基于细网格模型的建筑疏散时间计算

基于细网格模型的建筑疏散时间计算

近年来，随着性能化和防火化工程的发展，以计算机模拟为主要手段的性能化扩散工程在计算机模拟中得到了广泛应用。目前已开发的多种疏散模型具有不同的理论基础、假设条件、输入输出参数,每个疏散模型也分别从不同角度模拟人员在建筑物内的疏散行为,其性能、效果及适用范围各不相同。因此,对疏散模型软件进行对比研究有其重大意义。在当前对疏散软件的对比研究主要为:细网格模型之间的对比研究,Simulex与EXIT89的对比研究,网络模型与真实试验的对比研究,如:EVACNET4软件与真实试验的对比研究。但在众多对比研究中对各种疏散软件的全面对比较少。因此,各种疏散软件、方法的对比研究成为当务之急。笔者分别使用了日本经验公式、网络模型EVACNET4和细网格模型软件BuildingEXODUS,对同一建筑进行人员疏散研究。1三个稀疏模型的总结1.1日本经验公式法1.1.1疏散时间的计算日本的疏散时间计算分为两部分:着火房间的疏散时间计算、着火层的疏散时间计算。在每一部分中将疏散分为三个阶段,相对应三个阶段的时间分别为疏散准备时间、到达出口的时间和排队通过出口的时间。(1)创造出口聚集人数,发生速度tq疏散准备时间ts,r:ts,r=√A30(1)式中:A为房间面积,m2。疏散步行时间tt,r:tt,r=lmax,roomv(2)式中:lmax,room为房间距门口最远距离,m;v为步行速度,m/s。排队通过出口时间tq,r:tq,r=ΡrΝ×B(3)式中:Pr为出口聚集的人数,人;N为流动系数,人/(m·s);B为门的宽度,m。(2)女性运动路线疏散准备时间ts,f:ts,f=2×√Af+α(4)式中:Af为楼层面积,m2;α为参数,住宅建筑、宾馆α=300s,其他用途建筑则设定α=180s。疏散步行时间tt,f:tt,f=lmax,floorv(5)式中:lmax,floor为从楼层最远处到楼梯间距离,m。排队通过出口时间tq,f:tq,f=ΡrΝ×B(6)式中:Pr为聚集在出口的人数,人;N为流动系数,人/(m·s);B为门的宽度,m。在办公室等建筑为空间中,一般有办公桌等家具,疏散人员难于直接到达出口,需要经过家具之间的通道才能到达出口,人员运动路线呈L型。所以,房间至出口的最大距离lmax,room按L型路线计算,如图1所示。1.1.2楼梯间至室外的疏散时间计算日本经验公式只是计算了人员从房间至楼梯间的疏散时间,缺少由楼梯间至室外的疏散计算。这一点与性能化疏散设计存在差异,所以在经验公式中增加楼梯间至室外的疏散时间计算。具体方法如式(7)、式(8)所示。疏散步行时间tt,s:tt,s=lmax,stairv(7)式中:lmax,stair为从楼梯间至一楼大厅距离,m。排队通过时间tq,s:tq,s=ΡrΝ×B(8)式中:Pr为出口聚集人数,人;N为流动系数,人/(m·s);B为门的宽度,m。1.2存储的安全地点EVACNET4是一个水力疏散模型,模拟人员在建筑物内行走并最终疏散到安全地点的全过程。软件由佛罗里达大学开发,是目前世界上被广泛采用的疏散模型之一。1.2.1建筑网络模型EVACNET4对建筑物的结构布局以网络的形式描述,模拟人员在这一网络内的流动,直至所有人员最终到达规定的安全地点为止。因此,模拟之前首先要建立建筑的网络模型。建筑网络模型由一系列的节点和连接各个节点的弧组成。节点代表建筑物内大厅、房间、走廊、楼梯间、安全出口以及其他空间建筑。模型将室外或建筑内的安全出口定义为目标节点,以人员到达目标节点作为疏散结束。空间上相连的节点通过虚拟的弧来连接,这些弧并不真实存在,只是通过它来反映各个节点之间的连接关系,以反映人员在网络内的流动。1.2.2节点容量的计算。根据下计算根据经验公式来确定人员疏散的行走速度,在EVACNET4使用指南中,根据对排队服务水平和走道服务水平拥挤程度的定性描述,确定不同服务水平。对于每个节点需要定义两个参数:一是确定模拟开始时节点内的人数;二是确定节点所能够容纳的最多人数。计算节点面积UA,根据服务等级确定人均占有面积APAO,根据公式ΝC=UAAΡAΟ,得到节点容量。对于每个弧也要定义两个参数:(1)确定人员通过弧所用的时间。计算两节点之间中点的距离。人员通过弧所用的时间以式(9)计算。Τ=lv(9)式中:T为通过弧所需时间,s;l为所连接两节点中点之间的距离,m;v为人员通过该弧的行走速度,m/s。(2)单位时间内通过该弧的人数。根据人员行走的速度,通过查询EVACNET使用指南中对排队服务水平和走道服务水平拥挤程度的定性描述,确定流动系数,按式(10)计算人流量。Q=N×B(10)式中:Q为单位时间通过该弧的人数,人/s;B为弧的有效宽度,m;N为单位宽度弧的人流量,人/(m·s)。1.3网格模型的构建1.3.1疏散人员间、疏散人员与建筑结构的相互作用BuildingEXODUS是一种细网格的过程模拟软件,它与其他疏散模拟软件的最大不同之处在于考虑了疏散人员间、疏散人员与火灾间以及疏散人员与建筑结构间的相互作用。因此,BuildingEXODUS能较真实地模拟疏散人员和场景的若干属性和行为,追踪疏散过程的诸多细节,并在此基础上给出较全面详实的预测结果。1.3.2几何形态、网格、空间BuildingEXODUS中,建筑空间用二维空间网格表示,时间用仿真时钟表示,空间网格反映了建筑物的几何形状、出口位置、内部分区、障碍物等。多层几何形状可以用楼梯连接的多个空间网格组成,每一层放在独立的窗口中。建筑物平面图用CAD产生的DXF文件或者用交互工具产生,然后存储在几何库中以备将来之用。网格由节点和弧线组成,每一个节点代表一个小的空间,每一段弧代表节点之间的距离。人员沿弧线从一个节点向另一个节点移动。1.4局部疏散模型(1)日本经验公式根据出口容量和人员通过出口的速度计算疏散时间,主要是通过大量的实际观测取得的一些经验公式,虽然不能反映在人员众多的情况下可能发生拥挤的现象,但使用方便,因而应用广泛。(2)EVACNET4属于一种优化模型,采用粗网络模型的方法,即按照建筑空间的划分来确定网格。通常假定人员是具有相同疏散能力的整体,按照预定的疏散计划,以一定的平均流动速度在建筑物中从一个空间向另一个空间疏散,不考虑人员的个体疏散行为,疏散通道与疏散出口的流动特性是最佳的,疏散路线也是最佳的。但这种模型无法表达人员在疏散途中任一时刻所处的准确位置,因此在对局部疏散流动特征细节的描述、疏散过程中的障碍程度以及疏散者相互间影响的表达等方面存在一定的困难。但是,优化模型在计算时运行速度较快,适用于人员密度较大,疏散人员无须自行决策疏散行动的场合。(3)BuildingEXODUS属于一种模拟模型,采用精网络法把整个建筑封闭空间划分成0.5m×0.5m的小网格,不仅可以表现人员实际的疏散行为和运动过程,得出准确的结果,还可以真实地反映疏散时所选择的路线和决策情况。用这种方法可以准确地表示建筑空间的几何形状及内部障碍物的位置,以及疏散的任意时刻每个人员的准确位置。模拟模型在计算机计算时,要求有较大的内存空间,运行时间较长。2基本信息和基本参数设置2.1基本组成笔者所例举的建筑为3层办公楼,层高3.2m。建筑物平面图如图2所示。2.2走廊内速度和速度根据经验公式确定行走速度,房间至走廊为1.2m/s,走廊内速度为1.0m/s。由于在楼梯间处出现瓶颈状态,故经公式计算楼梯内行走速度为0.35m/s。3计算离散时间3.1日本经验公式对建筑高度的估计3.1.1疏流速度经验公式算法中疏散速度与BuildingEXODUS取同一数值,即从房间至走廊人员平均疏散速度为1.2m/s,走廊至楼梯间人员平均疏散速度为1.0m/s,下楼速度为0.35m/s。3.1.2走廊疏散时间(1)房间至走廊的疏散时间tWP-HA的计算。最远疏散距离lmax=3.6-0.242+4.5=6.18m房间内疏散速度v=1.2m/s房间内疏散时间tr,t=lmaxv=6.181.2=5.15s有效流动系数N=0.8人/(m·s)门宽B=1.0mtq,r=ΡrΝ/B=150.8×1.0=18.75stWΡ-ΗA=tt,r+tq,r=5.15+18.75=23.90s(2)走廊至楼梯间疏散时间tHA-SW。最远疏散距离lmax=3.6-0.242+3.6×6=23.28m走廊内疏散速度v=1.0m/s走廊内疏散时间tt,f=lmaxv=23.281.0=23.28s由于ACO/αn<PAload,经计算有效流动系数N=1.3人/(m·s)。tq,f=ΡrΝ/B=1671.3×1.86=69.07stΗA-SW=tt,F+tq,F=23.28+69.07=92.35s(3)三楼楼梯间至一楼走廊疏散时间tSW-HA。最远疏散距离按折线距离计算lmax=(1.5×2+√2.72+1.62)×2=12.28m楼梯间内疏散速度v=0.35m/stSW-ΗA=tt,s+tq,s=lmaxv+ΡrΝ/B=12.280.35+3351.1×1.5=238.1s(4)一楼走廊至安全出口疏散时间tSW-DS,包括走廊疏散至安全出口的时间tt,d和安全出口的排队等待时间tq,d。tSW-DS=tt,d+tq,d=lmaxv+ΡrΝ/B=4.751.2+3351.5×1.9=121.50s综上所述,建筑物中人员疏散时间为:t=tWP-HA+tHA-SW+tSW-HA+tSW-DS=475.9s3.1.3每层的疏散时间计算(1)疏散时间房间至走廊的疏散时间tWP-HA=23.90s走廊至楼梯间疏散时间tHA-SW3=92.35s三楼楼梯间至二楼楼梯间疏散时间tSW3-SW2=128.87s一楼疏散完毕所用时间t=tWP-HA+tHA-SW3+tSW3-SW2=245.1s(2)计算二楼色散时间二楼疏散完毕所用时间t=tWP-HA+tHA-SW+tSW-HA+tSW-DS=395.3s(3)计算一阶层的疏散时间因为一楼的人员受阻疏散最慢,所以一楼所有人员疏散到安全区域所用时间即为疏散总时间,即一楼疏散时间为475.9s。3.2预测器4为建筑物的疏散时间3.2.1艾灸cnet4的主要参数设置(1)节点面积/均占面积模拟开始时节点内的人数;节点所能够容纳的最多人数,节点面积/人均占有面积。目标节点初始人数可设为零,能容纳的最多人数缺省值为无穷大。(2)基于该弧的人数人员通过弧所用的时间,由公式(9)计算;单位时间内通过该弧的人数,由公式(10)计算。根据经验公式中确定的步行速度v=1.0m/s对应EVACNET4中走廊服务水平表格,得到N=0.6人/(m·s)。3.2.2模拟结果danet4EVACNET4模拟结果如表1所示。3.3建筑物的疏散时间由压力预测3.3.1弧的大小以及距离的选取模型由CAD产生的DXF文件导入。网格由节点和弧线组成,每一个节点代表一个小的空间,每一段弧代表节点之间的距离。人员沿弧线从一个节点到另一个节点,形成的几何空间节点模型如图3所示。3.3.2人群的特点由于此建筑物性质为办公楼,人群不是很复杂,故而对建筑物进行模拟主要设定了两组人群,即年龄在20～60周岁的男性和女性各占一半。由于存在严重的瓶颈状态,所以速度取房间和走廊速度的平均值1.1m/s,楼梯内为0.35m/s。为了同日本的经验公式、EVACNET4取得一致,不设置人群的反应时间。3.3.3表1,表2经过对此建筑物内人员位置交换并进行十次反复的模拟之后,得到的数据如表2所示。对表中数据取平均值后可得:一楼、二楼、三楼所有人员疏散完毕所用时间分别为:462.8s、438.1s、398.1s。3.4目前楼梯间和楼梯口间人密度严重质量,造成了房屋疏散的联三种疏散方法得到的疏散总时间如表3所示。三种疏散方法得到的各楼层疏散时间见表4。由表3及表4可以看出,通过对疏散模型中各种参数进行合理取值,一楼和二楼疏散时间基本近似,但三楼疏散时间较长且相差较大。办公楼建筑一般人员密度为0.125人/m2,而在该建筑中人员密度为0.6人/m2,远远超出了一般建筑人员密度,这就导致了在疏散过程中大量的人员阻塞在二楼和三楼的楼梯间内,在二楼楼梯口处出现严重的“瓶颈”状态。三楼人员要想疏散出去只有等待二楼人员疏散完毕后方可疏散(如图3所示),影响了人员疏散速度。精细网格模型BuildingEXODUS的模拟过程准确而形象地反映了这一现象,而日本经验公式和EVACNET4的模拟过程却不能准确地反映这一现象,这恰恰说明了精细网格模型BuildingEXODUS在细节问题处理上的优越性。4安全疏散模型参数难以确定该建筑的疏散总人数为502人,人员密度为0.6人/m2。在疏散时间计算