高校教学楼人员安全疏散方案的研究

1、摘要对于大型公共场所的各种突发事件来说，能否在事发后及时有效的进行安全疏散是至关重要的，否则将会造成严重的人员伤亡，严重威胁公众的生命安全。学校的教学楼是人员非常集中的场所，由于学校教学楼开放的安全通道有限，加上缺少合理的人员疏散方案，造成师生上下课时的楼道拥堵。这样一旦发生险情，就容易造成严重的人员伤亡。对于不同类型的建筑物，人员疏散问题的处理办法有较大的区别，在文章中分析了大型建筑物内人员疏散的特点及典型疏散模型，结合我校大楼教学楼的结构形式设定火灾场景人员的安全疏散，对教学楼的典型的火灾突发事件场景作了分析，并对该建筑物中人员疏散的设计方案做出了初步评价，用一种在人流密度较大的建筑物内，

2、火灾中人员疏散时间的计算方法对教学大楼人员安全疏散的时间进行了计算，并对该教学楼的安全疏散提出有益的见解建议。关键词: 高校教学楼,安全疏散,疏散模型,疏散方案 AbstractFor all kinds of unexpected events of large public places, whether in the timely and effective safety evacuation is essential, otherwise it will cause serious casualties, a serious threat to public safety. The s

3、chool teaching building is very concentrated place, as school buildings open secure channel is limited ,and with the lack of reasonable evacuation plan, resulting in teacher-student class corridor congestion. So once accident occurs, it is easy to cause serious casualties. For different types of bui

4、ldings, processing methods of evacuation has great difference, this paper is to analyze the characteristics and typical staff in large building evacuation evacuation model, safety evacuation combined structure of our school building teaching building design fire personnel, typical fire emergency sce

5、ne of the teaching building is analyzed, and makes a preliminary evaluation of the design scheme of the evacuation in buildings, a building larger crowd density in the draw, calculation methods of evacuation time in fire, and the teaching building of the safe evacuation of some valuable opinions for

6、 advice. Keywords: college teaching building, safe evacuation, evacuation model, evacuation plan目录1绪论11.1 研究背景11.2 人员安全疏散研究的动态11.2.1 安全疏散研究的国际动态11.2.2 我国安全疏散研究的概况21.3 安全疏散的重要意义32人员安全疏的基本理论42.1 人员安全疏散准则42.1.1 必需安全疏散时间42.1.2 可用安全疏散时间42.1.3 安全疏散准则52.2 安全疏散计算方法介绍52.3 安疏散研究方法62.3.1模型的空间划分62.3.2疏散人员的特征72.

7、3.3疏散人员的行为特征72.4国外典型应急疏散模型82.4.1 EXITT模型82.4.2 EVACNET模型82.4.3 SIMULEX模型92.4.4 EXODUS模型92.4.5 BFIRE模型92.5国内典型应急疏散模型92.5.1 疏散时间计算模型92.5.2 群集疏散模型102.5.3 地下商业建筑疏散预测模型102.5.4 网格疏散模型102.5.5 地下大型商场疏散模型102.6 人员疏散的建模103 教学大楼人员安全疏散模型的建立133.1灾中的人员反应三个阶段133.2教学大楼的简化与计算假设133.3计算结果与分析164 结论与展望20参考文献21致 谢231绪论1.1

8、 研究背景 学校教学楼是一个人员集中的场所，由于建筑空间有限，且学生人数多，在某些特定时间如上、下课时间段，楼梯处人群相对集中，特别容易发生拥堵踩踏事件，一旦发生险情，容易造成严重的人员伤亡。分析近年来发生的拥挤踩踏伤亡事故发现，事发后能否进行及时有效的安全疏散是造成事故的主要原因之一。因此，对教学楼内人员疏散进行研究，制定紧急情况下的疏散预案是非常必要的。在灾难发生之时，建筑物内的人员是否能有组织、有秩序地撤离是有关人身安全保障的大问题。对于一个特定的建筑物，管理人员最关心建筑物内所有的人全部撤离完毕所用时间，以便于安排建筑物的出口以及撤离方案。这个问题可以通过反复的实际演习来解决。 但多次

9、反复的演习实际上是不可能的，理想的办法是通过理论上的分析得到。1.2 人员安全疏散研究的动态1.2.1 安全疏散研究的国际动态 目前国际上火灾安全疏散的研究主要集中在下面一些方面。 (1)疏散模型的开发和模型预测能力的改进疏散模型方面的研究的一个明显的趋势就是未来的模型将包含更多的行为细节, 注重人行为的因素, 并考虑残疾人的疏散行为和对整体疏散时间的影响。目前仍不断有一些疏散模型开发的报道, 一些自称重点考虑人的相互作用因素并能预测人的个体疏散行为和追踪个体疏散轨迹的模型被开发出来, 如中国香港的SGEM 模型。此外, 一些前期开发的模型有一些使用局限性, 在其使用范围和功能上作了一些拓展,

10、 以及在安全设计、模拟疏散和火灾案例分析中的应用。如EX IT 89、EXDU S、CR ISP 等模型的一些功能改进及其成功应用的实例。 (2)火灾中居民反应及毒性和烟的影响集中在烟气中出口标志和疏散门标识的可见度测试, 疏散实验得出的居民行为和反应时间, 居民人数、探测时间和行动前时间分析, 对火反应的性别差异, 商业中心等公共建筑残疾人的火灾安全的比例和容量调查,睡眠中火灾信号的认识, 应用在疏散模拟中的开始疏散前延迟时间和行走速度的数据库建立等一些方面。毒性和烟的影响有暴露在一氧化碳后的长期后遗症的影响,在紧张的火灾试验中心理和精神指标的相关性, 头顶照明和指路设施的使用对行走速度的影

11、响, 火灾烟气对生存和健康的致命影响, 对可见度损失为有限危险的烟气环境的评价, 预测火灾条件下疏散者寻路方式的概率测量方式, 由于路标指示设置而导致的出口复杂性和变化采用随机走路模型的评价等等。通过上述一些项目的研究获得火灾安全工程师需要的信息和数据, 包括: 所需的疏散时间极其组成(探测、反应、行为延误、移动)、居民特点、路线寻找、标识、安全区域、信息类和非信息类警报系统、出口路径特征、决策。 (3) 疏散模型在防火设计、性能化规范和工程评估中的应用人员疏散研究的目的是改善防火设计, 减少人员伤亡。国外在这些方面已经有了许多成功的经验。减少火灾事故影响的非工程方案, 如基于人员疏散模型教育

12、和训练计划的开发, 公共建筑内如娱乐场所复杂居民的紧急疏散和管理, 火灾中人的行为与防火保护工程的结合, 以人的行为和危险为基础的消防法规, 通过积极的防火管理来提高性能等等。逐步将人员疏散的研究成果应用到防火设计和性能化规范当中。如在澳大利亚性能化规范BCA 96 中疏散模型的应用, 以及中国香港利用疏散模型SGEM 所做的工程评估等等。1.2.2 我国安全疏散研究的概况 在我国, 人员安全疏散的研究尚属起步阶段, 迄今为止仅有一、二家研究机构在国内消防刊物上发表过有关人员安全疏散的论文。如青岛海洋大学曾经在火灾科学上发表过火灾时人员安全疏散可靠性评估一文, 文中给出了一个以逃生概率为评价指

13、标的疏散可靠性计算方法。“九五”期间, 国内有关科研机构开发了地下建筑的疏散模型, 标志着我国在人员疏散这一领域的研究进入到计算机数值模化阶段。 香港城市大学的有关研究人员提出了利用计算机虚拟现实的技术收集人员在火灾中行为量化数据的调查方法, 并结合火灾后的问卷调查及疏散演习等手段收集了大量有关火灾中人员行为的数据。比较详细地研究了建筑物防火通道内的标识(如灯光、张贴、指引、广播等) 对人员疏散行为的影响, 得出了一些有价值的结论。建立了网格疏散模型(SGEM )。该模型在几何空间上将建筑物划分成能反映人员具体位置的细网格, 并利用拉格朗日方法分析每个人员在建筑物内的移动速度。采用此模型对香港

14、的一些实际工程进行了较为成功的疏散模拟。 公安部四川消防科学研究所拟在“十五”期间, 开展大空间公共建筑火灾疏散评估技术的相关研究1, 内容包括: (1)我国大空间公共建筑人员疏散特性基础数据研究采用情境实验法, 建立真实客观的现场火灾模型对本专题进行现场疏散演习, 采集相关数据。同时结合问卷式方式对火灾中疏散逃生人员进行跟踪调查所取得的数据, 得出人员疏散基础数据。包括人在楼梯中的疏散速度、人在走廊中的疏散速度、人们意识到火灾发生的方式、失火后人的第一反应与第二反应等等。 (2)研究建立适用于我国大空间公共建筑安全疏散计算机模拟子程序与定量计算方法以及相关的评判标准因为疏散是结合人员行为、人

15、流、人员能力、建筑物的物理环境、火灾情况的动态变化的一个动态系统。所以它必须以动态系统模型描述。从系统动态模型的模拟结果进行评估。在国际上, 对疏散进行研究, 大多数都在描述模拟疏散情况。对建筑物与人员行为的综合分析模拟比较少。该项目申请人员提出一个新的研究方法, 对建筑系统与人员行为的综合的疏散问题进行深入的研究, 结合当前我国的情况对火灾疏散提出有效的结论。 研究人员准备建立疏散综合系统动态模型。(EVACUA T ION SYSTEM DYNAM IC MODEL ) 模型包括评估部分及相关的评判标准 综合系统动态模型, 包括4 个子模型: a) 逃生前期人员行为系统动态模型; b) 逃

16、生中人员行为系统动态模型; c) 疏散人流系统动态模型; d) 疏散人员能力系统动态模型。1.3 安全疏散的重要意义 近年来，在我国发生的群死群伤重大恶性火灾事故中，约有85% 以上火灾事故与火灾安全疏散有直接的联系。因此，如何抓好人员密集场所的安全疏散工作，对进一步改善安全预防措施，确保人民群众生命财产安全都有非常重要意义。下面是对人员密集场所火灾安全疏散的重要性分析： （1）火灾危险较大。由于人员密集场所的建筑空间大、着火源多，使用的可燃物品多、人员高度集中、火灾蔓延快，火灾危险性大。一旦发生火灾，极易造成财产损失大、人员伤亡大、后果影响大的惨痛教训。因此，加强重点单位的消防安全管理，做好

17、消防安全疏散，制订灭火应急疏散预案和演练，不仅会避免重大人员伤亡，而且还关系到一个地区人民群众的生活和社会的安定。 （2）消防安全主体意识较差。当前，消防安全重点单位消防责任人员安全意识薄弱，消防管理人员消防操作程序不熟悉、消防安全责任制落实不到位，初起火灾处置程序错误等问题日益严重。因此，制定消防应急疏散预案对于提高社会单位消防安全管理水平和火灾应急处置能力，预防和减少火灾危害具有重要参考意义。 （3）应急疏散预案实用性不强。相当多的消防安全重点单位制订灭火和应急疏散预案仅仅为了应付公安消防机构的有关防火档案的检查，假定对象往往为整个单位，针对性和实用性不强，且预案中的灭火、疏散程序和措施概

18、念含糊不清、条理混乱，一旦发生火灾，预案很可能起不到应有的作用。2人员安全疏的基本理论2.1 人员安全疏散准则2.1.1 必需安全疏散时间必需安全疏散时间(Required Safety Egress Time，REST)2是指从事故发时刻起到人员疏散到安全区域的时间。以火灾为例，紧急情况下的RSET包括火灾探测时间()、预动作时间()和人员疏散运动时间()。 REST=+ （2-1）(1)火灾探测时间：即从火灾发生到发现火情这段时间间隔，一般是通过人员或火灾探测器发现火情并报警，可通过火灾蔓延模型以及探测系统的特性进行计算和预测。(2)预动作时间：即从发现火情到开始疏散之间这段时间。人员接到

19、火警之后会有不同的反应，如有的人开始疏散并到达安全区域、有的人则想证实火警、有的人会采取灭火措施等。预动作时间很难被准确估计，这是因为预动作时间与人员的心理行为特征、人员的年龄、对建筑物的熟悉程度、人员反应的灵敏性、甚至与人员的集群特征密切相关。统计结果表明：发生火灾时，人员预动作时间与建筑内采用的火灾报警系统的类型有直接关系。(3)人员疏散运动时间：即人员从开始疏散至到达安全地点的时间。人员疏散运动时间主要取决于人员密度、人员疏散速度、安全出口宽度等，可以利用简单的经验公式或者疏散模型进行预测。一般情况下，发现火情和人员反应时间难于量化，其大小主要取决于建筑物报警系统的完善程度、人们对火灾的

20、认知程度以及建筑物管理服务人员的素质等，通常情况下，这两项时间在计算疏散时间时都被忽略了3，而人员接收到报警器的警告后会有一定的反应时间，该反应时间依据人员的不同而不同，本文模拟中综合且较保守考虑报警时间和人员反应时间统一为1min 。在实际疏散中，对于整个疏散群体来说，这三个时间段不是明显分开的，在整个疏散群体中是交互出现的。2.1.2 可用安全疏散时间可用安全疏散时间(Available Safety Egress Time，ASET)是指从起火时刻到火灾对人员安全构成危险状态的时间段，主要受到火灾中将释放的大量热能、热辐射、烟气(包括一般热烟气和有毒有害气体)、房间内衬材料的热特性、房间

21、高度、通风状况等的影响4。2.1.3 安全疏散准则一般认为：当建筑物的可用安全疏散时间大于必需安全疏散时间5(公式2-2)，则认为建筑物中人员能够安全疏散。 ASET>RSET （2-2)2.2 安全疏散计算方法介绍安全疏散时间的计算，一般有现场模拟试验测量法、经验公式法和计算机模拟三种方法。现场模拟试验测量的方法主要用于科学研究，由于资金和试验条件的限制很少用于工程应用；经验公式法，是通过大量的试验数据总结出来的，由一系列经验公式组成的，一般可以通过手工计算进行疏散预测的方法，以日本为代表的一些国家主要采用这类方法；计算机模拟法，是通过计算机软件模拟人员疏散的动态过程，来预测人员疏散行

22、动时间。(1)传统的疏散时间计算公式，依据1995年日本Togawa推导的疏散时间公式6，温丽敏等7提出火灾中群集流动模型，从而对人群疏散理论进行了较为详细的阐述，即：假设聚集人群可以看作一个均质流体，那么在人群疏散方向上取一基准断面P，则向断面P前进的人群称为流入群集；流出断面P继续前进的人群为流出群集，如果由于某种原因，例如通路变窄，或遇到门，楼梯，台阶等通道性质的改变，便容易引起人群在基准断面P处的滞留与混乱，在断面P处滞留的人群称为滞留群集，它等于流入群集与流出群集人数之差。依据此理论推导得到人群疏散时间计算公式如下7： （2-3）式(24)中：N。是建筑物疏散人员总数；N；(t)，N

23、分别是第i个出口和最终出口处的人员流量；n是出H总数；B；是第i个出口的宽度；Tn是出现定常人口流动时的时间；识(t)为第i个出口处人员滞留系数；目前各国标准规范包括我国及其他相关的建筑防火规范对于疏散时间的计算公式都是式(24)的简化表达式(即忽略在T0-T时刻从各入口进入的人数)，只是其中符号表示不同，疏散时间简化计算式如下。 (2-4)式中T为疏散时间(S)；f为门或走道的人群流动系数(人m.s-1)；B为门或走道宽度(m)；为建筑内需要疏散的总的人数；ks为待疏散人群中的第一个人移动到门或走道的距离（m）；v为人群移动速度（m/s）。式(25)中人群流动系数f是影响疏散时间的重要参量，

24、在利用上式对建筑疏散时间进行计算过程中，通常按照通道性质设定人群流动系数为一经验常数。但在实际人群疏散尤其是恐慌人群疏散过程中，出口或通道狭窄处通常会出现堵塞，人群流动系数并不是常量，而是随人群密度不断变化的8。 (2)加拿大Paul的经验方法加拿大Paul9经过了大量的演习观测在1980年总结出了一系列关于多层建筑疏散时间的计算方法，他提出了有效楼梯宽度的概念，即认为实际人们可以利用的楼梯面积应该扣除楼梯两侧不可利用部分各150mm，并得到人流流量在楼梯处的经验拟合公式： f=0.206p0.27 (2-5) f是每m有效宽度楼梯所能通过的人流流量，P是每m有效宽度楼梯要疏散的人数。对于多层

25、建筑疏散时间，Paul给出了如下公式：当单位宽度楼梯通过的人数少于800人时， T=0.68+0.081p0.73 (2-6)当单位宽度楼梯通过的人数多于800人时， T=2.00+0.0117p (2-7)2.3 安疏散研究方法 20 世纪80 年代起, 随着计算机的发展, 人们开发了许多用以描述建筑物内人员疏散特性的软件和模型。据统计已经完成的和正在开发的疏散模型超过20 种。总体上, 这些模型都可归结为网络节点模型, 即建筑各部分的空间布局用网络来表示, 然后在此网络的基础上确定人员在建筑物内的位置及疏散移动路线, 进而确定疏散时间。虽然每个模型分别从不同角度来模拟人员在建筑物内的疏散行

26、为, 其性能、效果及适用范围各不相同, 但从目前建立的数学模型及模拟方法来看, 主要区别在于模型的空间划分、人员个体特性、行为特性3 个方面。2.3.1模型的空间划分 模型的空间划分是指建立模型时如何分隔建筑物空间。目前空间划分方法大体分2 类: 细网格类(Fine Network) 和粗网格类(Coarse Network)。细网格类不考虑建筑实体的具体物理分隔, 如房间、楼道、走廊等, 而是把整个建筑平面分割成同样形状和面积的网格, 如正方形、六边形等。采用细网格法的模型主要有B GRAF , EXODUS11,EGRESS, SGEM、MA GNETMODEL , VE2GAS , SI

27、MUL EX 等。这些模型利用各个网格的“占据”或“空缺”来表示每个人在建筑物内的移动, 因此能够反映人与人之间的互相关系、环境的影响等诸多因素, 模拟结果的精度较高。但是, 现代建筑特别是高层建筑, 建筑单元众多, 结构复杂, 因而计算处理信息量也相当大, 几乎呈指数增长, 所以这种模型目前还较少用于模拟计算高层建筑的人员疏散问题。粗网格类是根据实际建筑物格局来分割建筑空间, 即将房间、楼道、走廊看作网络中的“节点”,连接任意两节点的门或通道的转折点看作网络中的“弧”。同一模型中每个节点的面积、形状不一定相同。在疏散过程中, 人员移动以人群的方式从一个节点移动到另一个节点, 根据各建筑单元的

28、出口容量确定人员在建筑物内的移动速度并确定相应的几何位置。这种方式能够进行大容量的人员计算, 然而由于不能反映个体成员的确切位置, 因此很难对个体移动以及个体之间相互作用进行详细计算, 进而无法反映个体人员的基本行为特性, 计算精度较低。这种模型适用于大型建筑, 尤其是功能复杂且人员众多的建筑。有代表性的这类模型主要有CRISP,DONEGANS,EXIT89,EXITT,E2SCAP , EVACSIM , EVACNET+,PAX2PORT,TAKAHASHIS MODEL, WAYOUT等。2.3.2疏散人员的特征疏散人员的特征可以用2 种方法来处理: 个体的方法或群集的方法。个体的方法

29、就是考虑个体的行为差别, 疏散人员不是一个均质的群体, 而是内部特征不完全一样的人群。在模拟疏散过程时, 这些不同的个体特征就是计算的关键条件。它按单个人员检查和分配各自的移动特征, 因此需要较多的计算开销, 程序处理的难度也稍大。目前采用个体方法描述疏散人员特征的模型有BGRAF,CRISP,EXITT,E2GRESS,E2SCAPE,EVACSIM ,EXODUS,MAGNETMODEL, SGEM,SIMULEX,VEGAS。 群集的方法是将一群或一组人按同一特性考虑, 他们将按同一速度移动, 并同时到达或离开建筑物的某个网络节点。采用这种模型计算建筑物内人员疏散, 操作简单, 使用方便

30、, 运行速度较快;缺陷在于无法详细描述个体特征, 难以描述突发事件对个体的影响。采用这种方法的模型有DONEGANS， ENTROPY，EXIT89，EVACNET+,PAXPORT ,TA KA HASHIS MODEL ,WA YOU T , 温丽敏等的火灾中群集疏散模型、刘文利等的地下商业街建筑疏散预测模型。2.3.3疏散人员的行为特征疏散人员的行为包括对火灾的反应、逃生的决策等, 与单纯的物理移动不同, 在面对危险时, 人们会有什么样的心理, 会做出怎样的逃生决策, 都是非常复杂的。而且, 不同的建筑环境、不同的人员拥挤状况等等都会影响逃生的决策。因此, 如何更好地在模型中表现出人员的

31、行为, 己经成为当今疏散模型研究的重点。目前建立的众多疏散模型中, 对行为特征的处理方法可以分为以下5 大类。 第1 类是根本不考虑人员的行为, 只考虑人员的移动情况, 也就是说, 把人员当作没有思想的物体, 他们的移动情况取决于外界环境。此类模型有EVACNET+。 第2 类是方程式行为分析方法。这种方法将1个或一系列的方程式应用于疏散人员全体, 每个人的行为都由方程式决定。这种方法虽然可以确定个体的行为, 但是所有人对外界危险的反应都是一样的, 采取的行动措施也是相同的。此类模型有MA GNETMODEL ,TA KA HASHIS MODEL 。 第3 类方法是将人员行为隐含在复杂的物理

32、模型中。这种方法以第2 手数据为基础, 而这些数据己经将心理的或者社会的因素包含在其中, 所以不再需要另外考虑各种心理对行为的影响。这类模型的可靠性和准确性取决于第2 手数据。此类模型有EXIT89,PAXPORT,SIMUL EX, WA YOU T。 第4 类方法是建立一系列基于行为系统的行为准则, 人们在逃生时的行为将根据这些准则进行。这些准则通常与环境有关, 不同的环境将决定不同的行为。此类模型有B GRAF,CRISP,E2SCAPE,EXITT,EVACSIM,EXODUS。第5 类方法是利用人工智能模拟特定环境下人员对于环境因素的反应, 以此决定人员在建筑物内的移动。这类方法虽然

33、提高了模拟决策过程的准确性, 但目前还不十分成熟。此类模型主要有DONEGANS EN TROPY MODEL, EGRESS,VEGAS。2.4国外典型应急疏散模型2.4.1 EXITT模型EXITT 是火灾危险综合分析程序HAZARDI的组成部分, 专门用于计算火灾时建筑物内人员疏散的时间。该模型使用网络描述建筑结构环境, 用户必须建立能够表示人员位置、可能的出口与疏散路线的节点网络。程序允许用户定义若干个影响待疏散人员响应方式的个体特征, 包括年龄、性别、当时是否清醒、疏散时是否需要别人帮助等。一旦人员发现火灾并决定逃生时, 程序便可根据一些规则模拟他们的逃生路径。程序首先选出某人所在的

34、位置到出口之间距离最短的路径, 并优先选择门作为出口。然后模拟该人通过这条路径的情况。如果最先选择的路径变得不安全, 或者对比其他路线后认为不可取, 程序就会选择其他的路径10。2.4.2 EVACNET模型 EVACNET ( Evacuation Network Computer Model , 疏散网络计算机模型) 是一个典型的网络节点人员疏散模型, 而且完全不考虑人员的行为。该模型中人员的疏散路线按疏散时间最小选取最优路线, 而且通过采取一些相应的措施使疏散按照一种适当的方式进行。该模型基本上是一个运输模型, 其中源节点代表计算起点, 中间节点代表建筑物的某些部分, 目标节点则是建筑物

35、的疏散出口,节点则由弧线连接。用户需要确定每个节点的容量、每条弧线的通过能力及人员通过弧线所需的时间。该模型可进行多种类型建筑物内的人员疏散模拟, 可以模拟部分楼层, 也可以模拟整个楼层。由于该模型没有考虑人员的个体行为, 即认为所有的人员具有相同的疏散特征, 因此由它计算出来的疏散时间可能比实际疏散时间要短一些。2.4.3 SIMULEX模型SIMUL EX 是能够在PC 机上模拟很多人从大型公共建筑物中疏散的模型。用户利用CAD 软件创建建筑物的3D 模型, 定义建筑物“最终”的外部出口, SIMUL EX 据此可以自动确定和计算整个建筑物空间里所有人的行进路线和距离, 进行疏散过程的模拟

36、。关于单个人运动的算法, 是先利用摄影技术拍摄实际生活中人们的运动, 然后利用计算机技术对这些图像进行分析进而得到的11。2.4.4 EXODUS模型EXODUS 是模拟人群从围合区域疏散的软件,该套软件现已投入商业应用。EXODUS 包含人员、运动、行为、毒性和危险5 个相互作用的子模型。建筑布局由CAD 生成的DXF 文件或者提供的交互式工具生成, 网格由节点和弧构成。每个人选择的疏散策略(行为子模型) 是他们和围护结构、其他人及火灾危险之间交互作用的产物。EXODUS模型家族包括适用于大型建筑的BUILDIN GEXO2DUS、应用于飞机的AIREXODUS 和应用于航海的MARITIM

37、EEXODUS , 适用于铁路系统的Rail版本目前正在开发中。2.4.5 BFIRES模型BFIRES 是基于人员行为的火灾时期紧急疏散模拟模型, 该模型应用于医疗类型的建筑中。模拟结果对以下参数敏感: 楼层平面的布置; 人员所在的空间位置; 任何阻碍人员行走的因素; 人员对建筑物结构的熟悉程度; 允许的人员密度水平。BFIRES 把建筑火灾事件抽象化为一个离散的时间框架链, 在每个时间节点, 每个人员根据他们对周围环境变化的感知而做出反应。目前该模型最多可以同时模拟20 个人。该模型可能是模拟单个人信息处理、决策制定以及对火灾反应的唯一的计算机模型。2.5国内典型应急疏散模型我国针对紧急疏

38、散问题的研究开始于20 世纪90 年代末, 目前尚没有比较成熟的模型和软件,也缺少有影响的工程应用范例12。国内对应急疏散模型的研究主要侧重研究建筑物发生火灾时人员疏散模型。比较典型的模型如下。2.5.1 疏散时间计算模型 袁理明等提出了一种计算疏散时间的数学模型13,14。该模型提出安全疏散时间即为火灾探测系统发出报警信号的预警时间加上人员安全疏散出建筑物的时间, 采用时间序列法计算人员开始疏散直到最终到达安全出口所需的时间, 没有考虑人们听到或发现报警信号后的确认反应时间。2.5.2 群集疏散模型 温丽敏等提出了一种火灾时群集疏散的模型15-17。采用计算机仿真计算人员疏散时间。该模型的前

39、提是“疏散人员井井有条地按照设计人员设计的疏散通道疏散”。由于疏散人员的性别、年龄、身体条件等不同, 疏散能力也各不同, 模型采用降低整个疏散能力平均值的方法, 以描述具有不利于疏散的疏散人员特征。2.5.3 地下商业建筑疏散预测模型 刘文利等提出地下商业街建筑人员疏散模型18。该模型采用网络型控制方法进行空间模式化, 将地下商业街的各个店铺、通道等地点分别作为网络的节点, 它们之间的联系为连接( link) ;对人的行为按照能力不同, 划分为正常人、老年人(含活动不便的人) 以及由儿童和其家长组成的家庭等3 个集团; 在疏散过程中, 人的流动以单向型人流对待。2.5.4 网格疏散模型香港城市

40、大学的LOSM等提出了利用计算机虚拟现实的技术, 收集人员在火灾中行为量化数据的调查方法, 并结合火灾后的问卷调查及疏散演习等手段收集大量有关火灾中人员行为的数据, 研究建筑物防火通道内的标识(如灯光、张贴、广播等) 对人员疏散行为的影响, 建立网格疏散模型(SGEM)。该模型在几何空间上将建筑物分成反映人员具体位置的细网格, 并利用拉格朗日法分析每个人员在建筑物内的移动速度。利用此模型对香港的一些实际工程进行了较为成功的疏散模拟。2.5.5 地下大型商场疏散模型王志刚开发了地下大型商场火灾时期人员疏散计算机模型F Egress19。该模型可以计算在建筑物内不同位置处发生火灾时, 从火灾发生到

41、人员疏散结束所需的时间, 与火灾模拟软件相结合, 可以评价发生火灾时人员生命的安全性。2.6 人员疏散的建模人员疏散连续性模型的一个典型代表是社会力模型，这种模型把行人处理为质点，这些质点受到由人的社会行为产生的远程力，这导致运动的平衡并类似于Newton力学的运动方程。离散性模型的一个典型代表是元胞自动机模型，这种模型主要参考城市交通流模型，并考虑一些典型行人特征的扩展，也有引入场域的概念以确定向临近元胞的跃迁比率等。总的来说连续性模型运算速度慢，不太适合人员众多情况下的模拟，而离散性模型规则简单，运算速度快。元胞自动机是一种在计算机仿真中常用的工具。它的主要原理是：在二维的网格阵中，每一网

42、格有几种可能的状态；在仿真运行的过程中，每一单元格按照自身和与其相邻格的状态，依照一定的算法，更新自身的状态；所有单元格均更新了一次自身的状态，称仿真完成了一“步”。元胞自动机技术具有构造简单、运算能力强、所需硬件条件较低等优点。在仿真模型中，平面空间被划分为许多微小正方形单元格阵(通常为05mX 05m，以反映一个人占据的平面空间)。在同一时刻，每一单元格要么为障碍物占据，要么为一人占据，要么为空，三种状态必居其一。元胞自动机方法模拟人员疏散，是从研究每个人从一个单元格移动到相邻单元格的概率入手，然后综合全体人员的移动情况，模拟整个疏散过程并计算出疏散需要的时间。因此，在仿真中，问题的核心是

43、确定单个个体移动到下一步位置的算法。在某一刻，每个个体可以选择移动到相邻的8个单元格中的一格，或留在原格不动(如图2-1所示)。 图2-1 网格示意图在移动时，主要考虑以下两个因素：第一，若该单元格被障碍物或别的人占据，则此格不可达；第二，该单元格距离出口越近，则人越倾向于走向该格。人员可以沿着弧线从一个节点到另外一个节点移动。但是在同一时间内，一个节点只能由一个人员所占据。用这种方法可以比较准确地表示建筑平面空间的几何形状及其内部障碍物的位置，并可在人员疏散的任意时刻确定每个人的准确位置。关于人员疏散的行为规律，国内外学者的研究方向大致可分为井井有条的有计划疏散行为的研究，及人员在随机疏散行

44、为规律的研究。所建立的数学模型根据人的特点可以归纳为两大类：运动学模型和行为学模型。运动学模型假设疏散人员自始至终保持疏散初期的人员密度，以平均步行速度的下限值，有秩序地按照设计人员设计的疏散通道疏散。疏散行动中无相互超越和折返现象，疏散出口群集流动系数保持不变。它的研究结果的可靠性完全取决于经验数据的准确程度，其结果虽然可用于指导建筑物安全疏散设计，但它完全忽视了群集疏散行动的随机性特征，没有反应群集流动的动力学规律。行为学模型的建立必须考虑以下三个相互作用的因子(人一人；人一建筑物空间结构；人一环境)之间，在三个层次(心理、生理、社会关系)上的相互影响。模型以任意时刻、火灾事故现场任意空间

45、点处的待疏散人员为研究对象，进行火灾中疏散人员的一般行为规律的研究，及最优疏散路线的选择，以达到对火灾现场应急疏散性状进行即时模拟，和辅助应急疏散决策的目的。为了便于对疏散行为人进行空间定位，行为模型将建筑空间模化为不同大小的网格，如以单元建筑空间为单位的粗网格，或以小于等于人的步幅为单位的细网格等。较成熟的模拟软件有EXODUS，SIMULEX等。行为模型对于疏散空间按一定模式进行网络模化，结果使得疏散行动按一定的方向和秩序进行；并且忽略了待疏散人员的动量属性，过分强调疏散行为个体的疏散行为特征，忽视了群集滞留和群集事故现象对火灾时人员疏散行为安全性的重要影响。3 教学大楼人员安全疏散模型的

46、建立3.1灾中的人员反应三个阶段一般说，在火灾中人员的反应基本上可分为察觉火灾迹象、确认火灾发生和采取逃生行动三个主要阶段。在刚着火时，火灾初期迹象是模糊的，但随着火灾的持续，火焰的增大、热量和烟气的增多使火灾迹象不断增强。火灾迹象可以直接觉察到，也可间接得到，例如通过他人提醒，或听到火灾探测报警系统发出的报警，听到报警信号后，火灾安全知识较强的人，可以在儿秒钟内意识到发生了什么事情，从而能够较快地采取疏散行动。青年学生可以归属为这类群体。 确认火灾发生包括证实火灾存在、确认火灾危险、评估火灾危险、决定是否疏散、或是否需要重新评估火灾的影响等。觉察到初步火灾迹象后，每个人都会企图证实该信息是否

47、真实。当确定火灾存在之后，接着就会评估火灾是否对自己构成危险，也就是把火灾迹象与他本人所在区域的状况联系起来，确定火灾的危险程度有多大、自己是否需要行动。选择如何行动是这种自我评估过程的直接结果，而能否做出正确的选择将会影响他的最终逃生是否成功。当某个教室中起火后，该教室里的学生和老师能够比较清晰的判定是否会构成火灾，从而决定采取相应的措施，同时能够很好的传播火灾发生信号，这样便于其他受到火灾威胁的人员及时地组织起来进行火灾人员疏散。在明确火灾可以对自己构成威胁之后，人们便会采取具体的行动。但不同人员采取的行动是多种多样的。在教学楼里，主要是青年学生，他们的行动较为便捷，利于组织统一行动。这是

48、教学楼火灾中人员疏散的一个有利的因素。该例中着重讨论教学楼发生火灾时人员疏散的时间，在此不考虑师生采取的灭火行动等其它方面。3.2教学大楼的简化与计算假设此处所讨论的教学楼为我校教学大楼，该楼为一幢九层建筑，每层的中间为活动大厅，其两边有两个分支，每个分支包括若干个教室(本次研究只考虑大楼主体，此处忽略与大楼联接的东西阶教学楼）。为了重点分析人员通过大厅时的疏散状况，现将每分支的若干个小教室简化成为一个大教室，这样二到九层的平面结构可以用图3-1表示（由于发生紧急情况，如地震，火灾等时禁止使用电梯，故安全疏散只能通过楼梯）。每个大教室面积为400m2，每个教室的最大容量为420人（疏散时每个大

49、教室的人员平均分为两部分分别向中央楼梯和东西侧楼梯疏散），中央大厅的面积为50m2。教室与大厅之间的平均距离为12m，教室与侧面楼梯间的距离为12m，走廊宽为2.3m，大厅内有两个楼梯连接着不同的楼层，而且在大楼的东西两侧分别有一个楼梯连接着不同的楼层。每段楼梯有22级，单级楼梯的宽度为1.6m，一楼大厅的出口宽度（一楼大厅设有四个出口和东西各一侧门，此处将其在效果上看为一个出口）为7.2m。对于火灾场景做出如下假设： 火灾发生在第二层的1号教室内； 发生火灾时，每个教室的人数为420人，这样整个教学楼内的总人数（假设当时每个教室都在上课，人员数达到最大化，且由于一楼为办公室故其内人员数量可忽

50、略）为6720人，且每个大教室中的人数相等。疏散过程中每个大教室的人员可等分为两部分，分别从中间楼梯及侧面楼梯疏散。教学楼内安装有集中火灾报警系统，但没有应急广播系统；从起火时刻起，在20min内还没有通过起火楼层大厅的人员为逃生失败。楼梯 教 室 2 大 厅 教 室 1 楼梯 走廊 楼梯 图3-1 教学楼二到九层平面简图对于这种场景下的火灾发展与烟气蔓延过程可用一些模拟程序计算，并据此确定楼内危险状况到来的时间。但为了突出重点，这里不详细讨论计算细节。人员的整个疏散时间可分为疏散前的滞后时间，疏敞中通过某距离的时间及在某峰重要出口的等待时间三部分，根据建筑物的结构特点，可将人们的疏散通道分成

51、若丁个小段。在某些小段的出口处，人群通过时可能需要一定的排队刚间。于是第i个人的疏散时间，可表示为： (3-1)式中为疏散前的滞后时间，包括觉察火灾和确认火灾所用的时间；为第n段的长度；为该人在第n段的平均行走速度；为第n段出口处的排队等候时间。最后一个离开教学楼的人员所有用的时间就是教学楼人员疏散所需的疏散时间。 二层的1号教室是起火房间，其中的人员直接获得火灾迹象进而马上疏散，设其反应滞后时问为60s；教学楼内的人员大部分是学生，火灾信息将传播得很快，因而同楼层其它教室的人员会得到1号教室人员的警告，开始决定疏散行动。设这种信息传送时间为120s，即这批人的总的反应滞后时间为180=120

52、+60（s）；其他楼层的人员将通过火灾报警系统的警告而开始进行疏散，他们得到火灾信息的时间又比二层内其它教室的人员晚60s。因此其总的反应延迟为240s。由于火灾发生在二楼，其对一层人员构成的危险相对较小，故下面重点讨论二到九楼的人员疏散。为了实际了解教学楼内人员行走的状况，本人专门进行了几次现场观察，具体记录了学生通过一些典型路段的时间。参考一些其它资料提出的人员疏散的主要参数可用表3.1表示。在开始疏散时算起，某人在教室内的逗留时间视为其排队时间。人的行走速度应根据不同的人流密度选取。当人流密度大于1人/m2时，采用0.6m/s的疏散速度，通过走廊所需时间为20s，通过大厅所需时间为4s；

53、当人流密度小于1人/m2时，疏散速度取为12m/s，通过走廊所需时间为10s，通过大厅所需时间为2s。 表3-1 人员疏散的若干主要参数 大厅或走廊 楼梯内平均行走速度（m/s）平均密度（人/）单位宽度平均流量（人/m.s）平均行走速度（m/s）平均密度（人/）单位宽度平均流量（人/m.s）>1.32<0.308<0.38>0.64<0.538<0.27>1.27<0.431<0.55>0.61<0.719<0.38>1.17<0.719<0.82>0.58<1.075<0.55>

54、1.02<1.075<1.09>0.53<1.538<0.71>0.56<2.174<1.37>0.43<2.073<0.93<0.56>2.174>1.37<0.43>2.073<0.93Pauls20提出，下楼梯的人员流量f与楼梯的有效宽度w和使用楼梯的人数p有关，其计算公式为： f=(w/8040)0.73×p0.27 (3-2) 式中，流量f的单位为人/s，w的单位为mm。此公式的应用范围为0 .1<p/w<O55。这样便可以通过流量和室内人数来计算出疏散所用时间

55、。出口的有效宽度是从通道的实际宽度里减去其两侧边界层而得到的净宽度，通常通道一侧的边界层被没定为150mm。3.3计算结果与分析在整个疏散过程中会出现如下几种情况：(1)起火教室的人员刚开始进行疏散时，人流密度比较小，疏散空间相对于正在进行疏散的人群来说是比较宽敞的，此时决定疏散的关键因素是疏散路径的长度。现将这种类型的疏散过程定义为是距离控制疏散过程；(2)起火楼层中其它教室的人员可较快获得火灾信息，并决定进行疏散，他们的整个疏散过程可能会分成两个阶段米进行计算：当f进入二层大厅<f流出二层大厅，这时的疏散就属于距离控制疏散过程；当f进入二层大厅>f流出二层大厅，二楼楼梯间的宽度便成为疏散过程中控制因素现将这种过程定义为瓶颈控制疏散过程；(3)二到九层的人员开始