基于Evacuation NZ疏散模型火災人員疏散時間研究

2021-02-24 01:43:56惠工程師韋曉璐

安全 2021年1期

郭惠工程師韋曉璐

(北京市西城區消防救援支隊，北京 100032)

0 引言

隨著社會發展和科技進步，現代建筑呈現多樣化、復雜化、大型化特征，這些特征為消防安全工作帶來新挑戰，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，在發生火災等突發事件時，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據信息，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展，人們開發多種疏散軟件和模型用來分析建筑物內人員疏散特性，如Stahl開發的BFIRES-II模型、美國Francis開發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，有各自的參數和適用范圍，但應用性不強，僅供科研人員借鑒進行二次研究。Evacuation NZ疏散模型可以根據需要及時調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。第一類參數相對確定，主要是建筑內部消防設施、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、人和環境的相互影響等因素，而傳統人工計算方式很難做到如此巨量運算和數據處理。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出其優勢。

(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生的不同情景進行分析評估，這種評估有數據支撐，算法也可以不斷優化，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象，分析人員疏散過程中的運動規律，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，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人員在緊急狀態下避難、逃生等活動。同時，消防監督執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任意疏散人員的行為文本，而不需要重新設置數據，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點密度，并將他們作為研究疏散時間的參數，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點數量，如果計算機運算能力足夠強，就可模擬足夠多的人和節點，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 節點密度和連接密度

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

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

=人數

/地板寬

·地板長

)。當人群涌向出口，連接密度逐漸增加，節點密度沒有變化，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點密度。

圖1 節點密度和連接密度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。

(1-0.266

)

(

)

(1)

式中：

—人流速率，ppl/min；

—人員密度，ppl/m；

—建筑構件實際寬度，m；

—邊界層的厚度，m；

—速度系數，為建筑構件的函數。

對于門：取84，一側的邊界層取0.15m；

對于樓梯：

=51.8·(

)

(2)

式中：

—樓梯踏步的寬度，m；

—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，在疏散總人數不超過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)，發現當連接密度為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模型模擬數值最接近于流體運動方程計算所得數值。所以，消防監督員日常監督檢查過程中或建筑單位內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”現象，即疏散門口已經呈現擁堵狀態。在2個疏散寬度相同的安全出口形成2簇人群，雖然節點密度沒有變化，但局部連接密度增加，也就是連接密度發生變化。

設

為樓梯口排隊人員數量，其單位時間內的變化率為：

(3)

式中：

—到達的人數；

—離開的人數。

(4)

疏散時間

為：

(5)

疏散時間是一個變量，它不僅是連接密度的函數，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 傳統工程算法計算疏散時間

(1)疏散時間

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

(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

(計算區域人員從出口全部通過所需時間)構成，即：

(6)

步行時間：

(7)

式中：

—步行最大距離，m，取50m；

—步行速度時間，m/s，一般情況下取1m/s。

(8)

式中：

—人員密度，人/m，取0.9人/m；

—計算區域面積，m；

—出口有效流出系數，取1.1人/m·s；

—出口有效寬度，m。(2)疏散時間

。

疏散時間有步行時間和出口滯留時間組成，如下：

(9)

計算得

=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實際情況隨時更改疏散人員行為，與傳統工程算法相比，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據積累，同時對火災疏散人員行為進行更深入的研究。