потере видимости, пониженному содержанию кислорода и токсичным продуктам горения 1. Такая формула одинакова по смыслу для разных моделей, но значения каждого из критических времён зависят от того, как модель описывает распределение параметров в объёме помещения.

Интегральная модель, в свою очередь, описывает здание как гидравлическую схему: помещения выступают узлами, а связи между ними — путями движения продуктов горения и воздуха 1. Для каждого помещения решаются уравнения баланса массы, сохранения энергии и уравнения состояния, а для вертикальных каналов — лестничных клеток, шахт лифтов, вентканалов — предусмотрено разбиение по высоте на зоны 1. Это означает, что даже в рамках одной группы моделей результат зависит от того, насколько подробно схематизировано здание.

Чувствительность к исходным данным: пожарная нагрузка

Значительная часть неопределённости связана не с самой моделью, а с исходными данными о горючих материалах. В литературе отмечается, что используемая база данных типовой горючей нагрузки содержит сведения о пожароопасных свойствах веществ и материалов в жилых, общественных и производственных зданиях, однако её применение при моделировании динамики ОФП не даёт корректных значений 4. Причины называются прямо: данные получены в маломасштабных экспериментах, но используются для крупномасштабных помещений; отсутствуют удельные коэффициенты образования высокотоксичных газов — фосгена, циановодорода, акролеина; нет сведений по современным горючим материалам 4.

Кроме того, опасность дыма в существующем подходе учитывается только через потерю видимости, тогда как наличие мелкодисперсных твёрдых частиц, вдыхание которых может привести к потере ориентации и сознания, не рассматривается 4. Предлагается ввести дополнительный ОФП — концентрацию и размеры частиц дыма, что позволило бы достовернее оценивать влияние параметров дыма на время блокирования 4.

Для преодоления масштабного разрыва между лабораторными экспериментами и реальными помещениями предложены методы учёта масштабного фактора, позволяющие использовать результаты маломасштабных экспериментов при расчёте оптической плотности дыма и парциальных плотностей токсичных газов в полномасштабном помещении 4. Также предложены новые подходы к расчёту дальности видимости в дыму — в частности, зависимости среднеобъёмной оптической плотности дыма от изменения среднеобъёмной парциальной плотности кислорода для условий горения в условно герметичном объёме и для случая, когда проёмы работают только на выброс газа наружу 4.

Масштабный фактор как инструмент оценки

Отдельное направление — теоретическая оценка масштабного фактора, учитывающего размеры помещения при определении времени блокирования путей эвакуации различными ОФП в зданиях производственного и социального назначения 23. В работе проанализированы аналитические решения интегральной модели и выполнены численные эксперименты по влиянию размеров помещения на время блокирования отдельными опасными факторами 23.

Полученный вывод важен для практики: при равной площади помещений различие во времени блокирования различными ОФП определяется масштабными факторами, которые зависят только от соотношения высот помещений 2. Предложенные формулы позволяют оценивать время блокирования отдельными факторами при изменении размеров помещения без дополнительных трудоёмких расчётов с использованием моделей динамики развития пожара 2. Иными словами, часть чувствительности результата к геометрии удаётся описать аналитически, не прибегая каждый раз к полному моделированию.

Ограничения и что важно учитывать

Первое ограничение касается области применимости моделей: нормативные предпосылки задают рамки по геометрии и размеру очага, и выход за них требует либо дробления помещения на участки, либо перехода к полевой модели 15. Второе — неодновременность достижения критических значений в разных точках, из-за чего в полевой модели итог определяется последним выходом, а не первым 1. Третье — качество исходных данных: ограничения базы пожарной нагрузки напрямую снижают достоверность получаемых значений времени блокирования 4. Наконец, пороговые значения ОФП и высота их оценки (1,7 м от пола) заданы нормативно 5, и их изменение повлияет на результат сильнее, чем выбор численной схемы.

Отдельно стоит учитывать, что предложенные масштабные факторы получены на основе аналитических решений интегральной модели 23, поэтому их перенос на полевые расчёты требует осторожности. Также в литературе подчёркивается необходимость учитывать реальный механизм отравления человека токсичными газами при расчёте времени блокирования 4 — это ещё один источник расхождений между формальным порогом и фактической потерей работоспособности.

Что дальше

Практический вывод для проектирования состоит в том, что время блокирования следует рассчитывать с явной фиксацией выбранной модели, её обоснования по геометрии объекта и версии исходных данных о пожарной нагрузке — иначе сопоставление вариантов проектных решений теряет смысл. Перспективные направления, обозначенные в источниках, — расширение базы данных пожарной нагрузки с коэффициентами образования высокотоксичных газов и сведениями о современных материалах, введение дополнительного ОФП по частицам дыма и развитие масштабных факторов для быстрой переоценки времени блокирования при изменении размеров помещений 24.