郭 惠工程師 韋曉璐

(北京市西城區(qū)消防救援支隊(duì)，北京 100032)

0 引言

隨著社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步，現(xiàn)代建筑呈現(xiàn)多樣化、復(fù)雜化、大型化特征，這些特征為消防安全工作帶來(lái)新挑戰(zhàn)，如一些超高層異形、人員密集的建筑很難確定最大人員承載量、火災(zāi)時(shí)疏散人員的最佳疏散口位置及所需疏散時(shí)間等。因此，在發(fā)生火災(zāi)等突發(fā)事件時(shí)，如何有效進(jìn)行人員疏散是值得深入研究的問(wèn)題。

1977年，加利福尼亞大學(xué)建筑生命安全小組的Larslerup提出“繪圖手則”，它奠定分析火災(zāi)中人員行為動(dòng)態(tài)的基礎(chǔ)；1996年，中國(guó)香港城市大學(xué)S.MLO收集整理部分火災(zāi)逃生人員的數(shù)據(jù)信息，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建一個(gè)可預(yù)測(cè)火場(chǎng)受困人員反應(yīng)的模型，以研究火災(zāi)時(shí)被困人員心理對(duì)人員疏散的影響。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們開(kāi)發(fā)多種疏散軟件和模型用來(lái)分析建筑物內(nèi)人員疏散特性，如Stahl開(kāi)發(fā)的BFIRES-II模型、美國(guó)Francis開(kāi)發(fā)的預(yù)測(cè)最小理論疏散時(shí)間的EVACNET+模型等。目前人員疏散模型有30個(gè)左右，如常見(jiàn)的Building EXODUS和SIMULEX，這些模型較系統(tǒng)，有各自的參數(shù)和適用范圍，但應(yīng)用性不強(qiáng)，僅供科研人員借鑒進(jìn)行二次研究。Evacuation NZ疏散模型可以根據(jù)需要及時(shí)調(diào)整疏散過(guò)程中人員的行為，并可以在特定情況下利用連接密度計(jì)算疏散時(shí)間，為相關(guān)部門對(duì)疏散時(shí)間進(jìn)行估算提供參考。

1 計(jì)算機(jī)模擬方法

運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬方法研究火災(zāi)人員疏散問(wèn)題，通常有2類方式：第一類是在僅考慮火災(zāi)疏散人員運(yùn)動(dòng)軌跡的基礎(chǔ)上建立模型；第二類是在既考慮火災(zāi)疏散人員運(yùn)動(dòng)軌跡，又考慮人員行為的基礎(chǔ)上建立模型。第一類參數(shù)相對(duì)確定，主要是建筑內(nèi)部消防設(shè)施、疏散人員速度、疏散出口位置和方向等，它雖然簡(jiǎn)單直觀，但沒(méi)有考慮人員個(gè)體差異，所有人都被設(shè)定按統(tǒng)一要求進(jìn)行疏散，這種不考慮人員個(gè)體行為差異的模型稱為“滾珠”模型；第二類是在第一類基礎(chǔ)上，除考慮可確定因素，還把每個(gè)人的個(gè)體差異融入其中，全面考慮火災(zāi)疏散人員個(gè)體差異對(duì)疏散時(shí)間的影響。這種模型能更真實(shí)地模擬火災(zāi)疏散人員的反應(yīng)以及疏散時(shí)間。

火災(zāi)中人員的疏散行為復(fù)雜，每個(gè)人的疏散行為由于個(gè)體差異而不同。因此，研究火災(zāi)疏散人員的疏散行為，既要考慮人的心理因素，也要考慮在特殊環(huán)境下人的社會(huì)行為因素。綜上，要建立適合復(fù)雜多變情況的模型，需要綜合考慮建筑物、人和環(huán)境的相互影響等因素，而傳統(tǒng)人工計(jì)算方式很難做到如此巨量運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理。因此，計(jì)算機(jī)因其計(jì)算功能強(qiáng)大、模擬過(guò)程逼真等特點(diǎn)在疏散模擬方面體現(xiàn)出其優(yōu)勢(shì)。

(1)可選定計(jì)算機(jī)模擬軟件中的不同算法對(duì)火災(zāi)中人員疏散時(shí)可能發(fā)生的不同情景進(jìn)行分析評(píng)估，這種評(píng)估有數(shù)據(jù)支撐，算法也可以不斷優(yōu)化，不受人的主觀因素影響，因此評(píng)估更加客觀準(zhǔn)確。

(2)計(jì)算機(jī)模擬可以研究疏散過(guò)程中的特殊現(xiàn)象，分析人員疏散過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，找出影響疏散時(shí)間的關(guān)鍵因素。

(3)計(jì)算機(jī)模擬可以全程直觀地觀察人員的行動(dòng)軌跡，并得到人員疏散的細(xì)節(jié)，分析影響疏散時(shí)間的因素，從而可在設(shè)計(jì)階段提供更直接有效的消防安全設(shè)計(jì)方案。

(4)在建筑物設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常都使用比較簡(jiǎn)單的方法來(lái)計(jì)算人員疏散時(shí)間，這種計(jì)算方法沒(méi)有考慮人員行為對(duì)疏散時(shí)間的影響。選擇合適的計(jì)算機(jī)模擬軟件，通過(guò)二維或三維渲染技術(shù)以及人體模型移動(dòng)處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)人員在緊急狀態(tài)下避難、逃生等活動(dòng)。同時(shí)，消防監(jiān)督執(zhí)法部門對(duì)建筑物開(kāi)展安全性評(píng)估時(shí)，也可以把計(jì)算機(jī)模擬軟件的模擬過(guò)程當(dāng)作評(píng)估依據(jù)和衡量指標(biāo)。

2 Evacuation NZ疏散模型

2.1 背景

Evacuation NZ疏散模型是坎特伯雷大學(xué)在Evacent 4疏散軟件基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出的疏散模型。Evacent 4疏散軟件將疏散人群看作一個(gè)整體，未考慮個(gè)體在疏散過(guò)程中的行為差異。而Evacuation NZ疏散模型可以隨時(shí)改變?nèi)我馐枭⑷藛T的行為文本，而不需要重新設(shè)置數(shù)據(jù)，更接近于真實(shí)疏散過(guò)程。Evacuation NZ疏散模型把人員密度分為連接密度和節(jié)點(diǎn)密度，并將他們作為研究疏散時(shí)間的參數(shù)，并結(jié)合Monte Carlo得出疏散時(shí)間分配的可能性。Evacuation NZ疏散模型在模擬時(shí)不限制人和節(jié)點(diǎn)數(shù)量，如果計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力足夠強(qiáng)，就可模擬足夠多的人和節(jié)點(diǎn)，因此，此模型適合模擬計(jì)算超高層、復(fù)雜建筑中的人員疏散時(shí)間。

2.2 節(jié)點(diǎn)密度和連接密度

Evacuation NZ疏散模型把人員密度分為節(jié)點(diǎn)密度和連接密度，如圖1。

節(jié)點(diǎn)密度是一個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均人員密度，是由一個(gè)房間的人數(shù)和地板面積決定(人員密度

D

=人數(shù)

n

/地板寬

W

·地板長(zhǎng)

L

)。當(dāng)人群涌向出口，連接密度逐漸增加，節(jié)點(diǎn)密度沒(méi)有變化，當(dāng)連接密度達(dá)到特定值時(shí)出口變得擁擠，此時(shí)連接密度通常要高于節(jié)點(diǎn)密度。

圖1 節(jié)點(diǎn)密度和連接密度Fig.1 Node density and connection density

連接密度可能會(huì)隨人員年齡和周圍環(huán)境變化而不同，且在緊急情況下由于人群擁擠，連接密度高于非緊急情況。Nelson和Maclennan認(rèn)為人員密度的最大值是3.5ppl/m，而Pauls認(rèn)為連接密度的最大值是2.0ppl/m。

2.3 人流速率

運(yùn)用Evacuation NZ疏散模型模擬計(jì)算疏散時(shí)間是基于Nelson和Maclennan的流體運(yùn)動(dòng)方程。

F

=

k

(1-0.266

D

)

D

(

W

-

B

)

(1)

式中：

F

—人流速率，ppl/min；

D

—人員密度，ppl/m；

W

—建筑構(gòu)件實(shí)際寬度，m；

B

—邊界層的厚度，m；

k

—速度系數(shù)，為建筑構(gòu)件的函數(shù)。

對(duì)于門：取84，一側(cè)的邊界層取0.15m；

對(duì)于樓梯：

k

=51.8·(

G

/

R

)

(2)

式中：

G

—樓梯踏步的寬度，m；

R

—樓梯踏步的高度，m。

2.4 疏散時(shí)間

利用Evacuation NZ疏散模型模擬疏散時(shí)間，在疏散總?cè)藬?shù)不超過(guò)500人，疏散門寬度不超過(guò)1.6m的模擬結(jié)果，如圖2。通過(guò)改變連接密度和疏散門寬度(確保疏散門寬不超1.6m的情況下)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)連接密度為2.2ppl/m，無(wú)論疏散門寬度為多少，模擬的疏散時(shí)間與通過(guò)流體運(yùn)動(dòng)方程計(jì)算時(shí)間都位于對(duì)角線上，即當(dāng)連接密度為2.2ppl/m時(shí)Evacuation NZ模型模擬數(shù)值最接近于流體運(yùn)動(dòng)方程計(jì)算所得數(shù)值。所以，消防監(jiān)督員日常監(jiān)督檢查過(guò)程中或建筑單位內(nèi)部組織疏散演練不方便時(shí)，可以通過(guò)該連接密度利用流體運(yùn)動(dòng)方程估算建筑物疏散時(shí)間。

圖2 不同的連接密度的疏散時(shí)間Fig.2 The evacuation time gotten by different connection density

3 實(shí)例分析

某大型超市長(zhǎng)、寬、高分別為40、20、5m，有3個(gè)安全出口，中間安全出口寬度為3m，兩邊安全出口寬度為1.5m。該超市集購(gòu)物、餐飲于一體，客流量較大，商品種類繁多，可燃易燃物較多，存在較大火災(zāi)危險(xiǎn)性。超市以400人為基準(zhǔn)，根據(jù)多次疏散演練得出平均疏散時(shí)間為210s。

3.1 Evacuation NZ疏散模型的疏散時(shí)間

緊急情況時(shí)，假設(shè)有400人從超市向外疏散，形成“過(guò)渡排隊(duì)等候”現(xiàn)象，即疏散門口已經(jīng)呈現(xiàn)擁堵?tīng)顟B(tài)。在2個(gè)疏散寬度相同的安全出口形成2簇人群，雖然節(jié)點(diǎn)密度沒(méi)有變化，但局部連接密度增加，也就是連接密度發(fā)生變化。

設(shè)

n

為樓梯口排隊(duì)人員數(shù)量，其單位時(shí)間內(nèi)的變化率為：

dn

/

dt

=

n

-

n

(3)

式中：

n

—到達(dá)的人數(shù)；

n

—離開(kāi)的人數(shù)。

(4)

疏散時(shí)間

t

為：

(5)

疏散時(shí)間是一個(gè)變量，它不僅是連接密度的函數(shù)，還受很多不確定因素影響。因此，實(shí)例中連接密度為2.2人/m時(shí)，計(jì)算出疏散時(shí)間為194s，即Evacuation NZ疏散模型模擬出的疏散時(shí)間為194s。

3.2 傳統(tǒng)工程算法計(jì)算疏散時(shí)間

(1)疏散時(shí)間

t

預(yù)測(cè)。疏散時(shí)間即從疏散開(kāi)始至到達(dá)建筑安全出口外的時(shí)間。疏散時(shí)間由步行時(shí)間

t

(從最遠(yuǎn)疏散點(diǎn)到安全出口所需的步行時(shí)間)和人員通過(guò)出口滯留時(shí)間

t

(計(jì)算區(qū)域人員從出口全部通過(guò)所需時(shí)間)構(gòu)成，即：

t

=

t

+

t

(6)

步行時(shí)間：

t

=

l

/

v

(7)

式中：

l

—步行最大距離，m，取50m；

v

—步行速度時(shí)間，m/s，一般情況下取1m/s。

(8)

式中：

p

—人員密度，人/m，取0.9人/m；

A

—計(jì)算區(qū)域面積，m；

N

—出口有效流出系數(shù)，取1.1人/m·s；

B

—出口有效寬度，m。(2)疏散時(shí)間

T

。

疏散時(shí)間有步行時(shí)間和出口滯留時(shí)間組成，如下：

(9)

計(jì)算得

T

=131.8s

3.3 結(jié)果分析

對(duì)于同一建筑物，應(yīng)用Evacuation NZ疏散模型除考慮連接密度外，還考慮疏散人員心理、社會(huì)行為等因素對(duì)疏散時(shí)間的影響。因此，Evacuation NZ疏散模型利用連接密度得出的疏散時(shí)間比采用傳統(tǒng)工程算法得出的結(jié)果更接近實(shí)際。對(duì)于滿足一定條件的建筑物可以利用Evacuation NZ疏散模型模擬疏散時(shí)間，為消防監(jiān)督人員和單位估算模擬疏散時(shí)間提供參考價(jià)值。

4 結(jié)論

基于Evacuation NZ疏散模型模擬火災(zāi)中人員疏散時(shí)間，主要得出以下結(jié)論：

(1)計(jì)算機(jī)疏散模擬模型在模擬過(guò)程中可根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)更改疏散人員行為，與傳統(tǒng)工程算法相比，它更接近火災(zāi)人員疏散的真實(shí)情況，因此，在今后的研究過(guò)程中可通過(guò)大量模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)傳統(tǒng)工程算法進(jìn)行修正。

(2)在今后應(yīng)用計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行火災(zāi)疏散時(shí)間的研究時(shí)要重視數(shù)據(jù)積累，同時(shí)對(duì)火災(zāi)疏散人員行為進(jìn)行更深入的研究。