基于Pathfinder的高層建筑應(yīng)急疏散仿真研究

方瀟宇，楊禎山

(渤海大學(xué) 工學(xué)院，遼寧 錦州 121013)

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基于Pathfinder的高層建筑應(yīng)急疏散仿真研究

方瀟宇，楊禎山*

(渤海大學(xué) 工學(xué)院，遼寧 錦州 121013)

摘要：高層建筑應(yīng)急疏散問題是公共安全的重要組成部分，疏散仿真是研究應(yīng)急疏散問題的重要手段．根據(jù)Marchant的避難理論，結(jié)合實(shí)際案例，應(yīng)用Pathfinder軟件模擬人群的應(yīng)急疏散行為，對高層辦公建筑的應(yīng)急疏散進(jìn)行整體研究．從仿真模型的疏散模式選擇、參數(shù)設(shè)置及疏散的時序分析入手，對案例大樓的房間疏散、樓層疏散以及整棟樓的疏散進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果顯示建筑內(nèi)所有人員能在安全時間內(nèi)成功疏散，最后基于仿真結(jié)果對高層建筑的應(yīng)急疏散設(shè)計提出建議．

關(guān)鍵詞：高層建筑；應(yīng)急疏散；Pathfinder；障礙物；疏散仿真

0引言

對人在火災(zāi)等突發(fā)事件來臨時的行為特征的研究始于20世紀(jì)70年代〔1〕．美國的科研人員曾經(jīng)對1970年之后的火災(zāi)幸存者做過調(diào)查，并運(yùn)用統(tǒng)計學(xué)方法對人員的驚慌、從眾等非適應(yīng)性行為進(jìn)行探究．隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，從1980年之后，人們開始使用構(gòu)建疏散模型的方法來模擬建筑中的人員疏散行為，其中使用比較廣泛的疏散模型有社會力模型〔2，3〕、元胞自動機(jī)模型〔4，5〕和格子氣模型〔6〕．后來出現(xiàn)了Pathfinder疏散仿真軟件〔7〕，與前述模型相比，該軟件是一套簡單、直觀、易用的新型的智能人員緊急疏散逃生評估系統(tǒng)，不需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型描述，而是利用計算機(jī)圖形仿真和游戲角色領(lǐng)域的技術(shù)，對多個群體中的每個個體運(yùn)動都進(jìn)行圖形化的虛擬演練，從而可以準(zhǔn)確確定每個個體在災(zāi)難發(fā)生時最佳逃生路徑和逃生時間．Pathfinder軟件以其直觀、靈活、工程應(yīng)用的簡潔性及功能完備性，逐步引起人們的重視，并嘗試將其用于各類應(yīng)急疏散的研究〔7-9〕．

針對高層建筑的功能屬性〔10〕，以及應(yīng)急狀態(tài)下行人的行為特點(diǎn)，以一棟高層綜合多功能辦公大樓為背景，應(yīng)用Pathfinder軟件構(gòu)造仿真模型，模擬大樓在緊急情況下的人員疏散情形．分別對該大樓第9層、第13層的行人的房間疏散、樓層疏散和到達(dá)出口的疏散過程進(jìn)行仿真，并將仿真結(jié)果與業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，以確定建筑物疏散的可靠性．該研究對高層建筑應(yīng)急疏散的設(shè)計具有重要意義．

1Pathfinder及其仿真方法

Pathfinder是由美國的Thunderhead Engineening公司研發(fā)的基于Agent的智能人員緊急疏散逃生評估系統(tǒng)軟件，主要用于建筑防災(zāi)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、災(zāi)難逃生科學(xué)研究、人員災(zāi)難疏散模擬訓(xùn)練．該軟件由圖形用戶界面和三維可視化結(jié)果分析模塊等部件組成，利用計算機(jī)圖形仿真和游戲角色領(lǐng)域的技術(shù)，對多個群體中的每個個體運(yùn)動進(jìn)行圖形化虛擬演練，能夠模擬行人的移動和進(jìn)出建筑物的全過程，進(jìn)而準(zhǔn)確確定每個個體在災(zāi)難發(fā)生時最佳逃生路徑和逃生時間．Pathfinder以人為基礎(chǔ)，仿真過程需要做如下參數(shù)設(shè)置和行人疏散模式選擇．

1.1基本參數(shù)設(shè)置

1) 每一個人員的各種參數(shù)，即人員數(shù)量，行走速度等，以此來實(shí)現(xiàn)模擬過程中的各自獨(dú)特的逃生路徑和時間模擬．

2) 定義每個需要經(jīng)過區(qū)域的人員密度，人員距離最近出口的距離．

3) 繪制與仿真相關(guān)的建筑物3D空間仿真模型．

1.2疏散模式設(shè)置

Pathfinder有兩種行人疏散模式：SFPE模式和Steering模式．其中，在SFPE模式下，行人之間不存在相互干擾行為，也不會發(fā)生擁堵現(xiàn)象，其速度受到房間空間密度的影響，出口處人流量是根據(jù)出口寬度來設(shè)定的〔11〕．在Steering模式下，行人會沿著規(guī)劃好的路徑向出口前進(jìn)，但是在這種模式下，行人的移動受到周圍環(huán)境和其他行人的影響，人流量較大時會產(chǎn)生擁堵現(xiàn)象．因此考慮到人在應(yīng)急狀態(tài)下的行為習(xí)慣〔12〕，以及“擁堵”是影響疏散時間重要因素，本文采用Steering模式．

2仿真建模

2.1案例背景

選擇某高層辦公大樓為研究案例〔13〕．該建筑共20層，總高度為59.4m，其中B1～5層為地下室，地面以上為15層，1～2層的層高為5.1m，其他樓層的層高為3.75m．大樓的總?cè)藬?shù)為518人，其中女性員工326人，占全體總?cè)藬?shù)的62.78%．大樓的具體功能及人員分布如表1所示：

表1　大樓的具體功能及人員分布

2.2建?；緟?shù)

鑒于B1～5層地下室的功能主要為停車場、設(shè)備間、中控室等，因此不考慮地下室各層的疏散，而只構(gòu)建地上部分1～13層的仿真模型．根據(jù)對行人在應(yīng)急狀態(tài)下的實(shí)際行走速度的實(shí)測〔13〕，行人速度設(shè)置：第9層行人的平面步行速度為1.03 m/s，下樓梯速度為0.96 m/s；第13層行人平面步行速度為1.1 m/s，下樓梯速度為0.73 m/s；其它樓層行人的平面步行速度按照平均速度設(shè)置為1.07 m/s，下樓梯速度設(shè)置為0.85 m/s．并依據(jù)《中國成年人人體尺寸(GB10000-88)》，設(shè)置男性的肩寬為0.4 m，女性的肩寬為0.36 m．圖1為一層建筑平面及逃生出口和路線分布．這里假定：員工經(jīng)過規(guī)范的疏散演習(xí)訓(xùn)練，對大樓的出口和疏散樓梯的位置非常熟悉．

圖1一層建筑平面及逃生出口和路線分布圖2一層疏散仿真平面布置

2.3Pathfinder建模步驟

步驟1：根據(jù)實(shí)際建筑設(shè)計的平面構(gòu)造，在Pathfinder環(huán)境下構(gòu)建參與疏散樓層的2D單線條仿真平面模型．其中包括，建筑平面布置：房間、門、電梯間、衛(wèi)生間等(見圖2)．

步驟2：在步驟1的基礎(chǔ)上，將全部的疏散樓層組合，為仿真模型的3D結(jié)構(gòu)構(gòu)建整體框架．

步驟3：添加疏散樓梯和疏散樓梯平臺．本建筑包括兩部疏散樓梯，其中樓梯寬度為1.6 m，門寬為1.2 m，高度2.4 m．

步驟4：根據(jù)表1添加房間內(nèi)待疏散人員人數(shù)；根據(jù)需要設(shè)置不同類別的人員標(biāo)記，區(qū)域標(biāo)記：給定某特定樓層、房間人員以特定的衣服顏色，性別標(biāo)記：男性、女性；根據(jù)實(shí)際疏散區(qū)域的設(shè)備及家具布置、大小尺寸繪制疏散障礙物;最終形成完整的3D疏散仿真模型．

3疏散時間的時序分析及基本過程

3.1疏散時間的時序分析

根據(jù)Marchant提出的避難理論〔14〕：當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，整個行人疏散過程與火災(zāi)擴(kuò)散的時序關(guān)系如圖3所示：

其中，

Tp：行人感應(yīng)火災(zāi)發(fā)生所需時間，即從火災(zāi)發(fā)生到火災(zāi)報警器發(fā)出報警時間，統(tǒng)計數(shù)據(jù)為60 s〔15〕；

Tr：行人做出反應(yīng)所需時間；

Ta：人員反應(yīng)后采取行動所需時間；

Ts：行人從建筑中疏散出去達(dá)到安全地點(diǎn)所需時間；

Tf：可用的安全逃生時間(又稱“避難允許時間”)．是自火災(zāi)發(fā)生至煙氣的下降、擴(kuò)散，轟然等致使建筑或疏散通道發(fā)生危險狀態(tài)為止的時間(Available Safety Egress Time，ASET).即，Tf= ASET．ASET是一個時間極限值．即，從火災(zāi)發(fā)生到火災(zāi)發(fā)展到致使建筑物某個區(qū)域達(dá)到人的耐受極限，或火災(zāi)發(fā)展到對人構(gòu)成危害所需的時間，ASET計算較為復(fù)雜不利于工程應(yīng)用〔16〕．表2(詳見文獻(xiàn)〔17〕)從工程角度給出了不同建筑物疏散時間的統(tǒng)計值，對于疏散時間的比較提供了必要的參考.

Tr+Ta：避難前置時間，即火災(zāi)識別后人員準(zhǔn)備疏散的響應(yīng)時間，即火災(zāi)識別后到人員疏散行動開始之前的響應(yīng)時間Tc，統(tǒng)計數(shù)據(jù)為120 s〔15〕．即，

Tc=Tr+Ta

(1)

Tp+Tr+Ta：從火災(zāi)發(fā)生到人員開始疏散的疏散開始時間Tst．即，

Tst=Tp+Tc

(2)

避難逃生總時間RSET (Required Safe Egress Time )為

RSET=Tst+αTs

(3)

α為安全系數(shù)．主要考慮人員從著火點(diǎn)，全部疏散至供人員疏散用的封閉樓梯間、室外樓梯的入口和首層直通室外的樓梯入口或者直通室外的門的過程中的不確定性因素，對人員移動時間的影響．提出設(shè)定，α=1.5．建筑內(nèi)所有行人成功疏散逃生的條件為：Tp+Tr+Ta+Ts≤Tf．即，

RSET≤ASET

(4)

表2　不同建筑物所需的疏散時間

3.2疏散的基本過程

疏散的基本過程是平時消防模擬演練和火警時疏散的重要依據(jù)．按照階段的不同，行人的疏散過程分為：房間疏散、樓層疏散和整棟樓疏散．因此，分別作如下定義．

1)房間疏散時間：從開始疏散到該房間內(nèi)所有行人離開房門所需時間；

2)樓層疏散時間：從開始疏散到該樓層所有行人到達(dá)疏散樓梯所需的時間；

3)整樓疏散時間：從開始疏散到大樓內(nèi)所有行人離開建筑并到達(dá)地面所需時間．

4人員疏散的仿真

4.1仿真約定條件

從建筑物的功能配置可知，第9層樓的空間配置比較復(fù)雜，因此假定9層為起火樓層．根據(jù)疏散的基本過程及相關(guān)消防規(guī)范〔18〕，疏散程序如下：1)疏散起火層以及其上兩層與下一層，即8層、9層、10層以及11層；2)疏散高于起火層的未疏散樓層，即12、13層；3)疏散剩余樓層，即1～7層．為盡量降低人群的擁擠程度，在使用Pathfinder仿真時設(shè)置如下延遲(Δt)：第12、13層行人在開始疏散時的行動延遲時間為59 s，1～7層行人在開始疏散時的行動延遲時間為127 s，8、9、10層行人在開始疏散時的行動延遲時為0 s．圖4為疏散時間為70 s時，第13層樓中行人的分布情況．

4.2仿真結(jié)果

根據(jù)給定條件，對整棟大樓的人員疏散進(jìn)行仿真．不失一般性，我們僅給出9層和13層人員疏散的仿真結(jié)果．

圖5第九層人員房間疏散時間圖6第九層人員樓層疏散時間

圖7第十三層人員樓層疏散時間圖8第十三層人員進(jìn)行整棟樓疏散時間

4.3疏散時間比較分析

表3為房間疏散、樓層疏散及整棟樓疏散的疏散時間結(jié)果，這里取α=1.5．經(jīng)與表2給出的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，建筑內(nèi)所有人員的各階段避難逃生總時間RSET滿足人員成功疏散逃生條件．因此，疏散仿真結(jié)果有效．

表3　疏散時間

5結(jié)論

運(yùn)用Pathfinder軟件進(jìn)行高層建筑的疏散仿真，具有簡單、方便、易于操作的特點(diǎn)，完整的內(nèi)置數(shù)學(xué)模型使使用者避開了繁瑣的數(shù)學(xué)推演，對工程應(yīng)用提供了極大的便利，對研究建筑物的應(yīng)急疏散設(shè)計具有重要意義．根據(jù)Marchant避難理論，并結(jié)合本文的仿真結(jié)果，對高層建筑應(yīng)急疏散提出如下建議：1)高層建筑應(yīng)急疏散的初步設(shè)計階段應(yīng)做必要的仿真試驗(yàn)；2)運(yùn)用Pathfinder軟件仿真，必須嚴(yán)格依據(jù)建筑設(shè)計的構(gòu)造數(shù)據(jù)建模，人員密度等參數(shù)應(yīng)該按最大可能值配置；3)必須嚴(yán)格按照建筑房間功能配置障礙物，否則仿真結(jié)果將嚴(yán)重偏離實(shí)際狀況；4)采用優(yōu)質(zhì)的火災(zāi)報警系統(tǒng)盡早感知火情，以縮短火災(zāi)確認(rèn)時間；5)堅持火場逃生的例行演練，以減少人員對火災(zāi)發(fā)生的恐懼，進(jìn)而使人群有序逃生，縮短人員對火災(zāi)做出反應(yīng)的時間；6)采用快速的信息傳播系統(tǒng)，以縮短開始采取避難行動的時間．

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Pathfinder based simulation of crowd evacuation in high-rise building

FANG Xiao-yu，YANG Zhen-shan

(College of Engineering,Bohai University,Jinzhou 121013,China)

Abstract：The issue of emergency evacuation in high-rise buildings is a major concern of public safety.Evacuation simulation is an important way to research evacuation behaviors.As per Marchant's theory on evacuation and escape and combined the practical case,Pathfinder software is employed to simulate the behavior of pedestrians′ evacuations,to conduct the holistic study of the personnel evacuation in high-rise office buildings.Starting up with the process and steps of modeling,the evacuation mode selection,preferences and the time order analyzing,the simulation of evacuations from rooms,floors and the whole building are conducted respectively,and based on which recommendations to the design of evacuation in high-rise buildings are suggested.

Key words：high-rise building; emergency evacuation; Pathfinder; barrier; evacuation simulation

收稿日期：2015-11-08.

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(No:60874026).

作者簡介：方瀟宇(1990-),男,渤海大學(xué)碩士研究生,主要從事樓宇自動化技術(shù)及高層建筑疏散及電梯交通配置與控制技術(shù)的應(yīng)用研究.

通訊作者：ydlut@163.com

中圖分類號：TP13

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-0569(2016)02-0177-07