基于演化算法的建筑物人員疏散動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)

韓瑩雪

（北方工業(yè)大學(xué)，北京 100013）

1 引言

雖然高層建筑的出現(xiàn)緩解了城市用地緊張的問(wèn)題，促進(jìn)了城鎮(zhèn)化的發(fā)展，但由于其垂直方向上的建筑高度較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，人員密集，且大部分已建和在建的高層建筑都位于繁華的城市中心地帶，一旦發(fā)生火災(zāi)，人員疏散困難，救援難度較大，將帶來(lái)極大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。而高層建筑火災(zāi)造成極大人員傷亡的一個(gè)重要原因就是，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，缺乏相對(duì)有效的人員疏散策略，這主要包括人們對(duì)疏散路線的不熟悉，疏散設(shè)施的缺陷和疏散方式未得到充分利用等。合理、高效的疏散策略是人們生命安全的重要保障，因此，為提高疏散效率，減少人員傷亡，在有限的時(shí)間內(nèi)疏散盡可能多的人員，對(duì)高層建筑火災(zāi)情況下的人員疏散策略進(jìn)行研究具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，高層建筑內(nèi)的人員疏散問(wèn)題也是制約高層建筑發(fā)展的重要因素，高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)的人員安全疏散問(wèn)題已成為了一個(gè)亟待解決的世界性難題。

2 高層建筑火災(zāi)的起因

（1）生活和生產(chǎn)用火不慎。生活用火是最常見(jiàn)的火源，其種類繁多，主要包括炊事用火，照明、取暖用火，節(jié)日活動(dòng)用火和煙火等，這些都與人們的日常生活息息相關(guān)，稍有不慎，極易引發(fā)高層建筑火災(zāi)。生產(chǎn)用火是指高層建筑施工、維護(hù)時(shí)的用火，主要包括樓地面和屋頂鋪防水瀝青時(shí)的用火和電焊火花等，這些火源溫度較高，使用過(guò)程中應(yīng)注意周圍環(huán)境，避免因使用不當(dāng)造成高層建筑火災(zāi)。

（2）違反生產(chǎn)安全制度。高層建筑的生產(chǎn)安全制度就是指施工過(guò)程中應(yīng)當(dāng)注意的生產(chǎn)安全制度，各施工環(huán)節(jié)中易引發(fā)高層建筑火災(zāi)的是鋼筋的切割、焊接過(guò)程和板材的切割過(guò)程。一方面，切割機(jī)在使用過(guò)程中，不按時(shí)加潤(rùn)滑劑或沒(méi)有及時(shí)清除附著在機(jī)器軸承上面的雜物、廢料，而使機(jī)器這些部位摩擦發(fā)熱，引起附著物燃燒起火；另一方面，使用電焊焊接鋼筋時(shí)，沒(méi)有采取相應(yīng)的防火措施，也會(huì)釀成高層建筑火災(zāi)。

（3）電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)、安裝、使用及維護(hù)不當(dāng)。公安部消防局2015年全國(guó)火災(zāi)情況分析中指出，高層建筑火災(zāi)，尤其是較大火災(zāi)中有55.9%是由于違反電氣安裝使用規(guī)定引發(fā)的。高層建筑中電氣設(shè)備較多，功率差異較大，不合理的設(shè)計(jì)容易造成電路故障，引發(fā)火災(zāi)；將大功率發(fā)熱電氣設(shè)備安裝在可燃物附近，容易發(fā)生火災(zāi)；使用私拉亂扯的電線容易引發(fā)明火，造成高層建筑火災(zāi)；電氣設(shè)備的維護(hù)不當(dāng)會(huì)使線路接頭接觸不良，易造成電線短路，引發(fā)火災(zāi)。

（4）自然現(xiàn)象引起。引起高層建筑火災(zāi)的自然現(xiàn)象主要有自燃、雷擊、靜電和地震等。所謂自燃，是指在沒(méi)有任何明火的情況下，物質(zhì)受空氣氧化或外界溫度、濕度的影響，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)熱和蓄熱，溫度達(dá)到燃點(diǎn)而發(fā)生燃燒的現(xiàn)象。如大量堆積在一起的油布、油紙，因?yàn)榭諝獠涣魍?，?nèi)部發(fā)熱久聚不散，溫度逐漸升高，發(fā)生自燃。雷擊引起的高層建筑火災(zāi)，一是雷電直接擊在建筑物上發(fā)生的熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)等引起的；二是雷電產(chǎn)生的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)引起的；三是高電位沿著電路或金屬管道侵入建筑物內(nèi)部引起的。靜電通常是由摩擦、撞擊而產(chǎn)生的。因靜電引起的火災(zāi)事故屢見(jiàn)不鮮，如易燃、可燃液體在塑料管中流動(dòng)，由于摩擦產(chǎn)生的靜電，導(dǎo)致液體燃燒爆炸。發(fā)生地震時(shí)，因?yàn)榧庇谑枭?，人們往往?lái)不及切斷電源、熄滅爐火等，因而地震發(fā)生的同時(shí)，經(jīng)常伴有各種火災(zāi)的發(fā)生。

（5）縱火。主要包括人員的故意縱火和意識(shí)不清情況下的意外縱火。

（6）建筑布局不合理，建筑材料選用不當(dāng)。在建筑布局方面，防火間距不符合消防安全的要求，沒(méi)有考慮風(fēng)向、地勢(shì)等因素對(duì)火災(zāi)蔓延的影響，往往會(huì)造成發(fā)生火災(zāi)時(shí)火燒連營(yíng)，形成大面積火災(zāi)。在建筑構(gòu)造、裝修方面，大量采用可燃構(gòu)件和可燃、易燃性裝修材料都會(huì)大大增加高層建筑發(fā)生火災(zāi)的可能性。

3 高層建筑火災(zāi)樓梯、電梯混合疏散策略

3.1 樓梯、電梯混合疏散策略

顯然，高層建筑利用電梯進(jìn)行人員疏散的最大特點(diǎn)就是運(yùn)送時(shí)間短，而樓梯疏散的安全、可靠性又是其他疏散方式所難以取代的，所以，單獨(dú)地使用樓梯或電梯并不能達(dá)到最好的疏散效果，而必須將這兩種疏散方式結(jié)合在一起，以追求在最短的時(shí)間內(nèi)疏散盡可能多的人員。因此，在整個(gè)疏散過(guò)程中，樓梯和電梯都必須得到最充分的利用，最理想的情況是從樓梯中下來(lái)的最后一個(gè)人與從電梯中下來(lái)的最后一個(gè)人幾乎同時(shí)到達(dá)出口處?；谶@個(gè)思路，在已有研究成果的基礎(chǔ)上，本文提出了一種新的樓梯、電梯混合疏散方式，它是一種待疏散人員同時(shí)利用樓梯、電梯，但不依賴電梯的疏散模式。高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，電梯的運(yùn)行模式與平時(shí)不同，須采用新的?？恳?guī)則實(shí)現(xiàn)最為有效的疏散，即疏散開始時(shí)，人員首先選擇樓梯進(jìn)行疏散，電梯自動(dòng)計(jì)算運(yùn)行到最高層時(shí)，該層尚未疏散的人數(shù)是否大于（或等于）電梯額定人數(shù)，若大于（或等于）則選擇?？?，并根據(jù)未疏散人數(shù)確定?？吭谠搶拥碾娞輸?shù)量，若小于則不?？?，繼續(xù)計(jì)算運(yùn)行到下一層時(shí)未疏散人數(shù)是否大于（或等于）電梯額定人數(shù)，直到計(jì)算出運(yùn)行到第二層時(shí)，該層的未疏散人數(shù)小于電梯額定人數(shù)，則電梯停止運(yùn)行。

3.2 樓梯、電梯疏散時(shí)間計(jì)算

（1）水平通道疏散時(shí)間。樓層水平通道運(yùn)動(dòng)時(shí)間是指疏散人員通過(guò)走廊移動(dòng)到樓梯間或電梯間的行走時(shí)間，它主要由疏散距離和人員行走速度決定，而人員行走速度又受人流密度的影響。

（2）樓梯疏散時(shí)間。樓梯疏散模型一般都是基于流體力學(xué)模型建立的，就是把人群看成一個(gè)連續(xù)的，流動(dòng)的整體，不考慮人與人之間、人與環(huán)境之間的相互作用對(duì)人員運(yùn)動(dòng)的影響。疏散開始時(shí)，樓梯上的人流密度相對(duì)較小，人群以速度勻速下樓，不受人流密度的影響。當(dāng)人群運(yùn)動(dòng)到下一層時(shí)，在樓層平臺(tái)處與下一層的疏散人群形成匯流，人流密度迅速上升超過(guò)某一臨界值，然后趨于穩(wěn)定，此時(shí)疏散行動(dòng)表現(xiàn)為集群流動(dòng)，具有流體力學(xué)的特征。研究資料表明，當(dāng)疏散通道中人流密度超過(guò)3.57人/m2時(shí)，會(huì)造成疏散中的危險(xiǎn)。

（3）電梯疏散時(shí)間。一般情況下，電梯從啟動(dòng)到停止，最多經(jīng)歷5種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，依次為勻加速運(yùn)動(dòng)、變加速運(yùn)動(dòng)、勻速運(yùn)動(dòng)、變減速運(yùn)動(dòng)和勻減速運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，高層建筑火災(zāi)頻發(fā)，對(duì)人們的生命、財(cái)產(chǎn)安全造成了極大的危害，雖然全國(guó)消防部門加大了對(duì)高層建筑的防火管理力度，但高層建筑火災(zāi)的形勢(shì)依然嚴(yán)峻，高層建筑火災(zāi)人員疏散問(wèn)題已成為當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。