建筑防火設計人員疏散動力學模型曹錢江,呂志靜(杭州市消防支隊,浙江杭州311700摘要:建立人員疏散動力學模型,認為人群的移動速度在收到火警或者濃煙等的信息后發(fā)現(xiàn)火災,這個階段就取決于位于人群前面和后面的人的移動速度,以及行人本身想是發(fā)現(xiàn)過程。當收到預警以后,人們會嘗試去探索和收要移動的積極性。于2011年春節(jié)期間在杭州火車站進行了集更多的信息證實火災是否真的發(fā)生,然后通知大樓的個關(guān)于擁擠人群疏散的研究,研究表明擁擠人群的最大人員密其他人員進行疏散,這是回應過程的開始。最后,大樓里度和每個人最快的移動速度分別是2.75人/m2和1.54m/s的人員從大樓里疏散出去,這就是移動過程。筆者只研在此基礎上合理化人員疏散動力學模型,并進行敏感性分析究移動過程的部分。人員疏散的量化在疏散模型中起著關(guān)鍵詞:人員疏散;動力學模型;人員密度;流動速率很重要的作用,并且所有的量化模型必須和實際的數(shù)據(jù)中圖分類號:X913.4,TU248.1文獻標志碼:B進行校對。文章編號:1009-0029(2011)08-0704-04筆者應用基本的動力學原理形成人員疏散動力學的火災是最有破壞力的災難之一,在火災中的人員疏模型。模型中每個個體的移動速度都受到周圍人群和本散顯得尤為重要。隨著建筑防火技術(shù)的不斷提高,防火身想要移動的積極性的影響。周圍人群的影響反映出個設計工程師和政府監(jiān)管部門在建筑物的防火安全設計中體想要和周圍鄰近個體保持相同速度的性質(zhì);個體本身想要移動的積極性反映出個體想擺脫周圍人群的控制并廣泛采用了計算機模擬疏散系統(tǒng)。這個模擬疏散過程包超過他們的性質(zhì)。筆者發(fā)現(xiàn)在人群密度、移動速度之間括兩個主要階段:預先移動過程和移動過程。預先移動存在著一種對數(shù)關(guān)系。筆者對兩種預測結(jié)果進行了比可以再細分為兩個小過程:發(fā)現(xiàn)和回應。首先,人們需要較:一是前面所提到的模型的預測;一是已經(jīng)存在的人群移動數(shù)據(jù)的預測。比較結(jié)果說明,筆者的模型給出了更[9]侯東升,趙金娜張樹平.飄窗縱向防火性能數(shù)值模擬[門].消防科學與技術(shù),2010,29(2):113-115準確的結(jié)果。為了使筆者的人員疏散動力學模型更具合理性,筆者于春節(jié)期間在杭州火車站進行了一系列旅客Numerical simulation on billboards fire流動的調(diào)查研究。筆者所有的調(diào)查數(shù)據(jù)都是在非緊急情of commercial build況下收集的,所用事例中旅客的期望移動速度也是正常狀況的數(shù)值YANG Can-iian1人員疏散動力學模型在該模型中,假設每個個體的移動速度受到周圍人4、( Chongqing Shapingba Fire Detachment, Chongqing群的移動速度和本身想要移動的積極性影響。這些影響因素由3個部分構(gòu)成Abstract FDS was used to simulate Chongqing Shapingba"11(1)前面的人和后面的人的影響。用x(t)表示t時刻3 fire, by setting non- combustible clapboard with width of 0.5人群移動方向上第j個人所在的位置,個體j相對于前面m above billboards, vertical and horizontal spread of fire werecompared with and without clapboard. The results showed that個體(人j-1)的距離和速度分別是|x(t)-x-1(t)|和the non-combustible clapboard can effectively retaed the verticaldx,/dt-dxy-1/dt,為防止和其他的人有身體接觸,人j必spread of fire, and for a long time the glass of windows outsid須停下或減速。當相對速度dx;/dt-dx,-1/dt增大時或of the building wont break which can prevent fire spreading相對距離|x(D)-x-1(t)|減小時,減速的力量或是阻礙from outdoor to indoor effectually.的力量就要加大。則人j的阻礙力見式(1)所示:Key words: fire; FDS: billboard; smoke temperature(dx, /dt-dx -1/dt)/z, (t)-I;-1(t)(2)在相關(guān)方向上人群的影響。為防止其他方向上作者簡介:楊燦劍(1979—),女,湖北隨州人,重慶的人流的影響要考慮人j的阻尼力∫,∫>0。為了防市沙坪壩區(qū)消防支隊工程師,碩士,主要從事防火監(jiān)督止兩個人相撞,當兩個人距離很近時阻尼力會增大。工作,重慶市沙坪壩區(qū)都市花園中路103號2棟13(3)個體j自身想要移動的積極性p的影響。這部6,401331分因素反映出個體想中國煤化工且超過周收稿日期:2011-03-29圍人走到前面的愿望CNMHG心理和704Fire Science and Technology, august 2011, Vol 30, No. 8身體等等狀況決定。這個積極性可以理解為一種向前移將視頻輸入電腦進行分析。為表示在某一時刻某動的力量,因此依據(jù)牛頓的運動定律,有式(2):個體的位置,將出口走廊等分為0.4m×0.4m的小格出一t)每一個小格都編上號碼。分析數(shù)據(jù)時,網(wǎng)格線就被疊加到視頻圖像上。當有行人的頭部落在某個網(wǎng)格里時,這f,-pi(2)個人的位置就被記錄在該網(wǎng)格里。盡管人的頭部運動不式中:M為被評估個體(第j個人)的質(zhì)量;C為常量。公式的具體推導過程見文獻[4]。假設人群中個體定和腳部的運動保持一致,這個人的具體位置也不不能改變方向,推導得個體j運動的速度見式(3):定正好落在網(wǎng)格里,但是這種不一致所帶來的誤差與一個人在2s內(nèi)移動的距離相比是可忽略的。這里,2s的n(p)=n(ameB+p288+y)(3)時間距離用于計算旅客的移動速度人的移動速度可以式中:4為個體j的移動速度;p為人群密度;wa為最大用該個體在2s中移動距離除以2s這個時間得到。人人群移動速度;a、By為正向、側(cè)向、自身積極性的權(quán)重因群密度就是每個25時間段開始時的密度和結(jié)束時的密素;pm、p分別為人群在移動方向上最大和最小的線性度的平均值密度;a2分別為人群在其他方向上最大和最小的線22調(diào)查結(jié)果性密度;p',分別為人群在移動方向和其他方向的相圖1為人群密度和移動速度之間關(guān)系的調(diào)查結(jié)果對線性密度,=(m+pn)/2、p=(m+Pm)/2?？蓪⑹?3)簡化為式(4)u,(p)=um(aA+BB+y)A=pimp pzIn(pm/ee)B=-p p考慮到測量線性密度的困難,根據(jù)人群中個體之間學曲線的最大和最小距離從理論上推導出他們的數(shù)值。用來測量單位面積上人員疏散密度的具有代表性的參數(shù)p可以1.52025密度/人m2用人/m2來表示。筆者選用2m長走廊的面積為標準圖1人群密度和移動速度關(guān)系曲線式(4)表示人群中個體的移動速度由3個相關(guān)的停止力由圖1可知,最大的人群密度約為2.75人/m2,移動組成:(1)移動方向上人群的影響,這個影響和人群密度最快的個體速度為1.54m/s,這符合相關(guān)資料的調(diào)查研存在著一個反對數(shù)的關(guān)系,人群密度越大意味著移動速究結(jié)果,即成年人在平地上的移動速度是0.98~1.6m/度越小;(2)其他方向上人的影響這個影響和人群密度。同時也可看出,個體之間相互作用導致的很高的人群存在著一個相反的線性關(guān)系,人群密度越大,移動速度越密度將會降低個體的移動速度。小;(3)個體自身想要移動的積極性。系數(shù)a、B、y分別表根據(jù)圖1中用人群動力學模型計算出來的流動率曲示上面所提到的3個影響因素能夠改變個體移動速度的線,可得到最大的流動率0.81人/(m·s),相對應的密度程度的大小。是1.48人/m2。這個數(shù)值低于 Nelson和 MacLennan所2對火車站旅客的研究給出的1.9人/m2的數(shù)值,這里有兩個原因:一是春節(jié)期2.1研究方法間,每個旅客都會攜帶各種大小不同的行李;二是人群在為使前述模型更具有效性,筆者在2011年春運的高移動過程中都不是很著急,人之間的距離較遠。峰時段,和鐵路公安系統(tǒng)的工作人員合作,對杭州火車站2.3最大流動速率的旅客進行了一系列的研究。通常春節(jié)是一年中所有交流動速率測量表示單位寬度單位時間上能通過的旅通樞紐最繁忙的時期,在近幾年的春節(jié)前夕,杭州火車站客的數(shù)量,見式(5):每天的客流量都接近10萬人。當春節(jié)假期結(jié)束后,火車F=u×p(5)站又會迎來運送高潮。春節(jié)的前期和后期是一年中人群式中:F為流動速率,人/(m·s)。密度最大的時期。在調(diào)查過程中,工作人員在通往出口鐵路部門可以利用調(diào)查研究得到的信息優(yōu)化和控制的地下通道安裝了2個攝像頭來觀測旅客。地下通道的旅客過分擁擠的狀況。如要在繁忙時期使旅客最快疏寬度是4m,調(diào)查的范圍是4m×5m。調(diào)查時間為2011散,人群的密度必須這估更多的旅年1月27日至2月1日以及2月5日至10日。中國煤化工客比平時走得快CNMHG份科學與故術(shù)2011年8月第30卷第8期7053討論人員疏散動力學模型并使其合理化果見圖3所示。3.1人員疏散動力學模型的合理化由圖3可見,這些曲線都落在了一個相對較窄的范為印證式(4),要先得到在流動方向和其他方向上旅圍里,說明該動力學模型對4個線性密度的變化不敏感?？偷淖畲蠛妥钚【€性密度,這些因素都受到旅客的身材和他們行李大小的限制。最大的線性密度是在旅客和他們的行李之間沒有任何空間的假設基礎上得到的。假設每個旅客在其他方向上和流動方向上的最小的距離分別是75cm和50cm。則在這兩個方向上的理論最大線性密度是:m=2人/m,Pm=1.33人/m。為了計算向前方向上的最小線性密度,假設空間由兩部分組成:圖2中所顯示的手臂自由揮舞所需要的長度和行李自由滑動所需要的距離。密度人m2圖3敏惑性分析結(jié)果圖3.3討論上文提到了a、B和y表示移動方向的內(nèi)在作用、其他方向的內(nèi)在作用和個體自身想要移動的積極性對移動速度的影響程度。顯然,移動方向上的內(nèi)在作用相對于其他方向上的內(nèi)在作用對移動速度有著更大的影響。實65 cm85 cm際上,橫向的內(nèi)在影響可以忽略不計,這和實際情況是相圖2向前方向空間距離符合的,在流動中的行人只是跟著前面的行人前進,很少通常一個成人邁出一步的距離是70cm,手臂揮舞的會注意到他們旁邊的人。另外,由于Y的數(shù)值是0.2,比長度是15cm,行李所占用的距離約65cm,故前進方向0高出很多,所以行人自身想要移動的積極性在人群疏上一個人自由移動的距離為1.5m。為計算在其他方向散中起著很大的作用。上的最小線性密度, Rotman給出了在某一自由移動情在式(4)中,如果人群的密度達到254人/m2的最況下人流的寬度是0.67m。如果加上行李的尺寸,則在大值,那么前進方向的內(nèi)在作用對移動速度的影響就會旅客移動的情況下使用1m作為橫向上的寬度是合理接近于0(把數(shù)值代人式(4)中計算),橫向的影響會被忽的。因此,在前進方向上和橫向上的理論最小線性密度略。但是還是存在著很高的移動速度,主要是行人自身分別是0.67人/m和1.0人/m。把上面的線性密度值帶想要移動的積極性在起作用,即當遇到過分擁擠的情況,入式(4),得到A=0.78-0.91ln(p),B=4.0-2.27P。把行人可以通過移動自己的身體和行李改變位置調(diào)查的數(shù)據(jù)帶入式(4)可得a=1.2m/s,a=0.576,B=4結(jié)論0.02,y=0.205。筆者論述了人員疏散動力學模型,這個模型建立在3.2模型敏感性分析移動速度受到前進方向和其他方向的內(nèi)在影響以及個體人員疏散動力學模型使用了前述利用普通人的身材內(nèi)在移動積極性這3方面限制的假設上。為使這個模型和人群內(nèi)在個體的尺寸計算出來的4個線性密度。因為能應用到實際情況中,在春節(jié)期間對杭州火車站的旅客實際的尺寸和名義上的尺寸可能不同,所以保證該動力流量進行了一個調(diào)査。調(diào)査結(jié)果表明該模型和實際情況學模型對4個線性密度的變化不敏感是很重要的。筆者有很高的吻合性。通過對調(diào)查數(shù)據(jù)的分析和對模型的預進行了敏感性測試,在測試中不同的名義尺寸在表1中測,得出以下結(jié)論:給定的范圍內(nèi)變化(1)有3個部分影響人群的移動速度:前進方向上的表1敏感性分析參數(shù)取值人群的影響,其他方向上的人群的影響和個體的自我移流動方向/cm其他方向/cm動積極性。在前進方向上人群的影響遠大于其他方向上最大值最小值最大值最小值人群的影響。150±25100±2075±10(2)對于在交通樞紐中攜帶行李的旅客,可以用式將表1中的參數(shù)取值帶入式(4)計算出線性密度,并(4)來描述人群的移動速度和人群密度。其中,A=0.78讓式(4)中其他參數(shù)在以下范圍內(nèi)取值:n=1.1~1.250.91n(p),B=4.0中國煤化工0.576,8m/sa=0.51~0.62;B=0~0.025;y=0.19~0.25。結(jié)=0.02,y=0.205CNMHG頂測火車706Fire Science and Technology, August 2011, vol 30, No, 8站人群的移動速度和流動率。為使模型更加貼近實際情(上接第700頁)況,還需要在公共交通樞紐進行更深入細致的研究。在二層展廳環(huán)廊內(nèi)側(cè)設置一定寬度的防火分隔帶,(3)筆者所采用的最大人群密度是2.75人/m2將整個展廳共劃分為3個防火單元。其中,一層展廳單(4)在通常情況下,當達到某一人群蜜度的時候存在獨為1個防火單元(防火單元1),面積為26722m2;二層著一個最大流動率。通過試驗得出,在人群密度是1.48展廳平均劃分為2個防火單元(防火單元2、3),單個面人/m2時,達到最大流動率0.81人/(m·s)。因此,為了積約為4385m2達到有效疏散人群的目的,必須降低人群密度,使其接近2嚴把消防質(zhì)量關(guān)1.48人/m2這個數(shù)值,從而達到最高的流動率該工程為曲阜標志性建筑之一,也是政府重點投資項目,各級領(lǐng)導對工程質(zhì)量要求嚴格,消防施工質(zhì)量更是參考文獻重中之重。施工期間,消防監(jiān)督人員多次深人工地現(xiàn)場,1] D Helbing, P Molna'r, Social force model for pedestrian dynamics進行施工檢查,對防火門、防火卷簾、防火涂料、消防應急].Phys.Rev.E.,1995,51:4282-4286.燈、標志燈,滅火器消火栓等消防產(chǎn)品在安裝前均進行[2] D Helbing, I Farkas, T Vicsek. Simulating dynamical features[J.隨機抽檢,合格后方進行安裝,確保了消防施工質(zhì)量Lett. Nat,407:487-490.3消防監(jiān)管到位[3]M Schreckenberg, S SHarma. Pedestrian and evacuation dynamics該工程在自動消防設施、電氣設施檢測合格后通過IM. Berlin: Springer, 2001.消防驗收。該工程目前由一個中介服務企業(yè)進行管理,[4]Z Fang, SMLo, J A Lu. On the relationship between crowd density and movement velocity]. Fire Safety J., 2003, 38 271-283制定了嚴格的規(guī)章制度,配齊了消防控制室值班人員、消[5] H E Nelson, H A MacLennan. Emergency movement. The SFPE防巡防人員,并對這些人員進行了消防專業(yè)培訓,重點崗Handbook of fire protection engineering[ M. Quincy MA:NPA,位持證上崗,其他部位兩小時一巡查,并建立了巡查檔案,對消防設施器材定期維護保養(yǎng),確保完整好用。[6]M Y Roytman. Principles of fire safety standards for building con-參考文獻:struction[M]. New Delhi: Amerind Publishing Co, 1975.[]GB50261-2005,自動噴水滅火系統(tǒng)施工及驗收規(guī)范[S]Evacuation dynamics model[2]GB50116-98,火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范[S][3]GB50045-95,高層民用建筑設計防火規(guī)范[S]CAo Qian-jiang, L V Zhi-jingFire protection measures of confuciusHangzhou Fire Detachment, Zhejiang Hangzhou 311700culture exhibition center in QufuChina)Abstract: The evacuation dynamics model was built, and it wasYANG Zhou-xing, WANG Gui-xiabelieved that the crowd speed depends on the speed of peoplefront of and behind the crowd, as well as peoples enthusiasm to(ining Fire Detachment, Shandong Jining 272100, China)move. A study of crowd evacuation was carried out during theAbstract: Confucius exhibition center is landmark building ofSpring Festival 2011 at Hangzhou train station, and the re-Qufu, and it includes 3 petals(east exhibition hall, west exhibisearch showed that the maximum density was 2. 75 person/m2,tion hall, north exhibition hall)and a circle pistil exhibitionand the fastest speed was 1. 54 m/s. Based on the study the e-center). The total building area of it is 120 000 m, for meetng, working, receiving and repast. It's big and complicated.vacuation dynamics model was rationalized, and the sensitivity From the aspects of fire protection facility, construction man-analysis was performedKey words: evacuation; dynamics model; person density; flowagement, using management, etc, fie prevention measures, firefighting measures, electric protection measures and smoke exhaunting were introduced.Key words: exhibition center: fire protection design; evacua作者簡介:曹錢江(1978-),男,杭州市消防支隊tion; smoke control淳安縣消防大隊副大隊長,工程師,學士,主要從事消防監(jiān)督、防火設計審核工作,浙江省杭州市淳安縣新安作者簡介:楊周興,男,濟寧市消防支隊支隊長,學大街123號,311700。士,主要從事建筑工程消防監(jiān)督檢查、消防產(chǎn)品監(jiān)督管收稿日期:2011-03-28理工作,山東省濟寧市金宇路34號,272100。收稿日期:2011中國煤化工CNMHG防科季與披術(shù)2011年8月第30卷第8期707