消防安全技术综合能力：疏散模拟

当前世界上开发的人员疏散软件数目众多，据统计，有文献记载的疏散软件有22个，其他未公开的也不在少数。所以，在选用模型时一定要结合有待解决的实际问题与模型的适用性来进行选择。

（一）概述

建筑防火设计的主要目标之一是确保人身安全。建筑安全疏散的性能化设计，是要求所设计的疏散设施能够保证建筑中的全部人员有足够的时间安全疏散到安全的地方。评价指标包括建筑的安全出口、疏散楼梯的宽度、疏散距离是否满足建筑内使用人员的疏散需要，人员疏散所需的时间是否大于火灾条件下的可用疏散时间。

安全疏散时间判据，主要按照火灾发展与人员疏散时间为同时沿一条不可逆的时间线进行，保证建筑物内人员安全疏散完毕所需时间必须小于火灾发展到危险状态的时间。

火灾中人的疏散过程是在人的意识干预下，感知、认知火灾和环境信息与行为决策以及执行决策的过程，是一种在时间压力下的人体位移。由于人的行为受到年龄、身高、体重、敏捷度、习性、行动能力等心理与生理状态和文化背景与受教育程度的影响，十分复杂，同时人员在建筑内的实际状况以及建筑空间特性，如人员的分布情形、熟悉环境的程度、人数及其组成和楼梯或出口的宽度、照明、走道宽度、数量、建筑高度等都对人员疏散结束所需时间和可用于人员疏散的时间有很大影响。

人员疏散时间为火灾探测报警时间、人员预动时间与人员疏散运动时间之和。在计算疏散运动时间时，通常采用1.5～2的安全系数来考虑设计计算中的不确定性因素。

在人员安全疏散的研究方面，由于对所采取的措施是否能达到性能化设计的预期目标，同时如何对保证人员生命安全的目标进行合理的评价都缺乏科学依据，所以全世界在这方面的研究都处于起步阶段。人员疏散软件方面，有关研究人员在不断加大这方面软件的研究开发力度。国外从20世纪80年代初开始就展开了人员疏散基础数据及疏散模拟软件方面的研究，并把疏散研究的成果及时应用到了建筑性能化设计中，我国也于近年来展开了这方面的研究。

（二）疏散模型分类

人员疏散计算方法主要有两种：水力疏散模型和人员行为模型。

1.水力疏散模型

最常用的方法是水力疏散模型，它通过将人在疏散通道内的走动模拟为水在管道内的流动来进行计算。这一方法的缺点是它完全忽略了人的个体特性，而将人群的疏散作为一种整体运动。水力疏散模型通常对人员疏散过程作如下保守假设：

1）疏散人员具有相同的特征，并且都具有足够的身体条件疏散到安全地点。

2）疏散人员是清醒的，在疏散开始的时刻一起井然有序地进行疏散，且人员在疏散过程中不会中途返回选择其他疏散路径。

3）在疏散过程中，人流的流量与疏散通道的宽度成正比分配，即从某一出口疏散的人数按其宽度占出口总宽度的比例进行分配。

4）人员从各个疏散门疏散且所有人的疏散速度一致，保持不变。

2.人员行为模型

人员行为模型模拟人在火灾中的行为，综合考虑了人与人、人与建筑物以及人与环境之间的相互作用。这类模型能够从一定程度上反映火灾时个人的特性对人员疏散的影响，但由于“火灾中人的反应与行为”仍旧是一个较新的领域，对其定性研究较多，而定量的研究成果很少，因此在选用该类模型时要慎重考虑它的适用性，以经过实际疏散实验或演习验证的模型为首选。

目前世界上开发出的人员疏散软件数目众多，据统计，有文献记载的疏散软件有22个，其他未公开的也不在少数。所以，在选用模型时一定要结合有待解决的实际问题与模型的适用性来进行选择。下面将通过分析这些人员疏散模型的功能与特点，对这些软件进行适当分类。

（1）一般分类。疏散模型在处理疏散的一般问题时，均采用了三种不同基本方法：优化法、模拟法和风险评估法。

优化法假定人员以最有效的方式进行疏散，而不考虑外部环境的影响及非疏散行为。通常，模型认为人员选择的疏散路线是最佳的。这一类模型适用于大量的人群或将所有人员当做一个有共同特性的群体来考虑的情况，而不考虑个体行为。

模拟法试图表现实际的疏散行为与运动，不仅要得到准确的结果，而且要反映疏散时选择的疏散路线及人员所做的决定。由于各个模型在考虑人员行为时的详细程度不同，因此结果的准确度也不相同。

风险评估模型能识别出火灾时与疏散有关的危险或相关事故，并能对最后的风险进行量化。通过多次重复运算，可以估算出与不同防烟分区设计或防火保护措施有关的各种重要变量的统计数据。有关模型的类别与名称见表4-3-1。

表4-3-1 模型一般分类

（2）建筑空间的表示。各种疏散模型都必须对建筑空间进行描述，以模拟人员在建筑内部的疏散过程。在模型中，空间被划分为许多小的区域，每个区域都与相邻的区域相连。根据对空间划分的精细程度，常将模型中的空间划分分为两种方法：精细网络法和粗糙网络法。

对于精细网络法，整个封闭空间用覆盖一些瓦片状的网格来表示，各个模型中节点的网格大小与形状都不同。例如，Exodus采用0.5m×0.5m的正方形网格节点，Simulex则采用0.2m×0.2m的正方形网格节点，而Egress则采用六边形的网格节点，每个网格的大小足以容纳一个人。这些网格节点之间的连接也不相同，在Exodus中每个网格与相邻的八个网格节点相连，而Egress中每个网格与相邻的六个网格节点相连。因此，Egress的方法可以准确地表示封闭空间的几何形状及内部障碍物的位置，并在疏散的任意时刻都能将每个人置于准确的位置。

对于粗糙网络法，空间的描述是按照实际建筑结构的划分来确定的，每个网格节点表示一个房间或走廊，然后根据它们之间的实际连接关系构建其网络模型。在这类模型中，仅能表示人员从一个建筑单元移动到另一个建筑单元，而无法描述人员在一个建筑单元内的运动，它也无法处理一些局部的现象，例如超越前方人员、避开障碍物等。有关不同空间划分的模型分类见表4-3-2。

表4-3-2 疏散模型按空间分类

（3）人群分析。各类疏散模型在对人员进行分析时，采用了两种方法：个体分析法和群体分析法。(www.xing528.com)

个体分析法允许用户设定或由随机方式确定个体特性，人员决策与运动由这些个体特性决定。需要注意的是，不能将个体的独立决定与不能执行群体行为混为一谈，定义个体时并不排斥他具有群体行为，而是先考虑每个人的个体特性，然后再为他指定一个行为，而这个行为也许就是群体行为。

群体分析法将人群视为一个具有共同特性的群体。在描述疏散过程时，不针对逃生的个体，而针对大量的人群。这种方法难以模拟事件对个体的影响（例如：火灾烟气毒性的影响），而只能对整个人群的普遍影响进行模拟。例如，它不能表示老年人或残疾人等特殊人群的生存率，而只能表示受影响的人的比例。它的好处是模型的运算速度相对较快。有关基于人群分析的模型分类见表4-3-3。

表4-3-3 疏散模型按人群分类

（4）行为分析。人员在逃生时的决策过程是复杂的，疏散模型根据模拟人员决策过程时所采用的分析方法可分为以下几类：无行为准则模型、函数模拟行为模型、复杂行为模型、基于行为准则的模型以及基于人工智能的模型。

无行为准则模型完全依赖于人群的物理运动和几何形状的物理表达，来影响人员的疏散，并对其进行预测判断。

函数模拟行为模型把人员的行为用一个方程或一个方程组来描述，以此达到控制人的响应的目的。这类模型可以将人定义为个体，但由于所有个体均受到同一函数相同的影响，且会以一定的方式对这种影响产生反作用，因此实际上削弱了个体行为。该函数或者按照现实生活中人员的行为来建立，或者引用其他从事人体行为模拟研究领域的成果（例如，磁模型的方程来源于物理学）。

复杂行为模型通过复杂的物理方法来含蓄表示行为决策准则。此类模型一般基于第二手数据的应用，包括心理的或社会的影响，因而它依赖于第二手数据的准确性与有效性。

基于行为准则的模型预先规定了一套人员的行为准则，然后再根据这些准则来确定疏散过程中人员的行为。例如，“假如人在一个充满烟气的房间里，他会通过最近的出口离开”等类似准则。但是，这种行为决策方式会导致人员在相同的环境下以某种确定的方式进行反应，从而与实际中的人员反应有所差异。

人工智能模型将个体人员设计成能对周围环境进行智能分析的模拟人或与之相近的智能人，因此可以准确地表现其决策过程，但这会使用户对人员行为的控制权被计算机所代替。疏散模型按人员行为分类见表4-3-4。

表4-3-4 疏散模型按人员行为分类

3.人员行为特性

火灾是具有突发性的意外事件，伴有火焰、浓烟、强烈的热辐射、噪声和有毒气体，常在短时间内给人以毁灭性的伤害。身处火场的人们往往需要承受巨大的心理压力，从而表现出各种各样的异常行为。研究发现，不同的心理素质、阅历和经验，会导致人在遭遇火灾时，呈现不同的心理反应和行为。但是，如果在遭遇火灾时，能保持良好的心理状态，及时采取自救行动，往往能够化险为夷，成功疏散，避免伤亡。

对于人员特性的考虑可以分为两方面，即单个人员独立考虑和全局考虑。大多数模型可以根据用户要求或计算机自动设定每个人员的移动属性（如步行速度），并记录每个人员在任何时刻的移动历史轨迹。这类模型也不排除群集行为特性，但它是按单个人员检查和分配各自的移动特性的，它需要较多的计算机容量，程序处理的难度也稍大。另一类是按群集方式来考虑人员的移动特性，它将一群或一组人群按同一特性考虑，即将一群人按同一移动速度考虑，认为他们同时到达或离开建筑物的某个网格节点，它具体计算建筑内人员疏散成功率，其操作简单，使用方便，运行速度也较快。

4.软件介绍

（1）STEPS。该模型可用于模拟在正常或紧急情况下，人员在不同类型建筑物中的疏散情况。

模型是一个由一系列的网格单元组成的网格系统，在网格系统中，一个人只能占有一个单元。网格单元的默认尺寸是0.5m×0.5m。另一个细网格选型可适用于多人占有一个网格单元，但仍处于测试阶段。

（2）Simulex。该模型是一个能够模拟人群从复杂建筑物中疏散的模型。该模型采用一个连续的空间体系，各层的平面图和楼梯都划分成一个个0.2m×0.2m的块或网格。该模型包含一个算法，它能够计算出每个网格到最近安全出口的距离，并将这些信息标注在一个距离图表上。

（3）SGEM。该空间网格疏散模型可利用CAD平面图生成复杂建筑的疏散图案，比较后得出最佳疏散设计路线。这个模型已经用于一些咨询项目。

模型的结构基本上是细网格模型。最初，此模型将建筑物分成一些节点，这些节点代表建筑物的空间或区域（不受保护、部分保护和全部保护），其中区域之间至少有一个弧形开口连接，由此形成一个粗的网格。然后，将每个粗的网格单元再分成有限的网格，每个网格的大小是0.4m×0.4m，一个人占据一个网格。此外，同一时间内一个人只能占据一个网格单元。

（4）buildingEXODUS。该模型可用于模拟疏散大量被很多障碍围困的人。模型由airEXODUS、buildingEXODUS、maritimeEXODUS、railEXODUS、vrEXODUS六个部分组成。buildingEXODUS试图考虑人与人、人与火灾以及人与建筑物之间的相互作用。该模型包括6个在模拟疏散方面相互联系、相互传递信息的子模型，即人员、运动、行为、毒性、危险性和几何学子模型。

该模型是一种行为模式模型，是一个细网格系统。其利用二维空间网格绘制出几何结构、位置、障碍物等。这种网格由“节点”和“弧”组成。每个节点都代表了建筑平面图上的小空间，而弧在建筑平面图上把这些节点连接在一起。人们通过利用这些弧从建筑物的一个节点到另一个节点。这些信息存储在几何子模型中。同时，在整个模拟过程中，每个节点都有毒气等级、烟气温度和浓度等与其相关的动态环境。

5.软件选用

疏散软件能够人为设置出口障碍，通过对建筑平面信息的识别，可以在某些安全出口受阻的情况下创建另一个替代的有效距离地图来引导人员疏散，从而得出建筑物的最优化疏散设计方案。

人员的行为特性具有不确定性，无论是采用函数型行为模式，还是采用规则决定方法，都无法绝对准确地模拟出火灾时人员疏散的真实情况，在今后的软件后续开发中可以增加更多的实际因素参数，以修正模拟疏散结果。

疏散软件基本可以定义个体人员的基本行为特性，模拟出一定的心理反应，能够有条件地寻找出有效的疏散路径。国际上人员疏散软件的开发已经积累了一定的经验，并且经过了相当数量的工程实践检验，但毕竟国外的人员疏散行为、习惯，心理反应等与我国居民有很大差异，一些软件还不能简单地直接拿来应用，需结合我国的建筑特点和疏散演习等进行校正和应用。

一般情况下，当建筑的结构简单、布局规则、疏散路径容易辨别、建筑的功能较为单一且人员密度较大时，适合采用水力疏散模型来进行人员疏散的计算，而其他情况则适于采用人员行为模型。原因是：前一种情况下发生火灾，人员可以较为快速准确地获取关键信息并采取疏散行动，人员疏散通常很快由个体行为转化为群体行为，符合水力疏散模型的适用条件。而其他情况下，人员获取信息的渠道相对较少，从接到报警信号到识别火灾以及疏散过程中寻找合适的疏散路径都在很大程度上依赖于个体的判断。因此，人员疏散由个体行为转化为群体行为的时间非常长，有时候可能自始至终都是个体行为，这种情况下选用人员行为模型显然更合适。如果有条件，可以结合数值计算和建筑疏散演习等方式，进一步验证模型的可靠性。