針對智能建筑突發(fā)事件的人員疏散應急策略

夏　敏,　舒少龍,　謝文黎,　包順強

[1.同濟大學 電子與信息工程學院, 上?！?01804;

2.同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司, 上?！?00092]

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針對智能建筑突發(fā)事件的人員疏散應急策略

夏敏1,舒少龍1,謝文黎2,包順強2

[1.同濟大學 電子與信息工程學院, 上海201804;

2.同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司, 上海200092]

摘要：研究了基于智能建筑仿真軟件的應急疏散策略。介紹了主流的仿真軟件,可根據(jù)需要選取合適的仿真軟件。提出了典型場景的概念,通過對典型場景的仿真分析,得出相應場景的應急策略。

關鍵詞：智能建筑; 突發(fā)事件; 仿真軟件; 典型場景; 應急策略

0引言

現(xiàn)代智能建筑內部結構復雜、封閉性強,加上人員的聚集性,建筑內易發(fā)生突發(fā)事件,往往會造成巨大的人員傷亡[1],因此,人員疏散是一個非常重要的研究課題。目前,智能建筑管理系統(tǒng)往往通過預先確定的應急預案管理和監(jiān)控人員疏散,多缺乏實時應急策略。本文提出了基于智能建筑仿真軟件的人員疏散實時應急策略。安全疏散成功與否的關鍵在于疏散行動時間與火災燃燒、煙氣蔓延時間之間的競爭,疏散者若能在允許時間內進入安全區(qū),即為成功[2]。

1智能建筑仿真軟件

目前,常用的人員疏散模型的仿真軟件各有其優(yōu)缺點,使用者可按實際情況的需要選取不同軟件。大致模型分為優(yōu)化法、模擬法和風險評估法三類。

優(yōu)化模型:忽略周圍人員和非相關避難的行為,假定人員按最有效的方式進行疏散,將人員視為具有共同特征的整體,如EVACNET4。

模擬模型:表現(xiàn)疏散行為和行動狀況,不僅要達到正確的評估效果,也要采取接近真實避難路徑情景,該模型被廣泛應用,如EXIT89、SIMULEX、STEPS、BUILDING EXODUS。

風險評估模型:識別火災時與疏散有關的危險或相關事故,并對最后的風險進行量化。通過多次計算,評估改變防火分區(qū)設計、消防措施等參數(shù)的效果,如CRISP[3]。

(1) EVACNET4。EVACNET4是一個被廣泛使用的人員疏散網(wǎng)絡模擬軟件,將建筑物結構以網(wǎng)絡的形式描述[4]。進行人員疏散模擬的關鍵是建立建筑的網(wǎng)絡模型。該模型應能如實地反映建筑物的內部結構布局,主要用來模擬地鐵、車站等場所的安全疏散過程。該軟件描述疏散過程是針對大量人群的情況,由于將人員在建筑中運動模擬成液體在網(wǎng)絡內的流動,沒有考慮人員的個體性,忽略周圍人員和非相關避難的行為,將人員視為具有共同特征的整體,很難模擬火災等緊急情況下的各種事件對個體的影響,如煙氣毒性對人員的影響。

(2) EXIT89。采用FORTRAN語言編制,用于模擬大型的、有高密度人員的建筑疏散[5],還可以跟蹤個體在建筑物內的行動軌跡。從消防安全的視角來評估建筑設計時,該模型可以處理一些疏散場景中最相關的因素:① 考慮各種不同行動能力的人員;② 將人員得知險情到開始疏散的延遲時間考慮進去;③ 提供選擇步速功能,可以反映正常移動和緊急狀況下移動的差別,前者可能適于演習情況下,后者更適宜于人員在緊急情況下的反應;④ 模擬煙氣對疏散的影響,通過用戶定義的煙氣阻塞或從CFAST輸出。

(3) SIMULEX。SIMULEX模擬大量人員在多層建筑內的疏散,兼容CAD生成的單個樓層的文件[6],用戶可以看到在疏散過程中每個人在建筑中的任意一點和任意時刻的移動,仿真結束后會生成一個包含疏散過程詳細的信息。SIMULEX移動特性基于每一個人穿過建筑空間時的精確模擬,可以表現(xiàn)人的確切移動類型。SIMULEX軟件易使用,較為真實反映出疏散過程中可能出現(xiàn)的各種情況,已經(jīng)越來越多地應用在工程設計中,但至今SIMULEX還沒有嘗試過模擬能見度和毒性危害可能對人員產生的影響,此外需要改良處理每個人心理影響輸入函數(shù)的復雜性。

(4) STEPS。STEPS是一個三維疏散軟件,具有很大的靈活性,可分配具有不同屬性的人員[7],給予他們各自的耐心等級和適應性,也可以指定年齡、尺寸和性別。在任意時刻,可以模擬無限制的人員,每一次都可以具有他們自己的動作。通過與基于建筑法規(guī)標準的設計作比較,STEPS有效性已經(jīng)得到驗證。

(5) BUILDING EXODUS。BUILDING EXODUS由人員、運動、行為、毒性、建筑和危險性6個相互聯(lián)系的子模塊組成[8],適用于人流量大的商業(yè)街、超級賣場、火車站、汽車站、電影院、高層建筑等,也可用于論證符合建筑行業(yè)規(guī)范,評估各種建筑的逃離能力,以及調查建筑內部的人群移動效率。該軟件考慮了人與人、人與火、人與建筑物之間的交互影響。當個體逃離困境或克服火災造成的高溫、煙霧及有毒氣體時,模式將追蹤其行動軌跡。通過該軟件可以產生大量相關數(shù)據(jù),能夠檢查大量不同因素對特定場景的影響,再修改具體參數(shù)檢查影響產生的結果。另外,還可通過配套軟件virEXODUS得到整個疏散的動態(tài)視頻,生動地表現(xiàn)疏散的結果,在火災中人員行為模式考慮和仿真結果的三維表現(xiàn)方面具有很大優(yōu)勢。

(6) CRISP。CRISP是一種面向對象的模型,在進行火災場景模擬時[9],采用了蒙特卡洛方法,把整個系統(tǒng)看作某種對象的集合。CRISP模型可以對建筑物內物品、房間、墻體、人員逃生等對象進行模擬,運行過程中對建筑物的環(huán)境、內部財務狀況及人員特征會隨機進行選擇,并給出該場景的發(fā)生概率。針對給定的場景,CRISP能夠模擬出火災發(fā)生過程或人員準備疏散時的情況,但主要應用于一般的民用建筑。

2確定應急策略的方法

基于智能建筑仿真軟件的應急策略開發(fā)可分為五個步驟:

(1) 根據(jù)實際需求選擇合適的智能建筑仿真軟件。

(2) 確定需要仿真的典型場景。

(3) 針對選取的典型場景進行仿真,獲取仿真結果。

(4) 對仿真結果進行分析、評價。

(5) 制定相應的具體應急策略。

實際上,上述步驟(2)~(5)可能需要重復多次,以求得一個較為優(yōu)化的應急策略。本文以火災發(fā)生時人員疏散為例,討論基于仿真軟件的突發(fā)事件應急策略的制定方法。

大密度人群場所在發(fā)生火災等突發(fā)事件時,如果疏散不利,會造成巨大的人員傷亡。在大密度人群疏散中,首要考慮的是人群疏散時間的指標,因為實際疏散時間的縮短可以有效減少人員的傷亡。針對該指標,選取BUILDING EXODUS作為仿真軟件,另外在BUILDING EXODUS中充分考慮個體的獨立性,研究突發(fā)事件中個體的心理行為和生理狀態(tài),根據(jù)遭遇突發(fā)事件現(xiàn)場的人員心理和具體行動信息,得到人群疏散基本規(guī)律,這樣可通過任意設置每個人的詳細特征,包括年齡、性別、健康程度、容忍度等來模擬人員構成,得到較為準確的結果,還能較真實地反映疏散時所選擇的逃生路線。

若智能建筑中發(fā)生火災突發(fā)事件,要及時給出具體的動態(tài)策略。由于火災發(fā)生的時間、空間不確定性,帶來了具體動態(tài)策略的不確定性,事實上事先對每個可能出現(xiàn)的具體情況確定相應的動態(tài)策略并不現(xiàn)實。針對該問題,考慮基于系統(tǒng)的基本特征選取若干特定的典型場景E1(t),E2(t),…,Ek(t),原則上這些典型場景能夠包含整個系統(tǒng)的動態(tài)信息,即假定系統(tǒng)動態(tài)為y(t),則其應為這些典型場景的線性組合,有

y(t)=m1E1(t)+m2E2(t)+…+mkEk(t)

將場景的各種參數(shù)輸入智能建筑仿真軟件,要熟悉仿真軟件運行的規(guī)律,以確保仿真結果的可信度。比如在選取的仿真軟件BUILDING EXODUS中,可以具體設置室內人員的各種參數(shù)以及智能建筑中的火源位置等參數(shù)。

對每個具體場景進行仿真,得到相應的數(shù)據(jù),可確定參數(shù)m1,m2,…,mk。再進一步對這些數(shù)據(jù)進行分析,找出影響人群疏散的不利因素和有利因素,使疏散更加有序化,在此基礎上制定和改進相應的系統(tǒng)動態(tài)疏散策略。

確定疏散策略后,需要在仿真軟件中進行驗證和調整,可以通過對參數(shù)的設置來達到所需的系統(tǒng)策略來進行仿真。如在智能建筑仿真軟件中可通過設置動態(tài)指示牌或關閉開啟特定出口等方式,達到更好的人群疏散結果。在應用相應的應急策略后,在相同的場景下比較前后疏散結果,分析基于該場景的應急策略是否可行,性能是否達到預期的目標。若未達到指定目標,再次分析仿真結果,給出更加可行的基于建筑仿真軟件的應急策略,再進行仿真。制定策略的步驟可能需要多次,直到得到較為滿意的應急策略。

3實例分析

智能建筑中有很多方式通知和提示建筑內人員相關突發(fā)事件信息,比如可以向樓內人員的手持終端發(fā)送疏散指示、廣播播報及設置多樣性的動態(tài)指示燈等。在本例中主要是控制相關位置的動態(tài)指示燈來疏散人群。上海某中心大廈辦公區(qū)域單層平面示意圖如圖1所示。圖1中,共有3個向下層樓梯出口,且有安置的三個雙向指示牌a、b、c。指示牌為雙向顯示,可以根據(jù)實際情況改變指向方向。

圖1　上海某中心大廈辦公區(qū)域單層平面示意圖

為研究疏散設計是否合理,對該樓層的疏散進行模擬計算,具體步驟如下:

(1) 建立虛擬樓層圖。簡化CAD圖,去除標注和不必要的線條,導入BUILDING EXODUS智能軟件。

(2) 根據(jù)模擬空間進行計算。首先進行疏散路線測試,隨機選擇位置,顯示人員疏散的路線,加入疏散人員并進行模擬。根據(jù)該高層辦公樓的人員特點,設定BUILDING EXODUS智能軟件中的仿真人群。依據(jù)實際現(xiàn)場調查的人員數(shù)量,根據(jù)規(guī)范進行模擬。

(3) 選取典型場景。

① 場景A。出口A附近發(fā)生火災,很明顯出口A會很快出現(xiàn)擁堵,可以將出口A附近的人往出口B、C疏散,此時動態(tài)策略是將雙向指示牌a指向出口B的方向點亮,同時關閉指向出口A的方向,將雙向指示牌c指向出口C的方向點亮,同時關閉指向出口A的方向。

② 場景B。出口B附近發(fā)生火災,很明顯出口B很快會出現(xiàn)擁堵,可以將B出口附近的人往出口A、C疏散,此時動態(tài)策略是將雙向指示牌a指向出口A的方向點亮,同時關閉指向出口B的方向,將雙向指示牌b指向出口C的方向點亮,同時關閉指向出口B的方向。

③ 場景C。出口A、B附近發(fā)生突發(fā)事件, 可以將出口A、B附近的人向出口C疏散,此時動態(tài)策略是將把雙向指示牌b指向出口C的方向點亮,將雙向指示牌c指向出口C的方向點亮,將雙向指示牌a指向都關閉。

為了說明一般性,樓層的人數(shù)取不同數(shù)值,采用BUILDING EXODUS得到人群疏散的動態(tài)結果及相關數(shù)據(jù)。200人、500人、1 000人疏散情況分別如表1~表3所示。

表1　200人疏散情況

表2　500人疏散情況

表3　1 000人疏散情況

綜合以上不同人群疏散的結果,可知在每一個場景內沒有采取相應的動態(tài)策略時,發(fā)生突發(fā)事件的出口附近會發(fā)生大量擁堵;采取相應的動態(tài)策略后,人流較為合理通過各個出口,基本上各出口疏散時間相差不大,極大地提高了疏散效率,證明了針對各個場景設計的動態(tài)策略的正確性。需要注意的是,對于復雜的智能建筑內部,選擇典型場景是一個關鍵問題。

4結語

提出了基于場景和仿真軟件的突發(fā)事件動態(tài)應急策略制定方法,討論了典型場景的選取和人員疏散軟件驗證等問題。仿真結果說明了該方法的有效性。對于非常復雜的智能建筑系統(tǒng),通過場景和仿真軟件制定實時應急策略是非常有效的方法,尚且存在的問題是典型場景的選取原則和方法。

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平　增(1984—),男,碩士研究生,從事建筑電氣設計工作。

張娟(1986—),女,碩士研究生,從事建筑電氣設計工作。

黃曉明(1978—),男,工程師,從事建筑電氣設計。

王立光(1972—),男,副教授,研究方向為建筑智能化。

魏立明(1974—),男,教授,研究方向為智能建筑系統(tǒng)集成與節(jié)能控制。

*基金項目: 吉林省教育廳“十二五”科學技術研究項目(吉教科合字[2014]第224號)

Evacuation Strategy for Emergency Events in Intelligent BuildingsXIAMin1,SHUShaolong1,XIEWenli2,BAOShunqiang2

(1.School of Electronics and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China;

2.Architectural Design and Research Institute,Tongji University, Shanghai 200092, China)

Abstract：This paper studied the emergency evacuation strategy based building simulation softwares.The several simulation softwares which can be used as tools were introduced.The concept of typical scenario was proposed.By simulating some typical scenarios with the proper simulation software,the corresponding emergency strategy is derived.

Key words:intelligent buildings; emergency events; simulation software; typical scenario; emergency strategy

收稿日期：2015-04-07

中圖分類號：TU 892

文獻標志碼：A

文章編號：1674-8417(2015)06-0035-04