2.連續(xù)性模型

連續(xù)性模型又可以稱為社會(huì)力模型，它基于多粒子自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的框架，使用經(jīng)典牛頓力學(xué)原理模擬步行者恐慌時(shí)的擁擠狀態(tài)的動(dòng)力學(xué)模型。社會(huì)力模型可以在一定程度上模擬人員的個(gè)體行為特征。

人的行為模擬是模擬疏散過程最復(fù)雜最困難的一方面，并非所有這些行為特性都能被充分認(rèn)識(shí)或完全量化。到目前為止，還沒有一個(gè)模型能完全解決人的疏散行為的各個(gè)方面。另外目前工程分析中經(jīng)常應(yīng)用的一些比較成熟的疏散模擬模型，從幾何建模、人員行為模擬、結(jié)果表現(xiàn)等不同方面各具特點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用應(yīng)根據(jù)工程的具體特點(diǎn)和需求合理選擇適應(yīng)的疏散模型。以下介紹幾種工程上常用的疏散模擬軟件。

（二）常用人員疏散模擬軟件簡介

1.EVACNET軟件

EVACNET軟件是美國Florida大學(xué)Kisko等人開發(fā)的一種模擬建筑火災(zāi)中人員逃生的計(jì)算機(jī)程序。它是一種網(wǎng)絡(luò)模型，包含一組由節(jié)點(diǎn)和弧線組成的網(wǎng)絡(luò)，其節(jié)點(diǎn)表示房間、樓梯等，弧線表示連接房間的通道。對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)，用戶需要定義節(jié)點(diǎn)的能力，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)最多可容納的人數(shù)。對(duì)于每條弧線，用戶需要確定人員通過弧線所需的時(shí)間和通過能力。EVACNET將整個(gè)疏散時(shí)間劃分為若干時(shí)間步?；【€的通過能力指在給定的時(shí)間步內(nèi)通道可通過的最多人數(shù)。其建模思路為：首先設(shè)定某節(jié)點(diǎn)的面積和容納人數(shù)，然后確定在該節(jié)點(diǎn)有效出口單位寬度、單位時(shí)間內(nèi)的人員流量。EVACNET模型可以進(jìn)行多種建筑物內(nèi)的人員疏散模擬，包括辦公樓、飯店、禮堂、體育館、零售商店和學(xué)校等。

2.EGRESS軟件

EGRESS軟件是由英國AEA科技公司研究人員Neil Ketchell開發(fā)的一個(gè)通用疏散軟件。該軟件利用建筑平面圖建立模擬人員個(gè)體移動(dòng)的模型。在EGRESS中，人員被模擬為一個(gè)網(wǎng)格上的一個(gè)個(gè)體。采用的仿真技術(shù)基于元胞自動(dòng)機(jī)，在每一個(gè)時(shí)間步，人員由隨機(jī)因子決定從一個(gè)單元格移動(dòng)到另外一個(gè)單元格。隨機(jī)因子作為密度的函數(shù)根據(jù)速度或者流量信息進(jìn)行校正，并可以充分地運(yùn)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在一系列疏散實(shí)驗(yàn)中， EGRESS的有效性已經(jīng)被證明。該程序與測量的疏散時(shí)間的一致性具有10%~20％的差別。EGRESS允許對(duì)不同行為、阻塞和瓶頸的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以模擬上千人和若干平方公里的平面區(qū)域。EGRESS可用于大量不同的疏散仿真，從海上石油天然氣平臺(tái)到輪船、火車站、化工廠、飛機(jī)、火車和公共娛樂場所。

3.EXIT89軟件

EXIT89由美國消防協(xié)會(huì)的Rita F．Fahy開發(fā)的一個(gè)用于大量人員從高層建筑疏散而設(shè)計(jì)的疏散模型。該軟件可用于模擬高密度人員的建筑的疏散。例如高層建筑，它可以跟蹤個(gè)體在建筑物內(nèi)的行動(dòng)軌跡。從消防安全的角度來評(píng)估大型建筑設(shè)計(jì)時(shí)，該模型可以處理一些疏散場景中相關(guān)的因素，包括：

（1）考慮各種不同行動(dòng)能力的人員。包括限制行動(dòng)能力的人員和兒童。

（2）延遲時(shí)間，既包括可以用來代替移動(dòng)前的準(zhǔn)備活動(dòng)的時(shí)間(由用戶根據(jù)每個(gè)位置指定)，也包括隨機(jī)的額外時(shí)間，可以當(dāng)作人員疏散開始時(shí)間。

（3）提供選擇路徑功能—使用模型計(jì)算出來的最短路徑，可以用來模擬經(jīng)過良好訓(xùn)練的或者有工作人員協(xié)助的疏散過程；或者使用用戶指定的路徑，可以用來模擬人員使用熟悉的出口或者忽略某些緊急出口的疏散過程。

（4）提供選擇步速功能，可以反映正常移動(dòng)和緊急狀況下移動(dòng)的差別，前者可能適于演習(xí)情況下的疏散，后者更適宜于人員在緊急情況下的反應(yīng)。

（5）反向流，當(dāng)沿著疏散路徑發(fā)生堵塞時(shí)，人員就會(huì)向與原疏散方向相反的方向流動(dòng)。

（6）具備上下樓梯功能，從而擴(kuò)展模型的應(yīng)用范圍，例如有人層位于地下或者更多的需要上樓梯而不是下樓梯的建筑。

該軟件還可以模擬煙氣對(duì)疏散的影響，通過將用戶定義的煙氣阻塞或者從CFAST輸出的火場熱煙氣數(shù)據(jù)導(dǎo)入到疏散場景中從而影響到疏散運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

4. EXODUS軟件

EXODUS軟件是由英國格林威治大學(xué)的EXODUS團(tuán)隊(duì)開發(fā)的，是一個(gè)模擬個(gè)人、行為和封閉區(qū)間的細(xì)節(jié)的計(jì)算機(jī)疏散模型。模型包括了人與人之間、人與建筑之間和人與環(huán)境之間的互相作用。它可以模擬大型建筑物中上千人規(guī)模的疏散并可包含火災(zāi)煙氣影響因素。在EXODUS中，空間和時(shí)間用二維空間網(wǎng)格和仿真時(shí)鐘表示。空間網(wǎng)格反映了建筑物的幾何形狀、出口位置、內(nèi)部分區(qū)、障礙物等。多層幾何形狀可以用由樓梯連接的多個(gè)網(wǎng)格組成，每一層放在獨(dú)立的窗口中。建筑平面圖或用CAD產(chǎn)生的DXF文件，也可用交互工具提供，網(wǎng)格由節(jié)點(diǎn)和弧線組成，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)小的空間，每一段弧代表節(jié)點(diǎn)之間的距離。人員沿著弧線從一個(gè)節(jié)點(diǎn)到另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

該軟件由5個(gè)互相關(guān)聯(lián)的子模型組成，它們是人員、移動(dòng)、行為、毒性和危險(xiǎn)子模型。模型跟蹤每一個(gè)人在建筑物中的移動(dòng)軌跡，以及人們的模擬狀態(tài)——或者疏散到安全地點(diǎn)，或者被火災(zāi)所傷害。模型基于行為規(guī)則和個(gè)體屬性，每一個(gè)人的前進(jìn)和行為由一系列啟發(fā)性規(guī)則決定。行為子模型決定了人員對(duì)當(dāng)前環(huán)境的響應(yīng)，并將其決定傳遞給移動(dòng)子模型。行為子模型在兩個(gè)層次起作用，即全局行為和局部行為，全局行為假設(shè)人員采用最近的可用疏散出口或者最熟悉的出口來逃生；局部行為可以模擬以下現(xiàn)象：決定人員對(duì)疏散警報(bào)的初始響應(yīng)、沖突的解決、超越以及選擇可能的繞行路徑等。這些都取決于人員的個(gè)體屬性。毒性子模型決定環(huán)境對(duì)人員的生理影響，考慮了毒性和物理危險(xiǎn)，包括升高的溫度、熱輻射、C0、C02以及02含量等因素影響，并且估計(jì)了人員失去行動(dòng)能力的時(shí)間；它采用‘毒性比例效果劑量’模型(FED)，假設(shè)火災(zāi)危險(xiǎn)的影響由接受到的劑量而不是暴露的濃度決定，并且累計(jì)暴露期間的比例。EXODUS建?？梢圆捎脤?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或者從其他模型得到數(shù)值數(shù)據(jù),允許CFAST計(jì)算數(shù)據(jù)導(dǎo)入到EXODUS中。EXODUS模擬完畢后，可以使用數(shù)據(jù)分析工具來處理數(shù)據(jù)輸出文件。另外，提供了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的后處理圖形環(huán)境，提供疏散的三維動(dòng)畫演示。

5.SIMULEX軟件

SIMULEX軟件最先是由英國Edinburgh大學(xué)設(shè)計(jì)，后來由蘇格蘭的Peter Thompson博士繼續(xù)發(fā)展的人員疏散模擬軟件，可以用來模擬大量人員在多層建筑物中的疏散過程。該軟件可以模擬大型、復(fù)雜幾何形狀、帶有多個(gè)樓層和樓梯的建筑物，可以接受CAD生成的定義單個(gè)樓層的文件；可以容納上千人，用戶可以看到在疏散過程中，每個(gè)人在建筑中的任意一點(diǎn)、任意時(shí)刻的移動(dòng)。模擬結(jié)束后，會(huì)生成一個(gè)包含疏散過程詳細(xì)信息的文本文件。SIMULEX把一個(gè)多層建筑定義為一系列二維樓層平面圖，它們通過樓梯連接；用三個(gè)圓代表每一個(gè)人的平面形狀，精確地模擬了實(shí)際的人員。SIMULEX的移動(dòng)特性基于對(duì)每一個(gè)人穿過建筑物空間時(shí)的精確模擬。模擬了的移動(dòng)類型包括：正常不受阻礙的行走，由于與其他人接近造成的速度降低、行走超越、身體的旋轉(zhuǎn)和障礙避讓。SIMULEX還模擬了最近路徑出口選擇機(jī)制，而心理影響因素和煙氣影響因素將是模型將要進(jìn)一步發(fā)展的一部分。由于SIMULEX軟件的易用性以及它能夠較為真實(shí)地反映出疏散過程中可能出現(xiàn)的各種情況，已經(jīng)被越來越多地應(yīng)用于實(shí)際工程中。

6.STEPS軟件

STEPS軟件是由英國Mott MacDonaId公司開發(fā)的一個(gè)三維疏散軟件，可以模擬辦公區(qū)、體育場館、購物中心和地鐵車站等場所，這些場所要求確保在正常情況下的交通，而在緊急情況下可以快速疏散。在大而擁擠的地方，通過模擬所獲得的最優(yōu)化人流，可以為建筑消防設(shè)計(jì)提供一個(gè)更適宜的環(huán)境和更有效的安全疏散設(shè)計(jì)方案。目前，STEPS已經(jīng)被應(yīng)用于加拿大埃得蒙頓機(jī)場、印度德里地鐵、美國明尼阿波利斯LRT、英國生命國際中心和倫敦希思羅機(jī)場第五出口鐵路／地鐵。通過與NFPA基于建筑法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)作比較，STEPS的有效性已經(jīng)得到驗(yàn)證。

STEPS具有很大的靈活性，它可以分配具有不同屬性的人員，給予他們各自的耐心等級(jí)和適應(yīng)性等心理影響因素；也可以指定年齡、尺寸和性別。同時(shí)，它還考慮了人員對(duì)建筑物的熟悉性，它也將影響疏散人員的個(gè)體行為。其中，耐心等級(jí)決定了當(dāng)出口附近的人群擁擠時(shí)，人員是繼續(xù)排隊(duì)等候，還是動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向另一個(gè)最近的出口。

STEPS也很獨(dú)特，它具有在疏散過程中改變條件的能力—像日常生活中發(fā)生的那樣。煙氣可能封閉特定的出口，緊急設(shè)施可能開始向人群服務(wù)，并且人員在不同的時(shí)間從不同的區(qū)域開始疏散。模擬一開始，人群首先依照他們預(yù)置的特性進(jìn)行行動(dòng)，影響人員行為的因素與現(xiàn)實(shí)生活相同—人們向相反的方向移動(dòng)、阻塞、減速以及排隊(duì)。當(dāng)一個(gè)緊急情況產(chǎn)生，每個(gè)人的行程將因?yàn)閺恼ＤＪ睫D(zhuǎn)到疏散模式而被重新設(shè)定，但是仍舊遵循他們的各自特性。

使用者可按照需要將模型平面界定為不同大小的網(wǎng)格系統(tǒng)。目前STEPS模型中只允許每個(gè)人占據(jù)一個(gè)網(wǎng)格。當(dāng)開始計(jì)算時(shí)，STEPS會(huì)使用一種遞歸算法來尋找每一個(gè)網(wǎng)格與出口之間的距離。

STEPS與SIMULEX一樣都屬于用于人員疏散模擬計(jì)算的精細(xì)網(wǎng)格模型，都可以用于使用人數(shù)眾多的多層建筑的疏散模擬分析。這兩個(gè)疏散軟件各有特色，由于它們?cè)诟髯陨瞄L的領(lǐng)域的出眾特點(diǎn)，它們?cè)诠こ讨械膽?yīng)用也越來越廣泛。STEPS與SIMULEX兩種軟件特點(diǎn)對(duì)比如表5-4-10所示。

表5-4-10 STEPS與SIMULEX兩種軟件特點(diǎn)對(duì)比

項(xiàng)目 STEPS SIMULEX

分類 精細(xì)網(wǎng)格法 精細(xì)網(wǎng)格法

空間維數(shù) 三維 二維模擬三維

輸入圖 CAD圖 CAD圖

網(wǎng)格大小可調(diào) 是 否

網(wǎng)格與人員關(guān)系 每個(gè)人占據(jù)一個(gè)網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格只能有一個(gè)人 不同類型的人員占據(jù)不同面積，不受網(wǎng)格約束

方向選擇 動(dòng)態(tài)決策系統(tǒng) 等距圖

人員行走方向 45°角的8個(gè)方向 任意方向

初始人員行走速度 用戶設(shè)置 通過用戶設(shè)置的人員屬性自動(dòng)設(shè)置、隨機(jī)分布

人員行走速度是否可調(diào) 否，除非被阻擋而停止 是，隨密度動(dòng)態(tài)調(diào)整

是否可以動(dòng)態(tài)改變出口 是 否

計(jì)算時(shí)間步長 0.5s 0.1s

五、人員疏散安全性評(píng)估

火災(zāi)中人員的安全疏散指的是在火災(zāi)煙氣未達(dá)到危害人員生命狀態(tài)之前，建筑內(nèi)的所有人員安全地疏散到安全區(qū)域的行動(dòng)。在人員疏散的安全評(píng)估中，關(guān)于建筑內(nèi)的消防安全性能判定的主要原則是：在建筑某火災(zāi)危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，如人的可用疏散時(shí)間（ASET）足以超過必需疏散時(shí)間（RSET），即ASET > RSET，則建筑疏散設(shè)計(jì)方案可行；否則需對(duì)該設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整，直至其滿足人員安全疏散的要求。人員疏散安全性評(píng)估方法及流程見圖5-4-15。

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圖5-4-15 人員疏散安全性評(píng)估方法及流程

對(duì)于評(píng)估后需要改進(jìn)，提高疏散安全性的場所，可以通過以下幾方面來解決：

①增加疏散出口的數(shù)量，縮短獨(dú)立疏散出口間距離；增加疏散出口及疏散通道的寬度，提高疏散通道通行能力；

②改善區(qū)域煙氣控制措施，如提高排煙量、改變排煙方式、改進(jìn)防煙分區(qū)設(shè)置等；

③改善火災(zāi)探測、報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)，改善應(yīng)急通知和廣播系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高早期報(bào)警速度、改善火災(zāi)警報(bào)通知效果；

④完善疏散指示系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括：出口標(biāo)志、導(dǎo)流標(biāo)志以及加強(qiáng)應(yīng)急照明，提高疏散通道使用效率。

此外，火災(zāi)發(fā)生過程中還可能出現(xiàn)很多特殊的情況，例如疏散過程中建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、人員被困等多種情況。因此，在人員安全疏散的判定標(biāo)準(zhǔn)中還可以根據(jù)具體情況，考慮特殊性制定具體的判定標(biāo)準(zhǔn)。

如：當(dāng)結(jié)構(gòu)存在坍塌的危險(xiǎn)時(shí)，要保證人員的安全，需要同時(shí)滿足下面的條件：

RSET＜min(Tfr，Tf) （5-4-47）

其中：Tfr—為結(jié)構(gòu)的耐火極限；

Tf—為在火災(zāi)條件下結(jié)構(gòu)的失效時(shí)間。

又如：當(dāng)人員無法疏散、需要滯留在建筑內(nèi)等待救援時(shí)，需要同時(shí)滿足下面的條件：

k×Tcontrol＜min(Tfr，Tf) （5-4-48）

其中：Tcontrol—為消防隊(duì)有效控火時(shí)間；

K—為安全系數(shù)。
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