大型購物中心疏散時間預(yù)測方法的對比研究

陳文濤，謝 妉，齊 茁

(沈陽航空航天大學(xué)民航與安全工程學(xué)院 遼寧 沈陽 110136)

近幾年來隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和城市化的日新月異，大型、復(fù)雜的現(xiàn)代高大建筑物越來越多地涌現(xiàn)。由于這些建筑與傳統(tǒng)建筑在使用功能、建筑材料、結(jié)構(gòu)形式、空間大小、配套設(shè)施等方面存在很大的不同，給防火安全帶來很大的挑戰(zhàn)，給人員在火災(zāi)條件下的逃生帶來了很大的威脅。對高大建筑物進(jìn)行性能化防火設(shè)計時，需主要以人員安全疏散為目標(biāo)，即對人員造成傷害的危險來臨之前，所有人員都疏散到相對于火場安全的區(qū)域。

1 大型商業(yè)購物中心的火災(zāi)特點

作為人員密集場所，在發(fā)生火災(zāi)的時候人員安全疏散的問題較為復(fù)雜。根據(jù)對以往火災(zāi)歷史資料的收集和研究可知，國內(nèi)外各類大型商業(yè)購物中心的火災(zāi)普遍具有以下特點:

第一，可燃物多，火災(zāi)荷載密度大。現(xiàn)在的購物中心集購物、餐飲、娛樂為一身，功能齊全，品種繁多，各種商品琳瑯滿目，大部分均為可燃物，餐飲區(qū)攤位密集，發(fā)生火災(zāi)的可能性極大。為了滿足消費者的審美要求，大型購物中心往往在裝飾裝潢上大做文章，吸引人的眼球，但是大多數(shù)所使用的裝飾材料均為易燃可燃物，一旦著火，不僅極易蔓延，還會產(chǎn)生大量有毒氣體，威脅人的生命。

第二，貨物的布置形式更易燃燒和使火焰蔓延，發(fā)生火災(zāi)后火災(zāi)發(fā)展相當(dāng)迅猛。商家為了展示所有的商品，大都立體布置，并且擺放距離很近，四周墻壁和貨架上都會掛滿了衣服、窗簾、纖維和紙制品等可燃物。再加上通風(fēng)狀況良好，一旦起火，就會導(dǎo)致燃燒劇烈，火災(zāi)蔓延相當(dāng)快。

第三，人員密度大，發(fā)生火災(zāi)后疏散困難，易造成群死群傷，形成惡性火災(zāi)事故。大型購物中心作為現(xiàn)代一種集中性的服務(wù)和消費場所，客流量十分大，特別是在節(jié)假日及促銷期間，人流量會遠(yuǎn)大于平時，一旦發(fā)生火災(zāi)，由于對疏散條件不了解，再加上逃生急迫，受到火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣、毒氣的影響，就會使人失去理智，慌不擇路，引發(fā)踩踏，甚至跳樓。

2 人員安全疏散的評價標(biāo)準(zhǔn)

安全疏散是指當(dāng)建筑物內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，在危險來臨之前，建筑內(nèi)的所有人員都安全地轉(zhuǎn)移到安全區(qū)域的行為。而危險來臨指的是火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣、毒氣、高溫等環(huán)境的變化已經(jīng)威脅到了人員的生命安全，將危險來臨的時間定義為可用安全疏散時間(ASET，Availiable Safety Egress Time火災(zāi)發(fā)展到危險狀態(tài)的時間)。通常還可用以下數(shù)學(xué)表達(dá)式表達(dá) ASET:ASET=min{t1，t2，t3，t4，t5}。其中t1表示CO達(dá)到危險狀態(tài)的濃度的來臨時間;t2表示CO2體積達(dá)到危害人員呼吸程度的來臨時間;t3表示煙氣中有害氣體濃度達(dá)到威脅人員安全的來臨時間;t4表示能見度影響到人員步行速度的來臨時間;t5表示建筑材料破損飛落的物件危及人員安全來臨時間。

相對地，將人員實際疏散所需的時間定義為必需疏散時間(RSET，Required Safety Egress Time起火時刻人員到達(dá)安全區(qū)域的時間)，通常情況下，RSET取為以下5個時間的和:火災(zāi)探測時間、報警時間、人的火災(zāi)確認(rèn)時間、響應(yīng)時間以及疏散行動時間。很明顯，要達(dá)到人員的安全疏散，就是所有人員疏散完畢所需的時間小于火災(zāi)發(fā)展到危險狀態(tài)的時間，即保證人員安全疏散的基本準(zhǔn)則是:ASET＞RSET。其中RSET通常使用手算法或者疏散軟件模擬得出。

圖1 某大型購物中心建筑平面圖

3 某大型購物中心人員安全疏散數(shù)據(jù)確定

圖1為某大型購物中心建筑平面圖。該中心東西長309.5 m，寬103.65 m，地上共3層，整個建筑呈U字型，由于各外鋪都有自己的疏散樓梯，因此本算例不考慮其疏散，只考慮U型內(nèi)側(cè)商業(yè)街的疏散情況。

商鋪內(nèi)的人數(shù)按《建筑設(shè)計防火規(guī)范》5.3.17計算，地上商業(yè)營業(yè)廳建筑面積折算值為0.5～0.7，筆者取值0.5;商業(yè)營業(yè)廳地上一、二層人員換算系數(shù)為0.5人/m2，地上第三層商業(yè)區(qū)取值0.3人/m2(根據(jù)現(xiàn)場人流實測、統(tǒng)計與分析等資料)，地上第三層餐飲區(qū)取值0.77人/m2;疏散寬度換算系數(shù)按地上一、二層0.65，地上第三層0.75進(jìn)行取值。

4 日本的疏散時間計算方法

其實每一種疏散時間的計算方法都是基于一些假設(shè)，原因在于疏散時間受到很多因素的限制，如建筑情況、火場情況、人自身的素質(zhì)、人與周圍環(huán)境的互動等，都在很大程度上影響了疏散的時間，然而如果要完全綜合這些因素，那么將會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人的能力極限，可以說是基本不可能的。日本手算方法也是如此，尤其是在樓層的疏散時間計算上，采用了與其它國家完全不同的假設(shè)，這些假設(shè)不僅具有代表性，也有它一定的道理。

疏散時間的計算由兩部分組成，一是疏散開始時間，二是疏散行動時間。由于疏散開始時間存在著比較多的不確定性因素，因此，本文將主要探討疏散行動時間的計算。其基本的計算方法是由步行時間和滯留時間算出。疏散時間的計算通?？紤]最不利的情況，也就是說，在計算行動時間時，考慮最遠(yuǎn)的人員跑到出口的時間，即疏散人員利用步行距離最大L(m)的疏散路線進(jìn)行疏散，步行速度為v(m/s)，那么所需的步行時間tL(s)為:tL=L/v。

關(guān)于步行速度取值及建筑物內(nèi)人員特征和運動特征與建筑物使用功能的關(guān)系可查相關(guān)數(shù)據(jù)獲取。當(dāng)某一區(qū)域的疏散人數(shù)P在出口寬度為B的出口前，由停留狀態(tài)到全體人員通過出口所需的時間，也就是滯留時間tB(s):tB=P/(NB)，此處N為人員流動系數(shù)，是單位時間內(nèi)單位寬度所通過的人數(shù)。起火房間的疏散行動時間:troom=Lmax/v+P/(NB)，顯然，如果，最遠(yuǎn)處的人跑到出口之前，已經(jīng)有一部分人已經(jīng)從出口出去了，那么所計算的時間會比實際所需的時間要大。

由于火災(zāi)樓層每個房間的人經(jīng)過走廊到達(dá)樓梯間的時間不一樣，那么勢必會產(chǎn)生時間差，會使為計算疏散行動時間而進(jìn)行的疏散預(yù)測比較繁瑣，所以日本算法在進(jìn)行樓層疏散時間計算時，采取了大膽的假設(shè)，對計算的過程進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?，用到達(dá)樓梯間的最大步行時間和疏散路線上的最大滯留疏通時間之和來進(jìn)行計算，那么樓層疏散場所的最大步行時間為:tf=Lmax，f/v+Pf/(NBmin)，N為流動系數(shù)，當(dāng)房間有直通室外的出口時N取1.5人/米.秒，其他場合取值計算如下:

A co為通道的面積，m2;aN為疏散通道上必要的滯留面積，m2/人;P為人員密度，人/m2，Bneck為疏散通道上所有出口的最小寬度，在此出口處產(chǎn)生瓶頸效果，m;Broom為房間的出口寬度，m;∑PAload為通道里通過的疏散人員的數(shù)量。

日本公式手算法雖然將計算過程進(jìn)行了簡化，但是其并沒有使計算的結(jié)果有太大的偏差，雖說準(zhǔn)確度不夠理想，但是在進(jìn)行疏散時間預(yù)測時也不失為一種較好的辦法。具體計算過程如下:

(1)房間內(nèi)的疏散時間:t1=Lmax/v+P/(NB)=17.5/1+3129/113.25*1.5=35.57 s

(2)走廊的疏散時間:所有走廊面積之和為4150 m2，疏散走道的滯留面積為0.3 m2/人。通過計算比較，N取為1.5人/米·秒。t2=L/v+P/(NB)=30+3129/(9+10.8)*1.5=135.35 s

(3)樓梯疏散時間:N取為1人/米·秒。t3=Lmax/v+P/(NB)=27.77/0.6+3129/19.8=204.3 s

(4)樓梯出口到安全出口的疏散時間:所有走廊面積之和為279 m2，疏散走道的滯留面積為0.3 m2/人。根據(jù)公式計算，N取為1.5人/米·秒。t4=Lmax/v+P/(NB)=18+3129/1.33*1.5=174.84s

(5)通過日本手算法計算的人員疏散的總時間為T=t1+t2+t3+t4=550 s。

5 SIMULEX軟件模擬

Simulex是用來模擬大量人員在多層建筑物中的疏散的軟件。Simulex軟件為二維平面軟件，顯示效果直觀，所有的內(nèi)部參數(shù)，例如步速快慢、網(wǎng)格大小，都有系統(tǒng)設(shè)置，用戶只需要設(shè)置人員的類型，例如職員、顧客、學(xué)生等，系統(tǒng)會自動分配男人、女人和兒童的比例、速度。Simulex采用的是等距圖的行走算法，可以準(zhǔn)確描繪出單個個體的運動軌跡和個體對環(huán)境刺激的反應(yīng)以及個人特征等，可以表現(xiàn)接近真實的疏散行為和運動。Simulex的應(yīng)用特點在于:看重個體空間、碰撞角度及避難時間等生理行為，同時考慮個人在其他避難者、環(huán)境影響下的心里反應(yīng)。

Simulex制定關(guān)于疏散的幾何學(xué)和獨立的運動的方法，所做的原理假設(shè)如下:個體被設(shè)定了一種正常的，沒有阻礙的行走速度;當(dāng)群體擁擠在一起，變得較緊密時，行走的速度將降低;個體都按著一定路線走向出口，路線是由距離地圖上顯示的建筑結(jié)構(gòu)所決定的;設(shè)計了個體的趕超，轉(zhuǎn)身，捷徑行走和小程度回轉(zhuǎn)的情況。這些原理假設(shè)都符合實際火災(zāi)發(fā)生時候人員的實際運動狀況，保證了模型的準(zhǔn)確性。Simulex把一個多層建筑物定義為一系列二維樓層平面圖，這些樓層平面通過樓梯相連接。從每一個樓層進(jìn)入樓梯的出口要在樓層平面窗口和樓梯窗口都指定。樓梯和樓層平面由“Link”連接，在模型中將其放置在出口的位置。模型中的人員可以通過連接從樓層進(jìn)入樓梯，反之亦然。通過Simulex進(jìn)行模擬的具體步驟如下:用AUTOCAD將建筑圖紙保存為2004DXF格式，將各層圖紙導(dǎo)入Simulex軟件中，每層的樓梯用“Link”進(jìn)行連接，出口用“EXIT”進(jìn)行設(shè)定，然后設(shè)定房間人數(shù)，這時可以顯示出疏散用到的等距圖，最后進(jìn)行疏散模擬，計算出所需的疏散時間。

場景描述:本場景考慮在不受火災(zāi)煙氣影響下的一、二、三層人員整體疏散。安全出口數(shù)量:所有對外出口均可被用做疏散。模擬結(jié)果:從模擬結(jié)果中可以看出，在有組織人員進(jìn)行疏散誘導(dǎo)的情況下，人員將通過各樓梯和疏散出口進(jìn)行疏散，在523 s時人員全部疏散至安全走道。

模型疏散截圖，如圖2，圖3所示:

圖2 人員均勻分布在各樓層0s截圖

圖3 整體疏散完畢523s截圖

6 結(jié)論

通過日本算法與Simulex軟件的比較發(fā)現(xiàn)，兩者計算的疏散時間相差不大，雖說兩者在計算時都做了特定的假設(shè)，并且都具有各自的理論根據(jù)，但兩者都是在大量實驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的總結(jié)并加以延伸，所以兩者在疏散時間的預(yù)測上都會有一定的可信度。在使用每種方法之前，都先要了解相關(guān)的假設(shè)和限制，并結(jié)合建筑自身和人員的特點，找到最優(yōu)的方法，這樣才能為設(shè)計提供更為合理可靠的依據(jù)。

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