基于Evacuation NZ疏散模型火災人員疏散時間研究

郭 惠工程師 韋曉璐

(北京市西城區(qū)消防救援支隊，北京 100032)

0 引言

隨著社會發(fā)展和科技進步，現(xiàn)代建筑呈現(xiàn)多樣化、復雜化、大型化特征，這些特征為消防安全工作帶來新挑戰(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、火災時疏散人員的最佳疏散口位置及所需疏散時間等。因此，在發(fā)生火災等突發(fā)事件時，如何有效進行人員疏散是值得深入研究的問題。

1977年，加利福尼亞大學建筑生命安全小組的Larslerup提出“繪圖手則”，它奠定分析火災中人員行為動態(tài)的基礎；1996年，中國香港城市大學S.MLO收集整理部分火災逃生人員的數(shù)據(jù)信息，并在此基礎上構建一個可預測火場受困人員反應的模型，以研究火災時被困人員心理對人員疏散的影響。隨著計算機技術的發(fā)展，人們開發(fā)多種疏散軟件和模型用來分析建筑物內(nèi)人員疏散特性，如Stahl開發(fā)的BFIRES-II模型、美國Francis開發(fā)的預測最小理論疏散時間的EVACNET+模型等。目前人員疏散模型有30個左右，如常見的Building EXODUS和SIMULEX，這些模型較系統(tǒng)，有各自的參數(shù)和適用范圍，但應用性不強，僅供科研人員借鑒進行二次研究。Evacuation NZ疏散模型可以根據(jù)需要及時調(diào)整疏散過程中人員的行為，并可以在特定情況下利用連接密度計算疏散時間，為相關部門對疏散時間進行估算提供參考。

1 計算機模擬方法

運用計算機模擬方法研究火災人員疏散問題，通常有2類方式：第一類是在僅考慮火災疏散人員運動軌跡的基礎上建立模型；第二類是在既考慮火災疏散人員運動軌跡，又考慮人員行為的基礎上建立模型。第一類參數(shù)相對確定，主要是建筑內(nèi)部消防設施、疏散人員速度、疏散出口位置和方向等，它雖然簡單直觀，但沒有考慮人員個體差異，所有人都被設定按統(tǒng)一要求進行疏散，這種不考慮人員個體行為差異的模型稱為“滾珠”模型；第二類是在第一類基礎上，除考慮可確定因素，還把每個人的個體差異融入其中，全面考慮火災疏散人員個體差異對疏散時間的影響。這種模型能更真實地模擬火災疏散人員的反應以及疏散時間。

火災中人員的疏散行為復雜，每個人的疏散行為由于個體差異而不同。因此，研究火災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)境下人的社會行為因素。綜上，要建立適合復雜多變情況的模型，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)人工計算方式很難做到如此巨量運算和數(shù)據(jù)處理。因此，計算機因其計算功能強大、模擬過程逼真等特點在疏散模擬方面體現(xiàn)出其優(yōu)勢。

(1)可選定計算機模擬軟件中的不同算法對火災中人員疏散時可能發(fā)生的不同情景進行分析評估，這種評估有數(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，因此評估更加客觀準確。

(2)計算機模擬可以研究疏散過程中的特殊現(xiàn)象，分析人員疏散過程中的運動規(guī)律，找出影響疏散時間的關鍵因素。

(3)計算機模擬可以全程直觀地觀察人員的行動軌跡，并得到人員疏散的細節(jié)，分析影響疏散時間的因素，從而可在設計階段提供更直接有效的消防安全設計方案。

(4)在建筑物設計過程中，通常都使用比較簡單的方法來計算人員疏散時間，這種計算方法沒有考慮人員行為對疏散時間的影響。選擇合適的計算機模擬軟件，通過二維或三維渲染技術以及人體模型移動處理技術來實現(xiàn)人員在緊急狀態(tài)下避難、逃生等活動。同時，消防監(jiān)督執(zhí)法部門對建筑物開展安全性評估時，也可以把計算機模擬軟件的模擬過程當作評估依據(jù)和衡量指標。

2 Evacuation NZ疏散模型

2.1 背景

Evacuation NZ疏散模型是坎特伯雷大學在Evacent 4疏散軟件基礎上開發(fā)出的疏散模型。Evacent 4疏散軟件將疏散人群看作一個整體，未考慮個體在疏散過程中的行為差異。而Evacuation NZ疏散模型可以隨時改變?nèi)我馐枭⑷藛T的行為文本，而不需要重新設置數(shù)據(jù)，更接近于真實疏散過程。Evacuation NZ疏散模型把人員密度分為連接密度和節(jié)點密度，并將他們作為研究疏散時間的參數(shù)，并結合Monte Carlo得出疏散時間分配的可能性。Evacuation NZ疏散模型在模擬時不限制人和節(jié)點數(shù)量，如果計算機運算能力足夠強，就可模擬足夠多的人和節(jié)點，因此，此模型適合模擬計算超高層、復雜建筑中的人員疏散時間。

2.2 節(jié)點密度和連接密度

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

節(jié)點密度是一個節(jié)點的平均人員密度，是由一個房間的人數(shù)和地板面積決定(人員密度

D

=人數(shù)

n

/地板寬

W

·地板長

L

)。當人群涌向出口，連接密度逐漸增加，節(jié)點密度沒有變化，當連接密度達到特定值時出口變得擁擠，此時連接密度通常要高于節(jié)點密度。

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

連接密度可能會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認為人員密度的最大值是3.5ppl/m，而Pauls認為連接密度的最大值是2.0ppl/m。

2.3 人流速率

運用Evacuation NZ疏散模型模擬計算疏散時間是基于Nelson和Maclennan的流體運動方程。

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

—建筑構件實際寬度，m；

B

—邊界層的厚度，m；

k

—速度系數(shù)，為建筑構件的函數(shù)。

對于門：取84，一側(cè)的邊界層取0.15m；

對于樓梯：

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 疏散時間

利用Evacuation NZ疏散模型模擬疏散時間，在疏散總?cè)藬?shù)不超過500人，疏散門寬度不超過1.6m的模擬結果，如圖2。通過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)當連接密度為2.2ppl/m，無論疏散門寬度為多少，模擬的疏散時間與通過流體運動方程計算時間都位于對角線上，即當連接密度為2.2ppl/m時Evacuation NZ模型模擬數(shù)值最接近于流體運動方程計算所得數(shù)值。所以，消防監(jiān)督員日常監(jiān)督檢查過程中或建筑單位內(nèi)部組織疏散演練不方便時，可以通過該連接密度利用流體運動方程估算建筑物疏散時間。

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

3 實例分析

某大型超市長、寬、高分別為40、20、5m，有3個安全出口，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，存在較大火災危險性。超市以400人為基準，根據(jù)多次疏散演練得出平均疏散時間為210s。

3.1 Evacuation NZ疏散模型的疏散時間

緊急情況時，假設有400人從超市向外疏散，形成“過渡排隊等候”現(xiàn)象，即疏散門口已經(jīng)呈現(xiàn)擁堵狀態(tài)。在2個疏散寬度相同的安全出口形成2簇人群，雖然節(jié)點密度沒有變化，但局部連接密度增加，也就是連接密度發(fā)生變化。

設

n

為樓梯口排隊人員數(shù)量，其單位時間內(nèi)的變化率為：

dn

/

dt

=

n

-

n

(3)

式中：

n

—到達的人數(shù)；

n

—離開的人數(shù)。

(4)

疏散時間

t

為：

(5)

疏散時間是一個變量，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，實例中連接密度為2.2人/m時，計算出疏散時間為194s，即Evacuation NZ疏散模型模擬出的疏散時間為194s。

3.2 傳統(tǒng)工程算法計算疏散時間

(1)疏散時間

t

預測。疏散時間即從疏散開始至到達建筑安全出口外的時間。疏散時間由步行時間

t

(從最遠疏散點到安全出口所需的步行時間)和人員通過出口滯留時間

t

(計算區(qū)域人員從出口全部通過所需時間)構成，即：

t

=

t

+

t

(6)

步行時間：

t

=

l

/

v

(7)

式中：

l

—步行最大距離，m，取50m；

v

—步行速度時間，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)疏散時間

T

。

疏散時間有步行時間和出口滯留時間組成，如下：

(9)

計算得

T

=131.8s

3.3 結果分析

對于同一建筑物，應用Evacuation NZ疏散模型除考慮連接密度外，還考慮疏散人員心理、社會行為等因素對疏散時間的影響。因此，Evacuation NZ疏散模型利用連接密度得出的疏散時間比采用傳統(tǒng)工程算法得出的結果更接近實際。對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間，為消防監(jiān)督人員和單位估算模擬疏散時間提供參考價值。

4 結論

基于Evacuation NZ疏散模型模擬火災中人員疏散時間，主要得出以下結論：

(1)計算機疏散模擬模型在模擬過程中可根據(jù)實際情況隨時更改疏散人員行為，與傳統(tǒng)工程算法相比，它更接近火災人員疏散的真實情況，因此，在今后的研究過程中可通過大量模擬和實驗結果對傳統(tǒng)工程算法進行修正。

(2)在今后應用計算機模型進行火災疏散時間的研究時要重視數(shù)據(jù)積累，同時對火災疏散人員行為進行更深入的研究。