高校教学楼人员安全疏散方案的研究学士学位毕业论文.docx
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高校教学楼人员安全疏散方案的研究学士学位毕业论文
摘要
对于大型公共场所的各种突发事件来说，能否在事发后及时有效的进行安全疏散是至关重要的，否则将会造成严重的人员伤亡，严重威胁公众的生命安全。
学校的教学楼是人员非常集中的场所，由于学校教学楼开放的安全通道有限，加上缺少合理的人员疏散方案，造成师生上下课时的楼道拥堵。
这样一旦发生险情，就容易造成严重的人员伤亡。
对于不同类型的建筑物，人员疏散问题的处理办法有较大的区别，在文章中分析了大型建筑物内人员疏散的特点及典型疏散模型，结合我校大楼教学楼的结构形式设定火灾场景人员的安全疏散，对教学楼的典型的火灾突发事件场景作了分析，并对该建筑物中人员疏散的设计方案做出了初步评价，用一种在人流密度较大的建筑物内，火灾中人员疏散时间的计算方法对教学大楼人员安全疏散的时间进行了计算，并对该教学楼的安全疏散提出有益的见解建议。
关键词:
高校教学楼,安全疏散,疏散模型,疏散方案
Abstract
Forallkindsofunexpectedeventsoflargepublicplaces,whetherinthetimelyandeffectivesafetyevacuationisessential,otherwiseitwillcauseseriouscasualties,aseriousthreattopublicsafety.Theschoolteachingbuildingisveryconcentratedplace,asschoolbuildingsopensecurechannelislimited,andwiththelackofreasonableevacuationplan,resultinginteacher-studentclasscorridorcongestion.Soonceaccidentoccurs,itiseasytocauseseriouscasualties.Fordifferenttypesofbuildings,processingmethodsofevacuationhasgreatdifference,thispaperistoanalyzethecharacteristicsandtypicalstaffinlargebuildingevacuationevacuationmodel,safetyevacuationcombinedstructureofourschoolbuildingteachingbuildingdesignfirepersonnel,typicalfireemergencysceneoftheteachingbuildingisanalyzed,andmakesapreliminaryevaluationofthedesignschemeoftheevacuationinbuildings,abuildinglargercrowddensityinthedraw,calculationmethodsofevacuationtimeinfire,andtheteachingbuildingofthesafeevacuationofsomevaluableopinionsforadvice.
Keywords:
collegeteachingbuilding,safeevacuation,evacuationmodel,evacuationplan
1绪论
1.1研究背景
学校教学楼是一个人员集中的场所，由于建筑空间有限，且学生人数多，在某些特定时间如上、下课时间段，楼梯处人群相对集中，特别容易发生拥堵踩踏事件，一旦发生险情，容易造成严重的人员伤亡。
分析近年来发生的拥挤踩踏伤亡事故发现，事发后能否进行及时有效的安全疏散是造成事故的主要原因之一。
因此，对教学楼内人员疏散进行研究，制定紧急情况下的疏散预案是非常必要的。
在灾难发生之时，建筑物内的人员是否能有组织、有秩序地撤离是有关人身安全保障的大问题。
对于一个特定的建筑物，管理人员最关心建筑物内所有的人全部撤离完毕所用时间，以便于安排建筑物的出口以及撤离方案。
这个问题可以通过反复的实际演习来解决。
但多次反复的演习实际上是不可能的，理想的办法是通过理论上的分析得到。
1.2人员安全疏散研究的动态
1.2.1安全疏散研究的国际动态
目前国际上火灾安全疏散的研究主要集中在下面一些方面。
（1）疏散模型的开发和模型预测能力的改进疏散模型方面的研究的一个明显的趋势就是未来的模型将包含更多的行为细节,注重人行为的因素,并考虑残疾人的疏散行为和对整体疏散时间的影响。
目前仍不断有一些疏散模型开发的报道,一些自称重点考虑人的相互作用因素并能预测人的个体疏散行为和追踪个体疏散轨迹的模型被开发出来,如中国香港的SGEM模型。
此外,一些前期开发的模型有一些使用局限性,在其使用范围和功能上作了一些拓展,以及在安全设计、模拟疏散和火灾案例分析中的应用。
如EXIT89、EXDUS、CRISP等模型的一些功能改进及其成功应用的实例。
（2）火灾中居民反应及毒性和烟的影响集中在烟气中出口标志和疏散门标识的可见度测试,疏散实验得出的居民行为和反应时间,居民人数、探测时间和行动前时间分析,对火反应的性别差异,商业中心等公共建筑残疾人的火灾安全的比例和容量调查,睡眠中火灾信号的认识,应用在疏散模拟中的开始疏散前延迟时间和行走速度的数据库建立等一些方面。
毒性和烟的影响有暴露在一氧化碳后的长期后遗症的影响,在紧张的火灾试验中心理和精神指标的相关性,头顶照明和指路设施的使用对行走速度的影响,火灾烟气对生存和健康的致命影响,对可见度损失为有限危险的烟气环境的评价,预测火灾条件下疏散者寻路方式的概率测量方式,由于路标指示设置而导致的出口复杂性和变化采用随机走路模型的评价等等。
通过上述一些项目的研究获得火灾安全工程师需要的信息和数据,包括:
所需的疏散时间极其组成（探测、反应、行为延误、移动）、居民特点、路线寻找、标识、安全区域、信息类和非信息类警报系统、出口路径特征、决策。
（3）疏散模型在防火设计、性能化规范和工程评估中的应用人员疏散研究的目的是改善防火设计,减少人员伤亡。
国外在这些方面已经有了许多成功的经验。
减少火灾事故影响的非工程方案,如基于人员疏散模型教育和训练计划的开发,公共建筑内如娱乐场所复杂居民的紧急疏散和管理,火灾中人的行为与防火保护工程的结合,以人的行为和危险为基础的消防法规,通过积极的防火管理来提高性能等等。
逐步将人员疏散的研究成果应用到防火设计和性能化规范当中。
如在澳大利亚性能化规范BCA96中疏散模型的应用,以及中国香港利用疏散模型SGEM所做的工程评估等等。
1.2.2我国安全疏散研究的概况
在我国,人员安全疏散的研究尚属起步阶段,迄今为止仅有一、二家研究机构在国内消防刊物上发表过有关人员安全疏散的论文。
如青岛海洋大学曾经在《火灾科学》上发表过《火灾时人员安全疏散可靠性评估》一文,文中给出了一个以逃生概率为评价指标的疏散可靠性计算方法。
“九五”期间,国内有关科研机构开发了地下建筑的疏散模型,标志着我国在人员疏散这一领域的研究进入到计算机数值模化阶段。
香港城市大学的有关研究人员提出了利用计算机虚拟现实的技术收集人员在火灾中行为量化数据的调查方法,并结合火灾后的问卷调查及疏散演习等手段收集了大量有关火灾中人员行为的数据。
比较详细地研究了建筑物防火通道内的标识（如灯光、张贴、指引、广播等）对人员疏散行为的影响,得出了一些有价值的结论。
建立了网格疏散模型（SGEM）。
该模型在几何空间上将建筑物划分成能反映人员具体位置的细网格,并利用拉格朗日方法分析每个人员在建筑物内的移动速度。
采用此模型对香港的一些实际工程进行了较为成功的疏散模拟。
公安部四川消防科学研究所拟在“十五”期间,开展大空间公共建筑火灾疏散评估技术的相关研究[1],内容包括:
（1）我国大空间公共建筑人员疏散特性基础数据研究采用情境实验法,建立真实客观的现场火灾模型对本专题进行现场疏散演习,采集相关数据。
同时结合问卷式方式对火灾中疏散逃生人员进行跟踪调查所取得的数据,得出人员疏散基础数据。
包括人在楼梯中的疏散速度、人在走廊中的疏散速度、人们意识到火灾发生的方式、失火后人的第一反应与第二反应等等。
（2）研究建立适用于我国大空间公共建筑安全疏散计算机模拟子程序与定量计算方法以及相关的评判标准因为疏散是结合人员行为、人流、人员能力、建筑物的物理环境、火灾情况的动态变化的一个动态系统。
所以它必须以动态系统模型描述。
从系统动态模型的模拟结果进行评估。
在国际上,对疏散进行研究,大多数都在描述模拟疏散情况。
对建筑物与人员行为的综合分析模拟比较少。
该项目申请人员提出一个新的研究方法,对建筑系统与人员行为的综合的疏散问题进行深入的研究,结合当前我国的情况对火灾疏散提出有效的结论。
研究人员准备建立疏散综合系统动态模型。
（EVACUATIONSYSTEMDYNAMICMODEL）模型包括评估部分及相关的评判标准
综合系统动态模型,包括4个子模型:
a）逃生前期人员行为系统动态模型;
b）逃生中人员行为系统动态模型;
c）疏散人流系统动态模型;
d）疏散人员能力系统动态模型。
1.3安全疏散的重要意义
近年来，在我国发生的群死群伤重大恶性火灾事故中，约有85%以上火灾事故与火灾安全疏散有直接的联系。
因此，如何抓好人员密集场所的安全疏散工作，对进一步改善安全预防措施，确保人民群众生命财产安全都有非常重要意义。
下面是对人员密集场所火灾安全疏散的重要性分析：
（1）火灾危险较大。
由于人员密集场所的建筑空间大、着火源多，使用的可燃物品多、人员高度集中、火灾蔓延快，火灾危险性大。
一旦发生火灾，极易造成财产损失大、人员伤亡大、后果影响大的惨痛教训。
因此，加强重点单位的消防安全管理，做好消防安全疏散，制订灭火应急疏散预案和演练，不仅会避免重大人员伤亡，而且还关系到一个地区人民群众的生活和社会的安定。
（2）消防安全主体意识较差。
当前，消防安全重点单位消防责任人员安全意识薄弱，消防管理人员消防操作程序不熟悉、消防安全责任制落实不到位，初起火灾处置程序错误等问题日益严重。
因此，制定消防应急疏散预案对于提高社会单位消防安全管理水平和火灾应急处置能力，预防和减少火灾危害具有重要参考意义。
（3）应急疏散预案实用性不强。
相当多的消防安全重点单位制订灭火和应急疏散预案仅仅为了应付公安消防机构的有关防火档案的检查，假定对象往往为整个单位，针对性和实用性不强，且预案中的灭火、疏散程序和措施概念含糊不清、条理混乱，一旦发生火灾，预案很可能起不到应有的作用。
2人员安全疏的基本理论
2.1人员安全疏散准则
2.1.1必需安全疏散时间
必需安全疏散时间（RequiredSafetyEgressTime，REST）[2]是指从事故发时刻起到人员疏散到安全区域的时间。
以火灾为例，紧急情况下的RSET包括火灾探测时间（
）、预动作时间（
）和人员疏散运动时间（
）。
REST=
+
+
（2-1）
（1）火灾探测时间：
即从火灾发生到发现火情这段时间间隔，一般是通过人员或火灾探测器发现火情并报警，可通过火灾蔓延模型以及探测系统的特性进行计算和预测。
（2）预动作时间：
即从发现火情到开始疏散之间这段时间。
人员接到火警之后会有不同的反应，如有的人开始疏散并到达安全区域、有的人则想证实火警、有的人会采取灭火措施等。
预动作时间很难被准确估计，这是因为预动作时间与人员的心理行为特征、人员的年龄、对建筑物的熟悉程度、人员反应的灵敏性、甚至与人员的集群特征密切相关。
统计结果表明：
发生火灾时，人员预动作时间与建筑内采用的火灾报警系统的类型有直接关系。
（3）人员疏散运动时间：
即人员从开始疏散至到达安全地点的时间。
人员疏散运动时间主要取决于人员密度、人员疏散速度、安全出口宽度等，可以利用简单的经验公式或者疏散模型进行预测。
一般情况下，发现火情和人员反应时间难于量化，其大小主要取决于建筑物报警系统的完善程度、人们对火灾的认知程度以及建筑物管理服务人员的素质等，通常情况下，这两项时间在计算疏散时间时都被忽略了[3]，而人员接收到报警器的警告后会有一定的反应时间，该反应时间依据人员的不同而不同，本文模拟中综合且较保守考虑报警时间和人员反应时间统一为1min。
在实际疏散中，对于整个疏散群体来说，这三个时间段不是明显分开的，在整个疏散群体中是交互出现的。
2.1.2可用安全疏散时间
可用安全疏散时间（AvailableSafetyEgressTime，ASET）是指从起火时刻到火灾对人员安全构成危险状态的时间段，主要受到火灾中将释放的大量热能、热辐射、烟气（包括一般热烟气和有毒有害气体）、房间内衬材料的热特性、房间高度、通风状况等的影响[4]。
2.1.3安全疏散准则
一般认为：
当建筑物的可用安全疏散时间大于必需安全疏散时间[5]（公式2-2），则认为建筑物中人员能够安全疏散。
ASET>RSET（2-2）
2.2安全疏散计算方法介绍
安全疏散时间的计算，一般有现场模拟试验测量法、经验公式法和计算机模拟三种方法。
现场模拟试验测量的方法主要用于科学研究，由于资金和试验条件的限制很少用于工程应用；经验公式法，是通过大量的试验数据总结出来的，由一系列经验公式组成的，一般可以通过手工计算进行疏散预测的方法，以日本为代表的一些国家主要采用这类方法；计算机模拟法，是通过计算机软件模拟人员疏散的动态过程，来预测人员疏散行动时间。
（1）传统的疏散时间计算公式，依据1995年日本Togawa推导的疏散时间公式[6]，温丽敏等[7]提出火灾中群集流动模型，从而对人群疏散理论进行了较为详细的阐述，即：
假设聚集人群可以看作一个均质流体，那么在人群疏散方向上取一基准断面P，则向断面P前进的人群称为流入群集；流出断面P继续前进的人群为流出群集，如果由于某种原因，例如通路变窄，或遇到门，楼梯，台阶等通道性质的改变，便容易引起人群在基准断面P处的滞留与混乱，在断面P处滞留的人群称为滞留群集，它等于流入群集与流出群集人数之差。
依据此理论推导得到人群疏散时间计算公式如下[7]：
（2-3）
式（2．4）中：
N。
是建筑物疏散人员总数；N；（t），N’分别是第i个出口和最终出口处的人员流量；n是出H总数；B；是第i个出口的宽度；Tn是出现定常人口流动时的时间；识（t）为第i个出口处人员滞留系数；
目前各国标准规范包括我国及其他相关的建筑防火规范对于疏散时间的计算公式都是式（2．4）的简化表达式（即忽略在T0-T时刻从各入口进入的人数），只是其中符号表示不同，疏散时间简化计算式如下。
（2-4）
式中T为疏散时间（S）；f为门或走道的人群流动系数（人／m.s-1）；B为门或走道宽度（m）；
为建筑内需要疏散的总的人数；ks为待疏散人群中的第一个人移动到门或走道的距离（m）；v为人群移动速度（m/s）。
式（2．5）中人群流动系数f是影响疏散时间的重要参量，在利用上式对建筑疏散时间进行计算过程中，通常按照通道性质设定人群流动系数为一经验常数。
但在实际人群疏散尤其是恐慌人群疏散过程中，出口或通道狭窄处通常会出现堵塞，人群流动系数并不是常量，而是随人群密度不断变化的[8]。
（2）加拿大Paul的经验方法
加拿大Paul[9]经过了大量的演习观测在1980年总结出了一系列关于多层建筑疏散时间的计算方法，他提出了有效楼梯宽度的概念，即认为实际人们可以利用的楼梯面积应该扣除楼梯两侧不可利用部分各150mm，并得到人流流量在楼梯处的经验拟合公式：
f=0.206p0.27（2-5）
f是每m有效宽度楼梯所能通过的人流流量，P是每m有效宽度楼梯要疏散的人数。
对于多层建筑疏散时间，Paul给出了如下公式：
当单位宽度楼梯通过的人数少于800人时，
T=0.68+0.081p0.73（2-6）
当单位宽度楼梯通过的人数多于800人时，
T=2.00+0.0117p（2-7）
2.3安疏散研究方法
20世纪80年代起,随着计算机的发展,人们开发了许多用以描述建筑物内人员疏散特性的软件和模型。
据统计已经完成的和正在开发的疏散模型超过20种。
总体上,这些模型都可归结为网络节点模型,即建筑各部分的空间布局用网络来表示,然后在此网络的基础上确定人员在建筑物内的位置及疏散移动路线,进而确定疏散时间。
虽然每个模型分别从不同角度来模拟人员在建筑物内的疏散行为,其性能、效果及适用范围各不相同,但从目前建立的数学模型及模拟方法来看,主要区别在于模型的空间划分、人员个体特性、行为特性3个方面。
2.3.1模型的空间划分
模型的空间划分是指建立模型时如何分隔建筑物空间。
目前空间划分方法大体分2类:
细网格类（FineNetwork）和粗网格类（CoarseNetwork）。
细网格类不考虑建筑实体的具体物理分隔,如房间、楼道、走廊等,而是把整个建筑平面分割成同样形状和面积的网格,如正方形、六边形等。
采用细网格法的模型主要有BGRAF,EXODUS[11],EGRESS,SGEM、MAGNETMODEL,VE2GAS,SIMULEX等。
这些模型利用各个网格的“占据”或“空缺”来表示每个人在建筑物内的移动,因此能够反映人与人之间的互相关系、环境的影响等诸多因素,模拟结果的精度较高。
但是,现代建筑特别是高层建筑,建筑单元众多,结构复杂,因而计算处理信息量也相当大,几乎呈指数增长,所以这种模型目前还较少用于模拟计算高层建筑的人员疏散问题。
粗网格类是根据实际建筑物格局来分割建筑空间,即将房间、楼道、走廊看作网络中的“节点”,连接任意两节点的门或通道的转折点看作网络中的“弧”。
同一模型中每个节点的面积、形状不一定相同。
在疏散过程中,人员移动以人群的方式从一个节点移动到另一个节点,根据各建筑单元的出口容量确定人员在建筑物内的移动速度并确定相应的几何位置。
这种方式能够进行大容量的人员计算,然而由于不能反映个体成员的确切位置,因此很难对个体移动以及个体之间相互作用进行详细计算,进而无法反映个体人员的基本行为特性,计算精度较低。
这种模型适用于大型建筑,尤其是功能复杂且人员众多的建筑。
有代表性的这类模型主要有CRISP,DONEGAN′S,EXIT89,EXITT,E2SCAP,EVACSIM,EVACNET+,PAX2PORT,TAKAHASHI′SMODEL,WAYOUT等。
2.3.2疏散人员的特征
疏散人员的特征可以用2种方法来处理:
个体的方法或群集的方法。
个体的方法就是考虑个体的行为差别,疏散人员不是一个均质的群体,而是内部特征不完全一样的人群。
在模拟疏散过程时,这些不同的个体特征就是计算的关键条件。
它按单个人员检查和分配各自的移动特征,因此需要较多的计算开销,程序处理的难度也稍大。
目前采用个体方法描述疏散人员特征的模型有BGRAF,CRISP,EXITT,E2GRESS,E2SCAPE,EVACSIM,EXODUS,MAGNETMODEL,SGEM,SIMULEX,VEGAS。
群集的方法是将一群或一组人按同一特性考虑,他们将按同一速度移动,并同时到达或离开建筑物的某个网络节点。
采用这种模型计算建筑物内人员疏散,操作简单,使用方便,运行速度较快;缺陷在于无法详细描述个体特征,难以描述突发事件对个体的影响。
采用这种方法的模型有DONEGAN′S，ENTROPY，EXIT89，EVACNET+,PAXPORT,TAKAHASHI′SMODEL,WAYOUT,温丽敏等的火灾中群集疏散模型、刘文利等的地下商业街建筑疏散预测模型。
2.3.3疏散人员的行为特征
疏散人员的行为包括对火灾的反应、逃生的决策等,与单纯的物理移动不同,在面对危险时,人们会有什么样的心理,会做出怎样的逃生决策,都是非常复杂的。
而且,不同的建筑环境、不同的人员拥挤状况等等都会影响逃生的决策。
因此,如何更好地在模型中表现出人员的行为,己经成为当今疏散模型研究的重点。
目前建立的众多疏散模型中,对行为特征的处理方法可以分为以下5大类。
第1类是根本不考虑人员的行为,只考虑人员的移动情况,也就是说,把人员当作没有思想的物体,他们的移动情况取决于外界环境。
此类模型有EVACNET+。
第2类是方程式行为分析方法。
这种方法将1个或一系列的方程式应用于疏散人员全体,每个人的行为都由方程式决定。
这种方法虽然可以确定个体的行为,但是所有人对外界危险的反应都是一样的,采取的行动措施也是相同的。
此类模型有MAGNETMODEL,TAKAHASHI′SMODEL。
第3类方法是将人员行为隐含在复杂的物理模型中。
这种方法以第2手数据为基础,而这些数据己经将心理的或者社会的因素包含在其中,所以不再需要另外考虑各种心理对行为的影响。
这类模型的可靠性和准确性取决于第2手数据。
此类模型有EXIT89,PAXPORT,SIMULEX,WAYOUT。
第4类方法是建立一系列基于行为系统的行为准则,人们在逃生时的行为将根据这些准则进行。
这些准则通常与环境有关,不同的环境将决定不同的行为。
此类模型有BGRAF,CRISP,E2SCAPE,EXITT,EVACSIM,EXODUS。
第5类方法是利用人工智能模拟特定环境下人员对于环境因素的反应,以此决定人员在建筑物内的移动。
这类方法虽然提高了模拟决策过程的准确性,但目前还不十分成熟。
此类模型主要有DONEGAN′SENTROPYMODEL,EGRESS,VEGAS。
2.4国外典型应急疏散模型
2.4.1EXITT模型
EXITT是火灾危险综合分析程序HAZARDI的组成部分,专门用于计算火灾时建筑物内人员疏散的时间。
该模型使用网络描述建筑结构环境,用户必须建立能够表示人员位置、可能的出口与疏散路线的节点网络。
程序允许用户定义若干个影响待疏散人员响应方式的个体特征,包括年龄、性别、当时是否清醒、疏散时是否需要别人帮助等。
一旦人员发现火灾并决定逃生时,程序便可根据一些规则模拟他们的逃生路径。
程序首先选出某人所在的位置到出口之间距离最短的路径,并优先选择门作为出口。
然后模拟该人通过这条路径的情况。
如果最先选择的路径变得不安全,或者对比其他路线后认为不可取,程序就会选择其他的路径[10]。
2.4.2EVACNET模型
EVACNET（EvacuationNetworkComputerModel,疏散网络计算机模型）是一个典型的网络节点人员疏散模型,而且完全不考虑人员的行为。
该模型中人员的疏散路线按疏散时间最小选取最优路线,而且通过采取一些相应的措施使疏散按照一种适当的方式进行。
该模型基本上是一个运输模型,其中源节点代表计算起点,中间节点代表建筑物的某些部分,目标节点则是建筑物的疏散出口,节点则由弧线连接。
用户需要确定每个节点
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