（安全技术及工程专业论文）某地铁站火灾情况下人员安全疏散研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c r t 1 i eo b j e d i v e so fs a f c t ye v a c u a t i o ni ni h es u b w a yf i r e ，b o t hd 伽e s t i c a n di n t e m a t i o n a la r et om i n i m i z ea l l d p r e v e n tc a s u a l t i e s t h ep m c e s sp l a y sak e y i m p o n a n tm i ei ns u b w a yd e s i g ns t a g e s a f c t ye v a c u a t i o ni ns u b w a yi st oe v a c u a t ea l l p e 叩l et 0t h es a f ca r e a sb e f o r ea n yd a i l g e ro c c i l i s t 1 1 i sp a p e rf b c l l s e so nt h ee v a c i i a t i o n r e s e a r c h0 fj is h u i t a ns t a t i o ni nl i n e2 t h eo v e r v i e wo ft h ep r e s e n t a t i o n0 ft h es u b w a ys a f c t ye v a c u a t i o nc a i lb e0 u t l i n ea s f 0 1 l o w s ： ( 1 ) t h ea 1 1 a l y s i so fp r e s e n te v a c i i a t i o np m c e d u r ea 1 1 dt h ei m p o r t a n c et h i s s t u d y ( 2 ) t i m ec a l c u l a t i o nm e t h o do f s a f c t ye v a c l l a t i o na n dt h er e s p o n s i v e n e s sa l l d p s y c h o l o 百c a ic h a n g eo fl h ec v a c u e e s ( 3 ) t h ec o m p a r i s o no fs i m u l a t i o ne v a c l l a t i o np r o c e d u i ei nj is h u i t 锄s t a t i o n m a d eb ya u t h o rw i t ht h ep r e s e n ts u b w a ye v a c u a t i o np r o c e d u r e ( 4 ) a s u m m a r yo ft h ep r e s e n t a t i o na i l ds c v e r a ls u g g e s t i o n sc o n c c m i n gt ot h e e v a c i l a t i o np r o c e d u r ej nj is h u i i a ns t a t i o no nt h eb a s i so fa b o v e a n a l y s i s m d a r i s o n k e y w o i m s ：s u b w a y ；s a f e t ye v a c u a i i o n ；h u m a nb e h a v j o r ；f i r e 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权j e 京交 通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名己驷 签字日期：口_ 7 年一月垢 导师签名：二艺：幺矿 签字日期：d 7 年衫月矽日 致谢 本论文的工作是在我的导师兰哲副教授的悉心指导下完成的，兰哲老师严谨 的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来兰 哲老师对我的关心和指导。 中国安全生产科学研究院公共安全研究所邓云峰所长悉心指导我完成了实验 室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向邓云峰 所长表示衷心的谢意。 中国安全生产科学研究院公共安全研究所钟茂华研究员对我的科研工作和论 文都提出了许多宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，史聪灵博士对我论文给予了热情的帮助，在 此向他表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 北京交通大学硕士学位论文引言 1 1 地铁安全现状 1 引言 地铁作为城市公共交通的一种交通方式，由于容量大、用地集约、快捷、舒 适等特点，成为缓解城市交通紧张的有效工具，而且地铁是世界公认的能耗低、 污染少的“绿色交通”，对于实现城市可持续发展具有重要的意义，同时它也成为 国际大都市的标志。随着我国国民经济和城市建设事业的飞速发展，继北京之后， 上海、广州、天津、深圳、南京、重庆等城市的地铁相继投入运营，还有一些城 市的地铁也正在紧锣密鼓地建设中。 但是地铁从它诞生的第一天起，因为地下工程的高风险性以及地铁安全管理 的复杂性等因素，就会导致灾害事故的发生，且一旦发生，都会造成严重的人员 伤亡和财产损失，这些灾害事故中又以火灾造成的损失最为严重。在这方面，国 内外都有惨痛的经验教训。国际上，自1 9 8 7 年以来，发生一次性死亡1 0 人以上 的地铁特大火灾达6 起，死亡1 0 5 8 人( 表1 1 ) 。在我国，1 9 6 9 年1 1 月1 1 日北京 地铁万寿路站至五棵松站之问，由于电动机车短路引起火灾，导致8 人死亡，3 0 0 多人中毒受伤，2 辆客车完全烧毁，造成地面交通中断一天，引发多起地面交通事 故，火灾直接损失1 0 0 多万元。1 9 9 9 年7 月2 9 日，广州地铁一号线东山口站降压 配电所因电器设备故障引发火灾。由于发现及时，处置得当，才未酿成人员伤亡 事故，火灾直接损失2 0 6 万元。 表1 1 国外1 9 8 7 年以来一次性死亡1 0 人以上地铁特大火灾统计 北京交通大学硕士学位论文引言 如何有效预防和减少地铁火灾事故中的人员伤亡，尤其是防止群死群伤事故 的发生，己成为当前国内外公共安全工作的重中之重。围绕当前我国火灾等紧急 情况下人员的心理和行为特点等进行安全疏散研究，从而得到行之有效的安全疏 散应急预案，并指导改进安全疏散指挥和管理方法是相当必要的。 1 2 人员安全疏散研究背景 人员疏散问题的研究，起始于火灾中的人员疏散。在1 9 1 1 年，爱丁堡的帝王 剧院在火灾安全设计时，就采用了2 5 m i n 的安全疏散时间原则。世界大战结束后， 科技迅速发展，人们对人身安全越来越关注，人员疏散研究工作就成为火灾安全 学者研究的一个崭新领域。 拉开近代人员疏散研究帷幂的代表性人物是日本的硒k u j it 0 9 a w a ，他在 1 9 5 5 年提出了自己的观点和一些经验数据，并提出了计算建筑物内人员疏散的经 验公式。该公式既考虑到人员疏散出建筑物的时间，又考虑了通过某一段距离所 用时间。t o g a w a 的研究工作通常被归类于人群运动的综合研究。在人群运动的综 合研究方面，j o h nf r u i n “。也作了大量的工作。f r u i n 在人群流量、人员行走速度 和密度方面进行了大量的研究，并出版了一本有关人员疏散的综合性专著一步 行者的分布与设计。到了2 0 世纪6 0 年代末，高层建筑增多，从而引出了高层建 筑物的防火安全和消防标准规范的制定问题。g a l b r e a t h ”1 、m e l i n e k 和b o o t h ”在 高层建筑疏散时间与楼梯及出口设计方面进行了深入的研究，并在t o g a w a 等人研 究的基础上提出了楼梯宽度与最短疏散时间的计算方法。1 9 6 9 年，p a u l s 在渥太华 开始系统地研究高层建筑人员的疏散演习，在获取大量数据后，提出了有效宽度 模型”。，同时p a u l s 还开展了人在火灾中行为的研究，并提出了人员疏散过程包括 开始准备疏散过程和运动疏散过程。 国外学者对火灾中人的行为也做了很多研究工作。美国人b r y a n ”。对本国的火 灾当事人作了大量的调查研究，并阐述了高层建筑火灾对人的行为产生的重大社 会影响。c a n t e r 则总结了有关火灾与人的行为研究，出版了火灾与人的行为， 并对书中的各种观点作了介绍和评价。s i m e ”。研究了疏散初期阶段人员的疏散行 为，并明确地提出了疏散距离和疏散时间这两个概念。此后，火灾中人员疏散的 研究工作就越来越受到人们的重视。 我国火灾形势也很严峻，虽然我国火灾科学研究起步较晚，但是火灾科学研 究正在我国蓬勃发展。国内学者在火灾研究和人员疏散研究方面作了大量的工作， 并取得了可喜的成果，但是这些远远不能满足公共安全领域的需要。因此，我国 科学研究人员在人员疏散研究方面仍任重而道远。 2 北京交通大学硕士学位论文引言 1 3 人员安全疏散研究现状 1 3 1 国外研究现状 国外学者围绕人员安全疏散行为和模型进行了一系列的研究。英国s e r t 中心 的s i m e 等人在对阻塞状态下人员心理进行研究的基础上，提出了0 r s e t 模型的概 念，即把心理学、建筑学、管理学以及火灾报警和疏散指示设施在建筑内的分布 特征统一研究和分析，从而计算最小疏散时间，指导紧急情况下人员的及时疏散。 同时英国研究人员开发出大量的人员疏散模型，如b u i l d i n g e x o d u s 、s i 删l e x 、 e g r e s s 等，这些模型能较真实地反映疏散对人员所选择的逃生路线和所做出的决 定。美国以n i s t 为代表的研究人员围绕安全疏散展开研究，比如：最短疏散时间 的计算、最优化疏散模型的建立、火灾中人员的决策以及对环境的反应、火灾对 人员影响的评估方法等，详细地讨论了火灾期间人员的心理反应。日本方面较注 重把火灾人员行为统计、人员疏散安全评估方法、火灾危险性评估和性能化设计 结合起来进行研究，提出t o g a w a 经验公式，并开发出粗糙网络模型水力模型。 匈牙利交通专家h e l b i n g 把人员的行为反应量化为作用力，即社会力，添加到人员 疏散模型中，取得了重大进展，成功地再现了群体效应等经典的人员疏散行为。 1 3 2 国内研究现状 在国内，中国科学技术大学的范维澄院士”。、杨立中教授“”研究开发的元胞 自动机模型和格子气模型可以准确地表示建筑平面空间的几何形状及其内部障碍 物的位置，还可以通过对疏散过程的可视化演示来评估建筑物的设计及内部布局 结构的合理性。中国科学技术大学的宋卫国教授。等研究人员采用社会力模型模 拟了实际疏散中出现的某些现象，如“快即慢”效应的形成、拥塞现象、间歇性 人流等。武汉大学方正副教授等“开发的空间网格疏散模型，充分考虑了某疏散 个体在疏散过程中受到其他疏散个体的影响，同时还考虑到疏散个体所处的位置 对于安全疏散的影响。中国矿业大学的周心权教授“开发的矿井火灾模拟软件 m f i r e ，在国内和美国、欧洲等一些国家得到了很好的应用。近几年来，改进后的 m f i r e 软件还被应用到高层建筑和地铁火灾的模拟中，取得了很好的效果。此外， 东北大学的陈宝智教授、中国建筑科学研究院的刘文利研究员“、中国安全生 产科学研究院的钟茂华研究员“、史聪灵博士。等研究人员针对不同类型建筑物 火灾情况下的人员安全疏散行为进行了相应的模拟研究和分析。 3 北京交通大学硕士学位论文引言 1 4 研究地铁人员安全疏散的意义 地铁作为现代化城市公共交通运输的主干线和客流运送的大动脉，在地下空 间的开发和利用中占有重要地位，且其规模往往较大。但由于地铁内人员多、密 集，人员流动性大，地铁的出入口较少且面积有限，火灾时往往是供氧不足，可 燃物发烟量大，排烟困难，散热慢，且烟的运动方向与人员的逃生方向一致。通 常，烟的扩散速度比人的疏散速度快得多，致使人员无法逃脱烟气流危害。而且 烟气中还含有大量有毒气体，这就使得大多数人员是被高温和有毒的烟气熏倒、 中毒、窒息、直至死亡。还有因为人群急于活命逃生而造成的挤踩或从高处坠落 造成的伤亡。因此，紧急情况下，为地铁内人员迅速疏散提供一条安全疏散通道， 是地铁人员安全疏散中非常重要的问题，也是地铁设计中必须考虑的重要问题。 随着我国地铁的不断增多以及现有地铁的逐渐老化，各种事故隐患也在不断 增多，如火灾、地震、煤气泄露、炸弹爆炸等，建筑设计人员不得不慎重考虑人 员在地铁内的紧急避难、逃生疏散等问题。特别是近年来我国火灾事故频发，火 灾中由于人员不能及时疏散被烟气熏倒而窒息的情况尤为突出，所造成的生命财 产损失也是巨大的。因此，围绕火灾等紧急情况下人员的心理和行为特点，进行 合理的疏散设计并制定有效的疏散应急预案对于保证人员的生命安全具有极其重 要的意义，同时，如何在事故发生后利用现有的设施设备组织人员进行及时疏散 和救援也具有十分重要的意义。 1 5 本文的主要内容 本文主要研究地铁站火灾情况下人员的安全疏散问题。 引言部分介绍地铁安全现状、人员疏散研究的背景和现状，并阐述研究人员 安全疏散的重要意义。第二章提出人员安全疏散准则，同时介绍了人员安全疏散 必需时间的计算方法并对疏散模型进行分析比较。第三章主要介绍火灾环境下人 员的一般特性及反应特性。第四章介绍地铁人员疏散的规范要求及现有的疏散设 计。第五章以北京地铁二号线积水潭站为实验对象，进行实地测量与拍摄，得出 四方面结论并进行分析。第六章运用疏散模型对地铁人员疏散进行数值模拟，并 得出结论。第七章对本文主要内容进行总结。 4 北京交通大学硕士学位论文人员疏散时间研究 2 人员疏散时间研究 建筑物内的人员安全疏散主要是应保证建筑物在灾害发生后，人们能在灾害 发展到危害自身安全之前撤离现场。以火灾为例，在火灾中由于烟气蔓延而阻塞 通道造成人员中毒以致伤亡。研究安全疏散的目的就是要在火灾烟气蔓延扩散至 阻塞通道或充满人员活动的房间之前，使人们能迅速从中撤离。因此，人员疏散 时间对于研究人员安全疏散至关重要。 2 1 人员安全疏散准则 人员疏散和火灾发展同时沿着一条时间线不可逆进行，火灾过程大体分为起 火、火灾增大、充分发展、火势减弱、熄灭等阶段，从人员安全的角度出发主要 关心前两个阶段。人员疏散一般要经历察觉火灾、行动准备、疏散行动、疏散到 安全场所等阶段。在此过程中，探测到火灾并给出报警的时刻和火灾对人构成危 险的时刻具有重要意义。保证建筑物内人员安全疏散的关键是“必需安全疏散时 间”( r e q u i r e d s a f e t y e g r e s s 面m e ，r e s d 必须小于“可用安全疏散时间”( a v a i l a b l e s a f e t ye g r c s s 面m e ，a s e t ) 。 2 1 1 必需安全疏散时间腾盯 必需安全疏散时间届即是指从起火时刻起到人员疏散到安全区域的时间。紧 急情况下的r s e t 包括火灾探测时间( 乙肠。) 、预动作时间( 岛。) 和人员疏散运动时间 ( 帕坩) 。 r s e 仁t 血m + t p r e t 。e ( 2 1 1 ) 一、火灾探测时间：即从火灾发生到发现火情这段时间间隔，一般是通过人 员或火灾探测器发现火情并报警，可通过火灾蔓延模型以及探测系统的特性进行 计算和预测。以地铁为例，地铁站台公共区和区间隧道发生火灾等事故时，由于 其交通枢纽的特点，在公共区和地铁列车上的火灾信息一般能及时快速获得并能 正确确认，可以为提前火灾通报和组织人员疏散争取时间。 二、预动作时间：即从发现火情到开始疏散之间这段时间。人员接到火警之 后会有不同的反应，如有的人开始疏散并到达安全区域、有的人则想证实火警、 有的人会采取灭火措施等。预动作时间很难被准确估计，这是因为预动作时间与 人员的心理行为特征、人员的年龄、对建筑物的熟悉程度、人员反应的灵敏性、 北京交通大学硕士学位论文人员疏散时问研究 甚至与人员的集群特征密切相关。统计结果表明：发生火灾时，人员预动作时间 与建筑内采用的火灾报警系统的类型有直接关系。表2 1 为根据经验总结出来的各 种不同用途建筑内采用不同火灾广播系统时的人员预动作时间n7 1 。 表2 1 各种用途的建筑物采用不同火灾报警系统时的人员预动作时问 注：火灾报警系统类型为： w 1 为现场广搔，来自闭路电视系统的消防控制室； w 2 为事先录制好的声音广播系统； w 3 为采用警铃、警笛或其他类型警报装置的报警系统。 三、人员疏散运动对问：即人员从开始疏散至到达安全地点的时间。人员疏 散运动时间主要取决于人员密度、人员疏散速度、安全出口宽度等，可以利用简 单的经验公式或者疏散模型进行预测。 在实际疏散中，对于整个疏散群体来说，这三个时问段不是明显分开的，在 整个疏散群体中是交互出现的。 2 1 2 可用安全疏散时间彳距厂 可用安全疏散时间爿艇7 是指从起火时刻到火灾对人员安全构成危险状态的时 间段，主要受到火灾中将释放的大量热能、热辐射、烟气( 包括一般热烟气和有毒 有害气体) 的影响。 北京交通大学硕士学位论文人员疏散时问研究 一、高温影响。 火灾中产生的高温，生理上会使火场中的人员感到混身燥热，头昏脑胀，身 体虚脱，在心理上又会使火场中的人员感到十分紧张、慌乱、惊恐和不安，从而 迫使人们采取措施躲避高温的侵袭。刚离开起火点的烟气温度可达到8 0 0 以上， 随着离开起火点距离的增加，烟气的温度会逐渐降低。但通常在许多区域中仍能 维持较高的温度可对人构成灼伤，而且，随着燃烧的持续，各处的温度还会逐渐 升高。如果在火场中无路可疏散时，人们一般会选择退到温度较低的某个角落内 暂避高温。因此，在火场中最后搜索到的被围困人员，多是在墙角处、厕所内、 床底下等部位。 二、烟气影响 火灾烟气可定义为燃料分解或燃烧时产生的固体颗粒、液滴和气相产物。一 般来说，火灾中对人员生命安全构成真正威胁的是烟气，统计结果表明，火灾中 8 5 以上的死亡是由于吸入了烟尘及有毒气体昏迷后致死。这种烟气中不仅含有大 量不完全燃烧组分，而且含有很多有毒、有害的成分，一般c o 、h c n 等是其中的主 要毒性组分。表2 2 列出了不同的c 0 浓度对人员的影响。 表2 2c o 浓度和累积剂量对人员的影响 ! 堑鱼2 生墨墅盟囹鱼塑墨墼型量鱼竺! 型墨星些 2 0 01 2 0 一1 8 02 4 0 0 0 3 6 0 0 0 中等头疼 8 0 0 3 2 0 0 3 2 0 0 6 9 0 0 1 2 8 0 0 1 2 8 0 0 4 5 1 0 _ 1 5 3 0 l 2 0 1 ( 2 旬次呼吸) 1 3 3 6 0 0 0 3 2 0 0 0 4 8 0 0 0 9 6 0 0 0 6 9 0 0 1 3 8 0 0 1 2 8 0 1 2 8 0 0 8 4 0 0 中等头疼 头昏目眩 可能死亡 头昏目眩 失去知觉 死亡 强烈的浓烟，最先使人们难以忍受，呼吸困难，睁不开眼睛，生理上受到伤 害，由轻微中毒到深度中毒，意识能力降低：最后失去知觉以致死亡。当烟雾开 始袭来的时候，有许多人会从房间奔出，冲向走廊，而走廊处一般烟雾更浓，毒 性更强，这时人实在难以忍受，又会重新返回房间内。如果能暂时忍受烟雾冲出 走廊，可能就会安全疏散，而返回到房间内往往无路可逃，最终或者是从窗口跳 出去，或者是窒息死亡在房间内。有人对此专门做过试验：在一个长约1 1 米，高2 5 米，宽1 2 米的走廊上分别设置5 个测试点，然后充上烟雾，让被测试者分别在5 个 7 北京交通大学硕士学位论文人员疏散时间研究 测试点回答问题，对被测试者除了简单说明有关试验方法外，对走廊和烟的状况 不作详细介绍。试验的结果是，当充入烟后减光系数降为0 3 米，即视线的能见 度大约在7 米时，返回房间的人数较多，其返回原因是烟的刺激性造成生理痛苦， 看不清前面的情况而产生慌乱。返回房间的人数大约为参加试验人员的4 2 。试验 时，向被试者提出问题，随着烟的浓度增加，被试者回答问题的正确率下降，当 回答问题正确率在7 0 以下时，返回房间的人数急剧增加。另外通过试验还发现， 当人从房间走出的距离较远时，尽管走廊的烟比刚出来时较淡，心理上也会担心 如果走远了，回不去房问怎么办，所以仍有人返回房间。这就说明，在充满烟气 的火场中行走时，走得越远，恐惧感越强，心理动摇越厉害，从而产生恐慌情况 下的归巢行为。 缺氧可以认为是气体毒性的一种特殊情况。燃烧是一种氧化反应，当建筑物 内发生较长时间的火灾燃烧后，可导致其中的氧气含量大大降低。有数据表明， 若仅仅考虑缺氧而不考虑其它气体影响，当含氧量降至1 0 时就可对人员构成危 险。在实际火灾中，除了氧含量减小所造成危害外，往往还伴随存在c o 、c 0 ：和 其它有毒成份的危害，它们的综合影响更为严重。表2 3 列出了氧浓度降低对人员 的影响。 表2 3 空气中氧浓度降低对人员的影响 火灾烟雾还会使人的大脑供氧不足，致使思维能力降低，反应迟钝，记忆力 和判断力下降。如对疏散方向判断失误，想不起来安全出口的位置，无目的地乱 跑，在出口处用手抓门框而不是拧把手，逃出烟雾区后又返回烟雾区等等。一般 来说，随着烟雾浓度的增加，受害者的记忆力和判断力几乎直线下降。因此，在 烟雾较浓时，除非对疏散通道十分熟悉的人，以及预先知道避难出口地点和方向 的人，是很难找到安全出口的。 北京交通大学硕士学位论文 人员疏敌时间研究 2 1 3 安全疏散准则 常用的人员安全疏散准则如图2 1 所示，火灾风险的工程评估中一般认为： 当建筑物的可用安全疏散时间大于必需安全疏散时间时( 公式2 1 2 ) ，则认为建筑 物中人员能够安全疏散。 爿舾r ) 假晒，( 2 1 2 ) 典型时刻：报警 火 人 达到危险状况 火 焰灭 初期增长充分发展 火势减弱 ，! i 一铀i 一 r s e t 一 j 图2 1 人员安全疏散时间判据 2 2 人员安全疏散必需时间的计算 人员安全疏散必需时间的计算首先需要确定建筑物中疏散通道和疏散出口， 审核建筑的疏散距离，其次需要准确估算建筑物中的人员载荷，然后是针对特定 的建筑特性和其中人员特性，适当地推算其安全疏散运动时间。由于建筑结构中 的疏散通道和出口相对固定，人员载荷的准确估算显得较为重要。针对不同建筑 物，不同的情况应选择不同的疏散计算方法。 2 2 1 经验公式 经验公式是一种量化人员疏散时间的工具，一般是通过对正常情况下的人员 运动的研究和分析得到的，它在人员疏散研究的初期以及现在的性能化防火设计 中起着非常重要的作用。常用的经验公式可以分为计算疏散速度与流量的经验公 式和计算疏散时间的经验公式。 一、计算疏散速度与流量的经验公式 人员疏散可定量地表示为三个基本特征，即人员密度、人员行走速度和流量。 人员密度是指通向出口的单位通道面积中的人数，如2 0 人m 2 。人员行走速度指 北京交通大学硕士学位论文人员疏散时问研究 人在单位时间内的行走距离，如1 0 m ，s 。流量是指在单位时间内经过某一特定宽 度的人数，如2 o 人，s 。这三个基本特征值与通道的宽度的关系如下式所示： 流量= 速度密度通道宽度 在疏散中，人员行走的速度在一定程度上取决于人员密度。这里给出一个定 量的表述：当行人密度小于o 5 人m 2 时，人员的平均行走速度能达到1 2 5 m s 。但 是随着人员密度增加，行走速度会随之降低。当达到4 或5 人m 2 时，人就简直无 法移动，这正好解释了一大群人争先恐后地拥向出口时往往导致疏散效率显著下 降的现象。 二、计算疏散时间的经验公式 ( 1 ) t o g a w a 公式： 日本学者硒k u i it o g a w a 提出计算整体疏散时问的公式，它可以方便地计算广 泛采用楼梯的建筑物的最短疏散时间。 瓦2 志眦一私m 识( f 渺j 蚴) 瓦表示疏散运动时间；4 是建筑物疏散人员总数；m f f ) ，分别是第f 个出口 和最终出口处的人员流量；n 是出口总数；岛，b 分别是第f 个出口的宽度和最终 出口处的宽度；t 0 是出现定常人口流动时的时间。唬( f ) 为第i 个出口处人员滞留 系数，即聚集在该人数所占的百分比。等式右边第一项描述了在出现定常流量之 后的疏散所用时间，此时疏散时间只和最终出口的疏散能力有关；积分项是指从 疏散开始到出现定常流量时从各个出口离开的人数。 其简化公式为： t ；静专 ( 2 2 3 ) 式中，岛是从最终出口到人流起始端的距离( 可简单认为是第一个人员移动到 最终出口的距离，这里假设当队伍第一个人员到达该出口后队列的疏散是连贯 的) ；v 是人流移动的速度。显然根据这样简化，设定相同的疏散速度，所得到的 疏散时间是最短的总体疏散时间，因为，在实际疏散中后面的人员不可能都紧跟 在第一个人之后。 ( 2 ) m e l i n k 和b o o t h 公式： 由英国的m e l i n k 和b o o t h 提出的人员疏散经验公式主要用来计算高层建筑的 最短总体疏散时间。公式中的安全疏散时间由人流时间和穿行时间两部分时间组 成，其中人流时间表示人群经过楼梯的排队等候时间，而穿行的时间则是指人员 1 0 北京交通大学硕士学位论文 人员疏散时间研究 穿过楼梯的时间。 t 一( q ；) ( 6 ，一t ) + r f ， ( 2 2 4 ) 式中，耳是第“r g 以) 】层以上人员疏散下来的最小时间；q 为第f 层的人数； 哔位宽度楼梯通过的流量，6 ，j 是从( r - 1 ) 到，层的楼梯宽度；岛是在不受阻情况下 人员下降一层所需的时间，一般取1 6 s 。 上式给出了耳( r = l 到，1 ) 的万个值。就整个建筑物而言，最短疏散时间疋等于 这些耳中的最大值。如果每层楼上的人数和楼梯间宽度均相等时，那么所有r 层 中的q ，= q ，6 。；6 ，则上式变为： 一铲州， ) 当q ( b ) 之f ，则r = z 时砟为最大值，疏散时间t 一以q ( b ) + f ，：当 q ( 吾) c f ，则，= ”时e 为最大值，疏散时间t = 疗q ( t 6 ) + h f ，。 ( 3 ) p a u l 公式： 加拿大的p a u l s 根据大量的演习观测总结了一系列关于多层建筑疏散时间的计 算方法，并提出有效楼梯宽度的概念，即认为实际人们可以利用的楼梯面积应该 扣除楼梯两侧不可利用部分的1 5 0 1 i l m ，并得到人流流量在楼梯处的经验拟合公式： 厂；0 2 0 印” ( 2 2 6 ) 式中，是单位有效宽度楼梯所能通过的人流流量，p 是单位有效宽度楼梯要 疏散的人数。 对于多层建筑疏散时间，p a u l s 给出了如下公式： p ；o 6 8 + o 0 8 1 p ” 当单位宽度楼梯通过的人数少于8 0 0 人 。叮、 1 t ；2 0 0 + o 0 1 1 p当单位宽度楼梯通过的人数多于8 0 0 人 卜叫 t 为经楼梯疏散所用的最短时间，以分钟计算；p 为相邻出口层上面的楼层测 得的每米有效宽度楼梯所能容纳实际人数。 2 2 2 人员疏散模型 人员疏散模型的研究是建立在正常情况和紧急情况下人员运动的量化研究的 基础之上，国内外的专家学者在人员疏散研究方面做了大量的工作，开发出一系 列各具特色的人员疏散模型，这些模型有其各自适用的场所。 一、疏散模型的分类 1 1 北京交通大学硕士学位论文人员疏散时间研究 按照模型物理空间的模化方法，人员疏散模型大致可以分为粗糙网络模型、 精细网格模型和连续性模型。 ( 1 ) 粗糙网络模型 粗糙网络模型不关心详细的建筑布局和大小，每个网络节点都可以表示一个房 间或走廊，并按照它们在建筑中的实际情况，用代表出口的弧线将这些网络节点 连接起来，弧线上的权值表示该出口的疏散能力。其代表为水力模型( 如图2 2 “”) 。 流量4 1 0 人店 图2 2 世贸大厦水力模型 水力模型是把流动的人群模化为管中的水，而把建筑结构根据其特性模化为 蓄水池和水管。该模型忽略了建筑结构的分布细节和建筑物内的人员的特征，甚 至忽略了疏散楼梯在建筑中的相对位置，重点关注的是疏散楼梯的瓶颈效应以及 疏散楼梯的最大人员载荷量。也就是说，疏散楼梯是一个带有一定蓄水量的水池， 北京交通大学硕士学位论文人员疏散时间研究 该水池有n 个进水口( 代表n 层建筑层) ，而只有1 个出水口( 疏散楼梯的地面出 口) ，分别设定进水口和出水口的流速，n 个进水口和1 个出水口同时开启，所有 的水量( 人员载荷) 最后流净的时间即为人员疏散的运动时间。因此，水力模型 中最重要的是蓄水量的设定，以及进、出水口流速的设定。水力模型常用来模拟 高层建筑的人员疏散。 ( 2 ) 精细网格模型 精细网格模型把建筑平面空间划分为瓦片状的网格或网点。主要包括格子气 自动机模型、b u i l d i n g e x o d u s 模型、s i m u l e x 模型和e g r e s s 模型。 格子气自动机模型 格子气自动机模型是以流体分子运动论为背景发展起来的一个计算规则简单 内涵丰富的计算机模型。第一个完全离散的格子气模型是1 9 7 3 年由法国的 j h a r d y 、y p o m e a u 和0 d ep a z z i s 提出的h p p 模型“，该模型将平面分成正方 形网格，每个节点上的粒子可向四个方向移动。由于h p p 模型不能充分反映流体 的特征，因此没有引起足够的重视。1 9 8 6 年，由法国的u f r i s c h 、y p o m e a u 和美 国的b h a s s l a c h e r 提出了一个对称度很高的正六边形格子气模型，即f h r “。f h p 模型从空间离散和碰撞规则两个要素上改进了h p p 模型，成功地模拟了一些经典 的流体力学问题。格子气自动机模型建立在一种简单的微观世界之上，将流体及 其所存在的时间和空间完全离散，给出离散的流体粒子问相互作用及迁移的规则， 使粒子运动遵守力学守恒定律，同时服从统计规律。所有的粒子同步地随着离散 时间依据给定的规则在网格节点上相互作用，沿网格线在节点之间运动，构成格 子气自动机的运行。 b u i l d i n g e x o d u s b u i l d i n g e x o d u s 模型“主要是格林尼治大学计算与数学科学院的g a l e a 开发 的。模型采用0 5 m 0 5 m 的正方形网格点，每个网格与相邻的八个网格点相连。 该模型输入有关紧急情况下人员行为的各种信息，资料来源包括火灾的影像记录、 已公布的调查报告和受害者的交谈资料等。该模型能简单模拟火灾中人员行为。 还能评估何种人士最易丧生。g a l e a 的工作获英国民航当局资助，其研究结果主要 供机场设计和飞机制造公司作为火灾安全的参考。英国建筑管理局把 b u i l d i n g e x o d u s 看作是复杂和大型建筑物必不可少的设计工具。 s i m u l e x s i m u l e x 模型“是英国联合环境有限公司主要用于多层建筑物人员疏散模拟 计算的商业软件。该模型利用c a d 生成的d x f 文件对多层建筑物进行分层建筑平 面初始化，并自动生成o 2 m 0 2 m 的正方形网格点均匀覆盖到建筑空问上，每个 网格可与相邻的十六个网格点相连，建筑物中的疏散楼梯单独建模。模型中人员 北京交通大学硕士学位论文人员疏散时间研究 的疏散方向主要由用户定义的l i n k 和e x i t 决定，疏散楼梯与各层建筑平面的连 接称为l i n k ，各层的人员通过l i n k 进入疏散楼梯，直接对外的安全出口称为e x i t ， 是建筑物内人员的最终疏散出口。模型中人员的初始位置可以定义在建筑物中的 任何一部分，人员特征主要包括三部分：人体尺寸、步行速度和对于报警信号的 反应时间。通过对不同人员速度的定义，就使该模型在一定意义上可以模拟出残 疾人的疏散。 e g r e s s e g r e s s 模型“”主要由k e t c h e l l 等人开发，是英国a 卧技术股份公司的商业 软件，该软件适用于舰船、娱乐场所，工业和商业设施以及火车站等人员密集场 所的人员疏散模拟计算。该模型采用六边形网格点，每个网格与相邻的六个网格 点相连。网格的大小为正好容纳单个人员，模型中允许的最大人员密度为6 人2 ， 则单个网格的面积为0 2 一。模型中有四种类型的网格点：没有人占据的地面网格 点，有人占据的地面网格点，表示墙或者障碍的网格点和特殊意义的网格点。其 中，特殊意义的网格点可以控制人员的疏散方向和路径选择。e g r e s s 模型还可以 设计简单的火灾危险场景从而影响人员疏散的方向。 ( 3 ) 连续性模型 连续性模型又可称为社会力模型。该模型基于多粒子驱动系统的框架，假定 组成人群的个体具有思考和对周围环境做出反应的能力，把人的主观愿望、人与 人之问的相互关系以及人与环境之间的相互影响用社会力的概念来描述，采用一 般的力学模型模拟步行者恐慌时的拥挤动力学。社会力的作用将引起人员个体的 行为改变，进而模拟人员的个体行为特征。h e l b i n g 等人“在社会力模型中考虑 了冲撞、挤压、恐慌和可视范围。通过对模型模拟结果的分析发现，在平时以正 常速度行走时可以安全通过的出口，当紧急情况下人员速度增加时，反而会形成 拥塞，即“快即是慢”的现象：拓宽一段走廊中某一段反而会减慢人群的运动， 而不是想当然地提高人员行动速度和提高疏散效率；h e l b i n g 等人还针对充满烟气 房间里的最佳逃生策略进行了相关研究。 中国科技大学的宋卫国副教授也采用社会力模型模拟实际疏散中出现的某些 现象，如拥塞、推搡、间歇性人流等。通过对随机分布在1 5 m 1 5 m 房间的2 0 0 人 的疏散过程进行模拟，研究不同期望速度、出口宽度对疏散时间的影响，研究发 现：“快即是慢”现象只有当安全出口宽度较小时才会出现，但当安全出口宽度增 大到一定程度时，期望速度的提升将减少人员的疏散运动时间：在安全出口宽度 较小时，期望速度的取值对疏散时间的影响较大，同时，相对于一定空间以及人 员数量情况下，存在一个最佳出口宽度值；对具有不同期望速度的人群的疏散模 拟表明，疏散速度有一定分布时疏散时间较短。 1 4 北京交通大学硕士学位论文人员疏散时问研究 二、疏散模型的比较 粗糙网络模型在描述疏散过程时只针对大量的人群，这使得其不论在模型的 理论组织还是计算速度方面都具有较大的优势。但在该模型中，人员只会从一个 建筑结构单元运动到另一个建筑结构单元，而不能在同一个建筑结构单元中作区 域性移动，它不能表现人员疏散过程中避开障碍物等局部运动，也不能对人员之 间的相互影响进行模拟。精细网格模型把建筑平面空问划分为瓦片状的网格或者 网点，因此，它比粗糙网络模型更能准确地描述建筑平面空间。此类模型可以准 确地表示建筑平面空问的几何形状及其内部障碍物的位置，在疏散模拟过程中的 任一时刻，模型中的每个人都对应准确的物理位置。连续性模型假定组成人群的 个体具有思考和对周围环境做出反应的能力，精细地模拟了步行者恐慌时的拥挤 动力学，考虑了冲撞、挤压、恐慌和受限的可视范围，其代价是花费了大量的计 算时间，模拟计算效率较低。 北京交通大学硕士学位论文火灾环境下的人员特性 3 火灾环境下的人员特性 地铁站发生火灾事故，会造成严重的人员伤亡和财产损失，而处于火灾等紧 急情况下的人员的心理和行为特性相当复杂，与人员的一般特性、反应特性等密 切相关。因此，很有必要针对不同的人员，设计切实可行的安全疏散应急预案， 并通过定期的人员安全疏散演习及培训加强对人员安全疏散的管理。 人员特性包括一般人员特性和反应特性，其中一般人员特性主要是人员的性 别、年龄、亲属关系等，反应特性则主要体现人员对火灾等紧急情况的敏感性、 反应力等。 3 1 疏散人员的一般特性 影响人员疏散的一般人员特性主要包括人员的年龄、性别、身体健康状况等 个人因素。 人员的年龄差异是影响安全疏散时步行速度、火灾的灵敏性等的主要因素。 一般意义上，青壮年人员的步行速度比老年人和儿童快，对于火灾线索反应的灵 敏性相对要强，各类统计数据表明，火灾中死亡的大部分是既不能对火灾做出及 时反应，也不能迅速撤离火场的老年人和儿童。 有研究数据表明，不同性别的人在安全疏散过程中同样表现出不同的行为差 异，表3 1 列出了b r y a n 研究得到的美国人中火灾时的第一行为的性别差异“”。在 表中列出的第一行为反应中，可以看到“找寻火源”、“帮助家人逃生”、“撤 离建筑”、“立即报警”、“穿上衣服”和“搜寻灭火器”这六类行为反应的性 别统计差异最显著。 表3 1 火灾中美国人第一行为反应的性别差异 北京交通大学硕士学位论文火灾环境下的人员特性 3 2 疏散人员的反应特- 眭 疏散人员对于火灾做出的反应一般可分为察觉火灾迹象、确认火灾发生以及 采取逃生行动三个主要阶段。 1 7 北京交通大学硕士学位论文火灾环境下的人员特性 3 2 1 察觉火灾迹象 在火灾案例研究调查中发现，探测火灾直至消防队到达这段时问是人员安全 疏散的关键时问段。因此，该段时间内火灾事故中如何察觉到火灾线索，值得作 深入探讨。 在刚着火时，火灾初期迹象是模糊的，但随着火灾的持续，火焰的增大、热 量和烟气的增多使火灾迹象不断增强。火灾线索的察觉是多种多样的，既包括对 火灾产物和火灾环境在视觉、听觉、嗅觉、感觉方面的感知，也包括建筑内火灾 报警系统对人员的警示作用，还有火灾环境中人员之间的相互交流和警告，以及 消防队员的到达等信息，甚至是宠物对火灾环境的反应也可以协助建筑物内人员 对火灾的察觉。表3 2 为b r y a n 统计的住宅火灾中实验人察觉火灾的1 1 种方式的比 重表“。从该表中可以发现，实验者察觉火灾最多的是发现烟的气味，占总人数 的2 6 0 ；然而，如果把该研究中的“他人告知”和“家人告知”合并为“告知”； 则人的告知方式是最多的火灾初期察觉方式，为3 4 7 。需要注意的是，该表中的 “噪声”类包含人员疏散下楼和穿过走廊产生的声音和其它与火灾相关的声音， 包括门窗玻璃破碎和消防设备运动的声音。 表3 2 火灾事故察觉方式的人员统计 北京交通大学硕士学位论文火灾环境下的人员特性 3 2 2 确认火灾发生 火灾建筑物中人员对于火灾事故的确认包含六种关键的心理和物理过程，可 以认为是火灾事故察觉的六要素：认识、证实、确定、评估、抉择和重新评估。人 员对于火灾事故的确认过程可以用图3 1 表示。察觉到初步火灾迹象后，每个人都 会试图证实该信息是否真实。当确定火灾存在之后，接着就会评估火灾是否对自 己构成危险，也就是把火灾迹象与他本人所在区域的状况联系起来，确定火灾的 危险程度有多大、自己是否需要行动。在明确火灾可以对自己构成威胁之后，人 们便会采取具体的行动。选择如何行动是这种自我评估过程的直接结果，而能否 做出正确的选择将会影响他的最终逃生是否成功。 图3 1 人员对火灾事故的确认过程 一、认识过程 认识过程发生在当建筑物中人员发现火灾已发生的模糊火灾线索的时刻。初 期物理察觉线索可能模糊地表明有火灾发生，某个持续动态的物理过程产生火灾 线索，由于火焰、热和烟气的流动机理特性，使相应的线索强度增加。人员的正 1 9 北京交通大学硕士学位论文火灾环境下的人员特性 常精神状态和时间的可预料性是认识大多数火灾线索的关键，较为典型的是凭借 以前的经验和以乐观的方式来对待火灾线索，人员察觉火灾线索后的乐观主义可 能导致他做出“不受火灾危险伤害”这样一种结论。威胁认识概念在火灾危险评 估方法学中是很重要的问题，因为如果人员没有察觉火灾线索，包括在火灾报警 启动中最早期行动的决定，建筑内人员的疏散，或相关的灭火都可能被延迟或拖 延。显然，由于火灾线索的模糊特性，很多公众和社会团体的无组织特性，对于 没有受到的消防教育或没有切身经历过火灾事故的人来说，需要有大量烟气出现， 或出现突然和威胁性火焰才能察觉到火灾。 二、证实过程 证实过程指人员察觉到火灾的发生，但又不能肯定这些初期火灾事故线索是 否准确，从而通过寻找火源位置、寻求他人的口头警告等额外信息来证实该火灾 线索。察觉到初步火灾迹象后，每个人都会企图证实该信息是否真实。当初步迹 象不清晰、不明确时，人们总是试图获得一些额外的信息，如得到其他人的口头 通知或认可。当一个人闻到了烟气味道后，但他本身又不能确信是否真的发生了 火灾时，他就往往会请求别人协助证实。在一项关于烟花厂爆炸的线索察觉的研 究中，k i l l i a n 发现1 3 9 个被调查研究的当事人中，8 5 人是从其他人或电话得到的 明确信息“。 三、确定过程 确定过程通常被认为是人们试图将有关火灾察觉和各种前后相关的变化信息 联系起来的过程。相关信息包括与个人位置相关的火灾量化特征，火灾中产生同 时又大量损失的暗示信息，损失的暗示信息的顺序和时问上的前后关系。有组织 性约束的情形下，在个人确定初期的模糊线索之前，个人产生紧张和焦虑是最快 和最严重的。在火灾威胁相对个性化的情形下，外加火灾创造出的物理环境，个 人的角色概念为一个重要因素。在有关的确定因素中最重要的物理性质是烟、火 的产生，及其传播，热爆炸。 四、评估过程 评估过程可以描述为个人对火灾威胁反应所需要的认识和心理活动。当确定 火灾存在之后，接着就会评估火灾危险，也就是把火灾迹象与他( 她) 本人所在位 置的状况联系起来，以确定火灾是否对自己构成威胁、危险程度有多大、自己是 否需要行动等。一般来说，这种心理活动的时间不长，但确实是一种很紧张、很 焦虑的过程。选择如何行动是这种自我评估过程的直