高層住宅建筑火災(zāi)室內(nèi)交互場景的構(gòu)建

秦華，侯文昊，冉令華

（1.北京建筑大學(xué)機電與車輛工程學(xué)院工業(yè)工程系，北京100044；2.中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京100088）

0 引言

近年來，我國的火災(zāi)形勢相當(dāng)嚴(yán)峻，尤其是高層建筑的火災(zāi)已成為城市中最為嚴(yán)重的公共災(zāi)害之一。由于建筑防火中人的行為及其反應(yīng)對人員疏散起到了關(guān)鍵的作用，所以建筑防火不能單純從工程技術(shù)方面進(jìn)行研究，還應(yīng)該重視人在火災(zāi)中的行為研究，文章采用人因工程的研究方法，對在人員獲悉火警信息后，決定逃生之前的各種行為反應(yīng)的分布特征與其影響因素進(jìn)行研究，旨在針對高層建筑火災(zāi)逃生前期的住戶行為反應(yīng)建立相應(yīng)的理論模型。

建筑火災(zāi)中人的行為反應(yīng)是建筑防火性能設(shè)計與評估的重要依據(jù)之一，而關(guān)于逃生行動開始前人的行為反應(yīng)的研究，近年來已廣泛引起了學(xué)者的重視［1－3］，但是，目前尚缺乏可實際應(yīng)用的研究成果。文章通過對建筑物模型和室內(nèi)場景的虛擬仿真，構(gòu)建一旦火情出現(xiàn)后用戶可與環(huán)境交互的三維室內(nèi)場景，目的正是為了后續(xù)研究能夠提取高層住宅建筑火災(zāi)的逃生前期中大量的行為數(shù)據(jù)，以便于分析影響人們逃生前期的行為反應(yīng)的主要影響因素。通過研究建筑火災(zāi)中人的行為反應(yīng)，這方面的研究成果不僅會為建筑防火設(shè)計中科學(xué)合理地考慮人的逃生問題提供理論依據(jù)，還將為建筑的防火性能設(shè)計和評估方法提供參考。

1 高層住宅建筑火災(zāi)與逃生前期行為

高層住宅建筑一旦發(fā)生火災(zāi)，人員疏散非常困難，這是因為高層住宅建筑火災(zāi)相對于非高層建筑的火災(zāi)有其自身的特殊性［4－5］：火災(zāi)蔓延途徑多、速度快；建筑內(nèi)人員較多，逃生途徑少，疏散困難。

火災(zāi)發(fā)展過程一般可分為起火、火災(zāi)初期，旺盛期和衰減期。伴隨著火災(zāi)發(fā)展過程，對于逃生中起關(guān)鍵作用的常常是在人們覺察火災(zāi)之后及達(dá)到危險狀況之前這段時間，是逃離火災(zāi)現(xiàn)場的最佳時段，而這期間人員的行為反應(yīng)起到了非常關(guān)鍵的作用，關(guān)系到其能否逃離火災(zāi)現(xiàn)場［1］。

研究表明，火災(zāi)發(fā)生時，第一次發(fā)出警報信號時，只有29%的人做出逃生的行為，其他都在猶豫驗證火災(zāi)信息，甚至人們還象沒有發(fā)生火災(zāi)一樣，繼續(xù)做自己的事情，等待其他人先做出行為反應(yīng)后，才開始行動［6－7］，或者聯(lián)系家人或朋友。在真實火災(zāi)場景中，這個前期時間持續(xù) 5～25 min不等［7－8］。通過對火災(zāi)信息的探索，人們將對周圍情形的危險程度作出判斷，并決定是否開始自己認(rèn)為恰當(dāng)?shù)奶由袨椤?/p>

人們逃生所需的時間主要由逃生行為前期時間和逃生過程所需時間組成。在實際的火災(zāi)發(fā)生現(xiàn)場，安全逃生時間有限。為了實現(xiàn)成功逃生，要求人們逃生所需要的時間應(yīng)小于火災(zāi)過程中給予的疏散時間（如圖1所示）［1］。圖1中的ASET為可用安全疏散時間，RSET為必需安全疏散時間。由此可以發(fā)現(xiàn)，前期的人員行為反應(yīng)非常重要，這是因為一方面這個階段的時間占安全逃生時間的比重相當(dāng)高，另一方面由于人員行為反應(yīng)直接導(dǎo)致逃生過程的實施效率與效果，即能否快速而成功的逃生。因此，找出影響人們做出逃生決定的影響因素，減少前期時間，就是相對延長了可用安全疏散時間，這是研究高層建筑火災(zāi)中人員安全疏散的根本和關(guān)鍵。研究認(rèn)為，主要有三類因素影響了人們的行為反應(yīng)，分別是人員特征、建筑特征和火勢特征［9－11］。

圖1 人的行為反應(yīng)與火災(zāi)發(fā)展關(guān)系圖

研究火災(zāi)期間的逃生行為，目前采用的方法主要有火災(zāi)后的訪談或者問卷調(diào)查，這種方法可以獲得人們火災(zāi)場景中的真實行為，但缺點是數(shù)據(jù)量有限，且易受到被訪者主觀偏差的影響。另外，隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，各國開發(fā)了許多用以描述建筑疏散特性的模型，目前己經(jīng)完成的和正在開發(fā)的疏散模型有20多種，總體上，這些模型都可歸結(jié)為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模型。在我國，關(guān)于現(xiàn)代高層建筑防火疏散設(shè)計的研究也得到了越來越多人的關(guān)注，但研究關(guān)注的重點是建筑的疏散特性模型。因此，構(gòu)建虛擬高層建筑火災(zāi)場景，讓被調(diào)研者即使沒有經(jīng)歷過火災(zāi)，也可有一定的身臨其境感，從而可以增強調(diào)研數(shù)據(jù)的真實性和可靠性。

2 高層住宅建筑室內(nèi)交互場景設(shè)計

由于人員行為反應(yīng)具有模糊性、隨機性和不確定性等特點，構(gòu)建場景交互方式就是為了及時收集在這種應(yīng)急狀況下人員的行為特性，由此反應(yīng)人員當(dāng)時的心理決策模型。因此，在構(gòu)建火災(zāi)場景中必須設(shè)計出人員與虛擬場景可能存在的交互方式，從而為后續(xù)探索人員逃生前期的應(yīng)急行為影響因素及存在的特點和規(guī)律提供研究基礎(chǔ)。

按照火災(zāi)行為的相關(guān)研究，在建筑物火災(zāi)前期中，人的行為主要有不采取任何與火災(zāi)相關(guān)的行為、自行滅火、提醒他人、尋找更多的火災(zāi)相關(guān)線索、搜尋財物或人員和逃生等6個方面的表現(xiàn)［12－13］。由于人的決策過程不是孤立的，而是受到各種內(nèi)在與外在的因素影響，在建筑物火災(zāi)中人的行為方式取決于人的感知、認(rèn)知和決策，影響建筑物火災(zāi)疏散中人的行為的因素既多而且復(fù)雜，在不同的條件下，做出的決策和做出決策的時間不同，因此，相關(guān)研究中將影響因素分為三類，分別是建筑特征、火情特征和人員特征等。建筑特征包括建筑物的樓層高度、結(jié)構(gòu)布局等，火情特征包括起火位置、煙火強度及發(fā)展速度、火警方式等，人員特征包括生理特點（年齡、性別、身體狀況等）、心理特點（火災(zāi)經(jīng)驗、培訓(xùn)和教育、性格等）、初始狀態(tài)、信息獲得途徑、人員所處的初始位置等［14－18］。

由于上世紀(jì)末起，國內(nèi)建造的住宅建筑層次較高、每層的布局較復(fù)雜而且內(nèi)部沒有報警系統(tǒng)等，在這樣的高層建筑環(huán)境內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，人們在逃生前期會有哪些行為，這是設(shè)計室內(nèi)交互場景過程中需要考慮的，基于上述研究，文章提出前期行為的影響因素有建筑內(nèi)部特征、獲取火情信息的影響因素以及人員特征。歸納的三類影響因素及考慮這些因素對場景設(shè)計的影響如表1所示。圖2呈現(xiàn)的為所設(shè)計的局部三維場景。

圖2 局部三維場景圖

3 火災(zāi)仿真場景中的用戶交互行為

一旦高層住宅建筑發(fā)生火災(zāi)，室內(nèi)人員會不斷地從周圍環(huán)境中感知火災(zāi)及其相關(guān)信息，在沒有采取逃生行為之前，會有以下幾類行為：查詢決策行為需要的信息、收集私人物品包括財物、搜救親朋好友、救火等［17］。為了調(diào)研高層住宅建筑火災(zāi)前期人員的行為，文章將逃生前期的可能行為與可交互的虛擬場景中的道具之間建立對應(yīng)關(guān)系（如圖3所示）。

表1 逃生行為影響因素及對應(yīng)的虛擬場景設(shè)計

要想在虛擬場景中提取出人們在真實火災(zāi)場景中的行為，還需要考慮到以下兩個方面：（1）在未發(fā)生火災(zāi)前，人們是處于正常生活行為狀態(tài)，只有這樣，一旦出現(xiàn)火情，才會出現(xiàn)從正常行為狀態(tài)至逃生行為狀態(tài)之間的逃生前期行為狀態(tài)；（2）除了理性決策，人們在緊急狀態(tài)下還會受到情緒的影響，因此虛擬場景中還要考慮激發(fā)出參與者當(dāng)下的情緒與心理，由此獲得的行為才真實可靠。為此，文章通過設(shè)計室內(nèi)場景、火災(zāi)發(fā)展過程中的用戶任務(wù)來滿足上述兩方面的要求。

虛擬建筑室內(nèi)是一套兩居室，包括廚房、衛(wèi)生間、臥室、客廳等，室內(nèi)裝修布置按照典型居室設(shè)計，用戶在開始正式任務(wù)之前，先熟悉建筑室內(nèi)場景，正式游戲之前有一個場景引導(dǎo)，讓用戶設(shè)想正坐在家中的電視機前，觀看一場精彩的比賽，這些設(shè)計的目的是讓用戶的行為是正常的理性決策的結(jié)果。之后用戶進(jìn)入正式任務(wù)，用戶在室內(nèi)隱約聞到了樓道里傳來的煙味，象是誰家在燒烤，又象誰家著火了，請用戶根據(jù)這種情況確定您的下一步行動，正式任務(wù)設(shè)計了兩種情況，一種是確實發(fā)生了火災(zāi)；另一種是沒有火災(zāi)，如果發(fā)生火災(zāi)而用戶沒有進(jìn)行逃生，表示游戲失敗，但是如果不是火災(zāi)而進(jìn)行逃生，也表示失敗。用戶只有在順利完成游戲的情況下，才可以參加抽獎，目的是激發(fā)出參與者類似于火災(zāi)場景中的緊張、焦慮的情緒與心理。對于一位參與者，其實驗任務(wù)實施過程如圖4所示。文章只記錄發(fā)出真實火警后，參與者決定逃生之前在居室內(nèi)部的行為活動。

4 結(jié)語

圖3 逃生前期的逃生行為與相對應(yīng)的道具圖

圖4 虛擬場景中的用戶任務(wù)圖

通過對建筑物模型和室內(nèi)場景的虛擬仿真，構(gòu)建一旦火情出現(xiàn)后用戶可與環(huán)境交互的三維室內(nèi)場景，目的正是為了后續(xù)研究能夠提取高層住宅建筑火災(zāi)的逃生前期中大量的行為數(shù)據(jù)，以便于分析影響人們逃生前期的行為反應(yīng)的主要影響因素。研究根據(jù)國內(nèi)住宅建筑的特點和火災(zāi)報警情況，室內(nèi)交互場景設(shè)計過程中考慮的影響因素包括建筑內(nèi)部特征、獲取火情信息的影響因素以及人員特征等三類，利用構(gòu)建的虛擬交互平臺，后續(xù)研究以此進(jìn)行大量逃生前期的行為數(shù)據(jù)收集，以便于量化分析影響人們逃生前期的行為反應(yīng)的主要影響因素。

目前采用仿真疏散模型來研究火災(zāi)中的人員逃生行為的研究較多，總體上，這些模型都可歸結(jié)為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模型，研究關(guān)注的重點是建筑的疏散特性模型。但是，要想將仿真環(huán)境應(yīng)用作為行為數(shù)據(jù)調(diào)研的平臺，更重要的是該環(huán)境能否激發(fā)被試身靈其境，從而產(chǎn)生一定程度上的真實行為，從而使得調(diào)研數(shù)據(jù)具有一定的可靠性，本研究一方面通過限制任務(wù)完成時間使得被試產(chǎn)生緊迫感，另一方面除了三維視覺環(huán)境，還配有聲音。除此之外，在后期，還會增加沒有時間限制及無聲環(huán)境的調(diào)研數(shù)據(jù)，通過差異性檢驗來驗證此環(huán)境能否對被試產(chǎn)生一定程度的行為影響。

［1］張樹平.建筑火災(zāi)中人的行為反應(yīng)研究［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2004.

［2］Sime J.D..Design Against Fire：An Introduction to Fire Safety Engineering Design［M］.London：E＆F.N.Spon，1994.

［3］肖國清，陳寶智，石社文.建筑物火災(zāi)疏散中人的失誤研究［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，2003，13（9）：44－48.

［4］劉慧，周佳佳.高層建筑火災(zāi)的特點及防火對策研究［J］.河南科技，2013，7：145.

［5］鄒志翀.基于建筑火災(zāi)安全的逃生互動影響分析［J］.土木工程學(xué)報，2012，45：321－326.

［6］Proulx G.，Reid I..Occupantbehavior and evacuation during the Chicago Cook County Administration Building fire［J］.Journal of Fire Protection Engineering，2006，16（4）：283－309.

［7］袁啟萌，翁文國.基于幸存者調(diào)查的高層建筑火災(zāi)疏散行為研究［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，2012，22（10）：41－46.

［8］Kobes K.，Post J.，Helsloot I.，et al.Fire Risk of High-rise Buildings Based on Human Behavior in Fires［C］.In Conference Proceedings FSHB 2008，Bucharest：Elsevier Ltd.，2008.

［9］Johnson P.F.，Johnson C.E.，Sutherland C..Stay or go？Human behavior and decision making in bushfires and other emergencies［J］.Fire Technology，2012，48（1）：137－153.

［10］Liu M.，Lo S.M..The quantitative investigation on people's preevacuation behavior under fire［J］.Automation in Construction，2011，20（5）：620－628.

［11］Chen Z.M.，Zhang J.，Li D.P..Smoke control-discussion of switching elevator to evacuation elevator in highrise building［C］.The 5th Conference on Performance-based Fire and Fire Protection Engineering.Guangzhou：Elsevier Ltd.，2011.

［12］Sherman M.F.，Peyrot M.，Magda L.A.，et al.Modeling pre-evacuation delay by evacuees in world trade center towers 1 and 2 on September 11，2001：A revisit using regression analysis［J］.Fire Safety Journal，2011，46（7）：414－424.

［13］Kuligowski E.D.，Mileti D.S..Modeling pre-evacuation delay by occupants in world trade center towers1 and 2 on September11［J］.Fire Safety Journal，2009，44（4）：487－496.

［14］Kuligowski E..D.，Hoskins B.L..Occupantbehavior in a highrise office building fire［S］.NIST Technical Note 1664.Gaithersburg， MD： National Institute of Standards and Technology，2010.

［15］胡靜，杜明星.建筑室內(nèi)環(huán)境的數(shù)值模擬研究［J］.山東建筑大學(xué)學(xué)報，2006，21（4）：399－404.

［16］趙慶雙，王超，劉曉通.高層辦公建筑內(nèi)部公共空間形態(tài)探析［J］.山東建筑大學(xué)學(xué)報，2010，25（4）：342－349.

［17］崔浩浩，陳偉，尹全軍，等.建筑物火災(zāi)中的人群疏散研究［J］.計算機仿真，2012，29（2）：148－152.

［18］伍東.高層住宅建筑火災(zāi)情況下人員安全疏散研究［D］.天津：天津理工大學(xué)，2009.