FDSEVAC50在建筑火灾和人员疏散领域中的研究进展

1、FDS+EVAC5.0在建筑火灾和人员疏散领域中的研究进展 班 级：安全0901 学生姓名：蒋 旭指导教师：赵江平摘要：建筑火灾中由于人员不能及时疏散被烟气窒息情况十分突出,所造成的生命财产损失巨大。目前确定建筑物火灾疏散方式的常用方法有2种：一是直接分析火灾案例，二是采用计算机模拟。直接分析火灾案例属于事后情况的分析，即对灾难的分析以避免类似的灾难再发生。统计分析的案例越多，所得出的规律越具有说服力。计算机模拟是指火灾场景为一种假设情况，即如果火灾按设定的情况发生，预测人员将如何逃生。对于特定的研究对象，采用计算机软件对人员疏散情况进行模拟，获得火灾中的一些重要参数，可以有效地指导人员逃生1

2、关键词：建筑火灾， FDS+EVAC，人员疏散，数值模拟Research progress of building fire and evacuation adopted by FDS+EVAC5.0Class:Safety Engineering 0901Name:JIANG Xu Instructor:Prof. ZHAO JiangPingAbstract: Staff can not be timely in building fire evacuation was prominent by smoke suffocation, have caused great losses of

3、life and property. Current methods determine how the building fire evacuation there are 2 ways: first direct analysis of fire case, the second is the use of computer simulations. Direct analysis of fire cases belonging to ex-post analysis, analysis of the disaster to avoid similar disasters happenin

4、g again. Statistic analysis of case, the more derived law more convincing. Computer simulation was fire scenario to a hypothetical situation, that is, if fire occurs at scheduled, predict how officers will escape. For specific subjects, the use of computer software to simulate the evacuation, access

5、 to some important parameters in the fire, can effectively guide people to escapeKey words: Building fire, FDS+EVAC, evacuation, numerical simulation目录1 引言12 研究背景22.1建筑物火灾时人员疏散行为的基本规律22.2 人员疏散研究现状53 FDS+EVAC研究及应用63.1 FDS+EVAC简介63.2数值模拟原理73.3 FDS+EVAC的应用73.3.1 FDS算例演示73.3.2 EVAC算例演示103.3.3 FDS+EVAC应用

6、实例124 结论14参考文献151 引言建筑火灾，除了造成巨大的财产损失，还对建筑物中人员的生命安全造成极大的威胁。当代科学技术日新月异，新材料、新结构、新设备层出不穷，随之而来的超高层建筑、巨型建筑、地下建筑等，其技术的密度和复杂程度己今非昔比，因此建筑物中人员的安全问题也日益突出。现有的防火规范中，有关人员疏散的规定已经远远不能满足新型建筑的需求。近年来，许多学者利用建筑防火性能化设计的方法对建筑火灾中遇到的问题展开研究，利用各种计算机模拟的方法对火灾和人员的疏散进行细致分析。由于大型复杂的新型建筑的出现，我们必须考虑到以下情况人员疏散的模拟的影响:1、高密度人群拥挤状况2、与疏散反应时间

7、及出口路线选择相关联的人员决策过程。近年来，人群疏散研究己成为国际上安全研究的一个新的热点，国内外己经开发出多种计算机软件对火灾中人员疏散进行模拟研究。但是这些模型通常将人员疏散运动与火灾发展两个过程分开考虑，这些模拟软件及其背后的模型同实际情况仍存在较大的差别，这主要是因为这些软件的基础模型尚没有考虑到火灾人员的决策过程以及火场环境的实时作用对人员行为的影响，而这是在火灾基础上建立疏散模型的关键部分。其次，人员疏散具有明显的随机性，然而当前的研究多采用确定性分析方法。因此，我们需要建立一个模型，将火灾的发展过程和人员疏散结合起来研究，通过火灾对人员疏散的作用来寻找建筑火灾时人员的疏散运动规律

8、。最新开发的FDS+EVAC软件对建筑火灾中的人员疏散行为分不同情况进行了对比模拟研究，并针对其局限性进行了部分优化。2 研究背景近年来，围绕人员疏散行为决策，针对疏散流动过程中离散状态人员疏散行为的随机性，以及连续疏散流动过程中的群组现象，国内外学者进行了大量的理论研究和试验模拟，这些研究成果已逐步应用到建筑性能化防火设计中，并指导建筑物的疏散设计和突发事故应急预案的制定。2.1建筑物火灾时人员疏散行为的基本规律在目前的防火性能化设计中，我们一般把火灾中人员安全疏散过程大致分为感知过程、响应过程、疏散运动过程等阶段。火灾从发生时起直至发展到对人体构成威胁所需要的时间一般由可燃物开始燃烧以及火

9、灾持续发展到图 2.1所示状态的时间构成2。疏散者可用安全疏散时间ASET指的是火灾自发生时起直至火灾对人体构成威胁时二者之间的时间间隔，即危险来临时间(trisk);火灾自发生时直至疏散者成功逃离出危险区域所必须的时间为称之为必需疏散时间RSET，也即疏散时间(tese即e)，因此，要想保证疏散者安全撤离，则应达到以下基本条件:ASET>RSET火灾对人体造成威胁的因素通常包括烟气产生的热辐射、烟气浓度和能见度等等。因此人员安全疏散的判断依据就包括了以下几种因素:图2.1 人员疏散时间示意图(l)烟气层的高度在火灾发生的过程中，烟气层不但产生热量，而且在形成的过程中会产生大量的微小的固

10、体颗粒、胶质物以及毒性分解物，这些对人体有害的物质成为影响疏散者疏散行动和救援行动的最大障碍。在人员疏散的过程中，只有保证烟气层在人体头部以上才能使人员在疏散时不会受到热烟气的热辐射，以及避免烟气直接被人体吸入。(2)热辐射根据以往对人体的热辐射耐受能力测试研究，其研究结果表明人体对烟气层等火灾环境所产生的热辐射耐受极限为2.5kw/m2，相关测试结果如表2-2所示，其中，当辐射热强度为2.5kw/m2时，烟气层温度大约为180-200。表2-2 人体对辐射热的耐受极限热辐射强度(kw/m2)<2.52.510耐受时间>5min30s4s (3)热对流一些试验研究显示，达到一定温度

11、的热空气经人体呼吸或接触后，会造成一定程度的热冲击和皮肤烧伤，而空气中本身所含有的水分更对这两种危害有着进一步的影响，如表2-3所示。大量的实践证明，对于绝大多数火灾环境来说，当人体承受100环境的热对流时，只能维持非常短的一段时间。表2-3 人体对热烟气的耐受极限温度与湿度<60，水分饱和60，水分含量<l%100，水分含量<l%耐受时间>30min12min1min(4)烟气产生的毒性火灾发生和发展的过程中，可燃物热分解时会产生大量的有毒有害物质，当可燃材料不同时，其热分解产物和和有毒物质的浓度也会有不同程度的差异。由于可燃物的各个组分所产生的热解产物其种类和生成的

12、量相对复杂，而且有毒、有害组分对人体的伤害其本身也有很大的差别，所以在火灾的安全性评估和预测时，很难将这种影响进行定量的描述。在实际的工程应用中，通常的做法是，利用一种简化的处理方法:当烟气的减光度小于或等于0.lm则可以认为不同的毒性燃烧产物其浓度在 30min内尚不能达到人体的耐受极限。结果也证明这种方法比较有效。(5)能见度通常情况下，烟气浓度越高时，则能见度越低，疏散者选择疏散路线和做出疏散决策的时间就相应的延长。下表2-4给出了适用于普通房间和大面积区域的最低减光度。在一些大面积区域，我们要求更低的减光度，这样做是为了在确定逃生方向时可以看得更远。表2-4 适用于普通房间和大面积区域

13、的最低减光度位置普通房间(5m)大面积区域(10m)与能见度等值的减光度(l/m)0.20.1建筑物火灾时，人员疏散行为过程可大体概括为两个主要阶段，即:疏散行为开始前的决策反应阶段和疏散行动开始后的人员疏散流动过程。发现火警后，建筑物内滞留的待疏散人员在疏散行动开始前的决策反应，对于整个人员疏散行为过程的影响非常重要。可借助疏散行动开始时间参数对其进行评价。1993年世贸中心爆炸事件之后，研究人员通过调查发现，110层的超高层建筑物中，全部人员完成安全疏散大约需要1至3个小时，其中人们做出疏散决策的时间竟占到总疏散时间的三分之二以上。其中人的生理及心理特点、火灾安全的教育背景和经验、当时的工

14、作状态等因素，对疏散行动开始前的决策过程起着非常重要的制约作用。可将这些因素进一步归纳为三个相互作用的变量，即目标变量、运动变量和约束变量。所谓目标变量，即疏散过程中当前的疏散行动目标和最终安全目标。运动变量，即疏散行动人员的疏散运动速度、疏散通道的流动能力等。约束变量，即对疏散行为的约束或障碍。包括疏散人员彼此之间的相互影响和制约，烟气或火焰等周围环境热物理状态对疏散行动的制约，疏散空间建筑结构或空间障碍物对疏散人员疏散行动的阻碍作用等。2.2 人员疏散研究现状目前国际上有二十多种常用的人员疏散模型。按照模型的基本原理,可将人员疏散模型分为3类:优化法、模拟法和风险评估法;(1)优化(opt

15、imization)模型:忽略周围人员和非相关避难的行为,假定人员以最有效的方式进行疏散,将人员视为具有共同特征的整体。如:EVACNET+和TAKAHASHIS MODEL。(2)模拟(simulation)模型:表现疏散行为和行动状况,不仅要达到正确的评估结果,也要能采取接近真实避难路径情景。如:BGRAF, EXITT, EGRESS, ESCAPE, EVACSIM, EXIT89, EXODUS,MAGNETMODEL, PAXPORT, SIMULEX,VEGAS。(3)风险评估(risk assessment)模型:识别火灾时与疏散有关的危险或相关事故,并对最后的风险进行量化。通

16、过多次计算,它能评估改变防火分区设计、消防措施等参数的效果。如:CRISP, WAYOUT。疏散模拟中人员行为是最关键的因素,也是最主要的研究对象。模型按照其考虑人员运动的方式又可以分为2类:(1)只考虑人的运动的模型:仅考虑建筑及其各部分的疏散能力,通常称为环境决定因素模型或“滚珠”模型,它将每个人都当作只对外部信号产生自动响应的无意识的客体,疏散方向和疏散速度仅仅由物理因素决定,如人群密度,出口疏散能力等,将人群的疏散作为一种整体运动。如EVACNET+,TAKAHASHIS MODEL等模型。(2)综合考虑人的运动与行为相互关系的模型:模型不仅考虑了建筑物的物理特性,而且将每个人当作一个

17、主动因素,考虑人对各种火灾信号的响应及其个体行为:个体响应时间,如何选择出口等,如EGRESS,E-SCAPE,EXIT98,EXODUS等模型。现有模型中采用的人员行为描述方法主要有以下5种方法:(1)无行为规则模型:完全依赖人群的物理运动和几何形状的物理表达来影响人员疏散,并对其进行预测判断。(2)函数模拟行为模型:通过方程式或方程组完全决定人员的行为反应,并应用于整个人群。(3)复杂行为模型:不确表示行为决定准则,而是通过复杂的物理方法间接表示,可能主要基于第二手数据的应用,包括心理或社会的影响。(4)基于行为规则的模型:明确承认个体行为特性,事先设定规则机制,采用基于规则的行为决定方法

18、。(5)基于人工智能的模型:赋予个体分析能力,使之能通过对所处环境进行智能分析而做出行为决策。研究疏散中人的行为通常考虑三种相互作用:人与人,人与建筑物及人与环境的相互作用;这些作用会影响人员的行为和决策过程。它们不仅与客观的物理条件有关,而且在更大程度上取决于人员自身的生理、心理和社会因素。Helbing等人提出“社会力”模型,借鉴了牛顿第二定律,考虑了三种社会力:自驱动力,排斥力和吸引力。模拟了自组织(lane forming)、堵塞、门口集结(arching)、快即是慢、相向流的“摆动(oscillatory)”等现象3。3 FDS+EVAC研究及应用3.1 FDS+EVAC简介FDS+

19、EVAC软件是由芬兰VTT技术研究中心在美国国家标准技术局(NIST)火灾动力学模拟软件(FDS)的基础上研发的逃生模型，可以同步模拟火灾发展和火场中人员的疏散情况。该模型采用网格计算方法，所依据的基本运算法则是通过运动方程模拟每个人的行为，采用匈牙利交通专家Helbing提出的社会力模型作为运动计算的模型4通过该软件以FDS为平台可以直接得到和火灾相关的一些特征，如温度、烟气、CO及CO2等气体浓度的分布情况，模拟结果可以用FDS自带的可视化软件SmokeView进行动画演示5。人选择出口的算法是利用烟气的浓度来计算的，烟气降低能见度，烟气的刺激和窒息作用降低了人的行走速度。3.2数值模拟原

20、理该软件的基本算法运动模型是基于德国物理教授Helbing的基于恐惧心理状态的社会力模型6,7。该模型有2个假设，一是将人视为自驱动的有几何和物理特征的粒子：二是在运动过程中会受到外界物理力与“社会-心理力”的影响，人人都会有自己的运动控制方程，建筑物内存在着一个虚拟的、符合流体力学规律的、指示人员向出口方向行动的二维“人流”流场。该“人流”流场是理想化的流场，不考虑人员的“再进入行为”、“羊群行为”8、“回避行为”等对流场的扰动。运用FDS的流场求解器求解二维不可压缩势流的数值近似解，就好像在出口安装了一台虚拟的“抽风机”一样，吸引“人流”从建筑物内流出。这种方式能够产生较好的人员疏散流场，

21、该流场指引人员选择疏散出口与路线。疏散路线不一定是最短的，通常也会是接近最短路线的。3.3 FDS+EVAC的应用3.3.1 FDS算例演示 Thunderhead Engineering PyroSim是一款用于消防模拟的软件。PyroSim的图形用户界面可以作为消防动态仿真器(FDS)。PyroSim被用来建立消防模拟,并对火灾中烟气的运动、温度、和毒气浓度进行准确预测分析。PyroSim 2008的图形用户界面适用于FDS version 5和SMV(Smokeview)。图3-1 PyroSim操作界面图3-2 室内火灾模拟图3-3 FDS中热释放速率随时间变化曲线图3-4 FDS中各

22、高度烟气层温度变化曲线图3-5体育场馆火灾模拟图3-6 体育场馆局部结构模拟示意图3.3.2 EVAC算例演示下图为FDS+EVAC的一个疏散算例9,在两层的教室内,共140人图3-7 某两层教室火灾疏散图3-8 各层疏散人数与时间的关系曲线图3-9 办公楼平面疏散模型图3-10 FDS+EVAC与Simulex的计算比较EVAC中人体伤害模型为NIST提出N气体模型,用该模型预测建筑火灾中烟气毒性的大小。其假设条件是火灾中大多数的燃烧毒性主要由为数不多的N种气体产生,这个假设已被很多实验所明。运用博弈理论来构建出口路线选择模型,该模型假设每位人员能够观察到其它人员的位置和行动,每人都将选择最

23、快疏散路线为行动目标,那么出口选择问题就成为了一个最优决策问题。人人企图选择所能估计到的最短疏散时间的路线,估计的疏散时间包含估计步行时间和估计排队等待时间两部分。估计排队时间是其它人员位置和行动的函数,该模型假设人们只会在有比目前疏散路线明显好的方案下才会改变行动方案。除了别人的行动和所处位置以外,还有其它因素包括与火灾相关的环境、人员对出口的熟悉程度、出口的能见度会影响疏散人员的决策,这些影响因素被列为最短疏散时间求解的约束条件。3.3.3 FDS+EVAC应用实例FDS+EVAC被用于模拟各种用途建筑火灾时人员的疏散，其中包括：办公楼、商业或工业厂房、学校(居民处于清醒状态，对建筑物报警

24、系统和疏散措施熟悉)；商店、展览馆、博物馆、休闲中心等(居民处于清醒状态、对建筑物、报警系统和疏散措施不熟悉)；旅馆或寄宿学校(居民可能处于睡眠状态，但对建筑物、报警系统和疏散措施熟悉)；旅馆公寓(居民可能处于睡眠状态，对建筑物、报警系统和疏散措施不熟悉)；医院，疗养院及其他社会公共机构(有相当数量的人员需要帮助)。利用FDS+EVAC模拟人员疏散的应用实例很多，其中：朱杰，夏锐，唐家祥，王珍的某高层建筑商业中心火灾风险评估及人员疏散研究通过对某高层建筑商业中心设计工程存在的主要消防问题分析。确定了其性能化设计目标，设置了火灾场景，采用CFD方法对其进行了火灾风险评估及人员疏散模拟计算分析。最

25、终提出了保证该商业中心消防安全的强化措施和建议10；魏文君，李小柱的某商业综合体人员疏散的模拟分析针对西安市某商业综合体火灾实例，根据该建筑特点和人员荷载情况，通过经验公式法和计算机模拟两种性能化分析方法，对实际火灾时的人员疏散场景进行计算，得出人员疏散至安全地点的时间，通过与FDS的火灾模拟计算结果的比较来检验人员疏散的安全性11；张小英,马晓茜,陶平的高层建筑火灾时的人员安全疏散性能将火灾情况下人员的疏散过程分成觉察、发出警报及行动3个部分,采用经验公式计算得到人员觉察和疏散的时间,并采用水力模型模拟人员在楼梯间的疏散过程,计算高层建筑火灾情况下人员在楼梯和通道的流动时间,实现人员疏散过程

26、的计算机模拟.最后以一栋教学楼为例,计算了危险来临时间和周一到周六各上课时段的人员疏散所需时间,分析了教学楼的安全疏散性能12；刘建民,岳合生的高层建筑火灾烟气蔓延的FDS模拟建立了一个简化的高层建筑模型,采用FDS模拟软件对高层建筑火灾进行了火灾模拟,得出了烟气蔓延速度、温度、CO(一氧化碳)浓度以及能见度的变化规律,为高层建筑火灾烟气的有效控制、人员疏散、火灾扑救提供了一定的理论依据13；许镇,唐方勤,任爱珠的计算机技术在建筑火灾安全上的综合应用通过FDS软件对该建筑某火灾场景进行了火场数值模拟。基于FDS的数据,利用RCFire程序进行了结构构件内部温度计算和结构火灾反应计算。最后,在V

27、ega的虚拟现实平台上将构件内部温度和结构火灾反应的结果进行了动态图形展示,并实现了结构火灾反应的同步漫游，将建筑火场模拟技术、结构火灾反应计算技术和场景表现技术上综合应用到同一建筑上,形成了一个更为准确的结构火灾反应模拟系统,同时也为进一步的建筑火灾场景仿真奠定了基础14；谢晓刚,胡忠日,唐胜利的浅谈FDS软件对非规则建筑边界的定义认为FDS软件对单房间或数目较少的房间作火灾预测分析时,是一个很好的分析工具,但在对不规则建筑的边界定义粗糙时,所计算的结果将很不理想,文中对这些特殊建筑如弧形墙、倾斜墙及其墙上开口的边界给出了合理的定义。同时应用FDS软件对不同大小的网格进行了计算探讨,将计算结

28、果进行了比较,发现合理的网格大小，对理解FDS软件的应用有很好的工程实用价值15。诸如此类的模拟还很多，应用此软件对建筑火灾进行模拟，可以分析建筑的安全性能，为人们的生命财产提供保障。4 结论通过前辈们对FDS+EVAC的不懈研究，让我得出以下结论：建筑火灾环境下的疏散安全评估研究是FDS+EVAC当仁不让的强项,也可应用于高层建筑物、大型体育场馆、商场超市等公共场所的人员疏散模拟以及大型交通工具如轮船、火车的疏散模拟。FDS+EVAC可模拟人数多达每组疏散网格一万人,这对大部分疏散研究已经足够。但在以下方面还存在不足16:(1)几何建模的限制；(2)烟气毒害计算的限制；(3)出口路线选择的限

29、制；(4)探测和响应时间的限制；(5)楼梯模型和电梯模型的限制；(6)人体尺寸特征的限制。尽管它远未完善,它仍不失为一个较好的火灾条件下的人员疏散模拟软件,不但免费,而且开放源代码。FDS+EVAC模拟结果的可靠性并不完全取决于软件本身,更取决于用户经验、实验验证以及和其它软件的对比。FDS是当今火灾安全领域中最先进数值模拟软件,而EVAC又搭乘了FDS这个有影响力的平台17 。因此有理由相信EVAC必将会在各方面得到发展和完善,而我们需要做的工作就是通过模拟及实验的对比18,来验证其准确性,从而提高人员疏散的可靠性。总之,疏散中对人员的行为模拟是最复杂最困难的,到目前为止还没有一个模型能够完全解决疏散行为的各个方面19。但是可以预见的是,未来的疏散模型将包含更多行为细节,朝着能预测个体行为,能模拟大规模人群和复杂行为特性,能处理建筑结构、环境和人的行为之间复杂相互关系的方向发展。参考文献1刘涛.李葳.礼堂火灾情况下人员疏散过程的计算机模拟期刊论文-消防科学与技术.2008(1)2肖国清.温丽敏.陈宝智.建筑物火灾疏散中人的行为研究的回顾与发展u-中国安全科学学报.2001.11(6)50-54 3 李健.考虑环境信息和个体特性的人员疏散元胞自动机模拟及实验研究D-中国科学技术大学.2008(8)2-97. 4 尤方立.下