疏散模拟仿真

疏散模拟仿真_现代应急管理理论与技术

国外关于人群疏散的研究主要体现在建筑消防设计上，是为建筑物性能化消防设计提供技术支持，其对人群疏散理论的研究始于20世纪30年代，首先是建立起了人流速度与人群密度之间的关系式，之后，各国分别对大型商场、地铁站、体育赛场人流进行了分析研究，建立起了不同类型的聚集人群的水平投影的平均尺寸，并分析了行人流量与人流速度和人流密度之间的关系。目前在这个领域研究比较著名的包括加拿大的John Fruin，德国Dirk Helbing等研究者，人员疏散分析方法主要包括:

(1)经验公式法。包括基于单位出口宽度概念的计算方法、Pauls的经验公式、英国Melinek和Booth公式、俄罗斯关于高层建筑疏散的计算等经验公式法，在北美地区、英国、瑞典以及大洋州地区普遍采用Pauls＆Fruin等人提出的基于有效宽度和密度—速度模型的疏散分析算法;日本《避难安全检证法》提出的基于有效流动系数的疏散分析算法。经验公式算法的特点是: 计算速度快、易于掌握和使用，适用于进行结构简单场所的疏散容量分析和疏散时间预测，但无法描述疏散过程中人的行为细节，对于建筑结构复杂的场合计算结果较实际情况偏差大。

(2)动态模拟法。在建筑设计中，疏散通道上的回转和拐角，楼梯的级数和坡度对疏散分析结果都会产生影响，对于复杂结构的疏散场景，房间、大厅与通道之间相互连通与交汇，疏散过程中自由度的大大增加，导致疏散分析变得十分复杂，有些情况下通过逻辑分析得到令人满意的疏散分析结果几乎是不可能的。借助计算机软件可以对疏散过程中人们的行动过程进行模拟，模型中考虑了建筑结构因素，人员自身类型条件，人群相互作用因素，甚至心理因素和环境变化因素，综合多种因素可以实现人员疏散在具体场景下的模拟，得到更为可信的疏散分析结果，达到安全性评价的目的，由此计算机动态模拟法越来越普遍地应用于新型建筑人员疏散性能化分析中。

当前世界各国都对人员疏散动态模拟技术进行了大量研究工作，目前已有的疏散模型如美国Francis开发的预测最小理论疏散时间的网络模型EVACNET、由Stahl开发的火灾行为模型BFIRES－Ⅱ、由Alvord开发的疏散与救援模型还有BGRAF; CRISP; DONEGANSENTROPY MODEL; EGRESS; E－SCAPE; EXITT; MAGNETMODEL; PAXPORT; SIMULEX; TAKAHASHI MODEL; VEGAS; EVACNET(Kisko，1985)，WAYOUT(Firecalc，1993)，EVACSIM(Drageretal， 1992)，EXIT89(Fahy，1993)等网络模型及EXODUS、ASERI(Volker Schneider)、AEAEGRESS、SGEM等可以描述楼房内人员的运动提供虚拟显示的模拟。

在我国对密集人群的研究大都集中在建筑安全方面，着重研究在建筑物内发生紧急事故时的人员疏散问题。代表性的有香港城市大学与武汉大学合作建立的建筑空间内人员疏散模型及模拟软件SGEM，中国科技大学提出的疏散时间的计算方法及疏散过程中瓶颈现象的处理方法，并依据粒子化模型建立的模拟模型研究出口宽度、厚度和人员期望速度对疏散时间的影响等;但以上研究均局限在特定建筑物内，运用动力学方程对聚集人群的疏散事故机理研究明显不足。

8.3.1 疏散模型分类

人群的运动跟流体的运动有许多相似之处，人员疏散模型研究要寻找规则简单且能模拟出真实疏散现象的模型。根据模型不同的特征，可从不同的角度对人员疏散模型进行分类。

8．3．1．1 宏观模型与微观模型

宏观模型把行人视为连续流动的介质，直接继承流体力学中已经成熟和完善的方法。模型中不区分行人的个体差异，通常用密度、局部平均速度等参数来描述人群的运动特征。最早的宏观模型是由Henderson提出的，他认为行人的运动行为类似于气体或流体的流动，行人行为的气态动力学方程与Boltzmann方程相似，不过他考虑了行人之间的相互影响和行人的目的。

微观模型将每个行人都视为独立的个体，可以考虑不同类型行人的个体特征以及与其相应的路径选择等问题，可以模拟一些典型的人员运动行为和疏散动力学现象。根据模型的建模机理分类，微观模型大致可以分为基于元胞的模型、基于力的模型以及基于排队网络的模型三类。

8．3．1．2 确定性模型与随机模型

在确定性模型中行人在下一时刻的状态和行为可通过当前状态完全确定，而在随机模型中行人的行为是通过一定的概率进行控制的，面对同样的情况，人员可能采取不同的行动。模型的随机性可以反映人们对当前情况认识的不完备，以及决策的不确定性。根据复杂性系统理论的经验，随机性模型可以在简单系统中模拟出一些更加复杂和真实的现象和行为。

8．3．1．3 基于规则的模型与基于力的模型

行人之间的相互作用可以通过规则和力的方式进行表达。在基于规则的模型中，人员的行为根据其当前状态和邻近行人的情况来确定; 在基于力的模型中，更多的强调人员之间及人员与周围环境间的相互作用，并且通常用牛顿力学的方法表示。元胞自动机模型是一种具有代表性的基于规则的模型，而社会力模型是一种典型的基于力的模型。

8．3．1．4 离散模型与连续模型

要表示一个人群系统，模型需要对时间、空间和人的状态(如速度)这三个基本要素进行表达，根据模型对这些要素的表示方法的不同，又可分为离散模型(如用整数表示)和连续性模型(如用实数表示)。通常情况下基于元胞的模型、排队网络模型以及格子气模型被认为是离散模型，而基于力的模型为连续模型。下面将从这一角度对疏散模型作详细的介绍。

1． 连续模型

连续模型主要有Okazaki等人磁场力模型(Magneticforcemodel)及Helbing等人的社会力模型(Socialforcemodel)。

磁场力模型的独特之处在于: 采用库伦定理，把人员描述为磁场中的物体，每个行人和障碍物为正极，行人的目的地为负极，行人在磁场力和为避免冲突而产生的加速度力的共同作用下确定运动方向和速度。然而，由于模型中的磁场强度只能是随意给定的，无法用实验参数和现实中观察到的现象进行量化和验证，磁场力模型的发展受到了阻碍。

最早由Helbing提出基于多粒子自驱动系统框架的社会力模型，利用“社会力”的概念表示行人在疏散过程中与环境(建筑物、火灾等)和其他行人之间存在社会的、心理的、物理的相互作用，运用经典的牛顿力学规律建立受力平衡方程直接对行人个体建模，模拟人员的行为改变(即速度矢量的改变)和疏散决策过程，每一时间步，模型根据每一个行人的受力决定其下一步的行走速度和方向。

社会力模型中行人表现出一定的思考能力和对环境刺激的响应能力，甚至考虑了行人的冲撞、挤压、恐慌和可视范围等因素，能够成功模拟出人群疏散中出现的一些典型现象，如行人带的自动形成、出口堵塞、拱形分布、“快即是慢”、“宽即是窄”等现象。这些模拟结果都能够通过实际的观测进行定性的验证，使之成为迄今为止最成功的行人动力学模型之一。

但是，社会力模型也具有一些明显的缺陷。首先，模型规则复杂，模型中的公式均为连续性方程，无法求得解析解，必须采用数值解法，而且只有当空间和时间步长Δx，Δt→0时所得的解才是精确的; 其次，由于方程对边界条件的依赖性很强，给程序的编制带来了一定困难，不便于工程应用。再次，当人群规模N较大时，求解方程需要很长的机时，并且所需机时随着N的增大而急剧增大，其时间复杂度为O(N2)，计算效率较低; 因此，社会力模型理论研究关注较多，很少用于工程应用。

2． 离散模型

目前的研究中，离散模型主要有排队网络模型、元胞自动机模型和格子气模型三大类。

(1)排队网络模型。排队网络模型是一种离散事件的蒙特卡洛模型，模型不注重详细的建筑布局和尺寸，将房间表示为节点，用链路表示房间之间的出口，使用各条路径疏散所需的时间都保存在节点。行人从节点出发在链路中排队进入下一个节点。行人到达一个节点后，进行一次加权随机选择从所有可用链路中选择一条运动路径，如果该链路不可用，行人会等待或继续寻找下一链路，直到到达目标节点为止。

排队网络模型无法描述行人的一些行为以及行人间的相互作用，模型固有的“先进先出”的特性决定了其不可能真实地解决高密度情况下的疏散问题。

(2)元胞自动机模型。元胞自动机是在均匀一致的网格上由有限状态的变量(或称元胞)构成的离散的动力系统。元胞自动机可以看成为无穷维动力系统中的一类，其特点是空间、时间和状态都离散，同时每一个变量只取有限多个状态。它最早是由Von Neuman和Ulam提出来的，起初主要用于模拟生命系统所具有的自复制功能。近年来人们对元胞自动机模型的兴趣大增，元胞自动机被广泛应用于模拟各种物理系统和自然现象，在模拟人员疏散时，元胞自动机模型用没有内部自由度的粒子表示行人，行人可以以一定的跃迁概率运动到与其相邻的格点。其中比较有代表性的元胞自动机模型主要有以下几种:

①Benefit－Cost模型。Gipps和Marksjos(1985)提出了成本—收益模型，疏散通道被划分成0.5×0.5m2的网格，每个格点至多容纳一人。通过行人所在位置到各格点的距离，结合行人从当前位置运动至不同格点为完成目标所获收益，为各点赋给一个表示行人之间的排斥效应的值，当几个行人在某个格点形成的场域重叠时，该格点的分数值就是这几个值之和。

每个格点的成本S与人员的分布情况及其在建筑中的位置有关，人员所在格点到目标格点的收益P(i)通过相应的公式给出，运动的净收益B=S－P(i)在行人周围九个相邻格点(包括当前格点)计算得到，最终行人选择向净收益最大的格点移动。

成本收益模型最主要的优点在于它的简单性，但由于其格点赋值的确定性导致其本身存在一些问题，而且很难用真实的疏散现象对其进行验证和校准。

②Fukui－Ishibashi模型。日本学者Fukui和Ishibashi提出的F－I模型(M． Fukuiand Y． Ishibashi，1999)，是最早关于人员疏散的元胞自动机模型之一，模型中将建筑平面划分为正方形网格，与交通流中汽车的模拟类似，模型采用184号规则，研究了行人在长通道内的相向运动，运动过程中行人优先朝期望方向行走，当期望格点被占据时行人选择停止或者换道，换道过程采用侧向行走和对角行走两种规则。

在F－I模型基础上，研究人员做了大量的工作，出现了大量扩展模型和改进模型。如方伟峰、Maniccam等人建立的考虑人员靠右边行走习惯和后退的模型，Nagai、Imanishi等人研究了人员的形状对疏散的影响，建立了人员爬行时(长条形)的疏散模型，Maniccam将疏散空间划分成六边形进行了研究，宋卫国等人将社会力的概念引入建立的CAFÉ模型，另外还有大量关于不同建筑形状下的元胞自动机扩展模型。

③Blue－Adler模型。2000年，Blue和Adler建立了基于交通流中的Nagel－Schreckenberg模型的B－A模型，模型中行人的运动类似于交通流中多车道运动的汽车，所有行人通过四个步骤并行地完成一次更新: ⓐ行人选择优先运行的路径; ⓑ行人换道; ⓒ根据新道上的空缺确定出运动速度; ⓓ以第三步确定的速度运动。B－A模型与F－I模型的不同在于，B－A模型中行人的运动不受邻域的限制，可以在其最大速度允许的范围内一次运动不同的格子。B－A模型可以通过设置不同的最大速度来表示不同特征的行人。

④Floorfield模型。Burstedde、Kitchner等人提出了场域(Floorfield)模型，模型中行人向周围格点迁移的概率不再是固定的而是动态变化的，行人之间的相互作用通过所谓的“场域”来实现，每个格点都有相应的场域值，场域值越大行人向该格点运动的概率越大。

模型中的“场域”包括静态域和动态域两种，静态域Sij只与建筑结构和周围环境有关，它并不随时间发生变化; 动态域Dij是通过行人的运动而动态产生的，相当于一种虚拟痕迹，反过来也会影响其他行人的运动，动态域Dij会随着时间动态传播、衰减并经过一段时间后消失。行人向周围格点跃迁的概率Pij由基本公式Pij=NMijDijSij(1－nij)及一些扩展公式确定，最初Burstedde在更新时采用了并行更新算法，同时也提出了解决冲突的方法。

在动态域和静态域的耦合计算中，静态域占的比重越大表示行人选择最短路径疏散的意愿越大，相当于正常情况下的疏散; 动态域的比重越大表示行人跟随他人的意愿越强烈，相当于紧急情况下的疏散。

场域模型与社会力模型在表现行人的一些定性行为方面有些相似，但场域模型关于人员间的相互作用主要考虑的是行人之间的吸引作用，而社会力模型则包括吸引力和排斥力。

(3)格子气模型。格子气自动机是元胞自动机在流体力学与统计物理中的具体化，它利用元胞自动机的动态特征，来模拟流体粒子的运动。第一个时空、速度等变量完全离散的格子气自动机是1973年由法国的J．Hardy、Y．Pomeau和O．Pazzis提出的HPP模型，它的模拟结果已经很接近流体力学中描述流体运动的Navier－Strokes方程。但模型中的流体粒子的运动只允许有四个方向，造成应力张量各向异性的致命弱点，尚不能充分反映流体的特征，因此在较长时间内没有受到足够的重视。直到20世纪80年代，S．Wolfram等人的研究使元胞自动机理论产生了质的飞跃，同时也带动了格子气自动机的进一步发展。1986年，法国的U．Frish、Y． Pomeau和美国的B．Hass Iacher在HPP模型的基础上提出了一个有实用价值的、基于六角形网络的格子气自动机模型，得名为FHP(Fritsch－Has，lacher－Pomeau)模型，并证明该模型的宏观行为符合标准的Navier－Stokes方程。FHP模型是第一个成功的格子气模型，激发了研究格子气模型研究的热潮。

格子气自动机是一种特殊的元胞自动机模型，或者说是一个扩展的元胞自动机模型(Extended Cellular Automata)。2002年，Marconi和Chopard建立了一种多粒子人群格子气自动机模型，这一模型的思想与元胞自动机模型相似，其主要的独特之处在于元胞自动机模型中每个格子只能容纳一个行人，而该模型不同速度的行人在运动过程中可以出现重叠，对空间平面的离散化也不受限于特殊尺度，一个格点可以代表1m2也可以代表10m2，一个格点可以容纳不同数目的行人，行人从一个格点向另一格点的运动与流体运动中的统计方法类似，表现为一系列的冲突和运动过程，在冲突过程中确定行人下一步的运动速度和方向，在运动阶段行人从当前格点移动到目标格点，Marconi和Chopard用该模型对laneformation、出口的震荡及房间疏散等进行了研究。

之后在人员疏散模型研究中，其他的格子气模型和元胞自动机模型基本一致，在行人研究方面人们很少对二者进行严格区分。

8.3.2 典型疏散模型

人员及人群动态学的模型研究根据其所采用的理论，从方法学角度可以进行如下分类:

1． 系统动力学(System Dynamics，SD)模型

系统动力学模型可以较好地把握系统的各种反馈关系，将系统与环境、系统内部各子系统之间相互作用的复杂关系通过一系列微分方程和函数关系加以表述，从而实现对系统结构、功能乃至发展趋势进行模拟和预测。其离散时间形式为:

xt+1=f(xt，β)

式中: xt是t时刻的状态向量，β是模型参数。

其连续时间形式用微分方程表达:

式中: 状态向量x(t)是时间的连续函数。

这两个方程就描述了系统随时间的变化。

2． 排队论(Queuing Theory)模型

排队论模型是基于事件的模型。其中心思想是: 把建筑物的平面转换成网络图，每一间房屋为网络图中的一个节点(若房屋很大，可以对应网络中的多个节点)。而连接房屋间的门，楼梯等则对应图中的边。节点能够容纳的人数对应房间的容量。边的通过能力对应门或楼梯的通过能力。任意时刻，一条边只能容许一人通过。若同时还有人想通过这条边，则必须等到占用这条边的人离开后才可通过。因此，每一条边可以理解为一个服务，而节点中想使用该条边的人可理解为该服务的顾客。这种以排队论的知识建立的模型称为M/G/C/C模型。其中M代表马尔可夫过程，排队论G表示一般服务，C表示服务的编号，C表示节点数。

3． 对策论(Game Theory)模型

对策论模仿游戏中角色的行为，角色在已知其他角色采取的策略后制定自己的策略，游戏的结果以收益矩阵表示。对策论的焦点是鉴别和分析平衡情况。该方法适用于对人群中的个体行为强烈依赖于人群中其他人们的行为建模。

4． 元胞自动机(Cellular Automata CA)模型

元胞自动机是在均匀一致的网格上由有限状态的变量(或称元胞)构成的离散的动力系统。其运行规则主要有: 每一时间步同时更新所有元胞的状态; 每一元胞的状态由其前一时刻的状态及前一时刻邻居的状态决定。因此，该方法对展现人群中个体之间的局部交互有很强的建模能力。

5． 基于Agent的模型

基于Agent理论的复杂系统智能仿真建模方法是当前的研究热点之一。所谓基于“Agent技术”建模是指在仿真模型中不再将人群作为一个整体来考虑，而是将重心放到个体的人上。在模型中，每一个人都用一个计算对象表示。在模型中只定义个人的参数和行为规则，而对其具体的行为则不作规定。在仿真的过程中，个体依照自身所处的环境，按照预先设定的行为规则选择自身的行为。

8.3.3 人员疏散安全准则

当建筑物发生火灾后，其中的人员能否安全疏散主要取决于两个特征时间，一是可用安全疏散时间(Available Safety Egress Time，ASET)，其表示火灾发展到对人构成危险所需的时间;另一个是所需安全疏散时间(Required Safety Egress Time，RSET)，即人员疏散到达安全区域所需要的时间。如果能够保证建筑物内所有人员所用的可用安全疏散时间大于所需的安全疏散时间，则说明在发生火灾的情况下，建筑物中的人员疏散安全是有保障的，该建筑物的防火安全设计是成功的。人员疏散安全准则如图8－14所示。

图8－14 通用的火灾发展与人员疏散的时间线

所需安全疏散时间(Required Safety Egress Time，RSET)是指从起火时刻起到人员疏散到安全区域的时间。设从起火到室内人员觉察到起火的时间为火灾探测报警时间T1，疏散准备所用的时间为人员反应时间T2，疏散到达安全地带的时间为人员疏散运动时间T3。

(1)探测报警时间T1。从火灾发生到发现火情这段时间间隔称为报警时间。发现火情可以通过两种方式: 一种是人工探测报警方式，如发生火灾时，人员闻到异味或看到火焰与烟气而发出警报; 另一种是机械仪器探测报警方式，如通过火灾探测器探测报警。

(2)人员反应时间T2。从人员收到火情警报到开始进行疏散运动的这段时间称为人员反应时间。由于人员心理、生理素质等很多因素都会对人员反应时间造成影响，因此对于不同环境，不同个体的人员而言，其人员反应时间差异很大。

(3)人员疏散运动时间T3。一般意义上的人员疏散运动时间为人员开始疏散到全部安全疏散至安全区的时间或者从建筑物内开始运动到通过安全出口的时间，由于人员分布、人员心理、人员应急能力以及火灾环境等因素的影响，导致人员疏散运动时间是一个随机变量。

所需安全疏散时间RSET为: RSET=T1+T2+T3。

可用安全疏散时间ASET是指从火灾发生到对人员的安全开始构成实际威胁的时间段。对于建筑物内的火灾而言，其发生到熄灭的过程可以分为三个必然阶段与一个可能阶段共4个阶段: 可燃物的着火与燃烧初期S1(第一阶段)、燃烧增长期S2(第二阶段)、燃烧旺盛期S3(第三阶段)、燃烧衰减期S4(第四阶段)，其中S1、S2以及S4为必然阶段，S3为可能阶段。

第一阶段: 可燃物的着火与燃烧初期S1。

造成起火的原因很多，有火柴、电器设备过热等火源。火灾自火源开始，通常必须经延烧媒介物的传播最终成灾，火的发生与材料的受热分解温度与速率、材料耐热性及面积有关，与火源的位置并无绝对关系。可燃物分为气态、液态、固态3种，虽然其着火与蔓延的机理不同，但只要可燃物的温度达到相应条件下的着火温度，并且氧气的供应持续不断，同时满足化学反应的热平衡迁移条件就会发生燃烧现象。对于固体可燃物，加热到足够高的温度时就会发生热解、气化反应，释放出挥发物质，留下碳化的固体物质，实际燃烧的是气态可燃物与多孔炭。当氧气供应不充分或者燃烧过程热平衡上下波动时，固态可燃物的燃烧即处于阴燃状态。

阴燃阶段可持续几分钟或者数小时，烟气产生率低，烟气的主要成分为CO2，CO，水蒸气，液态烃类，焦油类物质等。一旦热解，产生的气态可燃物质足够多，随热浮升气流迁移扩散，并且氧气的供应满足持续燃烧的条件时，就转化为明火燃烧。有的火灾并不存在阴燃期，而是直接产生明火燃烧，也有从明火燃烧转化为阴燃状态的复杂情况。

第二阶段: 燃烧增长期S2。

明火燃烧增长初期，由于建筑空间相对于火源来说较大，空气中的氧气供应充足，所以燃烧状况主要取决于可燃物的热解、汽化快慢与火灾荷载的分布情况，燃烧区域存在局部的高温。火势增长中的明火燃烧使得固体可燃物的热解气化速度不断加速。此阶段火源的热释放速率近似满足着火变化规律。随着火源范围的扩大，火焰从最初着火的可燃物加速蔓延，而且可能会引燃附近的可燃物。一方面，当着火空间内的烟气流动使得氧气的供应开始明显影响火势的继续发展时，通风情况对火区的燃烧蔓延将有极大的影响; 另一方面，可燃物的热解、汽化速度和火灾荷载的分布等因素也对火灾的蔓延过程有直接的影响。火灾发展可能出现下述情况之一:

(1)当最初着火的可燃物数量有限或者火焰的燃烧受阻时，燃烧增长过程会很快结束，可燃物将逐渐燃尽并最终导致燃烧熄火。

(2)若着火空间体积有限且通风不足时，即使从阴燃状态能够转变成明火燃烧，火势增长不久就会因为受氧气供应的限制，变成通风控制形式的不稳定燃烧。这种燃烧方式会产生振荡现象，火焰会闪动，直到氧气耗尽后自动熄火。烟气中炭黑的生成比例较高，CO浓度较大，即烟气的毒性较大。

(3)当通风条件良好时，火灾的燃烧蔓延过程满足充分发展的条件，火源的热释放速率增长迅速，火焰的尺度达到极大值，使空间内所有可燃物表面都受火势增长与烟气流动的影响。除原来引发火灾的火源之外，其他的可燃物也可能会着火并发生有焰燃烧。火源热释放速率增长到超过一定的极限，着火房间内的温度快速上升，会出现轰燃现象。在火灾增长阶段，最坏的火灾是指发展迅速、没有初始阶段或者初始阶段很短的有焰火，因此要特别注意。

第三阶段: 燃烧旺盛期S3。

火灾发展的一个重要阶段就是轰燃，即热释放速率、温度、产烟量和烟气毒性开始迅速上升。这个时期的火灾对建筑物及室内物品破坏极大，火源的热释放速率达到极大值，室内的温度也达到极大值。燃烧过程耗氧量非常大，空间内的氧气可能来不及补充，火势因缺氧而减弱后，若新鲜空气从门窗等开口突然吸入着火空间，使可燃气体再次快速猛烈燃烧，产生的热烟气急速膨胀使室内压力波动大，火焰卷着烟气从门窗喷出，发生回燃现象。这些都会给人员逃生与灭火工作带来极大威胁。

在此期间，室内的可燃物都会进入充分燃烧阶段，并且火焰与烟气充满整个空间，建筑物部分或全部烧坏，可能会发生倒塌事故。一般而言，这个阶段的燃烧分为通风控制和燃料控制。轰燃过程的持续时间很短，影响因素很复杂，可用突变理论进行分析。

第四阶段: 燃烧衰减期S4。

经过火灾旺盛期之后，火灾分区内的气态、液态可燃物大都被烧尽，固态可燃物也逐渐碳化，着火空间内温度开始逐渐降低，一般把室内平均温度降低到最高值的80%作为旺盛期与衰减期的分界。有焰燃烧会逐渐减弱，但焦炭按照多孔碳直接燃烧的形式继续燃烧。衰减期室内平均温度下降较平缓，并且存在燃烧的起伏，最终会破坏持续燃烧的条件，火焰就会熄火。

图8－15 火灾发展过程

火灾发展过程如图8－15所示:

保证人员安全疏散的基本条件，即疏散安全准则是:

ASET＞RSET=T1+T2+T3

而火灾对于人员的伤害主要是从第三阶段开始的(如图8－14所示)，因此，对于建筑物内的人员而言，如果能够在S1及S2阶段发生的时间内逃出建筑物，则可基本保证其生命安全。因此本次研究确定的人员疏散安全准则为:

S1+S2＞RSET=T1+T2+T3

8.3.4 疏散基础理论

人员疏散的基础研究实际上就是疏散过程中各种参数的研究，这些参数包括有效宽度、人员密度、人员移动速度和人员流动系数等基本参数。

8．3．4．1 疏散通道的有效宽度

疏散通道的有效宽度与真实宽度是有区别的，Pauts在分析大量的火灾演习数据后得出: 通道、楼梯的有效宽度而不是真实宽度，有效宽度应该比真实宽度略小，产生此种差异的原因在于进行紧急疏散时，人员不会贴墙行走，而总与墙保持一定距离。

8．3．4．2 人流密度

人流密度是指在移动过程中单位面积内所占的人数，单位是人/m2。由于各种建筑物其功能与构造的不同，故其所能接受的人员密度也不相同，而各类建筑物的人流密度，又会对人员移动速度、疏散通道尺寸和疏散出口宽度造成影响，进而影响人员安全疏散所用的时间。相关研究表明，在疏散时，能够保证人员疏散安全的最大人流密度为ρ=3.57人/m2。一般情况下，不同功能建筑的人员密度，如表8－3所示。

表8－3 不同功能建筑的人员密度

8．3．4．3 人流速度

在火灾疏散时，人员都处于群集状态，人流移动速度主要决定于人群的密度。因为在建筑物中，人流移动速度与人群密度呈负相关关系，一般情况下，人的行动速度如表8－4所示。

另外，根据日本学者木村幸一等人的研究，人流密度与人员移动速度之间，存在一个经验公式，如下所示:

v=1.1ρ－0.7954

式中: v为人员移动速度，m/s; ρ为人员密度，人/m2。

当疏散通道中人流密度大于5.38人/m2时，则人流运动可近似看为静止停滞状态。相应的人流速度可认为为0。

表8－4 人的流动速度

8．3．4．4 人员流动系数

通过系数是指在单位宽度、单位时间内安全通道所能通过的人数，单位为人/m·s，在实践中，可由人流首端的行进速度代表。

在通常情况下，当人员流动系数N≤1.0(人/m﹒s)时，安全疏散通道处不会出现人流滞流现象。此时建筑物内人员流动呈自由流动状态。

根据不同流动状态下，不同的出入口的人员流动系数的实测统计数据，在室内人流应急疏散过程中，通道出入口的人员流动系数建议取表8－5、表8－6中之值。

表8－5 疏散人员情况及其行动能力数据表

表8－6 通道、出入口的人员流动系数

8.3.5 烟气安全性能判据

近年来，提出了多项可耐受指标，用于火灾危险分析并进行实验研究。主要包括烟气层高度、烟气层的热辐射、烟气浓度和烟气的减光度以及疏散环境温度等。本章选取了其中四项指标作为对本报告的火灾模拟数据进行分析的基础。

8．3．5．1 烟气层的高度

火灾中的烟气层伴有一定热量、胶质、有害燃烧产物等，是影响人员疏散行动与救援行动的主要障碍。在疏散过程中，烟气层只有保持在人群头部以上一定高度，才能使人在疏散时不必从烟气中穿过或受到热烟气流的热辐射威胁。其定量判断准则是烟气层能在人员疏散过程中保持在距地面2m以上的位置，对于空间净高较小的区域烟层高度应保持在距地面1.8m以上的位置。

8．3．5．2 烟气温度

高温烟气会对人员安全产生危害。实验表明，当上部热烟气温度高于180℃时，人体所接受的热辐射通量将达到2.5k W/m2，会对人员造成严重的灼伤，而当热烟气降至与人体接触的高度时，将对人进行直接的烧伤，这个温度比上部热烟气辐射对人造成危害的温度低一些，根据实验，此值大约为120℃。

8．3．5．3 烟气的毒性

火灾中的热分解产物及其浓度因燃烧材料不同而有所区别。由于可燃物各组分的热解产物种类和生成量比较复杂，其中的有毒、有害组分对人体的影响也有较大差异，在消防安全分析预测中很难准确地定量描述。CO是火灾中的主要毒害产物，因此，工程应用中通常采用CO的浓度作为烟气毒性的判别标准。人在CO浓度为3000ppm的环境中待15min就会造成头痛和视觉失常，会影响人员疏散能力。

8．3．5．4 能见度

烟气浓度较高则能见度较低。澳大利亚《消防工程师指引》给出了适用于小空间和大空间的最低能见度。大空间内为了确定疏散方向需要看得更远，因此要求能见度更大。减光度与能见度成反比。

表8－7 适用于普通房间和大面积区域的最低减光度

场模拟的安全判据:

(1)能见度，1.8m高度上能见度不低于10m;

(2)CO浓度，1.8m高度上CO浓度15min内不超过3000ppm;

(3)温度，1.8m高度上温度不超过120℃。

区域模拟的安全判据:

(1)烟气层高度，烟气层高度不低于2m;

(2)温度，1.8m高度上温度不超过120℃。