基于相邻防火分区的人员疏散仿真研究

基于相邻防火分区的人员疏散仿真研究

0般安全疏散能力研究近年来，随着城市化进程的加快，购物中心建筑相继建成，成为人们日常生活中不可或缺的一部分。商场建筑具有结构复杂,建筑面积大,人群密度高等特点,特别是为了节约地上空间而建设的地下商场,还具有火灾荷载大,排烟散热差,人群疏散困难等特点,在商场内一旦发生火灾等事故,易造成重大的人员伤亡和财产损失。因此研究商场内的人员疏散具有极大的现实意义。鉴于国内商场疏散的严峻形势,国内许多学者针对商场的人员疏散能力开展了一定的研究。程旭东等人在超市内开展了事先通知的人员疏散演习,并结合调查问卷对超市内行人的疏散进行了研究。赵军等人针对大型建材家居类商场的建筑面积大,疏散宽度小等特点开展了人员安全疏散的研究,提出了系统解决方案。姚长春等人利用性能化分析的方法,进行了烟气运动和人员疏散的模拟计算,研究了某地下商场防火分区的划分方法对人员安全疏散的影响。现行国家标准《人民防空工程设计防火规范》中将“用防火墙分隔的相邻防火分区”视为安全出口,允许相邻防火分区之间的防火门宽度部分计入疏散宽度,“《建筑设计防火规范》整合修订征求意见稿”中也有类似规定。对于一些大型地下商场,由于结构复杂、建筑面积大和人员密度大等特点,为了满足国内相关法规的安全疏散要求,往往需要采取借用相邻防火分区进行疏散的方法。袁奕之对比了相关消防技术规范对地下商场安全疏散规定的差异,并研究某商场允许借用相邻防火分区进行疏散下的疏散案例,提出了地下商场安全疏散计算的建议。然而目前,国内针对地下商场中借用相邻防火分区疏散的影响研究较少,并且没有考虑到借用相邻防火分区可能出现的相向行人流冲突。为了研究地下商场借用防火分区防火门进行疏散对疏散效率的影响,我们在已开展商场疏散实验的基础上,采用人员疏散仿真软件进行商场人员疏散分析,重点研究可借用相邻防火分区的商场疏散和存在相向流的商场疏散。1模式和模拟结果Pathfinder是由美国Thunderheadengineering公司开发的一个基于智能体的人员运动和疏散的模拟仿真软件,它利用计算机图形仿真和游戏角色领域的技术,对多个群体中的每个人员运动都进行图形化的虚拟演练,从而得到准确的疏散路线和疏散时间,为实际疏散提供借鉴,减少人员伤亡。Pathfinder2012中的人员运动模式包括两种基本模式,即SFPE模式和Steering模式。由于不同的运动模式下,人员的运动规则不同,会使最终的疏散路线和疏散时间等结果不同。SFPE模式,是以出口流量为基础的人员运动模式。这种模式是基于《(美国消防工程师协会)SFPE消防手册保护工程》和《SFPE工程指南:火灾中的人类行为》中提出的流量模型,其人员疏散速度取决于每个房间内人员密度、穿过疏散口的人员流量、流率以及疏散口的宽度。由于没有考虑人的冲突和采取最短路径的做法,使得模拟显示不够真实。Steering模式是基于逆向指导(InverseSteering)的运动模式,该模式的实现理念来源于CraigReynolds提出的指导行为(Steeringbehavior),基于他在鸟群的研究中发现的三种基本行为(避免碰撞、速度一致和中心聚集)。Steering模式中采用的逆向指导模式更为复杂,它使用路径规划、指导机制、碰撞处理相结合的方法来控制人员运动,最终的模拟显示更为真实逼真,但由于没有考虑出口流量的限制,使得计算结果与SFPE手册计算的结果有一定的差别。综上考虑,为了兼顾模拟显示的真实性和计算的精确性,我们决定采用Steering运动模式对商场人员疏散进行模拟研究。2广场上的员工模拟2.1森林分区的提取选取和某地下商场疏散实验相同的场景,该商场被划分为四个防火分区,我们选取其中的三个防火分区作为研究对象,首先我们利用Pathfinder提取了商场的三个防火分区的示意图,如图1。整个场景的长约54m,宽约72m,中间区域和两侧区域分别代表三个独立的防火分区,防火分区之间开有一道防火门,商场有六个出口,行人通过这六个出口即认为行人成功疏散到安全地带,图1中白色区域为商场中的店铺和建筑物,在疏散时行人不能通过这些区域。2.2疏散过程模拟对比本场景模拟采用某地下商场疏散实验中得到的商场内人员疏散时的自由运动速度分布,如图2。我们将该速度分布设为软件中行人的最大速度分布,即平均速度为3.898m/s,标准方差为0.4495m/s,最大速度为4.7368m/s,最小速度为2.8125m/s。首先,为了验证软件模拟中运动模式以及软件参数选取的合理性,我们对比了实验和模拟的结果。根据商场疏散实验中各实验场景统计的数据设定了软件模拟时相应的疏散人数、出口选择和人员分布形式。通过表1和图3可以发现,软件模拟得到的各场景的疏散时间和实验得到的结果相差不大,并且模拟的疏散过程也和实际实验相符合。说明采用以上设定的软件参数可以较真实的模拟该商场的实际疏散过程。为了进一步研究借用相邻防火分区防火门作为安全出口对疏散过程的影响,我们继续以某商场的中间防火分区作为研究对象,采用上述已经过验证的软件参数,模拟人数变化时借用和不借用防火分区防火门的情况下疏散时间和疏散过程的变化。每次模拟时,人员分布均采用均匀分布,在相同人数和相同分布下分别模拟借用和不借用相邻防火分区防火门作为安全出口的情况。图4为人数为800,疏散20s时,借用和不借用情况下的疏散模拟情况图。从图5中可以发现,可借用相邻防火分区防火门情况下的疏散时间总是比不可借用相邻防火分区防火门情况下的疏散时间要小,说明在可借用相邻防火分区防火门疏散的情况下可以有效缩短疏散时间。并且随着疏散人数的增加,两种疏散情况的时间差往往会越大,在人数较少时,借用相邻防火分区防火门疏散的作用还不是很明显,如在人数为100人时,两者的时间差仅为3s,而当人数增加到1000人时,时间差就变为30s。这说明当疏散分区的人数比较多时,为了缩短总的疏散时间,有必要采取借用相邻防火分区防火门进行疏散的方法。我们对人数为100、300、500、700、900时,对比研究了在可借用和不可借用相邻防火分区防火门情况下随着时间的变化,分区内剩余人数的变化。如图6,从图6中可以发现,可借用相邻防火分区防火门情况下分区内人数减少得更快,即疏散的效率更高,并且这种趋势同样随着疏散总人数的变化变得更加明显,人数越多,两种情况下疏散效率的差别就越大。如果有火灾等危险事故发生,借用相邻防火分区防火门进行疏散,可以分散疏散人群,不仅缩短疏散时间,还可以提高疏散效率,拯救更多的生命。2.3相邻防火分区防火门处疏散在实际疏散中,商场内部也可能存在行人相向运动的现象,尤其是在允许借用相邻防火分区防火门进行疏散情况下,如果疏散引导不合理,当发生紧急情况时,在两个防火分区之间的防火门处可能会出现行人的相向流。为了研究在商场疏散中存在相向流对整个疏散的影响,我们继续采用Pathfinder对该商场的疏散进行了模拟。重点研究疏散时间随疏散人数和选择相向运动的行人比例的变化。每次模拟开始前,在中间的防火分区相邻的两个防火分区内分别选择一定比例的行人,该部分行人被设定为必须通过相邻防火分区之间的防火门才能疏散到安全区域,而中间的防火分区本身的行人可借用相邻防火分区进行疏散,即该分区内的行人可以自由选择出口。这样就会在两个相邻防火分区防火门处,即出口7、8,出现相向流的情况。我们模拟了总疏散人数为300、600、900,选择相向运动的行人比例分为0、0.2、0.4、0.6、0.8、1时商场疏散的情况。其中每次模拟时,三个防火分区的人数相等。如图7,选择相向运动的行人比例分别为0和0.4时,商场疏散过程中10s时的截图。从图7(a)可以发现,选择相向运动的行人比例分别为0时,在两个相邻防火分区防火门处没有出现相向流,而在图7(b)中,当选择比例变为0.4时,在两个相邻防火分区防火门处出现了相向流,相向运动的行人在两个防火门处形成了一定的拥挤。通过模拟相同的疏散人数下不同比例的行人选择相向运动和模拟相同比例的行人选择相向运动下,疏散人数变化时商场疏散情况的变化,我们得到了疏散时间随疏散人数和选择相向运动的行人比例的变化情况,如图8。通过图8可以发现,在相同疏散人数情况下,选择相向运动的行人所占比例越大,总的疏散时间就越长,并且当疏散人数增多时,疏散时间也会随之明显增多,为了研究人数增多时,疏散时间变化的程度,我们计算了选择相向运动的行人的各个比例的疏散时间与没有出现相向运动(选择比例为0)时的疏散时间的倍数关系,如比较选择相向运动的行人比例为0.8情况下与没有出现相向运动情况下的疏散时间的倍数关系,人数为300时,前者是后者的2.76倍;人数为600时,倍数为3.26;人数为900时,倍数为3.44;而当选择相向运动的行人比例为1时,这种倍数差别更大。通过以上分析,可以得出结论,在商场疏散时,当选择相向运动的行人所占比例越大时,疏散时间就会越长。在相同的选择相向运动的行人比例下,当疏散人数增多时,疏散时间也会变长,并且随着人数的增加,疏散时间变长的程度也会加重,即会对疏散造成更大的影响。3般社会分区疏散模拟采用人员疏散模拟软件Pathfinder2012对两种实验场景,即可借用相邻防火分区的商场疏散和存在相向流的商场疏散,分别进行了模拟,并得出了以下结论:1.采用Steering运动模式,并设置了和实验相同的场景和行人运动参数后,软件模拟得到了和实际实验相似的结果,证明了Pathfinder可以较真实的模拟出商场内的行人疏散过程。2.通过软件模拟发现,借用相邻防火分区进行疏散可以更快速地疏散人群,缩短疏散出该分区的时间,并且随着疏散总人数的变化变得更加明显。3.对存在相向流的商场疏散模拟后发现,当选择相向运动的行人所占比例越大时,疏散时间就会越长。随着人数的增加,疏散时间增长的程度也会加重,即会对疏散造成更大的影响。商场中的人员疏散是个复杂的过程,借用相邻防火分