2018一级消防工程师《技术实务》章节辅导：第五篇第四章第四节_第3页

　　四、人员疏散分析模型

　　(一)国际常用人员疏散分析模型概述

　　英国、美国、德国、日本等国围绕人员安全疏散行为和模型进行了一系列的研究。对于人员在火灾中的疏散行为进行了大量的观察和测量，得到了许多量化的数据，如前苏联Predtechenski和Milinski，日本的Togawa以及美国Furin等人对密集人群的疏散行为、移动速度等进行了大量的观测，后期加拿大的Pauls等人通过大量的演习试验也取得了许多参考数据，并总结了一些经验公式，提出了各自的人员疏散计算方法，如早期的经验方法，后来的网络优化法，近年来兴起的计算机模拟分析方法。经验方法主要是考虑建筑物内到达安全出口的疏散距离和出口容量计算疏散行动时间，或根据建筑物的使用人数确定出口数量和宽度;网络优化法将建筑物各个单元网络化，通过对复杂建筑网络的优化找出人员可能疏散的路径，并计算疏散行动时间;而随着计算机技术的进步，人们开始直接利用计算机模拟技术模拟人员在建筑物内的移动，通过计算机记录不同时刻不同人员的几何位置变化，从而得到建筑物内人员疏散行动时间，并通过对人员疏散移动图案来分析可能发生拥挤的部位，提出改进措施或组织疏散预案。因此，采用基于计算机的疏散模型将会有助于建筑设计的科学性。

　　人员安全疏散模型的研究和分析主要包含两个方面，一是人员疏散模型结构的研究;二是火灾中的人员行为及其量化研究。在这方面工作比较出色的有英国格林威治大学的Galea、爱丁堡大学的Thompson、美国的Fahy和澳大利亚的Shestopal等人，采用不同的模化方法已经建立了10多种不同类型的疏散模型，如EGRESS(EG)、EXODUS(EXO)、E-SCAPE(EP)、EVACNET+(EV)，、EXIT89(E89)、EXITT(E)、PATHFINDER(PF)，SIMULEX(S)，STEPS(SS)，VEGAS(V)等。

　　人员疏散模型可以有多种分类方法，其中基于疏散模型对建筑空间的表示方法，可以把模型分为离散化模型和连续性模型两类。

　　1.离散化模型

　　离散化模型把需要进行疏散计算的建筑平面空间离散为许多相邻的小区域，并把疏散过程中的时间离散化以适应空间离散化。离散化模型又可以细分为粗网络模型和精细网格模型

　　(1)粗网络模型。在粗网格模型中(如E89，E)，按照实际建筑的划分来确定其几何形状。因此，每个网络节点都可以表示一个房间或走廊，但与实际大小无关。按照它们在建筑中的实际情况，用弧线将这些网络节点连接起来。在这类模型中，根据各建筑单元的出口容量和人员的移动速度确定疏散人员只会是从一个房间运动到另一个房间的时间，没有表明疏散人员的位置，不能反应人员个体的基本行为和准确位置。

　　(2)精细网格模型。在精细网格模型中(如EXO，SS，S，V)，整个建筑区域的平面通常是用覆盖大量棋盘状的网格或网点来表示。每个模型中节点的网格大小和形状都有所不相同，例如EXODUS采用0.5m×0.5m的正方形网格节点，SIMULEX采用0.2m×0.2m的正方形网格节点，而EGRESS采用六边形网格节点。用这种方法可以准确地表示封闭空间的几何形状及内部障碍物的位置，并在疏散的任意时刻都能将每个人置于准确的位置。因此，精细网格模型可以在每个网格内记录单个人员的移动轨迹，能够反映每个人的具体行为反应。但是，由于现代建筑的建筑单元众多，结构复杂，因而精细网格模型要求计算处理信息量较大。

　　2.连续性模型

　　连续性模型又可以称为社会力模型，它基于多粒子自驱动系统的框架，使用经典牛顿力学原理模拟步行者恐慌时的拥挤状态的动力学模型。社会力模型可以在一定程度上模拟人员的个体行为特征。

　　人的行为模拟是模拟疏散过程最复杂最困难的一方面，并非所有这些行为特性都能被充分认识或完全量化。到目前为止，还没有一个模型能完全解决人的疏散行为的各个方面。另外目前工程分析中经常应用的一些比较成熟的疏散模拟模型，从几何建模、人员行为模拟、结果表现等不同方面各具特点，实际应用应根据工程的具体特点和需求合理选择适应的疏散模型。以下介绍几种工程上常用的疏散模拟软件。

　　(二)常用人员疏散模拟软件简介

　　1.EVACNET软件

　　EVACNET软件是美国Florida大学Kisko等人开发的一种模拟建筑火灾中人员逃生的计算机程序。它是一种网络模型，包含一组由节点和弧线组成的网络，其节点表示房间、楼梯等，弧线表示连接房间的通道。对于每个节点，用户需要定义节点的能力，即每个节点内最多可容纳的人数。对于每条弧线，用户需要确定人员通过弧线所需的时间和通过能力。EVACNET将整个疏散时间划分为若干时间步。弧线的通过能力指在给定的时间步内通道可通过的最多人数。其建模思路为：首先设定某节点的面积和容纳人数，然后确定在该节点有效出口单位宽度、单位时间内的人员流量。EVACNET模型可以进行多种建筑物内的人员疏散模拟，包括办公楼、饭店、礼堂、体育馆、零售商店和学校等。

　　2.EGRESS软件

　　EGRESS软件是由英国AEA科技公司研究人员Neil Ketchell开发的一个通用疏散软件。该软件利用建筑平面图建立模拟人员个体移动的模型。在EGRESS中，人员被模拟为一个网格上的一个个体。采用的仿真技术基于元胞自动机，在每一个时间步，人员由随机因子决定从一个单元格移动到另外一个单元格。随机因子作为密度的函数根据速度或者流量信息进行校正，并可以充分地运用实验数据。在一系列疏散实验中， EGRESS的有效性已经被证明。该程序与测量的疏散时间的一致性具有10%~20%的差别。EGRESS允许对不同行为、阻塞和瓶颈的影响进行评价，可以模拟上千人和若干平方公里的平面区域。EGRESS可用于大量不同的疏散仿真，从海上石油天然气平台到轮船、火车站、化工厂、飞机、火车和公共娱乐场所。

　　3.EXIT89软件

　　EXIT89由美国消防协会的Rita F.Fahy开发的一个用于大量人员从高层建筑疏散而设计的疏散模型。该软件可用于模拟高密度人员的建筑的疏散。例如高层建筑，它可以跟踪个体在建筑物内的行动轨迹。从消防安全的角度来评估大型建筑设计时，该模型可以处理一些疏散场景中相关的因素，包括：

　　(1)考虑各种不同行动能力的人员。包括限制行动能力的人员和儿童。

　　(2)延迟时间，既包括可以用来代替移动前的准备活动的时间(由用户根据每个位置指定)，也包括随机的额外时间，可以当作人员疏散开始时间。

　　(3)提供选择路径功能—使用模型计算出来的最短路径，可以用来模拟经过良好训练的或者有工作人员协助的疏散过程;或者使用用户指定的路径，可以用来模拟人员使用熟悉的出口或者忽略某些紧急出口的疏散过程。

　　(4)提供选择步速功能，可以反映正常移动和紧急状况下移动的差别，前者可能适于演习情况下的疏散，后者更适宜于人员在紧急情况下的反应。

　　(5)反向流，当沿着疏散路径发生堵塞时，人员就会向与原疏散方向相反的方向流动。

　　(6)具备上下楼梯功能，从而扩展模型的应用范围，例如有人层位于地下或者更多的需要上楼梯而不是下楼梯的建筑。

　　该软件还可以模拟烟气对疏散的影响，通过将用户定义的烟气阻塞或者从CFAST输出的火场热烟气数据导入到疏散场景中从而影响到疏散运动状态。

　　4. EXODUS软件

　　EXODUS软件是由英国格林威治大学的EXODUS团队开发的，是一个模拟个人、行为和封闭区间的细节的计算机疏散模型。模型包括了人与人之间、人与建筑之间和人与环境之间的互相作用。它可以模拟大型建筑物中上千人规模的疏散并可包含火灾烟气影响因素。在EXODUS中，空间和时间用二维空间网格和仿真时钟表示。空间网格反映了建筑物的几何形状、出口位置、内部分区、障碍物等。多层几何形状可以用由楼梯连接的多个网格组成，每一层放在独立的窗口中。建筑平面图或用CAD产生的DXF文件，也可用交互工具提供，网格由节点和弧线组成，每一个节点代表一个小的空间，每一段弧代表节点之间的距离。人员沿着弧线从一个节点到另外一个节点。

　　该软件由5个互相关联的子模型组成，它们是人员、移动、行为、毒性和危险子模型。模型跟踪每一个人在建筑物中的移动轨迹，以及人们的模拟状态——或者疏散到安全地点，或者被火灾所伤害。模型基于行为规则和个体属性，每一个人的前进和行为由一系列启发性规则决定。行为子模型决定了人员对当前环境的响应，并将其决定传递给移动子模型。行为子模型在两个层次起作用，即全局行为和局部行为，全局行为假设人员采用最近的可用疏散出口或者最熟悉的出口来逃生;局部行为可以模拟以下现象：决定人员对疏散警报的初始响应、冲突的解决、超越以及选择可能的绕行路径等。这些都取决于人员的个体属性。毒性子模型决定环境对人员的生理影响，考虑了毒性和物理危险，包括升高的温度、热辐射、C0、C02以及02含量等因素影响，并且估计了人员失去行动能力的时间;它采用‘毒性比例效果剂量’模型(FED)，假设火灾危险的影响由接受到的剂量而不是暴露的浓度决定，并且累计暴露期间的比例。EXODUS建模可以采用实验数据或者从其他模型得到数值数据,允许CFAST计算数据导入到EXODUS中。EXODUS模拟完毕后，可以使用数据分析工具来处理数据输出文件。另外，提供了基于虚拟现实的后处理图形环境，提供疏散的三维动画演示。

　　5.SIMULEX软件

　　SIMULEX软件最先是由英国Edinburgh大学设计，后来由苏格兰的Peter Thompson博士继续发展的人员疏散模拟软件，可以用来模拟大量人员在多层建筑物中的疏散过程。该软件可以模拟大型、复杂几何形状、带有多个楼层和楼梯的建筑物，可以接受CAD生成的定义单个楼层的文件;可以容纳上千人，用户可以看到在疏散过程中，每个人在建筑中的任意一点、任意时刻的移动。模拟结束后，会生成一个包含疏散过程详细信息的文本文件。SIMULEX把一个多层建筑定义为一系列二维楼层平面图，它们通过楼梯连接;用三个圆代表每一个人的平面形状，精确地模拟了实际的人员。SIMULEX的移动特性基于对每一个人穿过建筑物空间时的精确模拟。模拟了的移动类型包括：正常不受阻碍的行走，由于与其他人接近造成的速度降低、行走超越、身体的旋转和障碍避让。SIMULEX还模拟了最近路径出口选择机制，而心理影响因素和烟气影响因素将是模型将要进一步发展的一部分。由于SIMULEX软件的易用性以及它能够较为真实地反映出疏散过程中可能出现的各种情况，已经被越来越多地应用于实际工程中。

　　6.STEPS软件

　　STEPS软件是由英国Mott MacDonaId公司开发的一个三维疏散软件，可以模拟办公区、体育场馆、购物中心和地铁车站等场所，这些场所要求确保在正常情况下的交通，而在紧急情况下可以快速疏散。在大而拥挤的地方，通过模拟所获得的最优化人流，可以为建筑消防设计提供一个更适宜的环境和更有效的安全疏散设计方案。目前，STEPS已经被应用于加拿大埃得蒙顿机场、印度德里地铁、美国明尼阿波利斯LRT、英国生命国际中心和伦敦希思罗机场第五出口铁路/地铁。通过与NFPA基于建筑法规标准的设计作比较，STEPS的有效性已经得到验证。

　　STEPS具有很大的灵活性，它可以分配具有不同属性的人员，给予他们各自的耐心等级和适应性等心理影响因素;也可以指定年龄、尺寸和性别。同时，它还考虑了人员对建筑物的熟悉性，它也将影响疏散人员的个体行为。其中，耐心等级决定了当出口附近的人群拥挤时，人员是继续排队等候，还是动态转向另一个最近的出口。

　　STEPS也很独特，它具有在疏散过程中改变条件的能力—像日常生活中发生的那样。烟气可能封闭特定的出口，紧急设施可能开始向人群服务，并且人员在不同的时间从不同的区域开始疏散。模拟一开始，人群首先依照他们预置的特性进行行动，影响人员行为的因素与现实生活相同—人们向相反的方向移动、阻塞、减速以及排队。当一个紧急情况产生，每个人的行程将因为从正常模式转到疏散模式而被重新设定，但是仍旧遵循他们的各自特性。

　　使用者可按照需要将模型平面界定为不同大小的网格系统。目前STEPS模型中只允许每个人占据一个网格。当开始计算时，STEPS会使用一种递归算法来寻找每一个网格与出口之间的距离。

　　STEPS与SIMULEX一样都属于用于人员疏散模拟计算的精细网格模型，都可以用于使用人数众多的多层建筑的疏散模拟分析。这两个疏散软件各有特色，由于它们在各自擅长的领域的出众特点，它们在工程中的应用也越来越广泛。STEPS与SIMULEX两种软件特点对比如表5-4-10所示。

　　表5-4-10 STEPS与SIMULEX两种软件特点对比

　　五、人员疏散安全性评估

　　火灾中人员的安全疏散指的是在火灾烟气未达到危害人员生命状态之前，建筑内的所有人员安全地疏散到安全区域的行动。在人员疏散的安全评估中，关于建筑内的消防安全性能判定的主要原则是：在建筑某火灾危险区域内发生火灾时，如人的可用疏散时间(ASET)足以超过必需疏散时间(RSET)，即ASET > RSET，则建筑疏散设计方案可行;否则需对该设计方案进行调整，直至其满足人员安全疏散的要求。人员疏散安全性评估方法及流程见图5-4-15。

　　图5-4-15 人员疏散安全性评估方法及流程

　　对于评估后需要改进，提高疏散安全性的场所，可以通过以下几方面来解决：

　　①增加疏散出口的数量，缩短独立疏散出口间距离;增加疏散出口及疏散通道的宽度，提高疏散通道通行能力;

　　②改善区域烟气控制措施，如提高排烟量、改变排烟方式、改进防烟分区设置等;

　　③改善火灾探测、报警系统设计，改善应急通知和广播系统设计，提高早期报警速度、改善火灾警报通知效果;

　　④完善疏散指示系统设计，包括：出口标志、导流标志以及加强应急照明，提高疏散通道使用效率。

　　此外，火灾发生过程中还可能出现很多特殊的情况，例如疏散过程中建筑结构的稳定性、人员被困等多种情况。因此，在人员安全疏散的判定标准中还可以根据具体情况，考虑特殊性制定具体的判定标准。

　　如：当结构存在坍塌的危险时，要保证人员的安全，需要同时满足下面的条件：

　　RSET

　　其中：Tfr—为结构的耐火极限;

　　Tf—为在火灾条件下结构的失效时间。

　　又如：当人员无法疏散、需要滞留在建筑内等待救援时，需要同时满足下面的条件：

　　k×Tcontrol

　　其中：Tcontrol—为消防队有效控火时间;

　　K—为安全系数。

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