1、2006 年 8 月第 8 卷第 8 期中国工程科学Engineering ScienceAug. 2006Vol18 No18研 究 报 告收稿日期 2005 - 04 - 08基金项目 科技奥运资助项目 (2001BA904B10)作者简介 祝佳琰 (1981 - ) , 女 , 江苏无锡市人 , 中国科学技术大学研究生一种模拟疏散流程的疏散时间计算方法祝佳琰 , 张和平(中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室 , 合肥 230027)摘要 在工程实际中 , 通过人员安全疏散所需要的时间与人员安全疏散可用的时间进行比较来判断建筑的疏散设施能否满足突发情况下人员安全疏散的要求。将建筑的疏散
2、设施抽象成网络的节点 , 从而将人员在建筑中的疏散流程简化成节点的串联系统模型 , 并联系统模型或者是串、并联系统组成的复杂模型 , 并给出了计算的方法。关键词 人员疏散 ; 疏散设施 ; 串联模型 ; 并联模型中图分类号 TU998 文献标识码 A 文章编号 1009 - 1742 (2006) 08 - 0073 - 04前言现代建筑设计贯彻以人为本的理念 , 主要的安全目标是保证建筑内人员的安全 , 即在发生突发事件时首先要确保人员安全疏散。当前出现的结构新颖 , 内部功能越来越复杂化和综合化的超大规模建筑往往突破了现有建筑、消防等规范中关于人员疏散设施的相关规定。作者提出通过将人员安全
3、疏散所需要的时间与人员安全疏散可用的时间进行比较 , 对建筑疏散设计的合理性进行评价的方案。如果人员安全疏散需要的时间小于人员安全疏散可用的时间 , 可以认为建筑的疏散设计是合适的 ; 反之 , 则要求对疏散设施进行整改。人员安全疏散可用的时间是指从危险状况发生并发展到对人员生命构成危害所经历的时间 , 该时间可根据突发事件的实际情况得到。人员安全疏散需要的时间是指建筑内的人员疏散到安全区域所需要的时间 , 该时间与建筑的结构以及人员的行为特征有关。计算得到的人员安全疏散所需要的时间是进行安全评价的重要依据。作者基于人员疏散网络模型 , 提出了一种进行人员安全疏散流程分析以及人员安全疏散所需时
4、间预测的方法。这种方法将建筑的疏散设施抽象成网络的节点 , 从而将人员在建筑中的疏散流程简化成节点的串联系统模型 , 并联系统模型或者是串、并联系统组成的复杂模型 , 能在一定程度上反映人员疏散的过程。1 基本假设在实际逃生过程中 , 人员安全疏散需要的时间包含疏散开始时间和疏散运动时间 1 。疏散开始时间是指从危险发生到开始疏散的时间 , 一般与报警系统、危险发生场所、人员相对位置、疏散人员状态、建筑物形状、管理状况及疏散诱导手段等因素有关。疏散运动时间是指疏散开始至疏散结束的时间。作者的计算仅针对疏散运动时间并以如下的假设为基础 1 :a. 疏散开始前 , 建筑单元中人员根据建筑的不同功能
5、以不同的密度分布 ; b. 疏散过程中 , 人群的流量与疏散通道的宽度成正比分配 ; c. 所有人员从每个可用的疏散出口疏散 , 并主动选择最近的疏散设施疏散 ; d. 所有人员在突发事件发生后同时疏散 , 且疏散路线连续 , 中途不退回 ; e. 所有人员通过走廊 、门厅等水平通道的速度一致且始 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/终保持不变 ; f . 所有人员都具有足够的身体条件疏散到安全区域 , 且疏散人员全部具有相同的特征 , 疏散能力 , 疏
6、散运动速度一致。2 模型计算建筑内人员安全疏散需要的时间存在 2 种方法 : 一是将整个疏散时间作为一个整体 , 等于人员在疏散区域运动的时间和人流通过疏散出口的时间之和。另一种将整个疏散分为 2 类 , 即当待疏散人数较少时 , 疏散时间由疏散的最远距离决定 ; 当待疏散人数很多 , 在疏散出口造成拥塞时 , 疏散时间由通过出口的最长时间决定 2 。作者采用后一种方法。211 单元体图 1 所示的单元体是最简单的建筑结构 。 e 为疏散出口 , 图 1b 为图 1a 简化结构。人员在平地疏散区域内运动 , 疏散时间 t = Lv 。 人流通过疏散出口一般会发生拥塞 , 疏散时间 t = pe
7、 w 。 单元体人员安全疏散需要的时间等于人员通过疏散出口的时间与距离疏散出口最远的人员到达疏散出口的时间中的最长时间 , 即 :te = max Lv , pe w3 其中 L 是距离疏散出口的最远距离 (m) , v 是人员运动的速度 (mPs) , p 是待疏散的人数 (人 ) , e是疏散出口的疏散能力 (人 Pms) , w 是疏散出口的有效宽度 (m) 。图 1 单元体及简化图Fig11 Simplified unit212 并联系统如图 2 所示的建筑结构 (图 2b 为图 2a 的简化 ) , 一个单元房间有多个疏散出口。可以看出这是一个疏散出口相互并联的系统。当疏散出口处未发
8、生拥塞 , 即 p e w 时 , 距离疏散出口最远处到达疏散出口的时间决定了人员安全疏需要的时间 ; 当疏散出口处发生拥塞 , 即 p e w 时 , 人流通过疏散出口的时间决定了人员安全疏散需要的时间。即 :te =max L1v ,L2v ,L3v p e wmax pe1 w1, pe2 w2, pe3 w3p e w依此类推 , 当一个房间有 n 个疏散出口可供同时疏散 , 即有 n 个疏散出口相互并联时 , 人员安全疏散需要的时间可以表示为te =max L1v ,Liv ,L nv p e wmax pe1 w1, pei wi, pen wnp e w其中 , L1 , L2
9、, L3 , Li , L n 分别是距离疏散出口1 , 2 , 3 , i , n 的最远距离 (m) ; w1 , w2 , w3 ,wi , wn 分别是疏散出口 1 , 2 , 3 , i , n 的有效疏散宽度 (m) ; e1 , e2 , e3 , ei , en 分别是疏散出口1 , 2 , 3 , i , n 的疏散能力 (人 Pms) ; p 是单位时间内房间流出的人数 (人 Pm) 。可见 , 在并联系统中 , 疏散时间最长的节点对整个系统的疏散时间有重要的影响 。图 2 并联系统及简化图Fig12 Shunt2wound unit213 串联系统如图 3 所示的建筑结构
10、 (图 3b 为图 3a 的简化 ) 。位于最终房间的人员依次通过多个疏散出口才可到达安全区域。可以看出这是一个疏散出口相互串联的系统。房间 1 人员安全疏散需要的时间同单元体人员安全疏散需要的时间 , 即 :t1 e = max L1v , p1e1 w1房间 2 的疏散分 2 部分完成 3 : 第一 , 房间 2 的人员离开房间 2 , 即 : t21 = max L2v , p2e2 w2; 第二 ,47 中国工程科学 第 8 卷 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserv
11、ed. http:/房间 1 的人员流入房间 2 , 当疏散出口 2 处未发生拥塞 , 即 p2 e w 时 , 距离疏散出口最远处到达疏散出口的时间决定了疏散完成时间 , 即 t22 =L2v ; 当疏散出口处发生拥塞 , 即 p2 e w 时 , 人流通过疏散出口的时间决定了疏散完成时间 , 即t22 = ( p1 - p2 ) t21 + p20e2 w2。 房间 2 人员安全疏散需要的时间为 :t2 e =t21 = max L2v , p2e2 w2t22 =L2v p2 e2 w2( p1 - p2 ) t21 + p20e2 w2 p2 e2 w2图 3 串联系统及简化图Fig1
12、3 Series2wound unit房间 3 的疏散情况与房间 2 相同 , 房间 3 人员安全疏散需要的时间为 :t3 e =t31 = max L3v , p3e3 w3t32 =L3v p3 e3 w3( p2 - p3 ) t31 + p30e3 w3 p3 e3 w3依此类推 , 当最终的房间要通过 n 个疏散出口才可以到达安全区域 , 即有 n 个疏散出口相互串联时 , 人员安全疏散需要的时间可以表示为 :te =tn1 = max L nv , pnen wntn2 =L nv pn en wn( pn- 1 - pn ) tn1 + pn0en wn pn en wn其中 ,
13、 p20 , p30 , pn0 是房间 2、 3、 n 的初始人数 ;p1 , p2 , p3 , pn 是房间 1、 2、 3、 n 待疏散的人数 ; p1 , p2 , p3 , pn - 1 , pn 是单位时间内从房间1、 2、 3、 n - 1、 n 流出的人数 。可见 , 在串联系统中 , 最后一个节点的疏散时间对整个系统的疏散时间有重要的影响 。3 实例以下给出 2 个在实际建筑中常见的结构 , 结合上述计算模型 , 对建筑中人员疏散的流程进行分析 , 并给出计算人员安全疏散所需时间的 方法 。311 复杂系统一如图 4 所示的建筑结构 (图 4b 为图 4a 的简化 ) ,
14、最终房间 1 可以通过疏散出口 2 经由房间 2 ,通过疏散出口 3 , 再由房间 3 的疏散出口 4 , 5 , 6疏散到安全区域 ; 或者可以通过疏散出口 1 进入房间 3 后 , 从房间 3 的疏散出口 4 , 5 , 6 疏散到安全区域。设疏散时人员同时向疏散出口运动 , 可以看出这是一个多个疏散出口组成的串、并联的复杂系统 , 即 e2 , e3 串联后与 e1 并联 , e123 与 e4 , e5 ,e6 组成的并联系统串联 。根据上述模型 , 系统的疏散完成时间取决于 e456 ( e4 , e5 , e6 组成并联系统的时间 ) , 而 e456的时间是 e4 , e5 ,
15、e6 中最长的疏散时间 。由此可见 , 该复杂系统的疏散流程分析为 :t1- 6 = t456 t456 = max( t4 , t5 , t6 ) t =max L4v ,L5v ,L5v p3 e wmax p3e4 w4, p3e5 w5, p3e6 w6p3 e w图 4 复杂系统 1 及简化图Fig14 Build2up system 1312 复杂系统二如图 5 所示的建筑结构 (图 5b 为图 5a 的简化 ) , 第三层有 4 个房间 , 房间 1 , 2 , 3 , 4 的人员公用疏散楼梯 sw32 和 sw21。设疏散时人员同时向疏散出口运动 , 可以看出这也是一个多个疏散
16、出口组成的串、并联的系统 , 即 e1 , e2 , e3 , e4 组成的并联系统与 sw32 , sw21 串联。根据上述模型 ,57第 8 期 祝佳琰等 : 一种模拟疏散流程的疏散时间计算方法 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/系统的疏散完成时间取决于 sw21 疏散时间。楼梯多为有该层人员和上层人员流入 , 人流再向下层疏散的结构 5 , 作者在计算中将流入楼梯的人数视为一个整体。由此可见 , 该复杂系统的疏散流程分析为 :t = tsw21
17、tsw21 =tsw211 = max L21v , p21e21 w21tsw212 =L21v p21 e21 w21(s w32 - s w21) tsw211 + p210e21 w21 p21 e21 w21其中 , p210是楼梯 21 的初始人数 , p21是楼梯 21 中待疏散的人数 , L21是楼梯 21 的长度 , sw32 , sw21是单位时间内从楼梯 32 , 楼梯 21 内流出的 人数 。图 5 复杂系统 2 及简化图Fig15 Build2up system 24 结论将建筑的疏散设施抽象成网络的节点 , 从而将建筑中的疏散过程简化成节点的串联系统模型 , 并联系
18、统模型或者是串 、并联系统组成的复杂模型 ,并给出了计算的方法 。1) 将最简单的单门单室建筑结构简化成单元体 , 其人员安全疏散需要的时间为te = max Lv , pe w2) 将有 n 个疏散出口的单室建筑结构简化成并联系统 , 系统人员安全疏散需要的时间取决于系统中疏散时间最长的节点。te =max L1v ,Liv ,L nv p e wmax pe1 w1, pei wi, pen wnp e w3) 将需通过 n 个疏散出口的建筑结构简化成串联系统 , 系统人员安全疏散需要的时间取决于系统最后一个节点的疏散时间。te =tn1 = max L nv , pnen wntn2 =
19、L nv pn en wn( pn- 1 - pn ) tn1 + pn0en wn pn en wn这种计算方法可对人员安全疏散需要的时间进行估算 , 对人员疏散过程进行预测分析。参考文献 1 袁理明 , 范维澄 . 建筑火灾中人员安全疏散时间的预测 J .自然灾害学报 , 1997 , 6 (2) : 28 33 2 霍 然 , 袁宏永 . 性能化建筑防火分析与设计 M.合肥 :安徽科学技术出版社 , 2003 3 陈智明 , 霍 然 , 王国栋 . 建筑内人员疏散的一种网络模型算法的讨论 J .火灾科学 , 2004 , 13 (2) :90 94 4 Pauls J . Effecti
20、ve width model for crowd evacuation flowon stairs A . Vol 16th International Fire ProtectionSeminar C. Karlsruhe West Germany , 1982An Algorithm of Evacuation Time WhichSimulates the Evacuation CourseZhu jiayan , Zhang Heping( State Key Laboratory of Fire Science , USTC , Hefei 230027 , China) Abstr
21、act In practice , if available safety egress time is longer than required safety egress time , people canevacuate the building in urgency successfully. In this paper , the evacuation facilities such as doors wereabstracted as units of the net , and the evacuation course was simplified as series2woun
22、d net , shunt2wound net ortheir built2up system. The expressions of the algorithms for the four different systems were presented. Key words evacuation arithmetic ; room unit ; series2wound model ; shunt2wound model67 中国工程科学 第 8 卷 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/
