2.連續(xù)性模型

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

人的行為模擬是模擬疏散過程最復雜最困難的一方面，并非所有這些行為特性都能被充分認識或完全量化。到目前為止，還沒有一個模型能完全解決人的疏散行為的各個方面。另外目前工程分析中經(jīng)常應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、結果表現(xiàn)等不同方面各具特點，實際應用應根據(jù)工程的具體特點和需求合理選擇適應的疏散模型。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Kisko等人開發(fā)的一種模擬建筑火災中人員逃生的計算機程序。它是一種網(wǎng)絡模型，包含一組由節(jié)點和弧線組成的網(wǎng)絡，其節(jié)點表示房間、樓梯等，弧線表示連接房間的通道。對于每個節(jié)點，用戶需要定義節(jié)點的能力，即每個節(jié)點內最多可容納的人數(shù)。對于每條弧線，用戶需要確定人員通過弧線所需的時間和通過能力。EVACNET將整個疏散時間劃分為若干時間步?；【€的通過能力指在給定的時間步內通道可通過的最多人數(shù)。其建模思路為：首先設定某節(jié)點的面積和容納人數(shù)，然后確定在該節(jié)點有效出口單位寬度、單位時間內的人員流量。EVACNET模型可以進行多種建筑物內的人員疏散模擬，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)的一個通用疏散軟件。該軟件利用建筑平面圖建立模擬人員個體移動的模型。在EGRESS中，人員被模擬為一個網(wǎng)格上的一個個體。采用的仿真技術基于元胞自動機，在每一個時間步，人員由隨機因子決定從一個單元格移動到另外一個單元格。隨機因子作為密度的函數(shù)根據(jù)速度或者流量信息進行校正，并可以充分地運用實驗數(shù)據(jù)。在一系列疏散實驗中， EGRESS的有效性已經(jīng)被證明。該程序與測量的疏散時間的一致性具有10%~20％的差別。EGRESS允許對不同行為、阻塞和瓶頸的影響進行評價，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到輪船、火車站、化工廠、飛機、火車和公共娛樂場所。

3.EXIT89軟件

EXIT89由美國消防協(xié)會的Rita F．Fahy開發(fā)的一個用于大量人員從高層建筑疏散而設計的疏散模型。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，它可以跟蹤個體在建筑物內的行動軌跡。從消防安全的角度來評估大型建筑設計時，該模型可以處理一些疏散場景中相關的因素，包括：

（1）考慮各種不同行動能力的人員。包括限制行動能力的人員和兒童。

（2）延遲時間，既包括可以用來代替移動前的準備活動的時間(由用戶根據(jù)每個位置指定)，也包括隨機的額外時間，可以當作人員疏散開始時間。

（3）提供選擇路徑功能—使用模型計算出來的最短路徑，可以用來模擬經(jīng)過良好訓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，可以反映正常移動和緊急狀況下移動的差別，前者可能適于演習情況下的疏散，后者更適宜于人員在緊急情況下的反應。

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

（6）具備上下樓梯功能，從而擴展模型的應用范圍，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)導入到疏散場景中從而影響到疏散運動狀態(tài)。

4. EXODUS軟件

EXODUS軟件是由英國格林威治大學的EXODUS團隊開發(fā)的，是一個模擬個人、行為和封閉區(qū)間的細節(jié)的計算機疏散模型。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煙氣影響因素。在EXODUS中，空間和時間用二維空間網(wǎng)格和仿真時鐘表示?？臻g網(wǎng)格反映了建筑物的幾何形狀、出口位置、內部分區(qū)、障礙物等。多層幾何形狀可以用由樓梯連接的多個網(wǎng)格組成，每一層放在獨立的窗口中。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)點和弧線組成，每一個節(jié)點代表一個小的空間，每一段弧代表節(jié)點之間的距離。人員沿著弧線從一個節(jié)點到另外一個節(jié)點。

該軟件由5個互相關聯(lián)的子模型組成，它們是人員、移動、行為、毒性和危險子模型。模型跟蹤每一個人在建筑物中的移動軌跡，以及人們的模擬狀態(tài)——或者疏散到安全地點，或者被火災所傷害。模型基于行為規(guī)則和個體屬性，每一個人的前進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當前環(huán)境的響應，并將其決定傳遞給移動子模型。行為子模型在兩個層次起作用，即全局行為和局部行為，全局行為假設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：決定人員對疏散警報的初始響應、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體屬性。毒性子模型決定環(huán)境對人員的生理影響，考慮了毒性和物理危險，包括升高的溫度、熱輻射、C0、C02以及02含量等因素影響，并且估計了人員失去行動能力的時間；它采用‘毒性比例效果劑量’模型(FED)，假設火災危險的影響由接受到的劑量而不是暴露的濃度決定，并且累計暴露期間的比例。EXODUS建?？梢圆捎脤嶒灁?shù)據(jù)或者從其他模型得到數(shù)值數(shù)據(jù),允許CFAST計算數(shù)據(jù)導入到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)實的后處理圖形環(huán)境，提供疏散的三維動畫演示。

5.SIMULEX軟件

SIMULEX軟件最先是由英國Edinburgh大學設計，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、復雜幾何形狀、帶有多個樓層和樓梯的建筑物，可以接受CAD生成的定義單個樓層的文件；可以容納上千人，用戶可以看到在疏散過程中，每個人在建筑中的任意一點、任意時刻的移動。模擬結束后，會生成一個包含疏散過程詳細信息的文本文件。SIMULEX把一個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；用三個圓代表每一個人的平面形狀，精確地模擬了實際的人員。SIMULEX的移動特性基于對每一個人穿過建筑物空間時的精確模擬。模擬了的移動類型包括：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、身體的旋轉和障礙避讓。SIMULEX還模擬了最近路徑出口選擇機制，而心理影響因素和煙氣影響因素將是模型將要進一步發(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)被越來越多地應用于實際工程中。

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，可以為建筑消防設計提供一個更適宜的環(huán)境和更有效的安全疏散設計方案。目前，STEPS已經(jīng)被應用于加拿大埃得蒙頓機場、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場第五出口鐵路／地鐵。通過與NFPA基于建筑法規(guī)標準的設計作比較，STEPS的有效性已經(jīng)得到驗證。

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和適應性等心理影響因素；也可以指定年齡、尺寸和性別。同時，它還考慮了人員對建筑物的熟悉性，它也將影響疏散人員的個體行為。其中，耐心等級決定了當出口附近的人群擁擠時，人員是繼續(xù)排隊等候，還是動態(tài)轉向另一個最近的出口。

STEPS也很獨特，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，緊急設施可能開始向人群服務，并且人員在不同的時間從不同的區(qū)域開始疏散。模擬一開始，人群首先依照他們預置的特性進行行動，影響人員行為的因素與現(xiàn)實生活相同—人們向相反的方向移動、阻塞、減速以及排隊。當一個緊急情況產(chǎn)生，每個人的行程將因為從正常模式轉到疏散模式而被重新設定，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模型中只允許每個人占據(jù)一個網(wǎng)格。當開始計算時，STEPS會使用一種遞歸算法來尋找每一個網(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算的精細網(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。這兩個疏散軟件各有特色，由于它們在各自擅長的領域的出眾特點，它們在工程中的應用也越來越廣泛。STEPS與SIMULEX兩種軟件特點對比如表5-4-10所示。

表5-4-10 STEPS與SIMULEX兩種軟件特點對比

項目 STEPS SIMULEX

分類 精細網(wǎng)格法 精細網(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 是 否

網(wǎng)格與人員關系 每個人占據(jù)一個網(wǎng)格，每個網(wǎng)格只能有一個人 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 動態(tài)決策系統(tǒng) 等距圖

人員行走方向 45°角的8個方向 任意方向

初始人員行走速度 用戶設置 通過用戶設置的人員屬性自動設置、隨機分布

人員行走速度是否可調 否，除非被阻擋而停止 是，隨密度動態(tài)調整

是否可以動態(tài)改變出口 是 否

計算時間步長 0.5s 0.1s

五、人員疏散安全性評估

火災中人員的安全疏散指的是在火災煙氣未達到危害人員生命狀態(tài)之前，建筑內的所有人員安全地疏散到安全區(qū)域的行動。在人員疏散的安全評估中，關于建筑內的消防安全性能判定的主要原則是：在建筑某火災危險區(qū)域內發(fā)生火災時，如人的可用疏散時間（ASET）足以超過必需疏散時間（RSET），即ASET > RSET，則建筑疏散設計方案可行；否則需對該設計方案進行調整，直至其滿足人員安全疏散的要求。人員疏散安全性評估方法及流程見圖5-4-15。

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圖5-4-15 人員疏散安全性評估方法及流程

對于評估后需要改進，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、改進防煙分區(qū)設置等；

③改善火災探測、報警系統(tǒng)設計，改善應急通知和廣播系統(tǒng)設計，提高早期報警速度、改善火災警報通知效果；

④完善疏散指示系統(tǒng)設計，包括：出口標志、導流標志以及加強應急照明，提高疏散通道使用效率。

此外，火災發(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構的穩(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準中還可以根據(jù)具體情況，考慮特殊性制定具體的判定標準。

如：當結構存在坍塌的危險時，要保證人員的安全，需要同時滿足下面的條件：

RSET＜min(Tfr，Tf) （5-4-47）

其中：Tfr—為結構的耐火極限；

Tf—為在火災條件下結構的失效時間。

又如：當人員無法疏散、需要滯留在建筑內等待救援時，需要同時滿足下面的條件：

k×Tcontrol＜min(Tfr，Tf) （5-4-48）

其中：Tcontrol—為消防隊有效控火時間；

K—為安全系數(shù)。
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