摘要：為深入分析實(shí)驗(yàn)大樓火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，本文采用Revit軟件技術(shù)構(gòu)建模型，并導(dǎo)出IFC格式文件。利用Pathfinder軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)大樓進(jìn)行疏散仿真分析。研究結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)大樓餐廳出入口及樓梯通道區(qū)域人流密度較高，對(duì)逃生安排構(gòu)成不利影響。此外，通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證，大樓內(nèi)人員的疏散模擬時(shí)間滿足現(xiàn)行防火規(guī)范要求。針對(duì)模擬過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，提出改進(jìn)建議，包括定期維護(hù)樓梯設(shè)施、適當(dāng)增設(shè)出口以及強(qiáng)化樓內(nèi)警報(bào)系統(tǒng)等措施。

關(guān)鍵詞：人員疏散；火災(zāi)模擬；Pathfinder；輕量化建模；警報(bào)系統(tǒng)

引言

火災(zāi)發(fā)生的原因復(fù)雜，人員疏散過(guò)程也會(huì)受到很多不同因素干擾，通過(guò)可視化的方式提前對(duì)建筑物進(jìn)行人員疏散模擬是有必要的。傳統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)方法不但不能完全符合實(shí)際，而且會(huì)耗費(fèi)大量人力、物力、財(cái)力，不一定能達(dá)到實(shí)際效果。通過(guò)文獻(xiàn)綜述調(diào)研，目前主流的火災(zāi)人員疏散模擬軟件為Pathfinder。吳軍梅等人^[1]利用Pathfinder軟件模擬了一棟辦公樓的施工現(xiàn)場(chǎng)人員疏散過(guò)程，并基于疏散結(jié)果和規(guī)律優(yōu)化了施工進(jìn)度和施工現(xiàn)場(chǎng)布局。肖木峰等人^[2]利用該軟件模擬了裝配式建筑施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安全疏散，并基于模擬結(jié)果對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的安全管理進(jìn)行了進(jìn)一步細(xì)化。閆衛(wèi)東^[3]利用該軟件對(duì)圖書(shū)館進(jìn)行火災(zāi)疏散研究，提出優(yōu)化建議，可通過(guò)適當(dāng)引流等措施，提高疏散效率?？傊?，對(duì)實(shí)驗(yàn)大樓進(jìn)行火災(zāi)人員疏散模擬是為了確保人員在火災(zāi)發(fā)生時(shí)能夠安全撤離，評(píng)估疏散計(jì)劃的有效性，并發(fā)現(xiàn)和消除安全隱患，同時(shí)培訓(xùn)人員以提高應(yīng)對(duì)火災(zāi)的能力。本文使用Pathfinder軟件對(duì)本棟實(shí)驗(yàn)大樓的人員安全疏散進(jìn)行模擬演練。通過(guò)設(shè)定人員行為特征和模擬疏散路徑，計(jì)算疏散時(shí)間，并最終提出應(yīng)急疏散優(yōu)化方案，為實(shí)驗(yàn)大樓在運(yùn)營(yíng)維護(hù)期的安全管理和應(yīng)急疏散提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

一、項(xiàng)目簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目坐落在某生物科技公司的實(shí)驗(yàn)基地中心的一棟實(shí)驗(yàn)大樓，周圍毗鄰著眾多建筑物，處于人員密集的場(chǎng)所，存在眾多火災(zāi)安全隱患。首先，義翹實(shí)驗(yàn)樓作為一棟提供生物制藥實(shí)驗(yàn)室功能的大樓，一共有七層，地上六層、地下一層，樓內(nèi)環(huán)境復(fù)雜。首層及地下一層功能為餐廳及娛樂(lè)場(chǎng)所，在特定的休息時(shí)間內(nèi)人流量大；二層為員工辦公聚集地，上班時(shí)間人員密集；往上三層分布著許多不同功能的實(shí)驗(yàn)室，這些實(shí)驗(yàn)室均有著不同的環(huán)境要求，對(duì)室內(nèi)裝修要求較高。其次，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)許多儀器設(shè)備昂貴，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)電腦中還儲(chǔ)存著大量珍貴資料，還存放著很多成分復(fù)雜的化學(xué)試劑，一旦發(fā)生火災(zāi)，可能造成嚴(yán)重的人員傷亡和重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)該實(shí)驗(yàn)樓進(jìn)行火災(zāi)人員疏散數(shù)值模擬研究十分必要。

二、建筑物疏散模型建立

在Revit軟件中將模型建立完成后導(dǎo)出IFC格式，導(dǎo)入進(jìn)Pathfinder軟件中。由于本文的目的是對(duì)建筑物發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員疏散行為進(jìn)行研究，在模型導(dǎo)入后，對(duì)房間、地板、樓梯及門(mén)窗等構(gòu)件進(jìn)行提取，并依照?qǐng)D紙對(duì)提取不準(zhǔn)確的地方進(jìn)行修改，根據(jù)大樓的實(shí)際人流情況和不同房間的功能添加人員信息，擬定人員行為，點(diǎn)擊運(yùn)行后可得到不同房間人員疏散情況圖和不同疏散出口的通過(guò)率圖。

三、疏散模擬時(shí)間設(shè)定及人員行為的參數(shù)選擇

（一）火災(zāi)發(fā)生時(shí)間設(shè)定

人的行為是火災(zāi)發(fā)生時(shí)影響疏散的重要因素，直接決定了疏散時(shí)間與疏散效率。由于實(shí)驗(yàn)大樓內(nèi)不同區(qū)域使用功能復(fù)雜，結(jié)合樓內(nèi)的各層使用功能可知，在上班時(shí)間與中午的午休時(shí)間段實(shí)驗(yàn)大樓內(nèi)的人員分布情況是不同的。本文通過(guò)實(shí)際調(diào)研和查看監(jiān)控的識(shí)別方法，選取一節(jié)正常工作時(shí)間段和一節(jié)午休時(shí)間段，確定人員密度分布情況，結(jié)果如表1、表2所示。

（二）疏散人員行為設(shè)定

根據(jù)相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)和《中國(guó)成年人人體尺寸》（GB10000-1988）^[4]規(guī)定，女性平均肩寬約41cm，男性平均肩寬約46cm，因此在軟件中將人物肩寬設(shè)置在41cm—46cm范圍內(nèi)；人員高度設(shè)置在1.5m—1.85m的范圍內(nèi)。在根據(jù)美國(guó)消防工程師協(xié)會(huì)SFPE的消防工程手冊(cè)《SFPE Handbook of Fire Protection Engineering》^[5]以及實(shí)際測(cè)算，可以得到緊急情況下的成年男性運(yùn)動(dòng)速度為15m/s，成年女性運(yùn)動(dòng)速度為13m/s。結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際情況，考慮到實(shí)驗(yàn)大樓內(nèi)身份為專家的部分人群年齡較大，因此規(guī)定第六層專家辦公室的這部分人群的移動(dòng)速度為11m/s；對(duì)于第四層、第五層正在做實(shí)驗(yàn)的人群，由于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的復(fù)雜環(huán)境，設(shè)定處于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的人員晚于其他人30s后才開(kāi)始疏散。

四、火災(zāi)疏散結(jié)果分析

（一）疏散模式分析

Pathfinder軟件人員出逃的行為模式包括SFPE模式和Streeting模式。SFPE模式是沒(méi)有秩序的逃離模式，而Streeting模式是人多情況下的排隊(duì)模式。通過(guò)分別對(duì)上班時(shí)間和午休時(shí)間的人員進(jìn)行SFPE和Streeting模式模擬逃生，結(jié)果如下表3。

從表中可以看出，無(wú)論是上班時(shí)間還是午休時(shí)間，Streeting模式下人員疏散時(shí)間更短，而上班時(shí)間的人員疏散所用時(shí)間遠(yuǎn)小于午休時(shí)間人員的疏散時(shí)間；Streeting模式可通過(guò)路徑規(guī)劃、引導(dǎo)機(jī)制、碰撞處理相結(jié)合的方式控制人員疏散。因此，本文選擇對(duì)午休時(shí)的Streeting模式進(jìn)行人員應(yīng)急疏散研究。

（二）疏散模擬結(jié)果分析

1.疏散對(duì)象確定

該實(shí)驗(yàn)樓內(nèi)地下一層、一層均有餐廳，午休時(shí)餐廳人流量大，相比其他樓層人員比較密集，負(fù)一層人數(shù)更多，在火災(zāi)疏散時(shí)難度最大，因此選取負(fù)一層和一層為研究對(duì)象，觀察在疏散的不同時(shí)間下的人員分布情況，根據(jù)模擬結(jié)果，疏散總時(shí)間為150s。疏散時(shí)間與人數(shù)關(guān)系曲線如圖1所示，主要疏散出口的人流通過(guò)情況如下圖2所示。

2.疏散出口通過(guò)率分析

從分析結(jié)果可以看出，出口door17利用率最低，僅有05人/s，而door18作為疏散前期單獨(dú)開(kāi)在一樓餐廳一側(cè)的出入口，在前期對(duì)人員疏散起到了至關(guān)重要的作用，最高時(shí)可達(dá)到了279人/s。在疏散中期，door00的人員通過(guò)率明顯高于同時(shí)期其他幾個(gè)門(mén)，并一直到后期也保持著大概07人/s的通過(guò)率，這說(shuō)明door00是該實(shí)驗(yàn)大樓的最主要出入口之一；出入口door10和door11分別是最靠近該實(shí)驗(yàn)大樓兩側(cè)樓梯的疏散口，可以發(fā)現(xiàn)兩側(cè)疏散口的通行時(shí)間相差大約20s，說(shuō)明door10所靠近的樓梯口2的人流量通過(guò)率稍大于door11靠近的樓梯口1，說(shuō)明樓梯2利用率較高，影響人員疏散出口的選擇。疏散總時(shí)間為1508s，在第27s時(shí)，出口door17率先完成人員疏散，其次是出口door01疏散時(shí)間為40s、出口door18疏散時(shí)間為50s、出口door32疏散時(shí)間為70s、出口door11疏散時(shí)間為120s，直至第1508s時(shí)，出口door10疏散完畢。

3.人員疏散密度分析

從下圖3和圖4中不難看出，負(fù)一層人流密度大的區(qū)域主要集中在餐廳的出入口，活動(dòng)室的出入口以及進(jìn)入樓梯間的位置；一層人流密度主要集中在樓梯間及各出口處。由此不難發(fā)現(xiàn)，樓梯間在火災(zāi)發(fā)生時(shí)對(duì)疏散時(shí)間長(zhǎng)短的影響至關(guān)重要，樓梯的承載量同樣是取決人員疏散是否符合安全規(guī)定的主要因素之一。

（三）確定所需安全疏散時(shí)間的方法

在實(shí)驗(yàn)大樓現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，人員是否能夠安全疏散，取決于可用安全疏散時(shí)間（TASET）和所需安全疏散時(shí)間（TRSET）的相對(duì)大小。

TRSET≤TASET（1）

在該式中，AEST指的是火災(zāi)發(fā)生后，處于火災(zāi)中心的人在撤退到安全場(chǎng)地前可以承受的最大危險(xiǎn)時(shí)間。RSET指的是發(fā)現(xiàn)緊急事故到危險(xiǎn)區(qū)域人員全部撤離并到達(dá)安全區(qū)域所需的時(shí)間。如果能在火災(zāi)危險(xiǎn)到達(dá)前將工作人員疏散到安全區(qū)域，則認(rèn)為該建筑的消防安全設(shè)計(jì)對(duì)疏散人員是安全的。安全疏散時(shí)間如下式所示：

TRSET=talarm+tresp+tmove（2）

trep=trec+treact（3）

在這兩個(gè)式子中，talarm指從實(shí)驗(yàn)大樓內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)到通知全體人員撤離所用時(shí)間；tmove指火災(zāi)中心人員全部完成疏散所用時(shí)間，tresp指的是在人員得到指令以后的反應(yīng)和做出行動(dòng)的時(shí)間。由于實(shí)驗(yàn)樓內(nèi)部各層的各個(gè)功能區(qū)的聯(lián)系不緊密，一旦發(fā)生火災(zāi)，樓內(nèi)人員可能未必會(huì)較快發(fā)現(xiàn)情況異常，而我國(guó)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，接收火災(zāi)報(bào)警信號(hào)的延時(shí)不應(yīng)超過(guò)10s。在實(shí)際的消防管理中，為了防止火警誤報(bào)，需要確認(rèn)兩個(gè)火警信號(hào)后才認(rèn)為有火災(zāi)并聯(lián)動(dòng)消防設(shè)施，因此基于保守考慮，模擬報(bào)警時(shí)間（talarm）設(shè)置為60s。由于人員的疏散預(yù)動(dòng)作時(shí)間因不同類型的建筑和場(chǎng)所內(nèi)人員對(duì)火災(zāi)的確認(rèn)和反應(yīng)的時(shí)間而有很大不同。根據(jù)本項(xiàng)目人員工作的特殊情況，本文將按照規(guī)范在適當(dāng)延長(zhǎng)一段時(shí)間取120s作為樓內(nèi)人員在聽(tīng)到報(bào)警后模擬響應(yīng)時(shí)間（tresp），根據(jù)軟件分析得到的tmove為1508s。結(jié)合公式（2）與（3）計(jì)算出安全疏散時(shí)間為T(mén)REST=60+120+1508=3308s。已知實(shí)驗(yàn)大樓項(xiàng)目為一級(jí)耐火等級(jí)公共建筑物，根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB50016-2014）中規(guī)定，一、二耐火等級(jí)公共建筑物的允許疏散時(shí)間為6min。因此，安全可疏散時(shí)間TASET設(shè)置為6min。通過(guò)對(duì)比可知，安全疏散時(shí)間（TREST）＜可用安全疏散時(shí)間（TASET），該實(shí)驗(yàn)大樓符合防火疏散規(guī)定。

結(jié)語(yǔ)

對(duì)使用功能復(fù)雜且存在一定危險(xiǎn)系數(shù)的實(shí)驗(yàn)大樓進(jìn)行火災(zāi)人員疏散模擬演練是十分必要且具有現(xiàn)實(shí)意義的。相較于人的活動(dòng)來(lái)說(shuō)，對(duì)午休時(shí)間段進(jìn)行人員疏散模擬比在上班時(shí)間段進(jìn)行人員疏散模擬更有必要。Streeting模型更適用于實(shí)驗(yàn)大樓的人員疏散，在午休時(shí)間段分別采用SFPE模式和Streeting模式進(jìn)行演練，得到的最終逃生時(shí)間分別為1617s和1508s。

一樓樓梯和負(fù)一樓樓梯處是安全疏散較為危險(xiǎn)的區(qū)域。由于交通擁擠，安全疏散的速度顯著降低。主要原因是人口密度大和共用樓梯的使用。人們聚集在樓梯處等待撤離，最終造成了擁堵。擁擠是安全疏散的主要問(wèn)題。人口密度大、疏散通道窄也是造成擁堵的原因。疏散速度在疏散開(kāi)始時(shí)增加，隨著擁堵的持續(xù)迅速降低，直到擁堵結(jié)束。疏散速度增加到行人的最大步行速度。因此，重視樓梯區(qū)域的結(jié)構(gòu)維護(hù)，定期養(yǎng)護(hù)，可以考慮加寬樓梯寬度或增設(shè)其他應(yīng)急逃生路線。

參考文獻(xiàn)

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[5]中華人民共和國(guó)公安部.高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范[J].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

作者簡(jiǎn)介：潘菲菲（2000— ），女，漢族，江西九江人，研究生，研究方向：演化博弈與建筑碳交易機(jī)制；陳慧（1972— ），女，漢族，山東煙臺(tái)人，碩士研究生，副教授，研究方向：智能建造與BIM的數(shù)字協(xié)同管理。