火灾人员疏散分析.docx

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火灾人员疏散分析

第一章火灾人员疏散分析

    人员疏散分析是建筑性能化防火设计评估的重要组成部分。

通过对建筑物的具体功能定位，确定建筑物内部特定人员的状态及分布特点，并结合火灾场景和具体位置设计，计算分析得到紧急情况下各种阶段的人员疏散时间及疏散通行状况预测。

而火灾场景下人员疏散所需时间则是性能化防火设计评估的重要组成要件。

因此，对建筑物做出符合其实际情况和特点的人员疏散性能评估成为决定建筑物性能化设计评估结果好坏的关键性因素之一。

由于影响建筑物内人员疏散安全性的因素众多，性能化人员疏散分析的重点就是要综合特定建筑条件下各方面影响因素，建立起或者合理选取符合实际的人员疏散量化分析模型，从而计算得到人员疏散时间，提出改进疏散性能的方案和措施。

     一、影响人员安全疏散的因素

    与正常情况下人员在建筑物内行走的状态不同，人员在紧急情况下（如发生火灾）的疏散过程中，内在因素和外在环境因素都可能发生了变化，这些因素有可能对人员安全疏散造成影响。

由于实际情况条件千差万别，影响人员安全疏散的因素亦复杂众多，总结起来可分为：

人员内在影响因素、外在环境影响因素、环境变化影响因素、救援和应急组织影响因素四类。

这些因素在紧急疏散情况下，有些不利于安全疏散，有些则有利于安全疏散，还有一些影响受到现场实际条件变化和人为因素的作用而不同。

（一）人员内在影响因素

    人员内在因素主要包括：

人员心理上的因素、生理上的因素、人员现场状态因素、人员社会关系因素等。

    1.人员心理因素

    人员在紧急情况下的心理普遍会发生显著的变化，如感知到火灾、烟气时会出现恐慌，听到警铃或接收到火警信息时会出现紧张、众多人员疏散时在出口处排队等待的时间越长人群中紧张情绪越高等。

这些心理变化因素一方面能够激发人的避险本能，另一方面也会导致人员理性判断能力降低、情绪失控。

    2.人员生理因素

    人员生理因素包括人员自身的身体条件影响因素，如幼儿、成年、老年、健康、疾病等条件差异。

不同的身体条件会显著影响人员的运动机能。

此外，紧急情况下环境条件的变化也会对人员生理因素造成影响，如火灾时由于现场照明条件变暗、能见度降低使人的辨识能力受到影响；温度升高、烟雾刺激、有毒气体会影响人的运动能力等。

    3.人员现场状态因素

    人员在现场状态因素包括：

清醒状态、睡眠状态、人员对周围环境的熟悉程度等。

对于处于清醒状态并对周围环境十分熟悉的人来说，疏散速度会大大快于处于睡眠状态并对周围环境陌生的人。

如果人们在进入一个陌生环境时首先有意识地查看安全出口位置及疏散路线则会大大改善人员的现场状态因素。

    4.人员社会关系因素

    人是具有社会属性的高等动物，即使是在紧急情况下人们的社会关系因素仍然会对疏散产生一定影响。

如火灾时，人们往往会首先想到通知、寻找自己的亲友；对于处在特殊岗位的人员，如核电站操作员，会首先想到自身的责任；一些人员在疏散前会首先收拾财物也是社会关系因素在起作用，这些因素总体上会影响人员开始疏散运动行动的时间。

（二）外在环境影响因素

    外在环境因素主要是指建筑物的空间几何形状、建筑功能布局以及建筑内具备的防火条件等因素。

例如，地上建筑或是地下建筑、高大空间或是低矮空间、影剧院或是办公建筑等；建筑物的耐火等级，建筑内安全出口设计是否足够合理，疏散通道是否保持畅通，消防设备是否处于良好运行状态，是否存在重大火灾隐患等因素。

        （三）环境变化影响因素

     火灾时现场环境条件势必要发生变化，从而对人员疏散造成影响，例如火灾时，正常照明电源将被切断，人们需要依靠应急照明和疏散指示寻找疏散出口；再如原有正常行走路线一旦被防火卷帘截断，人员需要重新选择疏散路线；又如自动喷水灭火系统启动后在控制火灾的同时也会对人员疏散产生影响。

        （四）救援和应急组织影响因素

    火灾时自救和外部救援和组织能力也会对安全疏散产生影响。

通过建立完善的安全责任制，制定切实可行的疏散应急预案并认真落实消防应急演练，能够有效提高人的疏散能力；否则，容易引起人员拥挤和混乱。

    在各种实际条件下，影响人员安全疏散的因素繁多，各种因素之间还存在相互联系和制约，某些产生主导作用的成为主要影响因素，而一些因素的变化会显著影响最终结果的成为关键性因素。

上面只是简要地介绍了影响人员安全疏散的因素。

人员安全疏散作为消防安全工作的重中之重，其影响因素也是消防安全工作的重点，需要看到这些因素既可能是消防工作的问题所在，也可能成为提升消防安全水平的突破口。

在实际工作中，应通过不断地经验积累，总结出切合工程项目实际的主要影响因素和关键性因素。

    二、人员安全疏散分析的目的及性能判定标准

（一）人员安全疏散分析的目的

    人员安全疏散分析的目的是通过计算可用疏散时间（ASET）和必需疏散时间（RSET），从而判定人员在建筑物内的疏散过程是否安全，如图5-4-9所示。

（二）人员安全疏散分析的性能判定标准

    人员安全疏散分析的性能判定标准为：

可用疏散时间（ASET）必须大于必需疏散时间（RSET）。

    计算ASET时，应重点考虑火灾时建筑物内影响人员安全疏散的烟气层高度、热辐射、对流热、烟气毒性和能见度。

这些参数可以通过对建筑内特定的火灾场景进行火灾与烟气流动的模拟得到。

    在计算RSET时，可按以下三种情况考虑：

       1）如果能够将火灾和烟气控制在着火房间内，则可只计算着火房间内人员的RSET。

       2）如果火灾及其产生的烟气只在着火楼层蔓延，则可只计算着火楼层内人员的RSET。

       3）如果火灾及其产生的烟气可能在垂直方向蔓延至其他楼层（例如，建筑内存在连通上下层的中庭），则需计算整个建筑内人员的RSET。

当建筑存在坍塌的危险时，也需要计算整个建筑内人员的RSET。

    三、人员疏散时间计算方法与分析参数

（一）火灾探测报警时间

    对于安装了点式火灾探测报警装置以及安装了闭式自动喷水灭火系统的场所，火灾探测报警时间应根据建筑内所采用的火灾探测与报警装置的类型及其布置、火灾的发展速度及其规模、着火空间的高度等条件，考虑设计火灾场景下火灾探测报警装置或自动喷水装置对火灾烟气的反应时间。

可以通过相应的计算机模拟计算软件通过分析计算确定，也可采用其他计算工具，如美国国家标准预技术研究院（NIST）开发的软件工具包中提供的DETACT-QS工具，预测特定火灾场景内感温元件的动作时间。

    对于日常有人停留的房间并且人员处于清醒状态，可以采用特定 经验公式算法预测人员发觉火灾征兆的时间。

（二）疏散预动时间

    疏散预动时间包括识别时间和反应时间。

人员在接收到火灾报警信号以后，有各种本能反应的时间如确认火灾警报，判别火情发展情况，通知亲友，收拾物品，确定疏散路线等待，开始疏散行动时间往往因人而异。

受到建筑类型、功能与用途、使用人员的性质及建筑火灾报警广播和物业管理系统等各种内在及外在因素的影响，疏散预动时间的长短具有很大的不确定性。

在管理相对完善的剧院、超市或办公建筑（有定期火灾训练）中，识别时间较短。

在平面布置复杂或面积巨大的建筑以及旅馆、公寓、住宅和宿舍等建筑中，该时间可能较长。

表5-4-3给出了各种不同类型的人员和报警系统的典型疏散开始延迟时间。

    表中的报警系统类型为：

    W1——实况转播指示，采用声音广播系统，例如从闭路电视设施的控制室；

    W2——非直播（预录）声音系统、和/或视觉信息警告播放；

    W3——采用警铃、警笛或其他类似报警装置的报警系统。

    在应用上表5-4-3时，还要考虑火灾场景的影响，建议将表5-4-3中的识别时间根据人员所处位置的火灾条件作如下调整：

    1.人员处于较小着火房间/区域

    人员可以清楚地发现烟气及火焰或感受到灼热，这种情况下可采用表5-4-3中给出的与W1报警系统相关的识别时间，即使安装了W2或W3报警系统。

    2.人员处于较大着火房间/区域

    人员在一定距离外也可发现烟气及火焰时，如果没有安装W1报警系统，则采用表5-4-3中给出的与W2报警系统相关的识别时间，即使安装了W3报警系统。

    3.识别报警与向出口疏散之间没有延迟  

    例如办公室，则可以假设表5-4-3给出的识别时间为0。

    4.某些场所的识别时间很难确定  

    可对上述可能时间段进行估计，如可以根据日常的观测记录提供某些文件证明所需要的时间。

    在反应时间阶段，人们会停止日常活动开始处理火灾。

在反应时间内会采取的行动有：

       1）确定火源、火警的实际情况或火警与其他警报的重要性。

       2）停止机器或生产过程，保护重要文件或贵重物品等。

       3）寻找和召集儿童及其他家庭成员。

       4）灭火。

       5）决定合适的出口路径。

       6）警告其他人员。

       7）其他疏散行为。

     （三）疏散行动时间

    人员疏散行动时间指建筑内的人员从疏散行动开始至疏散结束所需要的时间，包含行走时间和通过时间。

       1.行走时间 

    行走到疏散线路上安全出口的时间。

行走时间与人的行走速度以及达到出口的距离有关。

行走速度与行走时间和人员密度有关，当人员密度较大会出现拥挤，导致行走速度下降；当人员密度较低且人员行走不受阻时则代表最短的行走时间，用下式计算，即

       2.通过时间 

    人流通过出口或通道的时间。

通过时间由出口的通行人数和出口的通行能力决定，出口的通行能力则与出口有效宽度和出口流量有关。

用下式计算：

    通过出口或通道的人流量可用下式计算：

    当计算建筑内某区域的疏散行动时间时，需要考虑行走时间tw和通过时间tp之间的关系。

       1）当tw＜tp时，说明人员行走到达出口时，人员并没有全部通过出口，因此人员将会在出口处出现滞留现象，此时该区域内疏散行动时间由通过出口通过时间tp决定；

       2）当tw＞tp时，说明区域内人员在到达出口时，其他人员已经通过了出口，因而不必再在出口处排队等候，因此疏散行动时间由最远点的人员行走时间tw决定。

    人员疏散行动时间的计算可按照数学模拟计算进行。

数学模拟计算方法主要有水力模型和人员行为模型两种方法。

（1）水力疏散计算模型。

水力疏散计算模型将人在疏散通道内的走动模拟为水在管道内的流动状态，可人群的疏散作为一种整体运动，完全忽略人的个体特性。

该模型对人员疏散过程作如下假设：

       1）疏散人员具有相同的特征，且均具有足够的身体条件疏散到安全地点。

       2）疏散人员是清醒的，在疏散开始的时刻同时井然有序地进行疏散，且在疏散过程中不会中途返回选择其它疏散路径。

       3）在疏散过程中，人流的流量与疏散通道的宽度成正比分配，即从某一出口疏散的人数按其宽度占出口总宽度的比例进行分配。

       4）人员从每个可用的疏散出口疏散且所有人的疏散速度一致并保持不变。

    对于建筑的结构简单、布局规则、疏散路径容易辨别、建筑功能较为单一且人员密度较大的场所，宜采用水力模型来进行人员疏散的计算，其他情况则适于采用人员行为模型。

（2）人员行为疏散计算模型。

人员行为疏散计算模型应综合考虑人与人、人与建筑物以及人与环境之间的相互作用，并能够从一定程度上反映火灾时人员疏散运动规律和个体特性对人员疏散的影响。

当采用数学模型进行计算时，应注意结合有待解决的实际问题与模型的适用性来选择相适用的模型，并应首选经过实际疏散实验或演习验证的模型。

        （四）疏散分析参数

    在对人员疏散时间预测计算中必须确定人员疏散时关于人数、行走速度、比流量、有效宽度等相关参数。

    1.人员数目的确定

    在确定起火建筑内需要疏散的人数时，通常根据建筑的使用功能首先确定人员密度（单位：

人/㎡），其次确定该人员密度下的空间使用面积，由人员密度与使用面积的乘积得到需要计算的人员数目。

在有固定座椅的区域，则可以按照座椅数来确定人数。

在业主和设计师能够确定未来建筑内的最大人数时，则按照该值确定疏散人数。

否则，需要参考相关的统计资料，由相关各方协商确定。

（1）人员密度。

在计算疏散时间时，人员密度可采用单位面积上分布的人员数目表示（人/㎡），也可采用其倒数表示或采用单位面积地板上人员的水平投影面积所占百分比表示（㎡/人）。

    对于所设计建筑各个区域内的人员密度，应根据当地相应类型建筑内人员密度的统计数据或合理预测来确定。

预测值应取建筑使用时间内该区域可预见的最大人员密度。

当缺乏此类数据时，可以依据建筑防火设计规范中的相关规定确定各个楼层的人员密度。

    国外对各种使用功能的建筑中其人员密度的规定较为详细，如美国、英国、日本等。

表5-4-4列举出了国外一些国家对人员密度的规定。

（2）计算面积。

人数的确定是通过各使用功能区的人员密度与计算面积的乘积得到，因此，计算面积的确定是除人员密度之外计算疏散人数的另一个重要参数。

规范在规定人员密度时，有些同时规定了计算面积的确定方法。

    国外的相关规定大部分采用计算房间（区域）的地板面积作为计算面积。

对于计算面积的界定可以考虑建筑的使用功能，根据建筑的实际使用情况来确定。

    （3）人流量法。

在一些公共使用场所，人员流动较快，停留时间较短，例如机场安检、候机大厅，科技馆，展览厅等，其人数的确定可以采用人流量法。

    采用人流量法，即设定人员在某个区域的平均停留时间，并根据该区域人员流量情况按以下公式计算瞬间时刻的楼内人员流量（称为人流量法）：

    人员数量 =每小时人数×停留时间 （s）        （5-4-34）

    2.人员的行走速度

    人员自身的条件、人员密度和建筑的情况均对人员行走速度有一定的影响。

（1）人员自身条件的影响。

下表5-4-5列出了若干人行走速度的参考值，这是根据大量统计资料得到的。

但应当指出，对于某些特殊人群，其行走速度可能会慢很多，如老年人、病人等。

如果某建筑中火灾烟气的刺激性较大，或建筑物内缺乏足够的应急照明，人的行走速度也会受到较大影响。

    人员行走速度在疏散模型中的设置需要了解不同模型的默认值，如Simulex疏散模型中默认的人员行进速度分男人、女人、儿童和长者四种，其步行速度及类型比例如表5-4-6。

（2）建筑情况的影响。

不同的建筑中由于功能、构造、布置不同，对人员行走速度的影响不同，人员在不同建筑中步行速度的典型数值与建筑物使用功能的关系可参考表5-4-7。

    （3）人员密度的影响。

人员在自由行走时受到自身条件及建筑情况等因素的影响而速度各有差异，当为疏散人群时，其步行速度将受到人员密度的影响。

人员的行走速度将在很大程度上取决于人员密度。

    通常情况下，人员的疏散速度随人员密度的增加而减小，人流密度越大，人与人之间的距离越小，人员移动越缓慢；反之密度越小，人员移动越快。

国外研究资料表明：

－般人员密度小于0.54人/㎡时，人群在水平地面上的行进速度可达70m/min并且不会发生拥挤，下楼梯的速度可达48～63m/min。

相反，当人员密度超过3.8人/㎡时，人群将非常拥挤基本上无法移动。

一般认为，在0.5～3.5人/㎡的范围内可以将人员密度和移动速度的关系描述成直线关系。

    Fruin、Pauls、Predtechenskii、Milinskii等人根据观测结果，整理出了一组分别在出口、水平通道、楼梯间内人员密度与人员行走速度的关系，并被美国《SFPE防火工程手册》采用，如下图5-4-10所示。

     图5-4-10 建筑内各疏散路径人员行走速度与人员密度的关系（引自美国《SFPE防火工程手册》）

    同时，根据研究结果得到了人员行走速度与人员密度之间的关系式，不同密度下人员在平面的步行速度可根据下式计算得出，即 

    不同密度下人员在楼梯行走速度的计算参见以下公式，其中系数K参见下表5-4-8。

    3.出口处人流的比流量

    建筑物的出口在人员疏散中占有至关重要的地位，对出口宽度的合理设计能避免疏散时发生堵塞，有利于疏散顺利进行。

我国目前的建筑规范中主要是通过控制建筑物的出口、楼梯、门等宽度来进行疏散设计，同时，性能化防火设计中对建筑物安全性的评估同样需要考虑出口宽度的问题，以衡量火灾时能否保证人员通过这些出口顺利逃生。

无论是规范的规定还是性能化设计的方式，一般都是根据总人数按单位宽度的人流通行能力及建筑物容许的疏散时间来控制建筑物的出口总宽度。

因此，人员疏散参数确定中必须考虑出口处人流的比流量。

    比流量是指建筑物出口在单位时间内通过单位宽度的人流数量（单位：

人/（m·s）），比流量反映了单位宽度的通行能力。

根据对多种建筑的观测结果，比流量在水平出口、通道处和在楼梯处不同，而不同的人员密度也将影响比流量。

    图5-4-11显示了不同的疏散走道上流出系数（比流量）与人员密度的关系，由图可以看出，首先，随着人员密度的增大，单位面积内的人员数目增大，从而单位时间内通过单位宽度疏散走道的人员数目也增大，当人员密度增大到一定程度，疏散走道内的人员过分拥挤，限制了人员行走速度，从而导致流出系数的减少。

     图5-4-11 不同疏散走道比流量与人员密度的关系（引自美国《SFPE防火工程手册》）

    4.通道的有效宽度

    大量的火灾演练实验表明人群的流动依赖于通道的有效宽度而不是通道实际宽度，也就是说在人群和侧墙之间存在一个“边界层”。

对于一条通道来说，每侧的边界层大约是0.15m，如果墙壁表面是粗糙的，那么这个距离可能会再大一些。

而如果在通道的侧面有数排座位，例如在剧院或体育馆，这个边界层是可以忽略的。

在工程计算中应从实际通道宽度中减去边界层的厚度，采用得到的有效宽度进行计算。

表5-4-9给出了典型通道的边界层厚度。

    疏散走道或出口的净宽度应按下列要求计算：

       1）对于走廊或过道，为从一侧墙到另一侧墙之间的距离。

       2）对于楼梯间，为踏步两扶手间的宽度。

       3）对于门扇，为门在其开启状态时的实际通道宽度。

       4）对于布置固定座位的通道，为沿走道布置的座位之间的距离或两排座位中间最狭窄处之间的距离。

    四、人员疏散分析模型

（一）国际常用人员疏散分析模型概述

    英国、美国、德国、日本等国围绕人员安全疏散行为和模型进行了一系列的研究。

对于人员在火灾中的疏散行为进行了大量的观察和测量，得到了许多量化的数据，如前苏联Predtechenski和Milinski，日本的Togawa以及美国Furin等人对密集人群的疏散行为、移动速度等进行了大量的观测，后期加拿大的Pauls等人通过大量的演习试验也取得了许多参考数据，并总结了一些经验公式，提出了各自的人员疏散计算方法，如早期的经验方法，后来的网络优化法，近年来兴起的计算机模拟分析方法。

经验方法主要是考虑建筑物内到达安全出口的疏散距离和出口容量计算疏散行动时间，或根据建筑物的使用人数确定出口数量和宽度；网络优化法将建筑物各个单元网络化，通过对复杂建筑网络的优化找出人员可能疏散的路径，并计算疏散行动时间；而随着计算机技术的进步，人们开始直接利用计算机模拟技术模拟人员在建筑物内的移动，通过计算机记录不同时刻不同人员的几何位置变化，从而得到建筑物内人员疏散行动时间，并通过对人员疏散移动图案来分析可能发生拥挤的部位，提出改进措施或组织疏散预案。

因此，采用基于计算机的疏散模型将会有助于建筑设计的科学性。

    人员安全疏散模型的研究和分析主要包含两个方面，一是人员疏散模型结构的研究；二是火灾中的人员行为及其量化研究。

在这方面工作比较出色的有英国格林威治大学的Galea、爱丁堡大学的Thompson、美国的Fahy和澳大利亚的Shestopal等人，采用不同的模化方法已经建立了10多种不同类型的疏散模型，如EGRESS（EG）、EXODUS（EXO）、E-SCAPE（EP）、EVACNET+（EV），、EXIT89（E89）、EXITT（E）、PATHFINDER（PF），SIMULEX（S），STEPS（SS），VEGAS（V）等。

    人员疏散模型可以有多种分类方法，其中基于疏散模型对建筑空间的表示方法，可以把模型分为离散化模型和连续性模型两类。

    1.离散化模型

    离散化模型把需要进行疏散计算的建筑平面空间离散为许多相邻的小区域，并把疏散过程中的时间离散化以适应空间离散化。

离散化模型又可以细分为粗网络模型和精细网格模型

（1）粗网络模型。

在粗网格模型中（如E89，E），按照实际建筑的划分来确定其几何形状。

因此，每个网络节点都可以表示一个房间或走廊，但与实际大小无关。

按照它们在建筑中的实际情况，用弧线将这些网络节点连接起来。

在这类模型中，根据各建筑单元的出口容量和人员的移动速度确定疏散人员只会是从一个房间运动到另一个房间的时间，没有表明疏散人员的位置，不能反应人员个体的基本行为和准确位置。

（2）精细网格模型。

在精细网格模型中（如EXO，SS，S，V），整个建筑区域的平面通常是用覆盖大量棋盘状的网格或网点来表示。

每个模型中节点的网格大小和形状都有所不相同，例如EXODUS采用0.5m×0.5m的正方形网格节点，SIMULEX采用0.2m×0.2m的正方形网格节点，而EGRESS采用六边形网格节点。

用这种方法可以准确地表示封闭空间的几何形状及内部障碍物的位置，并在疏散的任意时刻都能将每个人置于准确的位置。

因此，精细网格模型可以在每个网格内记录单个人员的移动轨迹，能够反映每个人的具体行为反应。

但是，由于现代建筑的建筑单元众多，结构复杂，因而精细网格模型要求计算处理信息量较大。

    2.连续性模型

    连续性模型又可以称为社会力模型，它基于多粒子自驱动系统的框架，使用经典牛顿力学原理模拟步行者恐慌时的拥挤状态的动力学模型。

社会力模型可以在一定程度上模拟人员的个体行为特征。

    人的行为模拟是模拟疏散过程最复杂最困难的一方面，并非所有这些行为特性都能被充分认识或完全量化。

到目前为止，还没有一个模型能完全解决人