1、重庆市重点职业中学-丰都县职业教育中心第 页 共 8 页高楼层人员疏散的评估与分析丰都县职业教育中心 秦红伟摘 要本文对高楼层人员疏散作了系统的评估与分析，通过控度距离的计算确定了人员疏散过程中的人流密度，然后建立了在紧急情况下最优时间的数学模型： ，nxyiisqii vdt1. /)mn( mdsjnt1.从而计算出了在紧急疏散过程中楼层人数与时间的关系，再分析了逃生过程中逃生人员行为的变化及影响，最后我们对传统的逃生与电梯逃生的利与弊作了详细的分析，得出了一些在紧急情况下人员疏散有一定价值的结论，可供实际疏散中作参考。关键字： 控度距离 人员疏散 人流量 行为 紧急疏散High floo
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5、the personnel Disperses person the discharge behavior instancy Disperses1.引 言重庆市重点职业中学-丰都县职业教育中心第 页 共 8 页近一、二十年来，随着我国经济的快速增长和全球经济一体化进程的加快，为了解决城市人口的不断增长和人员的住宿和工作场所之间的矛盾，在城市发展中建不建高层、超高层建筑，在国际上争论了半个世纪，结果发展依然迅速，从欧洲发展到美洲、澳洲，又发展到亚洲、非洲，全世界各大洲的大城市的高层建筑都在发展中，高层建筑并未因有争论而减少，近年来却越建越多。高层建筑具有楼层多、内部装饰材料多、电气设备多、功能多
6、、人员多、管道竖井多等“六多”的特点，一旦高层建筑发生火灾，火势蔓延迅速、人员疏散困难，火灾后的逃生就是一个非常棘手的问题。因此，就对建筑设计也有更高的要求，如何界定该建筑类型，如何套用建筑防火规范，防火分区如何划分和认定，人员密度如何确定，疏散宽度如何确定，如何解决疏散距离超长等问题，成为了众多学者研究的方向。高楼层安全疏散设施主要包括疏散走道、疏散楼梯和安全出口，疏散指示、应急照明、消防广播系统，以及防排烟系统，避难层，电梯系统等。在门和其他连接处前不发生过度的滞留或排队现象。同时也与许多因素相关联，如建筑的类型和功能，人员的组成和特性，人员密度及分布情况，火灾探测报警的设置情况，防火灭火
7、设施的设置情况等等，因此高楼层安全疏散是一个非常复杂的系统，特别是人员的心理和行为能力对疏散安全的影响等。一直以来，国际上众多科研机构关注的问题疏散所需时间小于危险来临时间，则疏散是安全的，反之，不安全。但是，怎样在众多因素的影响下建立一个时间最优化的模型，是解决这一问题的关键。高楼层人员安全疏散是紧急疏散的一个重要的内容，对于人员密集的公共建筑疏散安全就更为重要。基于高楼层人员的疏散安全问题以及评估分析正越来越受到人们的关注，各国在这个领域的研究也取得了一定的成果和进展。在我国, 人员安全疏散的研究尚属起步阶段, 迄今为止仅有一、二家研究机构在国内消防刊物上发表过有关人员安全疏散的论文。如青
8、岛海洋大学曾经在火灾科学上发表过火灾时人员安全疏散可靠性评估一文, 文中给出了一个以逃生概率为评价指标的疏散可靠性计算方法。 “九五”期间, 国内有关科研机构开发了地下建筑的疏散模型, 标志着我国在人员疏散这一领域的研究进入到计算机数值模化阶段。香港城市大学的有关研究人员提出了利用计算机虚拟现实的技术收集人员在火灾中行为量化数据的调查方法, 结合火灾后的问卷调查及疏散演习等手段收集了大量有关火灾中人员行为的数据。比较详细地研究了建筑物防火通道内的标识(如灯光、张贴、指引、广播等) 对人员疏散行为的影响, 得出了一些有价值的结论。建立了网格疏散模型(SGEM )。该模型在几何空间上将建筑物划分成
9、能反映人员具体位置的细网格, 并利用拉格朗日方法分析每个人员在建筑物内的移动速度。采用此模型对香港的一些实际工程进行了较为成功的疏散模拟。根据现有有关高楼层人员疏散的一些数据，现有的一些模型的分析，作如下探讨：a） 逃生过程中逃生人员之间的控度距离对疏散所用的最短时间影响；b） 以传统的逃生方案（主要是楼梯） ，安全疏散所用的最短时间；c） 逃生过程中逃生人员行为的变化及影响的分析；d） 分析传统的逃生与电梯逃生的利与弊；2.模型的假设1、假设高楼层的设施都完善2、在人员的疏散过程中，所有人都能找到相应的出口。3、人员是从各层步行至底楼的安全场所，即为疏散完毕，并且人的步行速度一定。4、人员疏
10、散过程中限制在单向定宽度无限长通道内前进, 且相对饱满，即疏散距离尽量小。速度不大重庆市重点职业中学-丰都县职业教育中心第 页 共 8 页于某极限速度 3m/sce， 5、 任何个体均遵循普遍原则前进: 不试图超越前方个体, 亦不会留出过大间距.6、 设高楼里的人数已达到最大限度。7、 假设人从某一层起到达安全地点都以某一恒定的速度疏散。8、 设楼层为 25 层（国际以 20 层为高楼层标准） ，每层高度 3.8 米，每层可容纳 800 人。总高度为950 米，总人数为 20000 人。9、 设楼层的出口是相对对称的，只考虑一个出口的情况。10、假设全体人员都有逃生能力。3.变量及符号说明：控
11、度距离 ：人群疏散的速度Dv：人群密度 ：为最大疏散密度1p2p：楼层的总高度 H：人员从最高层到地面疏散所用的最短时间T：疏散前的时间 ：某节点的等待时间sqit. dsjnt.：通道 x 段的距离 ：x 段的平均速度xdyiv：人员流量 ：自由移动的速度l z：楼梯的有效宽度 ：使用楼梯的人数wp4.问题的分析问题一：控度距离，即是疏散过程中人与人之间所保持的距离，是人员疏散问题过程中影响疏散速度的重要因素，只有在控度距离一定的情况下，人员才会有次序的以最大速度疏散。问题二：要求以传统的逃生方案（主要是楼梯） ，安全疏散所用的最短时间，就要考虑楼层的总高度、人员疏散的速度。但人员疏散的速度
12、受多种因素的影响，比如楼梯的宽度、疏散时人员的心理变化等。这一问题主要从人员的形体对楼的通道设计的影响，然后在单位时间内通过通道的人流量，确定人员疏散速度和疏散的时间。问题三：人的行为因素,在火灾中对疏散时间有着较大的影响，主要是恐慌和过激行为等对人精神的失控，以及人的疏散行为和对整体疏散时间的影响。问题四：主要就传统的逃生与电梯逃生相比较，得出它们在高楼层人员疏散中的利与弊。5.模型的建立5.1 控度距离的计算根据人个体在其占地面积在各方向的大小，我们确定出个体的占地面积，进而确定出人在某一段通道内的最大人数，最后估算出控度距离。下面给出不同地区人群生理尺寸的数据表 1.1 3国家(地区)肩
13、宽bp (m)身体厚度dp (m)椭圆面积SpE (m2)矩形面积SpS (m2)M 0.51 0.285 0.1142 0.1454British F 0.435 0.295 0.1008 0.1283M 0.475 0.23 0.0858 0.1093Japanese F 0.425 0.235 0.0785 0.0999重庆市重点职业中学-丰都县职业教育中心第 页 共 8 页M 0.47 0.125 0.0461 0.0588Hong Kong F 0.435 0.27 0.0923 0.1175M 0.515 0.28 0.1133 0.1442USA F 0.47 0.295 0.1
14、089 0.1387M 0.455 0.235 0.084 0.1069Indian F 0.39 0.255 0.0781 0.0995平均 0.485 0.231 0.0887 0.1129从上表，我们估计中国的人肩宽为 0.49m，身体厚度为 0.25m，占地面积为 s=0.125m2.通道某一段的最大人数为：n= （1-1）个 体 占 地通 道地 面S假设相邻个体的横向间距恒为 100mm, 纵向间距随人群密度变化.即能计算出了人群在某一段的密度为 P=4 人/m 2.在疏散过程中，如果用这个密度疏散，就显得很拥挤，所以,疏散密度一定比 4 人/m 2 要小,疏散密度在 时，而控度距离
15、与速度成正比，在速度一定时，控度距离与密度224/mp人成正比，故建立数学模型为： (其中 为常系数)。1kvD2 k通过对参考资料 6和 7知道， =2.2 人/m 2，故人在拥挤状态下的水平步幅为 所以，p md98.0人在楼梯通道疏散时，他的控度距离 D 大约为0.5m。5.2 疏散时间的计算高楼层人员要以最短时间疏散，我们必须控制每一阶段的人流速度,不要在节点处出现堵塞现象，我们只有使每一个阶段人流速度等于最大人流速度,才能使在最短的时间以最快的速度疏散完毕，在此，我们主要采取分段疏散的办法，疏散过程中对人员进行分批疏散。紧急情况下，影响人员疏散的因素很多，人员的密集程度、人员的行为、
16、疏散通道的条件、疏散过程中的引导等。 在疏散过程中，把人员疏散到安全场所所用的时间大致可分为两个阶段：一是疏散开始前时间，即是人在紧急情况时，判断是否对自己构成危险到开始移动的这段时间，二是疏散过程中所需的时间，即是开始疏散到最后一个人到达安全场所所用的时间。所以人员到达安全场所的总时间=疏散开始前的时间+疏散过程中所需的时间。而疏散过程所需的时间=疏散过程中某段距离的时间+某些节点的等待时间，从紧急情况开始到人员到达安全场所的总时间小于危险来临时间，则安全，反之，不安全。一般而言，人员发现自己已危险时，都是以最快的速度到达出口，这时假设有指导人员在此指挥，当一层的最后一位人员开始疏散时，二层
17、的第一位人员到达一层的最后一位人员处，根据以上分析，我们可以建立以下数学模型，第 个人的最短疏散时间 为：iitnxyiisqii vdt1. /)mn( mdsjnt1.12其中上式中, ti,delay 为疏散前的滞后时间,包括觉察火灾和确认火灾所用的时间; di,n 为第 n 段的长度; vi,n 为该人在第 n 段的平均行走速度;tm,queue 为第 n 段出口处的排队等候时间。最后一个离开教学楼的人员所有用的时间就是教学楼人员疏散所需的疏散时间。重庆市重点职业中学-丰都县职业教育中心第 页 共 8 页而 pauls4给出了下楼梯人员流量与楼梯的宽度和通道中的人数有关，可表为：其中2
18、804/27.03. pwl 5.0/1.wp而人员的疏散速度与人员的疏散密度有关，控度距离与疏散密度有关，人员行为对疏散速度也有关，因此，我们可以得到疏散速度的数学模型为 ： 32yxvfzy其中 其中 的值分别为.，.，.他们分,76.03),ln(2.3.1yx ,别是各因素的加权系数。由（2-1） 、 （2-2） （2-3）式，我们就能计算出具体的高楼层最短疏散时间。通过参考文献 10、11、12 知道：采用 FIRECALC 模型预测房间内探测器的动作时间, 并以此时间作为预动作时间。可以得出疏散开始前时间共为 103.82 秒。用人流密度通过（5）式，应用 MATLAB 语言能计算
19、出人的速度为 0.9m/s1.1m/s，我们仅考虑 10 层的情况，假设只疏散 25 人，进而根据（2-1）式可以得到疏散时间与人员关系如下：人员响应时间表 1.2疏散时间与人员关系表 1.3人员 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12位置 1 2 3 6 4 8 9 4 2 8 10 7疏散时间 m/s 65.8 54.2 52.9 60.8 52.1 45.2 55.4 56.7 68.3 68.3 63.3 49.6总时间(m/s) 169.6 158 156.7 164.6 155.9 149 159.2 160.5 172.1 172.1 167.1 153.4人员 1
20、3 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24位置 5 8 9 5 6 10 7 6 8 7 5 6疏散时间 m/s 48.3 52.1 56.3 44.1 48.3 50.3 53.1 49.2 60.7 59.7 48.5 52.9总时间(m/s) 152.1 155.9 160.1 147.9 152.1 154.1 156.9 153 164.5 163.5 152.3 156.7通过对疏散人员与时间的分析，与实际疏散时间大部分相符合，说明了模型具有一定的合理性。但是疏散过程中还有很多因素的影响，所以，与实际疏散也有一定的误差。类型 最佳情景 一般情景 最坏情景警
21、报信号 10带高低音的声音发声器 7加上带录音信息响应广播系统5疏 散 时 间 与 人 员 关 系0501001502001 3 5 7 9 11人 员位 置疏 散 时 间m/s总 时 间(m/s)人 员位 置重庆市重点职业中学-丰都县职业教育中心第 页 共 8 页5.3 逃生过程中逃生人员行为的变化及影响的分析心理学原理认为，意识影响行为，即一个人的感情和行为不会被某一事件本身(如紧急疏散)所影响，而是被他对于这件事情的想法所影响。心理学的研究还告诉人们一个人在面对危险时，其身体更趋于准备物理动作的行为而不是意识的行为。因此，在危险中，人们会本能地发挥自己身体的主观能动性，选择原始的、非自动
22、的楼梯逃生，通过在合理分析人员心理行为的基础之上，合理地设计疏散路线，并使用文字、图形、灯光、声音等方式，有效地对疏散当中的人流进行引导，可达到很好的效果。处于逃生的压力下，人会在逃生过程中产生“一般适应综合症状” （GAS） 。这种症状共有三个阶段：惊恐反应阶段、抗拒阶段和衰竭阶段。人在抗拒阶段适应达到最佳水平，此时从肾上腺和脑垂体分泌激素波，这些激素波的释放恢复了身体的平衡。而在惊恐反应阶段人会因为紧张反应，促使其心跳加快，意识狭窄。因此只有加强疏散知识在人的潜意识中的输入，使疏散知识在人员遭遇火灾时第一时间进入人的意识，才能使人员更好的进行逃生。通过进行有效知识教育、长期组织疏散演习，以
23、增强人的应急疏散素养、强化逃生意识在人的潜意识中的作用，减少人从惊恐反应阶段到抗拒阶段的适应时间，提高人的逃生能力，从而使人在紧急情况中尽快利用有限的时间、空间逃生。紧急情况时，建筑物内的使用者要有一定的可利用时间用于安全疏散，才有可能避免处于危险的状态。只有认识紧急事故中人所表现出来的心理行为规律（分为人自身的作用和人与人之间的交互作用的不同特性，即个体与群体的不同特性） ，才能了解到集约于有限时间的紧急危险状态下人的行为表现，以应用于实际，进行有针对性的消防知识宣传培训和制定相应的疏散引导方案，从而在现实中确保人员安全疏散。根据人的“心理行为”模式，可以知道作为强烈刺的影响下，在该场景下人
24、求生的原始本能，以此为动机和目标的行为导出模式必然使人出现不同的心理反应和行为表现，紧急情况下本身所具有的特点使人员处于非正常状态，这种状态在心理学中称为应激状态，它使处于此状态的人员在心理和行为上表现出一些特殊性，这些特殊性表现于个体和群体会存在很多差异，这些差异会导致些不同的心理反应和行为结果。实验和实践证明，紧急情况中受灾者所表现出的行为多属于被动的反应性行为，这些行为的结果往往反映了行为个体的文化素养和应变能力上的差距。人的行为是所受到的环境刺激和相应做出的心理反应，这两者共同作用后的结果。作为紧急情况下外界刺激由其自身特点对人的心理行为产生了很大的影响。而在非正常状态下，人所受到的刺
25、激是强烈的，出于强烈的求生欲望和期待逃离到达安全地带的焦虑心情，应激的负性情绪反应对个体心理功能和行为活动产生了交互影响，使人的认知能力和自我意识变狭窄，表现为注意力不集中，判断能力和社会适应能力下降，从而使人出现异常行为。而每个人在疏散时都有可能遇到三种不同的相互作用，即某人与其他有关人员的相互作用，人与受限建筑的相互作用及人与火灾造成的小环境的相互作用。这些相互作用能够影响楼内人员的行为，从而影响他们做决定的过程，进而影响疏散的速度和时间，使逃生人员增加危险。由于我国在人群形体特征、文化背景、行为习惯和应急疏散素养方面与西方国家有很大不同，所以人们在紧急情况下的疏散行为特征也与西方人群有不
26、同之处。国外在人员疏散行为特征方面已经进行了多年较系统的研究汇总分析，积累了比较丰富的数据，在国外的疏散模拟软件中默认的是西方人的形体和行为特征数据。国内应用这种软件时，本应使用针对中国典型人群的相关数据，但国内还没有专门机构进行典型人群特征方面的研究，人员疏散行为特征汇总分析将是未来几年首先需要尽快开展的研究工作。5.4分析传统的逃生(楼梯)与电梯逃生的利与弊高楼层在紧急情况下要有一个安全的逃生系统,才能使在紧急情况下保证人员的安全,这就要求我重庆市重点职业中学-丰都县职业教育中心第 页 共 8 页们对高楼层逃生系统的设计要求更高,其主要是楼梯和电梯, 下面就对这两种逃生方法分析：5.4.1
27、 楼梯是高楼层紧急疏散最传统的途径，也是目前所倡导的一种疏散或逃生方式，一直是在发生紧急情况下首选，但随着现代建筑物规模的不断扩大，建筑结构的多样化以及建筑物高度的不断提升，怎样设计楼梯宽度就成为工程师们最头疼的问题，它是在紧急情况以最短时间，疏散最多人流量的先决条件。除此之外，用楼梯逃生也取决于建筑物高度，它直接影响着疏散时间， 。据有关专家观定、若以一部楼梯计算，当每层有 120 人时，则 15 层的人员疏散到地面需要 19 分钟，30 层则需要39 分钟。而一般火灾从起火到猛烈燃烧只要 2030 分钟，此时大部分人员会因来不及疏散而被困在楼上。楼梯逃生还有两个弊端：1）面对小孩、病人、残
28、疾人等弱小群体，就无法进行有效的疏散。2）疏散时间过长会造成人员的疲劳5.4.2 电梯疏散是近几年来研究得最多疏散方式，在国外，有关学者从 20 世纪中叶就已开始了对高楼层建筑利用电梯疏散问题的关注。美国的 Bazjanac 在 1974 年就提出了“另一条出路?”的问题。1977年，Banac 和加拿大的 Pauls 分别描述了电梯在高层建筑发生危急情况下的作用，并初步研究了使用电梯对总体疏散时间的影响。80 年代后期，美国和加拿大合作进行了使用增压方法用于紧急疏散中使用电梯时保护的可行性研究。随后在 20 世纪 90 年代初，分别由美国机械工程师协会(ASME)、美国消防协会(NFPA)和
29、美国国家标准化与技术研究院(NIST)举行了一系列的有关于紧急疏散中使用电梯的学术会议，将这一问题的讨论第一次推向高潮。专家们提出了电梯可以在紧急疏散情况下安全运行的必要条件，如增加设备本身的可靠性，以及保护好电梯门厅和井道免受热、烟和水的影响等措施。Klote等人(1994)在研究美国联邦航空局(FAA)的航空交通控制塔利用电梯进行人员疏散的可行性问题时，提出了电梯紧急疏散系统的概念，第一次将电梯疏散作为一个系统来考虑，并从理论和实践上初步确定了电梯在高层建筑中用于人员疏散的可行性。 随后，英国、瑞典、挪威等欧洲国家以及日本的许多学者也都纷纷加入这一问题的讨论和研究，在电梯疏散模型、电梯逃生
30、情况下人的心理行为研究和疏散风险评估方面提出了许多卓有成效的见解。但在我国对于高层建筑发生紧急情况下利用电梯进行大规模人员疏散的研究，其重视和投入远完不够，目前国内还没有一个专门的机构和计划来对高层建筑电梯紧急疏散系统进行研究。对于高楼层，利用电梯进行疏散的优点：疏散速度快，疏散时间短。缺点：在疏散的过程，防止电源的突然停止，还有爆炸源就在附近，影响电梯的正常远行。总之，单靠这两种疏散方式某一种进行紧急情况下的疏散是不行，我们往往把这两种疏散方式同时进行，以达到疏散的最佳效果。6. 模型的推广与分析本模型在某些细节上还存在不足，皆如人在疏散节点的分流情况没作更细的讨论，人的行为变化在模型影响上
31、没得到更好的反映等，但模型在很大程度上反映了人员与疏散时间的关系，并分析了人在紧急情况下的行为变化，以及逃生方案的利与弊，使模型的实用价值更广。此模型还可以推广到大型商场的疏散、电影院的疏散等在紧急情况下人员聚集较多的公共场所的疏散，与之不同的是：在疏散过程，人员逃生往往成扇形，扇形与扇形之间的空隙场所的人员就很难逃生，是我们建立这方面模型的一个重点。还有模型只讨论了偶数个出口的对称情况，对于奇数个出口的随机情况没作更一步的探讨，但在此基础上可以得到实现。7.致 谢重庆市重点职业中学-丰都县职业教育中心第 页 共 8 页在本文撰写过程中，要特别感谢杨世辉教授抽出宝贵时间对我精心指导，还要感谢赵
32、博老师和数学系领导的大量支持。8.参考文献1 “Evaluation Method of Egress Safety”，Ichiro HAGIWARA，Japan 2 “Pedestrian Planning and Design”，DrJohn J Fruin3 J. J. Fruin, Pedestrian Planning and Design. Metropolitan Association of Urban Designers and Environmental Planners, Inc. 1971.4 Shields,T.J.(Editor).Human Behavior in
33、 FireAProzcedings of the FristInternational. Symposium on Human Bezhavior in Fire, Fire SERTC. University of uister,August30th 2 september 2nd ,1998.8.20.5 陆君安，卢兆明，方正等.建筑物人员疏散的数学模型J.武汉大学学报（工学版）2002.35（2）：71756 姜启源编, 数学模型第 2 版. 北京: 高等教育出版社. 19937 G Keith Still, Crowd Dynamics. http:/ 李引擎，刘曦娟建筑防火的性能设计
34、及其规范现代建筑防火技术研讨会论文集.9 田中哮义建筑火灾安全工学入门日本建筑中心，200210 F ire Engineering Guidelines, F ire Code Refo rm Centre, N SW ,A ustralia 1996.11Technical Reference Guide fo r the HA ZARD I F ire HazardA ssessment M ethod, Building and F ire Research L abo rato ry2N ational Institute of Standards and Techno logy,
35、June 1991.12 4th International Conference on Perfo rmance2Based Codes andF ire Safety DesignM ethods, Melbourne Exh ibition & ConventionCentre, M elbourne, A ustralia, 20- 22M arch 2002.13 韩永昌编， 心理学第二版.上海：华东师范大学出版社 .2001.14 杨治良编. 实验心理学上海：华东师范大学出版社.1999. 15 工程数学学报 工程数学学报编辑委员会 2003.作者简介：秦红伟，中学数学二级教师；生于 1981 年 12 月，祖籍重庆市丰都县。2005 年毕业于涪陵师范学院数学系，大学本科，取得理学学士学位，现工作于丰都职业教育中心， 从事普通高中数学教学工作。 联系地址：重庆市丰都职业教育中心 408200 联系电话： （023 ）64583030 E-mail :
