基于相鄰防火分區(qū)的人員疏散仿真研究

基于相鄰防火分區(qū)的人員疏散仿真研究

0般安全疏散能力研究近年來，隨著城市化進(jìn)程的加快，購物中心建筑相繼建成，成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?。商場建筑具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜,建筑面積大,人群密度高等特點(diǎn),特別是為了節(jié)約地上空間而建設(shè)的地下商場,還具有火災(zāi)荷載大,排煙散熱差,人群疏散困難等特點(diǎn),在商場內(nèi)一旦發(fā)生火災(zāi)等事故,易造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此研究商場內(nèi)的人員疏散具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。鑒于國內(nèi)商場疏散的嚴(yán)峻形勢,國內(nèi)許多學(xué)者針對商場的人員疏散能力開展了一定的研究。程旭東等人在超市內(nèi)開展了事先通知的人員疏散演習(xí),并結(jié)合調(diào)查問卷對超市內(nèi)行人的疏散進(jìn)行了研究。趙軍等人針對大型建材家居類商場的建筑面積大,疏散寬度小等特點(diǎn)開展了人員安全疏散的研究,提出了系統(tǒng)解決方案。姚長春等人利用性能化分析的方法,進(jìn)行了煙氣運(yùn)動(dòng)和人員疏散的模擬計(jì)算,研究了某地下商場防火分區(qū)的劃分方法對人員安全疏散的影響。現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《人民防空工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中將“用防火墻分隔的相鄰防火分區(qū)”視為安全出口,允許相鄰防火分區(qū)之間的防火門寬度部分計(jì)入疏散寬度,“《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》整合修訂征求意見稿”中也有類似規(guī)定。對于一些大型地下商場,由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、建筑面積大和人員密度大等特點(diǎn),為了滿足國內(nèi)相關(guān)法規(guī)的安全疏散要求,往往需要采取借用相鄰防火分區(qū)進(jìn)行疏散的方法。袁奕之對比了相關(guān)消防技術(shù)規(guī)范對地下商場安全疏散規(guī)定的差異,并研究某商場允許借用相鄰防火分區(qū)進(jìn)行疏散下的疏散案例,提出了地下商場安全疏散計(jì)算的建議。然而目前,國內(nèi)針對地下商場中借用相鄰防火分區(qū)疏散的影響研究較少,并且沒有考慮到借用相鄰防火分區(qū)可能出現(xiàn)的相向行人流沖突。為了研究地下商場借用防火分區(qū)防火門進(jìn)行疏散對疏散效率的影響,我們在已開展商場疏散實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用人員疏散仿真軟件進(jìn)行商場人員疏散分析,重點(diǎn)研究可借用相鄰防火分區(qū)的商場疏散和存在相向流的商場疏散。1模式和模擬結(jié)果Pathfinder是由美國Thunderheadengineering公司開發(fā)的一個(gè)基于智能體的人員運(yùn)動(dòng)和疏散的模擬仿真軟件,它利用計(jì)算機(jī)圖形仿真和游戲角色領(lǐng)域的技術(shù),對多個(gè)群體中的每個(gè)人員運(yùn)動(dòng)都進(jìn)行圖形化的虛擬演練,從而得到準(zhǔn)確的疏散路線和疏散時(shí)間,為實(shí)際疏散提供借鑒,減少人員傷亡。Pathfinder2012中的人員運(yùn)動(dòng)模式包括兩種基本模式,即SFPE模式和Steering模式。由于不同的運(yùn)動(dòng)模式下,人員的運(yùn)動(dòng)規(guī)則不同,會(huì)使最終的疏散路線和疏散時(shí)間等結(jié)果不同。SFPE模式,是以出口流量為基礎(chǔ)的人員運(yùn)動(dòng)模式。這種模式是基于《(美國消防工程師協(xié)會(huì))SFPE消防手冊保護(hù)工程》和《SFPE工程指南:火災(zāi)中的人類行為》中提出的流量模型,其人員疏散速度取決于每個(gè)房間內(nèi)人員密度、穿過疏散口的人員流量、流率以及疏散口的寬度。由于沒有考慮人的沖突和采取最短路徑的做法,使得模擬顯示不夠真實(shí)。Steering模式是基于逆向指導(dǎo)(InverseSteering)的運(yùn)動(dòng)模式,該模式的實(shí)現(xiàn)理念來源于CraigReynolds提出的指導(dǎo)行為(Steeringbehavior),基于他在鳥群的研究中發(fā)現(xiàn)的三種基本行為(避免碰撞、速度一致和中心聚集)。Steering模式中采用的逆向指導(dǎo)模式更為復(fù)雜,它使用路徑規(guī)劃、指導(dǎo)機(jī)制、碰撞處理相結(jié)合的方法來控制人員運(yùn)動(dòng),最終的模擬顯示更為真實(shí)逼真,但由于沒有考慮出口流量的限制,使得計(jì)算結(jié)果與SFPE手冊計(jì)算的結(jié)果有一定的差別。綜上考慮,為了兼顧模擬顯示的真實(shí)性和計(jì)算的精確性,我們決定采用Steering運(yùn)動(dòng)模式對商場人員疏散進(jìn)行模擬研究。2廣場上的員工模擬2.1森林分區(qū)的提取選取和某地下商場疏散實(shí)驗(yàn)相同的場景,該商場被劃分為四個(gè)防火分區(qū),我們選取其中的三個(gè)防火分區(qū)作為研究對象,首先我們利用Pathfinder提取了商場的三個(gè)防火分區(qū)的示意圖,如圖1。整個(gè)場景的長約54m,寬約72m,中間區(qū)域和兩側(cè)區(qū)域分別代表三個(gè)獨(dú)立的防火分區(qū),防火分區(qū)之間開有一道防火門,商場有六個(gè)出口,行人通過這六個(gè)出口即認(rèn)為行人成功疏散到安全地帶,圖1中白色區(qū)域?yàn)樯虉鲋械牡赇伜徒ㄖ?在疏散時(shí)行人不能通過這些區(qū)域。2.2疏散過程模擬對比本場景模擬采用某地下商場疏散實(shí)驗(yàn)中得到的商場內(nèi)人員疏散時(shí)的自由運(yùn)動(dòng)速度分布,如圖2。我們將該速度分布設(shè)為軟件中行人的最大速度分布,即平均速度為3.898m/s,標(biāo)準(zhǔn)方差為0.4495m/s,最大速度為4.7368m/s,最小速度為2.8125m/s。首先,為了驗(yàn)證軟件模擬中運(yùn)動(dòng)模式以及軟件參數(shù)選取的合理性,我們對比了實(shí)驗(yàn)和模擬的結(jié)果。根據(jù)商場疏散實(shí)驗(yàn)中各實(shí)驗(yàn)場景統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)設(shè)定了軟件模擬時(shí)相應(yīng)的疏散人數(shù)、出口選擇和人員分布形式。通過表1和圖3可以發(fā)現(xiàn),軟件模擬得到的各場景的疏散時(shí)間和實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果相差不大,并且模擬的疏散過程也和實(shí)際實(shí)驗(yàn)相符合。說明采用以上設(shè)定的軟件參數(shù)可以較真實(shí)的模擬該商場的實(shí)際疏散過程。為了進(jìn)一步研究借用相鄰防火分區(qū)防火門作為安全出口對疏散過程的影響,我們繼續(xù)以某商場的中間防火分區(qū)作為研究對象,采用上述已經(jīng)過驗(yàn)證的軟件參數(shù),模擬人數(shù)變化時(shí)借用和不借用防火分區(qū)防火門的情況下疏散時(shí)間和疏散過程的變化。每次模擬時(shí),人員分布均采用均勻分布,在相同人數(shù)和相同分布下分別模擬借用和不借用相鄰防火分區(qū)防火門作為安全出口的情況。圖4為人數(shù)為800,疏散20s時(shí),借用和不借用情況下的疏散模擬情況圖。從圖5中可以發(fā)現(xiàn),可借用相鄰防火分區(qū)防火門情況下的疏散時(shí)間總是比不可借用相鄰防火分區(qū)防火門情況下的疏散時(shí)間要小,說明在可借用相鄰防火分區(qū)防火門疏散的情況下可以有效縮短疏散時(shí)間。并且隨著疏散人數(shù)的增加,兩種疏散情況的時(shí)間差往往會(huì)越大,在人數(shù)較少時(shí),借用相鄰防火分區(qū)防火門疏散的作用還不是很明顯,如在人數(shù)為100人時(shí),兩者的時(shí)間差僅為3s,而當(dāng)人數(shù)增加到1000人時(shí),時(shí)間差就變?yōu)?0s。這說明當(dāng)疏散分區(qū)的人數(shù)比較多時(shí),為了縮短總的疏散時(shí)間,有必要采取借用相鄰防火分區(qū)防火門進(jìn)行疏散的方法。我們對人數(shù)為100、300、500、700、900時(shí),對比研究了在可借用和不可借用相鄰防火分區(qū)防火門情況下隨著時(shí)間的變化,分區(qū)內(nèi)剩余人數(shù)的變化。如圖6,從圖6中可以發(fā)現(xiàn),可借用相鄰防火分區(qū)防火門情況下分區(qū)內(nèi)人數(shù)減少得更快,即疏散的效率更高,并且這種趨勢同樣隨著疏散總?cè)藬?shù)的變化變得更加明顯,人數(shù)越多,兩種情況下疏散效率的差別就越大。如果有火災(zāi)等危險(xiǎn)事故發(fā)生,借用相鄰防火分區(qū)防火門進(jìn)行疏散,可以分散疏散人群,不僅縮短疏散時(shí)間,還可以提高疏散效率,拯救更多的生命。2.3相鄰防火分區(qū)防火門處疏散在實(shí)際疏散中,商場內(nèi)部也可能存在行人相向運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象,尤其是在允許借用相鄰防火分區(qū)防火門進(jìn)行疏散情況下,如果疏散引導(dǎo)不合理,當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí),在兩個(gè)防火分區(qū)之間的防火門處可能會(huì)出現(xiàn)行人的相向流。為了研究在商場疏散中存在相向流對整個(gè)疏散的影響,我們繼續(xù)采用Pathfinder對該商場的疏散進(jìn)行了模擬。重點(diǎn)研究疏散時(shí)間隨疏散人數(shù)和選擇相向運(yùn)動(dòng)的行人比例的變化。每次模擬開始前,在中間的防火分區(qū)相鄰的兩個(gè)防火分區(qū)內(nèi)分別選擇一定比例的行人,該部分行人被設(shè)定為必須通過相鄰防火分區(qū)之間的防火門才能疏散到安全區(qū)域,而中間的防火分區(qū)本身的行人可借用相鄰防火分區(qū)進(jìn)行疏散,即該分區(qū)內(nèi)的行人可以自由選擇出口。這樣就會(huì)在兩個(gè)相鄰防火分區(qū)防火門處,即出口7、8,出現(xiàn)相向流的情況。我們模擬了總疏散人數(shù)為300、600、900,選擇相向運(yùn)動(dòng)的行人比例分為0、0.2、0.4、0.6、0.8、1時(shí)商場疏散的情況。其中每次模擬時(shí),三個(gè)防火分區(qū)的人數(shù)相等。如圖7,選擇相向運(yùn)動(dòng)的行人比例分別為0和0.4時(shí),商場疏散過程中10s時(shí)的截圖。從圖7(a)可以發(fā)現(xiàn),選擇相向運(yùn)動(dòng)的行人比例分別為0時(shí),在兩個(gè)相鄰防火分區(qū)防火門處沒有出現(xiàn)相向流,而在圖7(b)中,當(dāng)選擇比例變?yōu)?.4時(shí),在兩個(gè)相鄰防火分區(qū)防火門處出現(xiàn)了相向流,相向運(yùn)動(dòng)的行人在兩個(gè)防火門處形成了一定的擁擠。通過模擬相同的疏散人數(shù)下不同比例的行人選擇相向運(yùn)動(dòng)和模擬相同比例的行人選擇相向運(yùn)動(dòng)下,疏散人數(shù)變化時(shí)商場疏散情況的變化,我們得到了疏散時(shí)間隨疏散人數(shù)和選擇相向運(yùn)動(dòng)的行人比例的變化情況,如圖8。通過圖8可以發(fā)現(xiàn),在相同疏散人數(shù)情況下,選擇相向運(yùn)動(dòng)的行人所占比例越大,總的疏散時(shí)間就越長,并且當(dāng)疏散人數(shù)增多時(shí),疏散時(shí)間也會(huì)隨之明顯增多,為了研究人數(shù)增多時(shí),疏散時(shí)間變化的程度,我們計(jì)算了選擇相向運(yùn)動(dòng)的行人的各個(gè)比例的疏散時(shí)間與沒有出現(xiàn)相向運(yùn)動(dòng)(選擇比例為0)時(shí)的疏散時(shí)間的倍數(shù)關(guān)系,如比較選擇相向運(yùn)動(dòng)的行人比例為0.8情況下與沒有出現(xiàn)相向運(yùn)動(dòng)情況下的疏散時(shí)間的倍數(shù)關(guān)系,人數(shù)為300時(shí),前者是后者的2.76倍;人數(shù)為600時(shí),倍數(shù)為3.26;人數(shù)為900時(shí),倍數(shù)為3.44;而當(dāng)選擇相向運(yùn)動(dòng)的行人比例為1時(shí),這種倍數(shù)差別更大。通過以上分析,可以得出結(jié)論,在商場疏散時(shí),當(dāng)選擇相向運(yùn)動(dòng)的行人所占比例越大時(shí),疏散時(shí)間就會(huì)越長。在相同的選擇相向運(yùn)動(dòng)的行人比例下,當(dāng)疏散人數(shù)增多時(shí),疏散時(shí)間也會(huì)變長,并且隨著人數(shù)的增加,疏散時(shí)間變長的程度也會(huì)加重,即會(huì)對疏散造成更大的影響。3般社會(huì)分區(qū)疏散模擬采用人員疏散模擬軟件Pathfinder2012對兩種實(shí)驗(yàn)場景,即可借用相鄰防火分區(qū)的商場疏散和存在相向流的商場疏散,分別進(jìn)行了模擬,并得出了以下結(jié)論:1.采用Steering運(yùn)動(dòng)模式,并設(shè)置了和實(shí)驗(yàn)相同的場景和行人運(yùn)動(dòng)參數(shù)后,軟件模擬得到了和實(shí)際實(shí)驗(yàn)相似的結(jié)果,證明了Pathfinder可以較真實(shí)的模擬出商場內(nèi)的行人疏散過程。2.通過軟件模擬發(fā)現(xiàn),借用相鄰防火分區(qū)進(jìn)行疏散可以更快速地疏散人群,縮短疏散出該分區(qū)的時(shí)間,并且隨著疏散總?cè)藬?shù)的變化變得更加明顯。3.對存在相向流的商場疏散模擬后發(fā)現(xiàn),當(dāng)選擇相向運(yùn)動(dòng)的行人所占比例越大時(shí),疏散時(shí)間就會(huì)越長。隨著人數(shù)的增加,疏散時(shí)間增長的程度也會(huì)加重,即會(huì)對疏散造成更大的影響。商場中的人員疏散是個(gè)復(fù)雜的過程,借用相鄰防火分