从意大利卢卡宫的计算机人流疏散模拟看历史性建筑的防火疏散设计

从意大利卢卡宫的计算机人流疏散模拟看历史性建筑的防火疏散设计摘要：利用建筑EXODUS软件模拟意大利卢卡宫的防火疏散，通过对各种疏散方式的模拟和比较分析，总结出一些有助于建筑疏散设计、提高紧急疏散效率的方法。关键词：历史性建筑防火疏散计算机模拟卢卡宫EXODUS软件中图分类号：S611文献标识码：A文章编号：随着计算机模拟技术的快速发展，20世纪末出现出的历史性建筑防火保护火灾测试方法已经逐渐被更加精确、快捷的计算机火灾模拟途径所取代。这种计算机模拟系统能够对火灾蔓延、烟气流动以及人员疏散等各类火灾情况进行准确分析，大大地提高了历史性建筑防火保护的工作效率和可靠程度。本文以意大利卢卡宫防火疏散设计为例，来展示现代计算机模拟技术在历史性建筑防火保护中的应用。1意大利卢卡宫防火疏散分析2003年9月，schloschonbrunn（SSch）管理团队联合格林威治大学的消防安全工程集团（FSEG）研究了SSch国家公寓的二层防火疏散能力进行一项研究。借助建筑EXODUS软件，通过对各种疏散脚本比较分析，得出卢卡宫防火疏散优化方案，在此基础上，提出一些新的历史性建筑的防火疏散设计方法和研究思路。1.1建筑EXODUS软件EXODUS软件把以往的防火疏散经验作为疏散的模拟规则，能够模拟大量人群在围合场所中的疏散设计，包括五个核心交互子模型：个体子模型、运动子模型、行为子模型、毒性子模型和危害子模型。在建筑EXODUS中，空间和时间维度由一个二维空间网格和一个模拟时钟表示，空间栅格可标识出建筑物的几何形状、出口、内部隔间、障碍等，且能涵盖多个楼层。建筑的布局可以由一个指定的DXF文件或交互式工具提供。网格由节点和线段组成，每个节点表示一个特定的空间区域，每个线段代表相邻两个节点间的距离。行为个体能沿着线段从一个节点到运动另一个节点。在个体个性特点的基础上，行为子模型确定承载个体对当前环境的回应，并将其传递给运动子模型。毒性子模型确定环境对个体的生理影响。为了确定火灾对承载个体的影响，EXODUS使用了“片段有效剂量”（FractionalEffectiveDose，FED）毒性模型，该模型认为毒性环境对身体的危害与高温、热辐射、氰化氢、一氧化碳、二氧化碳和低氧环境有关，并估算出导致个体丧失能力的时间（人们在烟雾环境中的移动速度会下降）。热和毒性环境由危害子模型决定。这些危害在环境中的分布用时间和地点的函数表示。建筑EXODUS无法预测这些危害，但是可以借鉴其他模型的实验数据或数值数据（包括通过与建筑EXODUS建立直接联系的CFAST区域模型和计算机流体力学场模型）来实现。另外，一些数据分析软件，能辅助建筑EXODUS分析模拟，提供一个虚拟现实的图形环境，并用三维动画来模拟疏散。1.2脚本以下通过三个基本的疏散脚本对建筑EXODUS疏散模拟软件进行评测，其评测需基于以下假设：房客不使用消防工具；工作人员和向导了解防火疏散程序；工作人员、向导和房客能迅速发出警报信号；仅模拟首层和二层的防火疏散；所有的工作人员和向导都熟悉疏散路径；所有的出口点都可用，并能开放；首层为双向十字转门；房客只能按常规方式疏散；根据房客的行动路线确定疏散路径。假定观察者面朝建筑物的主立面，建筑物的左侧（包括楼梯A）称之为西翼，右侧（包括楼梯B和C）称之为东翼（图1），这与地理意义上的东和西不同。图1东西翼位置图脚本定义：脚本A：人群通过主入口等最熟悉的路径疏散。东翼二楼的人选择他们上楼时的楼梯疏散（东翼楼梯B，见图2），西翼二层的人通过宴会厅各出口疏散，此脚本中，工作人员不干预人群疏散。脚本B：假定宴会厅出口不可用，首层人群选择最近的出口疏散，二层人群只能通过两个主楼梯（西翼楼梯A和东翼楼梯B）疏散。脚本C：假定为人们十分熟悉建筑各层布局，能借助工作人员的指引通过最近出口疏散（图2）。包括东翼楼梯C在内的三个楼梯、位于建筑前部和尾部的室外楼梯全部可以使用。图2出口点位置图1.3疏散模拟假定模拟的人群由1000个访客、15个向导和5个工作人员组成。访客中600人成组出现（15组，每组40人），另外400人以个体形式出现（一层、二层各200人），其中两人行动不便（但可以走动），组队人群均匀分布（西翼7组，东翼6组，宴会厅2组）。以下模拟两种模式下的疏散情况：瞬时回应时间模式：在每个脚本中，假定警报一响人们就能立刻意识到火灾发生，这样可以模拟可能产生的最严重的拥挤情况；其二，分布式回应时间模式：指从人们接到疏散信号到开始疏散所需不同时间的情况。此种情况下，疏散分析的关键是工作人员和使用者的反应时间（从人们接到疏散信号到开始疏散所需的时间）。在疏散分析时，模拟的反应时间分布主要依靠分析判断，其分析结果如下：向导收到传呼信号需要5-15秒；从向导接受到警报到访客组开始疏散的时间为30-120秒；与组群在同一个小空间里的个体访客的回应时间可假定为与访客组的相同；与组群脱离的个体所需的反应时间为65-195秒。1.4主要结果（1）瞬时回应时间模式在此模式中，脚本B的产生的总疏散时间最长（7分16秒，见表1），平均拥堵时间也最长（78秒），其原因没有将一楼阳台作为疏散出口，从而增加了人群的行走距离和楼梯间A和B的疏散压力；脚本C中，人们熟知各出口，故拥堵并不明显，其拥堵主是由小楼梯间（如楼梯间C）疏散压力过大造成；脚本A的拥堵时间最短，总体疏散时间也最短。表1各脚本的模拟结果脚本持续时间平均拥堵时间（秒）平均行走距离（米）A4分59秒33118B7分16秒78133C6分03秒5588（2）分布式回应时间模式分布式回应时间模式的模拟结果见表2。与瞬时回应时间模式相比，引入分布式回应时间后总疏散时间增加，拥堵耗时降低（在最后的出口处很少拥堵），而越是人们经常使用的逃离路线越容易发生拥堵。表2分布式回应时间模式下各脚本的模拟结果脚本疏散平均总用时逃离二楼平均用时平均拥堵时间（秒）平均疏散距离（米）平均PET99%人流逃离所需平均时间A6分03秒4分58秒281183分22秒5分47秒B7分56秒6分42秒631284分09秒7分30秒C6分49秒5分49秒40853分11秒6分34秒脚本A：此脚本模拟人们利用最熟悉的出口疏散的情境，此脚本中，东翼疏散285人需4分12秒，西翼疏散333人需3分57秒，行动不便者总是在最后的1%疏散人群中。人群主要通过楼梯间B和阳台疏散，故二者周围易发生拥堵（见图3）。人群最终通过以下几个出口疏散：东翼楼梯间B首层底部的紧急出口；阳台出口；西翼首层出口。此脚本中，尽管并不是所有的出口都能被有效利用，但其总疏散时间仍为最短，平均拥堵时间也为最短。脚本B：模拟阳台无法作为出口的情况。整个疏散过程中楼梯间A和B的拥堵严重（见图4），尽管楼梯间A比B窄，但通过楼梯A疏散的人数（506人）要比通过楼梯B疏散的