建筑消防性能化設(shè)計(jì)-疏散模擬

建筑消防性能化設(shè)計(jì)—疏散模擬當(dāng)前世界上開發(fā)的人員疏散軟件數(shù)目眾多，據(jù)統(tǒng)計(jì)，有文獻(xiàn)記載的疏散軟件有22個，其他未公開的也不在少數(shù)。所以，在選用模型時一定要結(jié)合有待解決的實(shí)際問題與模型的適用性來進(jìn)行選擇。（一）概述建筑防火設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)之一是確保人身安全。建筑安全疏散的性能化設(shè)計(jì)，是要求所設(shè)計(jì)的疏散設(shè)施能夠保證建筑中的全部人員有足夠的時間安全疏散到安全的地方。評價指標(biāo)包括建筑的安全出口、疏散樓梯的寬度、疏散距離是否滿足建筑內(nèi)使用人員的疏散需要，人員的疏散所需時間是否大于火災(zāi)條件下的可用疏散時間。安全疏散時間判據(jù)，主要按照火災(zāi)發(fā)展與人員疏散時間為同時沿一條不可逆的時間線進(jìn)行，保證建筑物內(nèi)人員安全疏散完畢所需時間必須小于火災(zāi)發(fā)展到危險(xiǎn)狀態(tài)的時間?；馂?zāi)中人的疏散過程是在人的意識干預(yù)下，感知、認(rèn)知火災(zāi)和環(huán)境信息與行為決策以及執(zhí)行決策的過程，是一種在時間壓力下的人體位移。由于人的行為受到年齡、身高、體重、敏捷度、習(xí)性、行動能力等心理與生理狀態(tài)和文化背景與受教育程度的影響，十分復(fù)雜，同時人員在建筑內(nèi)的實(shí)際狀況以及建筑空間特性，如人員的分布情形、熟悉環(huán)境的程度、人數(shù)及其組成和樓梯或出口的寬度、照明、走道寬度、數(shù)量、建筑高度等都對人員疏散結(jié)束所需時間和可用于人員疏散的時間有很大影響。人員疏散時間為火災(zāi)探測報(bào)警時間、人員預(yù)動時間與人員疏散運(yùn)動時間之和。在計(jì)算疏散運(yùn)動時間時，通常采用1.5～2的安全系數(shù)來考慮設(shè)計(jì)計(jì)算中的不確定性因素。在人員安全疏散的研究方面，由于對所采取的措施是否能達(dá)到性能化設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)，同時如何對保證人員生命安全的目標(biāo)進(jìn)行合理的評價都缺乏科學(xué)依據(jù)，所以全世界在這方面的研究都處于起步階段。人員疏散軟件方面，有關(guān)研究人員在不斷加大這方面軟件的研究開發(fā)力度。國外從20世紀(jì)80年代初開始就展開了人員疏散基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及疏散模擬軟件方面的研究，并把疏散研究的成果及時的應(yīng)用到了建筑性能化設(shè)計(jì)中，我國也于近年來展開了這方面的研究。（二）疏散模型分類人員疏散計(jì)算方法主要有兩種：水力模型和人員行為模型。1.水力疏散模型最常用的方法是水力疏散模型，它通過將人在疏散通道內(nèi)的走動模擬為水在管道內(nèi)的流動來進(jìn)行計(jì)算。這一方法的缺點(diǎn)是它完全忽略掉了人的個體特性，而將人群的疏散作為一種整體運(yùn)動。水力疏散模型通常對人員疏散過程作如下保守假設(shè)：1）疏散人員具有相同的特征，并且都具有足夠的身體條件疏散到安全地點(diǎn)；2）疏散人員是清醒的，在疏散開始的時刻一起井然有序地進(jìn)行疏散，且人員在疏散過程中不會中途返回選擇其它疏散路徑；3）在疏散過程中，人流的流量與疏散通道的寬度成正比分配，即從某一出口疏散的人數(shù)按其寬度占出口總寬度的比例進(jìn)行分配；4）人員從各個疏散門扇疏散且所有人的疏散速度一致，保持不變。2.人員行為模型人員行為模型模擬人在火災(zāi)中的行為，綜合考慮了人與人、人與建筑物以及人與環(huán)境之間的相互作用。這類模型能夠從一定程度上反映火災(zāi)時個人的特性對人員疏散的影響，但由于“火災(zāi)中人的反應(yīng)與行為”仍舊是一個較新的領(lǐng)域，對其定性研究較多，而定量的研究成果很少，因此在選用該類模型時要慎重考慮它的適用性，以經(jīng)過實(shí)際疏散實(shí)驗(yàn)或演習(xí)驗(yàn)證的模型為首選。當(dāng)前世界上開發(fā)的人員疏散軟件數(shù)目眾多，據(jù)統(tǒng)計(jì)，有文獻(xiàn)記載的疏散軟件有22個，其他未公開的也不在少數(shù)。所以，在選用模型時一定要結(jié)合有待解決的實(shí)際問題與模型的適用性來進(jìn)行選擇。下面將通過分析這些人員疏散模型的功能與特點(diǎn)，對這些軟件進(jìn)行適當(dāng)分類。1）一般分類疏散模型在處理疏散的一般問題時，均采用了三種不同基本方法：優(yōu)化法、模擬法和風(fēng)險(xiǎn)評估法。優(yōu)化法假定人員以最有效的方式進(jìn)行疏散，而不考慮外部環(huán)境的影響及非疏散行為。通常，模型認(rèn)為人員選擇的疏散路線是最佳的。這一類模型適用于大量的人群或?qū)⑺腥藛T當(dāng)作一個有共同特性的群體來考慮的情況，而不考慮個體行為。模擬法試圖表現(xiàn)實(shí)際的疏散行為與運(yùn)動，不僅要得到準(zhǔn)確的結(jié)果，而且要反映疏散時選擇的疏散路線及人員所做的決定。由于各個模型在考慮人員行為時的詳細(xì)程度不同，因此結(jié)果的準(zhǔn)確度也不相同。風(fēng)險(xiǎn)評估模型能識別出火災(zāi)時與疏散有關(guān)的危險(xiǎn)或相關(guān)事故，并能對最后的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化。通過多次重復(fù)運(yùn)算，可以估算出與不同防煙分區(qū)設(shè)計(jì)或防火保護(hù)措施有關(guān)的各種重要變量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。有關(guān)模型的類別與名稱如表1所示。表1模型一般分類優(yōu)化法模型模擬法模型風(fēng)險(xiǎn)評估法模型Evacnet+Takahashi’smodelBGRAF;EXITT,EGRESS,E-SCAPE,DONEGAN’SENTROPYMODEL,EVACSIM;EXIT89;EXODUS;PAXPORT;SIMULEX;VEGAS;MAGNETMODELCRISPWAYOUT2）建筑空間的表示各種疏散模型都必須對建筑空間進(jìn)行描述，以模擬人員在建筑內(nèi)部的疏散過程。在模型中，空間被劃分為許多小的區(qū)域，每個區(qū)域都與相鄰的區(qū)域相連。根據(jù)對空間劃分的精細(xì)程度，常將模型中的空間劃分分為兩種方法：精細(xì)網(wǎng)絡(luò)法和粗糙網(wǎng)絡(luò)法。對于精細(xì)網(wǎng)絡(luò)法，整個封閉空間用覆蓋一些瓦片狀的網(wǎng)格來表示，各個模型中節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)格大小與形狀都不同。例如，Exodus采用0.5m×0.5m的正方形網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，Simulex則采用0.2m×0.2m的正方形網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，而Egress則采用六邊形的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，每個網(wǎng)格的大小足以容納一個人。這些網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)之間的連接也不相同，在Exodus中每個網(wǎng)格與相鄰的八個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)相連，而Egress中每個網(wǎng)格與相鄰的六個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)相連。因此，Egress的方法可以準(zhǔn)確地表示封閉空間的幾何形狀及內(nèi)部障礙物的位置，并在疏散的任意時刻都能將每個人置于準(zhǔn)確的位置。對于粗糙網(wǎng)絡(luò)法，空間的描述是按照實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)的劃分來確定，每個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)表示一個房間或走廊，然后根據(jù)它們之間的實(shí)際連接關(guān)系構(gòu)建其網(wǎng)絡(luò)模型。在這類模型中，僅能表示人員從一個建筑單元移動到另一個建筑單元，而無法描述人員在一個建筑單元內(nèi)的運(yùn)動，它也無法處理一些局部的現(xiàn)象，例如超越前方人員、避開障礙物等。有關(guān)不同空間劃分的模型分類如表2所示。表2疏散模型按空間分類精細(xì)網(wǎng)絡(luò)法模型粗糙網(wǎng)絡(luò)法模型BGRAF;EGRESS;EXODUS;MAGNETMODEL;SIMULEX;VEGASCRISP;DONEGAN’SENTROPYMODEL;EXIT89;EXITT;E-SCAPE;EVACSIM;Evacnet+;PAXPORT;Takahashi’smodel;WAYOUT3）人群分析各類疏散模型在對人員進(jìn)行分析時，采用了兩種方法：個體分析法和群體分析法。個體分析法允許用戶設(shè)定或由隨機(jī)方式確定個體特性，人員決策與運(yùn)動由這些個體特性決定。需要注意的是，不能將個體的獨(dú)立決定與不能執(zhí)行群體行為混為一談，定義個體時并不排斥他具有群體行為，而是先考慮每個人的個體特性，然后再為他指定一個行為，而這個行為也許就是群體行為。群體分析法將人群視為一個具有共同特性的群體。在描述疏散過程時，不針對逃生的個體，而針對大量的人群。這種方法難以模擬事件對個體的影響（例如：火災(zāi)煙氣毒性的影響），而只能對整個人群的普遍影響進(jìn)行模擬。例如，它不能表示老年人或殘疾人等特殊人群的生存率，而只能表示受影響的人的比例。它的好處是模型的運(yùn)算速度相對較快。有關(guān)基于人群分析的模型分類如表3所示。表3疏散模型按人群分類個體分析法群體分析法BGRAF;CRISP;EXITT;EGRESS;E-SCAPE;EVACSIM;EXODUS;MAGNETMODEL;SIMULEX;VEGASDONEGAN’SENTROPYMODEL;EXIT89;Evacnet+;PAXPORT;Takahashi’smodel;WAYOUT4）行為分析人員在逃生時的決策過程是復(fù)雜的，疏散模型根據(jù)模擬人員決策過程時所采用的分析方法，分為以下幾類：無行為準(zhǔn)則模型、函數(shù)模擬行為模型、復(fù)雜行為模型、基于行為準(zhǔn)則的模型以及基于人工智能的模型。無行為準(zhǔn)則模型完全依賴于人群的物理運(yùn)動和幾何形狀的物理表達(dá)，來影響人員的疏散，并對其進(jìn)行預(yù)測判斷。函數(shù)模擬行為模型把人員的行為用一個方程或一個方程組來描述，以此達(dá)到控制人的響應(yīng)的目的。這類模型可以將人定義為個體，但由于所有個體均受到同一函數(shù)相同的影響，且會以一定的方式對這種影響產(chǎn)生反作用，因此實(shí)際上削弱了個體行為。該函數(shù)或者按照現(xiàn)實(shí)生活中人員的行為來建立，或者引用其它從事人體行為模擬研究領(lǐng)域的成果（例如，磁模型的方程來源于物理學(xué)）。復(fù)雜行為模型通過復(fù)雜的物理方法來含蓄表示行為決策準(zhǔn)則。此類模型一般基于第二手?jǐn)?shù)據(jù)的應(yīng)用，包括心理的或社會的影響，因而它依賴于第二手?jǐn)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與有效性?；谛袨闇?zhǔn)則的模型預(yù)先規(guī)定了一套人員的行為準(zhǔn)則，然后再根據(jù)這些準(zhǔn)則來確定疏散過程中人員的行為。例如“假如人在一個充滿煙氣的房間里，他會通過最近的出口離開”等類似準(zhǔn)則。但是，這種行為決策方式會導(dǎo)致人員在相同的環(huán)境下以某種確定的方式進(jìn)行反應(yīng)，從而與實(shí)際中的人員反應(yīng)有所差異。人工智能模型將個體人員設(shè)計(jì)成能對周圍環(huán)境進(jìn)行智能分析的模擬人或與之相近的智能人，因此可以準(zhǔn)確地表現(xiàn)其決策過程，但這會使用戶對人員行為的控制權(quán)被計(jì)算機(jī)所代替。表4疏散模型按人員行為分類無行為準(zhǔn)則模型Evacnet+;函數(shù)模擬行為模型MAGNETMODEL;Takahashi’smodel復(fù)雜行為模型EXIT89;PAXPORT;SIMULEX;WAYOUT基于行為準(zhǔn)則的模型BGRAF;CRISP;EXITT;E-SCAPE;EVACSIM;EXODUS基于人工智能的模型DONEGAN’SENTROPYMODEL;EGRESS;VEGAS3.人員行為特性火災(zāi)是具有突發(fā)性的意外事件，伴有火焰、濃煙、強(qiáng)烈的熱輻射、噪音和有毒氣體，常在短時間內(nèi)給人以毀滅性的傷害。身處火場的人們往往需要承受巨大的心理壓力，從而表現(xiàn)出各種各樣的異常行為。研究發(fā)現(xiàn)，不同的心理素質(zhì)、閱歷和經(jīng)驗(yàn)，會導(dǎo)致人在遭遇火災(zāi)時，呈現(xiàn)不同的心理反應(yīng)和行為。但是，如果在遭遇火災(zāi)時，能保持良好的心理狀態(tài)，及時采取自救行動，往往能夠化險(xiǎn)為夷，成功疏散，避免死傷亡。對于人員特性的考慮可以分為兩方面，一是單個人員獨(dú)立考慮；一是全局考慮。大多數(shù)模型可以根據(jù)用戶要求或計(jì)算機(jī)自動設(shè)定每個人員的移動屬性如步行速度，并記錄每個人員在任何時刻的移動歷史軌跡。這類模型也不排除群集行為特性，但它是按單個人員檢查和分配各自的移動特性的，它需要較多的計(jì)算機(jī)容量，程序處理的難度也稍大。另一類是按群集方式來考慮人員的移動特性，它將一群或一組人群按同一特性考慮，即將一群人按同一移動速度考慮，認(rèn)為他們同時到達(dá)或離開建筑物的某個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，它具體計(jì)算建筑內(nèi)人員疏散成功率，其操作簡單，使用方便，運(yùn)行速度也較快。4.軟件介紹（1）STEPS。該模型由英國模特·麥克唐納開發(fā)，目的是模擬在正?；蚓o急情況下，人員在不同類型建筑物中的疏散情況。模型是一個由一系列的網(wǎng)格單元組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在網(wǎng)格系統(tǒng)中，一個人只能占有一個單元。網(wǎng)格單元的缺省尺寸是0.5m×0.5m。另一個細(xì)網(wǎng)格選型可適用于多人占有一個網(wǎng)格單元，但仍處于測試階段。（2）Simulex。該模型是由英國的湯普森開發(fā)，是一個能夠模擬人群從復(fù)雜建筑物中疏散的模型。模型采用一個連續(xù)的空間體系，各層的平面圖和樓梯都劃分成一個個0.2m×0.2m的塊或網(wǎng)格。該模型包含一個算法，它能夠計(jì)算出每個網(wǎng)格到最近安全出口的距離，并將這些信息標(biāo)注在一個距離圖表上。（3）SGEM。該空間網(wǎng)格疏散模型，由香港城市大型和武漢大學(xué)開發(fā)，其目的是利用CAD平面圖，生成復(fù)雜建筑的疏散圖案，比較得出最佳疏散設(shè)計(jì)路線。這個模型已經(jīng)被用于一些咨詢項(xiàng)目。模型的結(jié)構(gòu)基本上是細(xì)網(wǎng)絡(luò)模型。最初，此模型將建筑物分成一些節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)代表建筑物的空間或區(qū)域（不受保護(hù)、部分保護(hù)和全部保護(hù)），其中區(qū)域之間至少有一個弧形開口連接，由此形成一個粗的網(wǎng)絡(luò)。然后，在每個粗的網(wǎng)絡(luò)單元再分成有限的網(wǎng)格，每個網(wǎng)格的大小是0.4m×0.4m，一個人占據(jù)一個網(wǎng)格。此外，同一時間內(nèi)一個人只能占據(jù)一個網(wǎng)格單元。（4）buildingEXODUS。該模型由英國格林尼治大學(xué)開發(fā)，其目的是為了模擬疏散大量被很多障礙圍困的人。模型由airEXODUS、buildingEXODUS、maritimeEXODUS、railEXODUS、vrEXODUS六個部分組成。buildingEXODUS試圖考慮“人與人，人與火災(zāi)以及人與建筑物之間的相互作用?！蹦Ｐ桶?個在模擬疏散方面相互聯(lián)系相互傳遞信息的子模型，他們是人員、運(yùn)動、行為、毒性、危險(xiǎn)性和幾何學(xué)子模型。模型是一種行為模式模型，一個細(xì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其利用二維空間網(wǎng)格繪制出幾何結(jié)構(gòu)，位置，障礙物等。這種網(wǎng)格由“節(jié)點(diǎn)”和“弧”組成。每個節(jié)點(diǎn)都代表了建筑平面圖上的小空間，而弧在建筑平面圖上把這些節(jié)點(diǎn)連接在一起。人通過利用這些弧從建筑物的一個節(jié)點(diǎn)到另一個節(jié)點(diǎn)。這些信息存儲在幾何子模型中。同時，在整個模擬過程中，每個節(jié)點(diǎn)都有毒氣等級，煙氣溫度和濃度等與其相關(guān)的動態(tài)環(huán)境。5.軟件選取疏散軟件能夠人為設(shè)置出口障礙，通過對建筑平面信息的識別，可以在某些安全出口受阻的情況下創(chuàng)建另一個替