四、人員疏散分析模型

　　(一)國(guó)際常用人員疏散分析模型概述

　　英國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)圍繞人員安全疏散行為和模型進(jìn)行了一系列的研究。對(duì)于人員在火災(zāi)中的疏散行為進(jìn)行了大量的觀察和測(cè)量，得到了許多量化的數(shù)據(jù)，如前蘇聯(lián)Predtechenski和Milinski，日本的Togawa以及美國(guó)Furin等人對(duì)密集人群的疏散行為、移動(dòng)速度等進(jìn)行了大量的觀測(cè)，后期加拿大的Pauls等人通過(guò)大量的演習(xí)試驗(yàn)也取得了許多參考數(shù)據(jù)，并總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)公式，提出了各自的人員疏散計(jì)算方法，如早期的經(jīng)驗(yàn)方法，后來(lái)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化法，近年來(lái)興起的計(jì)算機(jī)模擬分析方法。經(jīng)驗(yàn)方法主要是考慮建筑物內(nèi)到達(dá)安全出口的疏散距離和出口容量計(jì)算疏散行動(dòng)時(shí)間，或根據(jù)建筑物的使用人數(shù)確定出口數(shù)量和寬度;網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化法將建筑物各個(gè)單元網(wǎng)絡(luò)化，通過(guò)對(duì)復(fù)雜建筑網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化找出人員可能疏散的路徑，并計(jì)算疏散行動(dòng)時(shí)間;而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，人們開(kāi)始直接利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)模擬人員在建筑物內(nèi)的移動(dòng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)記錄不同時(shí)刻不同人員的幾何位置變化，從而得到建筑物內(nèi)人員疏散行動(dòng)時(shí)間，并通過(guò)對(duì)人員疏散移動(dòng)圖案來(lái)分析可能發(fā)生擁擠的部位，提出改進(jìn)措施或組織疏散預(yù)案。因此，采用基于計(jì)算機(jī)的疏散模型將會(huì)有助于建筑設(shè)計(jì)的科學(xué)性。

　　人員安全疏散模型的研究和分析主要包含兩個(gè)方面，一是人員疏散模型結(jié)構(gòu)的研究;二是火災(zāi)中的人員行為及其量化研究。在這方面工作比較出色的有英國(guó)格林威治大學(xué)的Galea、愛(ài)丁堡大學(xué)的Thompson、美國(guó)的Fahy和澳大利亞的Shestopal等人，采用不同的�；�方法已經(jīng)建立了10多種不同類(lèi)型的疏散模型，如EGRESS(EG)、EXODUS(EXO)、E-SCAPE(EP)、EVACNET+(EV)，、EXIT89(E89)、EXITT(E)、PATHFINDER(PF)，SIMULEX(S)，STEPS(SS)，VEGAS(V)等。

　　人員疏散模型可以有多種分類(lèi)方法，其中基于疏散模型對(duì)建筑空間的表示方法，可以把模型分為離散化模型和連續(xù)性模型兩類(lèi)。

　　1.離散化模型

　　離散化模型把需要進(jìn)行疏散計(jì)算的建筑平面空間離散為許多相鄰的小區(qū)域，并把疏散過(guò)程中的時(shí)間離散化以適應(yīng)空間離散化。離散化模型又可以細(xì)分為粗網(wǎng)絡(luò)模型和精細(xì)網(wǎng)格模型

　　(1)粗網(wǎng)絡(luò)模型。在粗網(wǎng)格模型中(如E89，E)，按照實(shí)際建筑的劃分來(lái)確定其幾何形狀。因此，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都可以表示一個(gè)房間或走廊，但與實(shí)際大小無(wú)關(guān)。按照它們?cè)诮ㄖ�中的�?shí)際情況，用弧線(xiàn)將這些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)。在這類(lèi)模型中，根據(jù)各建筑單元的出口容量和人員的移動(dòng)速度確定疏散人員只會(huì)是從一個(gè)房間運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)房間的時(shí)間，沒(méi)有表明疏散人員的位置，不能反應(yīng)人員個(gè)體的基本行為和準(zhǔn)確位置。

　　(2)精細(xì)網(wǎng)格模型。在精細(xì)網(wǎng)格模型中(如EXO，SS，S，V)，整個(gè)建筑區(qū)域的平面通常是用覆蓋大量棋盤(pán)狀的網(wǎng)格或網(wǎng)點(diǎn)來(lái)表示。每個(gè)模型中節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)格大小和形狀都有所不相同，例如EXODUS采用0.5m×0.5m的正方形網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，SIMULEX采用0.2m×0.2m的正方形網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，而EGRESS采用六邊形網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。用這種方法可以準(zhǔn)確地表示封閉空間的幾何形狀及內(nèi)部障礙物的位置，并在疏散的任意時(shí)刻都能將每個(gè)人置于準(zhǔn)確的位置。因此，精細(xì)網(wǎng)格模型可以在每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)記錄單個(gè)人員的移動(dòng)軌跡，能夠反映每個(gè)人的具體行為反應(yīng)。但是，由于現(xiàn)代建筑的建筑單元眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因而精細(xì)網(wǎng)格模型要求計(jì)算處理信息量較大。

　　2.連續(xù)性模型

　　連續(xù)性模型又可以稱(chēng)為社會(huì)力模型，它基于多粒子自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的框架，使用經(jīng)典牛頓力學(xué)原理模擬步行者恐慌時(shí)的擁擠狀態(tài)的動(dòng)力學(xué)模型。社會(huì)力模型可以在一定程度上模擬人員的個(gè)體行為特征。

　　人的行為模擬是模擬疏散過(guò)程最復(fù)雜最困難的一方面，并非所有這些行為特性都能被充分認(rèn)識(shí)或完全量化。到目前為止，還沒(méi)有一個(gè)模型能完全解決人的疏散行為的各個(gè)方面。另外目前工程分析中經(jīng)常應(yīng)用的一些比較成熟的疏散模擬模型，從幾何建模、人員行為模擬、結(jié)果表現(xiàn)等不同方面各具特點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用應(yīng)根據(jù)工程的具體特點(diǎn)和需求合理選擇適應(yīng)的疏散模型。以下介紹幾種工程上常用的疏散模擬軟件。

　　(二)常用人員疏散模擬軟件簡(jiǎn)介

　　1.EVACNET軟件

　　EVACNET軟件是美國(guó)Florida大學(xué)Kisko等人開(kāi)發(fā)的一種模擬建筑火災(zāi)中人員逃生的計(jì)算機(jī)程序。它是一種網(wǎng)絡(luò)模型，包含一組由節(jié)點(diǎn)和弧線(xiàn)組成的網(wǎng)絡(luò)，其節(jié)點(diǎn)表示房間、樓梯等，弧線(xiàn)表示連接房間的通道。對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)，用戶(hù)需要定義節(jié)點(diǎn)的能力，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)最多可容納的人數(shù)。對(duì)于每條弧線(xiàn)，用戶(hù)需要確定人員通過(guò)弧線(xiàn)所需的時(shí)間和通過(guò)能力。EVACNET將整個(gè)疏散時(shí)間劃分為若干時(shí)間步�；【�(xiàn)的通過(guò)能力指在給定的時(shí)間步內(nèi)通道可通過(guò)的最多人數(shù)。其建模思路為：首先設(shè)定某節(jié)點(diǎn)的面積和容納人數(shù)，然后確定在該節(jié)點(diǎn)有效出口單位寬度、單位時(shí)間內(nèi)的人員流量。EVACNET模型可以進(jìn)行多種建筑物內(nèi)的人員疏散模擬，包括辦公樓、飯店、禮堂、體育館、零售商店和學(xué)校等。

　　2.EGRESS軟件

　　EGRESS軟件是由英國(guó)AEA科技公司研究人員Neil Ketchell開(kāi)發(fā)的一個(gè)通用疏散軟件。該軟件利用建筑平面圖建立模擬人員個(gè)體移動(dòng)的模型。在EGRESS中，人員被模擬為一個(gè)網(wǎng)格上的一個(gè)個(gè)體。采用的仿真技術(shù)基于元胞自動(dòng)機(jī)，在每一個(gè)時(shí)間步，人員由隨機(jī)因子決定從一個(gè)單元格移動(dòng)到另外一個(gè)單元格。隨機(jī)因子作為密度的函數(shù)根據(jù)速度或者流量信息進(jìn)行校正，并可以充分地運(yùn)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在一系列疏散實(shí)驗(yàn)中， EGRESS的有效性已經(jīng)被證明。該程序與測(cè)量的疏散時(shí)間的一致性具有10%~20%的差別。EGRESS允許對(duì)不同行為、阻塞和瓶頸的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以模擬上千人和若干平方公里的平面區(qū)域。EGRESS可用于大量不同的疏散仿真，從海上石油天然氣平臺(tái)到輪船、火車(chē)站、化工廠、飛機(jī)、火車(chē)和公共娛樂(lè)場(chǎng)所。

　　3.EXIT89軟件

　　EXIT89由美國(guó)消防協(xié)會(huì)的Rita F.Fahy開(kāi)發(fā)的一個(gè)用于大量人員從高層建筑疏散而設(shè)計(jì)的疏散模型。該軟件可用于模擬高密度人員的建筑的疏散。例如高層建筑，它可以跟蹤個(gè)體在建筑物內(nèi)的行動(dòng)軌跡。從消防安全的角度來(lái)評(píng)估大型建筑設(shè)計(jì)時(shí)，該模型可以處理一些疏散場(chǎng)景中相關(guān)的因素，包括：

　　(1)考慮各種不同行動(dòng)能力的人員。包括限制行動(dòng)能力的人員和兒童。

　　(2)延遲時(shí)間，既包括可以用來(lái)代替移動(dòng)前的準(zhǔn)備活動(dòng)的時(shí)間(由用戶(hù)根據(jù)每個(gè)位置指定)，也包括隨機(jī)的額外時(shí)間，可以當(dāng)作人員疏散開(kāi)始時(shí)間。

　　(3)提供選擇路徑功能—使用模型計(jì)算出來(lái)的最短路徑，可以用來(lái)模擬經(jīng)過(guò)良好訓(xùn)練的或者有工作人員協(xié)助的疏散過(guò)程;或者使用用戶(hù)指定的路徑，可以用來(lái)模擬人員使用熟悉的出口或者忽略某些緊急出口的疏散過(guò)程。

　　(4)提供選擇步速功能，可以反映正常移動(dòng)和緊急狀況下移動(dòng)的差別，前者可能適于演習(xí)情況下的疏散，后者更適宜于人員在緊急情況下的反應(yīng)。

　　(5)反向流，當(dāng)沿著疏散路徑發(fā)生堵塞時(shí)，人員就會(huì)向與原疏散方向相反的方向流動(dòng)。

　　(6)具備上下樓梯功能，從而擴(kuò)展模型的應(yīng)用范圍，例如有人層位于地下或者更多的需要上樓梯而不是下樓梯的建筑。

　　該軟件還可以模擬煙氣對(duì)疏散的影響，通過(guò)將用戶(hù)定義的煙氣阻塞或者從CFAST輸出的火場(chǎng)熱煙氣數(shù)據(jù)導(dǎo)入到疏散場(chǎng)景中從而影響到疏散運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

　　4. EXODUS軟件

　　EXODUS軟件是由英國(guó)格林威治大學(xué)的EXODUS團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的，是一個(gè)模擬個(gè)人、行為和封閉區(qū)間的細(xì)節(jié)的計(jì)算機(jī)疏散模型。模型包括了人與人之間、人與建筑之間和人與環(huán)境之間的互相作用。它可以模擬大型建筑物中上千人規(guī)模的疏散并可包含火災(zāi)煙氣影響因素。在EXODUS中，空間和時(shí)間用二維空間網(wǎng)格和仿真時(shí)鐘表示。空間網(wǎng)格反映了建筑物的幾何形狀、出口位置、內(nèi)部分區(qū)、障礙物等。多層幾何形狀可以用由樓梯連接的多個(gè)網(wǎng)格組成，每一層放在獨(dú)立的窗口中。建筑平面圖或用CAD產(chǎn)生的DXF文件，也可用交互工具提供，網(wǎng)格由節(jié)點(diǎn)和弧線(xiàn)組成，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)小的空間，每一段弧代表節(jié)點(diǎn)之間的距離。人員沿著弧線(xiàn)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)到另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

　　該軟件由5個(gè)互相關(guān)聯(lián)的子模型組成，它們是人員、移動(dòng)、行為、毒性和危險(xiǎn)子模型。模型跟蹤每一個(gè)人在建筑物中的移動(dòng)軌跡，以及人們的模擬狀態(tài)——或者疏散到安全地點(diǎn)，或者被火災(zāi)所傷害。模型基于行為規(guī)則和個(gè)體屬性，每一個(gè)人的前進(jìn)和行為由一系列啟發(fā)性規(guī)則決定。行為子模型決定了人員對(duì)當(dāng)前環(huán)境的響應(yīng)，并將其決定傳遞給移動(dòng)子模型。行為子模型在兩個(gè)層次起作用，即全局行為和局部行為，全局行為假設(shè)人員采用最近的可用疏散出口或者最熟悉的出口來(lái)逃生;局部行為可以模擬以下現(xiàn)象：決定人員對(duì)疏散警報(bào)的初始響應(yīng)、沖突的解決、超越以及選擇可能的繞行路徑等。這些都取決于人員的個(gè)體屬性。毒性子模型決定環(huán)境對(duì)人員的生理影響，考慮了毒性和物理危險(xiǎn)，包括升高的溫度、熱輻射、C0、C02以及02含量等因素影響，并且估計(jì)了人員失去行動(dòng)能力的時(shí)間;它采用‘毒性比例效果劑量’模型(FED)，假設(shè)火災(zāi)危險(xiǎn)的影響由接受到的劑量而不是暴露的濃度決定，并且累計(jì)暴露期間的比例。EXODUS建�？梢圆捎脤�(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或者從其他模型得到數(shù)值數(shù)據(jù),允許CFAST計(jì)算數(shù)據(jù)導(dǎo)入到EXODUS中。EXODUS模擬完畢后，可以使用數(shù)據(jù)分析工具來(lái)處理數(shù)據(jù)輸出文件。另外，提供了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的后處理圖形環(huán)境，提供疏散的三維動(dòng)畫(huà)演示。

　　5.SIMULEX軟件

　　SIMULEX軟件最先是由英國(guó)Edinburgh大學(xué)設(shè)計(jì)，后來(lái)由蘇格蘭的Peter Thompson博士繼續(xù)發(fā)展的人員疏散模擬軟件，可以用來(lái)模擬大量人員在多層建筑物中的疏散過(guò)程。該軟件可以模擬大型、復(fù)雜幾何形狀、帶有多個(gè)樓層和樓梯的建筑物，可以接受CAD生成的定義單個(gè)樓層的文件;可以容納上千人，用戶(hù)可以看到在疏散過(guò)程中，每個(gè)人在建筑中的任意一點(diǎn)、任意時(shí)刻的移動(dòng)。模擬結(jié)束后，會(huì)生成一個(gè)包含疏散過(guò)程詳細(xì)信息的文本文件。SIMULEX把一個(gè)多層建筑定義為一系列二維樓層平面圖，它們通過(guò)樓梯連接;用三個(gè)圓代表每一個(gè)人的平面形狀，精確地模擬了實(shí)際的人員。SIMULEX的移動(dòng)特性基于對(duì)每一個(gè)人穿過(guò)建筑物空間時(shí)的精確模擬。模擬了的移動(dòng)類(lèi)型包括：正常不受阻礙的行走，由于與其他人接近造成的速度降低、行走超越、身體的旋轉(zhuǎn)和障礙避讓。SIMULEX還模擬了最近路徑出口選擇機(jī)制，而心理影響因素和煙氣影響因素將是模型將要進(jìn)一步發(fā)展的一部分。由于SIMULEX軟件的易用性以及它能夠較為真實(shí)地反映出疏散過(guò)程中可能出現(xiàn)的各種情況，已經(jīng)被越來(lái)越多地應(yīng)用于實(shí)際工程中。

　　6.STEPS軟件

　　STEPS軟件是由英國(guó)Mott MacDonaId公司開(kāi)發(fā)的一個(gè)三維疏散軟件，可以模擬辦公區(qū)、體育場(chǎng)館、購(gòu)物中心和地鐵車(chē)站等場(chǎng)所，這些場(chǎng)所要求確保在正常情況下的交通，而在緊急情況下可以快速疏散。在大而擁擠的地方，通過(guò)模擬所獲得的最優(yōu)化人流，可以為建筑消防設(shè)計(jì)提供一個(gè)更適宜的環(huán)境和更有效的安全疏散設(shè)計(jì)方案。目前，STEPS已經(jīng)被應(yīng)用于加拿大埃得蒙頓機(jī)場(chǎng)、印度德里地鐵、美國(guó)明尼阿波利斯LRT、英國(guó)生命國(guó)際中心和倫敦希思羅機(jī)場(chǎng)第五出口鐵路/地鐵。通過(guò)與NFPA基于建筑法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)作比較，STEPS的有效性已經(jīng)得到驗(yàn)證。

　　STEPS具有很大的靈活性，它可以分配具有不同屬性的人員，給予他們各自的耐心等級(jí)和適應(yīng)性等心理影響因素;也可以指定年齡、尺寸和性別。同時(shí)，它還考慮了人員對(duì)建筑物的熟悉性，它也將影響疏散人員的個(gè)體行為。其中，耐心等級(jí)決定了當(dāng)出口附近的人群擁擠時(shí)，人員是繼續(xù)排隊(duì)等候，還是動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向另一個(gè)最近的出口。

　　STEPS也很獨(dú)特，它具有在疏散過(guò)程中改變條件的能力—像日常生活中發(fā)生的那樣。煙氣可能封閉特定的出口，緊急設(shè)施可能開(kāi)始向人群服務(wù)，并且人員在不同的時(shí)間從不同的區(qū)域開(kāi)始疏散。模擬一開(kāi)始，人群首先依照他們預(yù)置的特性進(jìn)行行動(dòng)，影響人員行為的因素與現(xiàn)實(shí)生活相同—人們向相反的方向移動(dòng)、阻塞、減速以及排隊(duì)。當(dāng)一個(gè)緊急情況產(chǎn)生，每個(gè)人的行程將因?yàn)閺恼�常模式轉(zhuǎn)到疏散模式而被重新設(shè)定，但是仍舊遵循他們的各自特性。

　　使用者可按照需要將模型平面界定為不同大小的網(wǎng)格系統(tǒng)。目前STEPS模型中只允許每個(gè)人占據(jù)一個(gè)網(wǎng)格。當(dāng)開(kāi)始計(jì)算時(shí)，STEPS會(huì)使用一種遞歸算法來(lái)尋找每一個(gè)網(wǎng)格與出口之間的距離。

　　STEPS與SIMULEX一樣都屬于用于人員疏散模擬計(jì)算的精細(xì)網(wǎng)格模型，都可以用于使用人數(shù)眾多的多層建筑的疏散模擬分析。這兩個(gè)疏散軟件各有特色，由于它們?cè)诟髯陨瞄L(zhǎng)的領(lǐng)域的出眾特點(diǎn)，它們?cè)诠こ讨械膽?yīng)用也越來(lái)越廣泛。STEPS與SIMULEX兩種軟件特點(diǎn)對(duì)比如表5-4-10所示。

　　表5-4-10 STEPS與SIMULEX兩種軟件特點(diǎn)對(duì)比

　　五、人員疏散安全性評(píng)估

　　火災(zāi)中人員的安全疏散指的是在火災(zāi)煙氣未達(dá)到危害人員生命狀態(tài)之前，建筑內(nèi)的所有人員安全地疏散到安全區(qū)域的行動(dòng)。在人員疏散的安全評(píng)估中，關(guān)于建筑內(nèi)的消防安全性能判定的主要原則是：在建筑某火災(zāi)危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，如人的可用疏散時(shí)間(ASET)足以超過(guò)必需疏散時(shí)間(RSET)，即ASET > RSET，則建筑疏散設(shè)計(jì)方案可行;否則需對(duì)該設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整，直至其滿(mǎn)足人員安全疏散的要求。人員疏散安全性評(píng)估方法及流程見(jiàn)圖5-4-15。

　　圖5-4-15 人員疏散安全性評(píng)估方法及流程

　　對(duì)于評(píng)估后需要改進(jìn)，提高疏散安全性的場(chǎng)所，可以通過(guò)以下幾方面來(lái)解決：

　　①增加疏散出口的數(shù)量，縮短獨(dú)立疏散出口間距離;增加疏散出口及疏散通道的寬度，提高疏散通道通行能力;

　　②改善區(qū)域煙氣控制措施，如提高排煙量、改變排煙方式、改進(jìn)防煙分區(qū)設(shè)置等;

　�、鄹纳苹馂�(zāi)探測(cè)、報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)，改善應(yīng)急通知和廣播系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高早期報(bào)警速度、改善火災(zāi)警報(bào)通知效果;

　�、芡晟剖枭⒅甘鞠到y(tǒng)設(shè)計(jì)，包括：出口標(biāo)志、導(dǎo)流標(biāo)志以及加強(qiáng)應(yīng)急照明，提高疏散通道使用效率。

　　此外，火災(zāi)發(fā)生過(guò)程中還可能出現(xiàn)很多特殊的情況，例如疏散過(guò)程中建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、人員被困等多種情況。因此，在人員安全疏散的判定標(biāo)準(zhǔn)中還可以根據(jù)具體情況，考慮特殊性制定具體的判定標(biāo)準(zhǔn)。

　　如：當(dāng)結(jié)構(gòu)存在坍塌的危險(xiǎn)時(shí)，要保證人員的安全，需要同時(shí)滿(mǎn)足下面的條件：

　　RSET

　　其中：Tfr—為結(jié)構(gòu)的耐火極限;

　　Tf—為在火災(zāi)條件下結(jié)構(gòu)的失效時(shí)間。

　　又如：當(dāng)人員無(wú)法疏散、需要滯留在建筑內(nèi)等待救援時(shí)，需要同時(shí)滿(mǎn)足下面的條件：

　　k×Tcontrol

　　其中：Tcontrol—為消防隊(duì)有效控火時(shí)間;

　　K—為安全系數(shù)。

　　2018年報(bào)班：2018年一級(jí)消防工程師考試難度大不大?如何備考才能順利通關(guān)，考試網(wǎng)校老師臨考沖刺指導(dǎo)，直擊重要考點(diǎn)>>