体育场馆人员疏散时间数学模型研究.doc

体育场馆人员疏散时间数学模型研究第27卷第2期哈尔滨商业大学(自然科学版)Vo1.27No.22011年4月JournalofHarbinUniversityofCommerce(NaturalSciencesEdition)Apr.2011体育场馆人员疏散时间数学模型研究李俊(华南理工大学土木与交通学院,广州510640)摘要:国内外疏散时间的计算方法各异,同一建筑不同算法的计算结果相差较大,给实际工程计算带来不便.在介绍了国内外常用的3种工程算法后,对各类算法的适用范围与局限性做了比较分析,结合广州某体育馆进行各层疏散时间的计算,并用Legion仿真软件对这3种算法的计算结果进行了比对分析,得出行程时间法更符合实际情况的结论,建议我国建筑标准采用行程法作为疏散时间的工程计算方法.同时对日后疏散时间工程计算的研究提出了新的思路,并在国内首次对安全区域给出了具体的定义,具体标定了算法中的参数,为工程计算提供参考依据.关键词:疏散时间;工程计算;行程时间法;安全区域中图分类号:TU1l1文献标识码:A文章编号:16720946(2011)02025205StudyofcalculationmethodonstadiumevacuationtimeLIJun(SchoolofTraffic,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)Abstract:ThedomesticandforeignevacuationtimeScalculationmethodvaries,theresuhofdifferentalgorithmsforcalculatingthesamebuildingisdifferent,SObringinconveniencefortheactualengineeringcalculation.Basedonthreekindsofalgorithms,thispapermakescomparativeanalysistoeachkindofalgorithmSapplicablescopeandlimitation,combiningwithagymnasiumforthecalculationofevacuationtimeoneachfloor,andcomparingthere.suhsofthethreealgorithmswiththesimulationsoftwareLegion,theconclusionthattravelingtimemethodismorerealisticisobtained,theresultssuggestthatourcountrybuildingstandardusesthetravelingtimemethodasengineeringcalculationmethod.Meanwhile,thispaperproposessomenewideasforfuturerese0rchonevacuationtimeSengineeringcalculationmethod,andgivestheconcretedefinitiononsafetyzone,demarcatesthealgorithmparameter,whichprovidesareferencefortheengineeringcalculation.Keywords:evacuationtime;engineeringcalculationmethod;travelingtimemethod;safetyZnne体育场馆作为人流高度密集且使用时间相对集中的公共场所,一旦发生火灾或紧急事件,通常会造成严重后果,带来重大经济损失.如何保障场馆内人员安全,快速,有序的疏散是各国学者研究的焦点.大量国内外学者,如Pauls,Fruin,刘强,范收稿日期:20091210.作者简介:李俊(1985_),女,硕士,研究方向:体育场馆的安全疏散维澄等,从不同理论角度出发,研究得到大量疏散模型,这些模型多从理论角度出发,计算复杂,不能满足工程计算简单,快捷,方便的特点,不适于实际应用,特别是结构复杂的体育场馆.而现行各国工程计算方法不一,计算结果差异较大,因此有必要对实际工程应用的疏散时间计算方法进第2期李俊:体育场馆人员疏散时间数学模型研究行研究.本文介绍了国际上常用的3种算法,详细分析了各种算法的优缺点,并标定了相关参数,明确界定了安全区域定义,给实际工程应用提供参考.1疏散时间计算方法概述疏散时间的计算对于安全疏散设计是非常重要的,工程计算方法具有简单,快捷,方便等特点,是其它方法所无法取代的.实际应用中,疏散时间计算方法繁多,本文主要介绍现行工程上常用的3种疏散时间计算方法.1.1关键节点法我国建筑设计常用算法:疏散时间(T)=观众总人数(),单股人流通行能力(A)X人流股数(其中:为需要通过疏散通道的总疏散人数;人流股数根据疏散出口的宽度定,通常取每股人流为0.55ITI;单股人流的通行能力根据通道形式不同而异,通常取平面通道为43Jk./min,坡面台阶或楼梯通道为37人/min.1.2Melink和Booth公式法由Melink和Booth提出的公式考虑排队等候时间与楼梯穿行时间:=(Q)/(Nb)+rt.(2)其中:是第r(r从第1到第12)层以上人员疏散下来的最短时间;Q为第i层的人数;N单位宽度楼梯通过的流量;b卜.是从(r一1)层到层的楼梯宽度;t是在不受拥挤情况下的人员下降一层所需的时间,一般取16S.1.3行程时间法行程时间法是日本常用的工程算法,它考虑关键节点处的消散时间与建筑中的行程时间:T=N/is+/max/V.(3)其中:为疏散时间(s);-厂为疏散通道的人群流动系数(人/m/s);为疏散过程疏散通道的最小有效宽度(m);a为待疏散的总人数;/max为疏散区域各部位疏散到指定疏散场所的最大步行距离(m);为人群移动速度(m/s).1.4参数标定1.4.!流率单位时间,单位通道宽度内通过的人数(人/m/s).工程上计算疏散时间,通常按通道性质设定人群流动系数为一经验常数,如表1所示.表1流动系数经验取值1.4.2行人行走速度人在紧急情况下的行走速度与很多因素有关,如表2所示为国内主要参考取值J.表2疏散预测的步行速度1.4.3有效宽度疏散过程中,行人通过疏散通道或疏散门时习惯与其边缘保持一定距离,因此并不是通道或门的整个宽度都能得到有效利用,在计算中应用实际宽度减去通道边界尺寸,不同疏散通道的边界尺寸m,如表3所示.表3不同疏散通道的边界尺寸类型减少的宽度8cm2三种算法的适用范围及局限性2.1关键节点法的应用范围及局限性实际上我国建筑设计的疏散时间是根据建筑防火等级确定,公式(1)主要用来确定通道个数与可疏散人数.该算法从宏观的角度出发,将体育场馆所有通道作为一个总通道,所有观众经总通道疏散,没有考虑实际情况中,体育场馆各观众分区的人数不一样,疏散路径也不一样,而实际的疏散时间由最拥挤的疏散通道决定.另外该算法也没有考虑行人在场馆内的行走时间,因此,该算法得到的疏散时间为最短疏散时间,与实际疏散情况相差较大,只能做体育场馆疏散时间的粗略计算.见表4.9加m一一拣一一门?254?哈尔滨商业大学(自然科学版)第27卷表4火灾风险等级2.2Melink和Booth公式法应用范围及局限性该算法主要计算高层体育场馆的最短总体疏散时间,由两部分组成,即所有人在楼梯处的排队等候时间(人流时间)与穿过楼梯的时间(穿行时间).算法考虑两种不同情况:行人密度较低时,楼层之间的穿行时间大于人流时间;行人密度较高时,楼层间的穿行时间小于人流时间.主要这个场馆的最短疏散时间即为的最大值.该算法假设场馆中待疏散人员均等候在出口楼梯处,然后开始疏散,离开地面层的人不会降低从上面楼层下来的人流速率.显然这一假设没有考虑行人行走到各层楼梯口的行走时间,也没有考虑各楼层汇合处的拥挤情况,因此算得结果比实际j青况要小.另外,该算法没有给出拥挤与非拥挤情形的具体量化标准.2.3行程时间法应用范围及局限性行程时间法计算简便,特别是适合于结构复杂的体育场馆,且该方法同时考虑了消散时间与行走时间,计算结果与实际情况比较相符.但该算法没有考虑出口拥挤与非拥挤情情形的差异,在计算过程中有时间的重叠,较实际情形偏大.疏散时间由火灾探测时间,人员反应时间和人员疏散运动时间组成,以上3种方法都没有考虑火灾探测时间与人员反应时间,在计算疏散运动时间时也没有明确定义安全疏散区域,而对于不同区域的选取,计算结果相差较大.3应用实例以广州某体育馆为对象,分别用以上3种方法计算疏散时间,考虑到行程时间法为国外计算方法,详细介绍其计算步骤.该体育馆看台分为首层,包厢层和上层3部分,可容纳观众1.8万.首层观众通过纵向通道疏散到体育馆环廊,包厢观众与三层观众通过四面消防楼梯疏散.整个场馆为圆形,布局对称,取1/4场馆分析,其余部分情况与之相似.场馆平面图如图1所示.图1场馆座位1/4平面图3.1疏散路径见图2上层看台坐席K区纵向走道通道K环廊楼梯间(普通楼梯与消防楼梯)安全地带层看台席v区纵同走道二=通道V二=主环廊二=楼梯间(普通楼梯与消防楼梯)一寄全地带首层看台坐席G区纵向走道G环廊I安全地带l图2疏散路径示意图3.2疏散时间计算3.2.1关键节点法按照关键节点法公式(1)分层计算疏散时间:首层有28个通道,宽1.2m,即每个通道可容纳2股人流,待疏散人数9484人,疏散时间为4.58min,同理有其他层疏散时间,如表5所示.表5各层疏散时间第2期李俊:体育场馆人员疏散时间数学模型研究?255?3.2.2Melink和Booth公式法按公式(2),从第3层开始计算疏散时间.第3层有观众7393人,楼梯宽度1.8ITI,则有疏散时间为:7393/(1.8X26)/1.3+316:170S=2.83m.各层疏散如表6所示,体育馆的疏散时间为7.35min.表6各层疏散时间3.2.3行程时间法行程时间法是日本建筑设计中常用算法,与国内算法不同,因此,本文详细介绍该算法的计算步骤.按照公式(3)分层计算.第1层:如图1所示,J.通道,宽1.21TI,最大疏散人数为211人,距离此通道最远坐席到环廊的距离为18m,环廊到大门出口的距离为65m,由以上数据可得:最大消散时间:211/(1.267)=2.6m;最大行程时间:;1.8/0.5+65/1.0=101S;最大疏散时间:2.6+101/60=4.3min.同理可得该层其他通道的疏散时间.包厢层:观众先返回包厢,然后通过消防楼梯疏散到首层.如V.通道,宽0.9m,疏散人数为21人,从此通道最远处到大厅的距离为6m,到梯前室的距离为44m,楼梯前室门宽1.65m,楼梯长28m,消防楼梯到出口的距离为41m,通过楼梯前室的人数为83人,由以上数据可得:最大消散时间:83/(1.6567)=0.75min;最大行程时间:6/0.5+44/1.0+28/0.6=103S;到达首层大厅的时间:0.75+103/60=2.5min;到达出口的时间:2.5+41/1.0/60=3.2mln.同理可得该层其他通道的疏散时间.三层看台:计算方法同上,各层疏散时间具体计算结果如表6所示.3.3疏散时间结果分析由表5可知,所有人疏散结束所需时间为4.58min,由表6可知,所有人疏散结束所需时间为7.35min,根据表7,到达各层大厅的最长时间为7.42min,到达各层楼梯前室的最长时间为5.05min,到达首层大厅的最长时间为9.46min,到达室外的最长时间为10.14rain.为了比较3种算法的计算精度,选择首层大厅作为安全区域,并采用国际上最先进的仿真软件Legion建模仿真,得到结果如表8.表7各层疏散时间搁关键节触B00Mehli公nk式法Legion仿真软件以多智能体并行运算模型为基础,精确度可达到95%,因此由表8可以看出,关键节点法,Melink和Booth公式法的计算结果偏小,而行程时间的计算结果偏大.这是由于前两种方法没有考虑场馆内的行走时间,仅考虑节点处排队消散时间,后种方法没有区分拥挤与非拥挤的情?256?哈尔滨商业大学(自然科学版)第27卷形,计算上有重叠.参考英国安全指南,安全区域是指行人在此能免受火灾和浓烟的影响,因此可以可定义为走道,楼梯前室,大厅,户外等.结合表5,6,7,8的计算结果可知,行程时间法能够计算行人疏散到不同安全区域的时间,算法同时考虑行走时间与消散时间,计算误差仅为11.3%,更符合实际疏散过程.4结语体育场馆作为体育竞技,体育教学,体育娱乐和体育锻炼等活动之用的建筑物,使用时间相对集中,一旦发生火灾,将造成严重的损失,吸引各国学者研究疏散时间模型.实际工程计算要求简单,快速,方便,本文介绍了几种常用的工程算法,并对各种算法做了详细的比较分析,标定了相关参数,对实际工程计算有一定的指导价值.同时,本文首次明确界定了安全疏散区域.需要指出的是行人在紧急情况下的疏散与很多因素有关,如行人的组成(男,女,老,少),行人对建筑的熟悉程度,行人消防知识的知晓度,行人在疏散过程中的相互影响,行人的心理因素等.未来疏散时间工程算法的研究也需在简便性的基础上适当考虑这些因素,提高计算精确度.参考文献:PAULSJ.111eMovementofPeopleinBuildingsandDesignSo-lutionsforMeansofEgressJ.FireTechnology,1984,2o(1)2747.一刘强,杨浩,陆化普,等.运动场馆人流疏散及其模型探讨J.土木工程,2004,37(1O):9298.一袁理明,范维澄.建筑火灾申人员安全疏散时间预测J.自然灾害,1997,6(2):2833.温丽敏,陈全,陈宝智,等.火灾中群集疏散的设计方法及计算机仿真J.东北大学,1998-,19(5):14.陈涛,宋卫国,范维澄,等.十字路口宽度与人员阻塞的依赖关系及其模拟和分析J.自然科学进展,2004,14(4):567572.一黄恒栋.高层建筑火灾安全疏散中的人流集结一出口流出时间特性曲线J.重庆建筑大学,1997,l9(1):2634.李引擎.建筑防火性能化设计M.北京:化学工业出版社.2005(上接243页)7%损失在配电系统中.按照锅炉效率65%,标准煤的热值是8