1、從意大利盧卡宮的計(jì)算機(jī)人流疏散模擬看歷史性建筑的防火疏散設(shè)計(jì)    摘要：利用建筑EXODUS軟件模擬意大利盧卡宮的防火疏散，通過對(duì)各種疏散方式的模擬和比較分析，總結(jié)出一些有助于建筑疏散設(shè)計(jì)、提高緊急疏散效率的方法。 關(guān)鍵詞：歷史性建筑防火疏散計(jì)算機(jī)模擬盧卡宮 EXODUS軟件 中圖分類號(hào)：S611 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： 隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的快速發(fā)展，20世紀(jì)末出現(xiàn)出的歷史性建筑防火保護(hù)火災(zāi)測(cè)試方法已經(jīng)逐漸被更加精確、快捷的計(jì)算機(jī)火災(zāi)模擬途徑所取代。這種計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)能夠?qū)馂?zāi)蔓延、煙氣流動(dòng)以及人員疏散等各類火災(zāi)情況進(jìn)行準(zhǔn)確分析，大大地提高了歷史性

2、建筑防火保護(hù)的工作效率和可靠程度。本文以意大利盧卡宮防火疏散設(shè)計(jì)為例，來展示現(xiàn)代計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在歷史性建筑防火保護(hù)中的應(yīng)用。 1意大利盧卡宮防火疏散分析 2003年9月，schlo schonbrunn（SSch）管理團(tuán)隊(duì)聯(lián)合格林威治大學(xué)的消防安全工程集團(tuán)（FSEG）研究了SSch國家公寓的二層防火疏散能力進(jìn)行一項(xiàng)研究。借助建筑EXODUS軟件，通過對(duì)各種疏散腳本比較分析，得出盧卡宮防火疏散優(yōu)化方案，在此基礎(chǔ)上，提出一些新的歷史性建筑的防火疏散設(shè)計(jì)方法和研究思路。 1.1建筑EXODUS軟件 EXODUS軟件把以往的防火疏散經(jīng)驗(yàn)作為疏散的模擬規(guī)則，能夠模擬大量人群在圍合場(chǎng)所中的疏散設(shè)計(jì)，包括五

3、個(gè)核心交互子模型：個(gè)體子模型、運(yùn)動(dòng)子模型、行為子模型、毒性子模型和危害子模型。在建筑EXODUS中，空間和時(shí)間維度由一個(gè)二維空間網(wǎng)格和一個(gè)模擬時(shí)鐘表示，空間柵格可標(biāo)識(shí)出建筑物的幾何形狀、出口、內(nèi)部隔間、障礙等，且能涵蓋多個(gè)樓層。建筑的布局可以由一個(gè)指定的DXF文件或交互式工具提供。網(wǎng)格由節(jié)點(diǎn)和線段組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)特定的空間區(qū)域，每個(gè)線段代表相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離。行為個(gè)體能沿著線段從一個(gè)節(jié)點(diǎn)到運(yùn)動(dòng)另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。 在個(gè)體個(gè)性特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，行為子模型確定承載個(gè)體對(duì)當(dāng)前環(huán)境的回應(yīng)，并將其傳遞給運(yùn)動(dòng)子模型。毒性子模型確定環(huán)境對(duì)個(gè)體的生理影響。為了確定火災(zāi)對(duì)承載個(gè)體的影響，EXODUS使用了“片段有效

4、劑量”（ Fractional Effective Dose，F(xiàn)ED）毒性模型，該模型認(rèn)為毒性環(huán)境對(duì)身體的危害與高溫、熱輻射、氰化氫、一氧化碳、二氧化碳和低氧環(huán)境有關(guān)，并估算出導(dǎo)致個(gè)體喪失能力的時(shí)間（人們?cè)跓熿F環(huán)境中的移動(dòng)速度會(huì)下降）。 熱和毒性環(huán)境由危害子模型決定。這些危害在環(huán)境中的分布用時(shí)間和地點(diǎn)的函數(shù)表示。建筑EXODUS無法預(yù)測(cè)這些危害，但是可以借鑒其他模型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或數(shù)值數(shù)據(jù)（包括通過與建筑EXODUS建立直接聯(lián)系的CFAST區(qū)域模型和計(jì)算機(jī)流體力學(xué)場(chǎng)模型）來實(shí)現(xiàn)。另外，一些數(shù)據(jù)分析軟件，能輔助建筑EXODUS分析模擬，提供一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)的圖形環(huán)境，并用三維動(dòng)畫來模擬疏散。 1.2腳本

5、 以下通過三個(gè)基本的疏散腳本對(duì)建筑EXODUS疏散模擬軟件進(jìn)行評(píng)測(cè)，其評(píng)測(cè)需基于以下假設(shè)：房客不使用消防工具；工作人員和向?qū)Я私夥阑鹗枭⒊绦颍还ぷ魅藛T、向?qū)Ш头靠湍苎杆侔l(fā)出警報(bào)信號(hào)；僅模擬首層和二層的防火疏散；所有的工作人員和向?qū)Ф际煜な枭⒙窂剑凰械某隹邳c(diǎn)都可用，并能開放；首層為雙向十字轉(zhuǎn)門；房客只能按常規(guī)方式疏散；根據(jù)房客的行動(dòng)路線確定疏散路徑。假定觀察者面朝建筑物的主立面，建筑物的左側(cè)（包括樓梯A）稱之為西翼，右側(cè)（包括樓梯B和C）稱之為東翼（圖1），這與地理意義上的東和西不同。 圖1東西翼位置圖 腳本定義： 腳本A：人群通過主入口等最熟悉的路徑疏散。東翼二樓的人選擇他們上樓時(shí)的樓梯疏散

6、（東翼樓梯B，見圖2），西翼二層的人通過宴會(huì)廳各出口疏散，此腳本中，工作人員不干預(yù)人群疏散。 腳本B：假定宴會(huì)廳出口不可用，首層人群選擇最近的出口疏散，二層人群只能通過兩個(gè)主樓梯（西翼樓梯A和東翼樓梯B）疏散。 腳本C：假定為人們十分熟悉建筑各層布局，能借助工作人員的指引通過最近出口疏散（圖2）。包括東翼樓梯C在內(nèi)的三個(gè)樓梯、位于建筑前部和尾部的室外樓梯全部可以使用。 圖2出口點(diǎn)位置圖 1.3疏散模擬 假定模擬的人群由1000個(gè)訪客、15個(gè)向?qū)Ш?個(gè)工作人員組成。訪客中600人成組出現(xiàn)（15組，每組40人），另外400人以個(gè)體形式出現(xiàn)（一層、二層各200人），其中兩人行動(dòng)不便（但可以走動(dòng)），組

7、隊(duì)人群均勻分布（西翼7組，東翼6組，宴會(huì)廳2組）。 以下模擬兩種模式下的疏散情況： 瞬時(shí)回應(yīng)時(shí)間模式：在每個(gè)腳本中，假定警報(bào)一響人們就能立刻意識(shí)到火災(zāi)發(fā)生，這樣可以模擬可能產(chǎn)生的最嚴(yán)重的擁擠情況； 其二，分布式回應(yīng)時(shí)間模式：指從人們接到疏散信號(hào)到開始疏散所需不同時(shí)間的情況。此種情況下，疏散分析的關(guān)鍵是工作人員和使用者的反應(yīng)時(shí)間（從人們接到疏散信號(hào)到開始疏散所需的時(shí)間）。在疏散分析時(shí)，模擬的反應(yīng)時(shí)間分布主要依靠分析判斷，其分析結(jié)果如下：向?qū)盏絺骱粜盘?hào)需要5-15秒；從向?qū)Ы邮艿骄瘓?bào)到訪客組開始疏散的時(shí)間為30-120秒；與組群在同一個(gè)小空間里的個(gè)體訪客的回應(yīng)時(shí)間可假定為與訪客組的相同；與組群脫

8、離的個(gè)體所需的反應(yīng)時(shí)間為65-195秒。 1.4主要結(jié)果 （1）瞬時(shí)回應(yīng)時(shí)間模式 在此模式中，腳本B的產(chǎn)生的總疏散時(shí)間最長（7分16秒，見表1），平均擁堵時(shí)間也最長（78秒），其原因沒有將一樓陽臺(tái)作為疏散出口，從而增加了人群的行走距離和樓梯間A和B的疏散壓力；腳本C中，人們熟知各出口，故擁堵并不明顯，其擁堵主是由小樓梯間（如樓梯間C）疏散壓力過大造成；腳本A的擁堵時(shí)間最短，總體疏散時(shí)間也最短。 表1 各腳本的模擬結(jié)果 腳本 持續(xù)時(shí)間 平均擁堵時(shí)間（秒） 平均行走距離（米） A 4分59秒 33 118 B 7分16秒 78 133 C 6分03秒 55 88 （2）分布式回應(yīng)時(shí)間模式 分布式回

9、應(yīng)時(shí)間模式的模擬結(jié)果見表2。與瞬時(shí)回應(yīng)時(shí)間模式相比，引入分布式回應(yīng)時(shí)間后總疏散時(shí)間增加，擁堵耗時(shí)降低（在最后的出口處很少擁堵），而越是人們經(jīng)常使用的逃離路線越容易發(fā)生擁堵。 表2分布式回應(yīng)時(shí)間模式下各腳本的模擬結(jié)果 腳本 疏散平均總用時(shí) 逃離二樓平均用時(shí) 平均擁堵時(shí)間（秒） 平均疏散距離（米） 平均PET 99%人流逃離所需平均時(shí)間 A 6分03秒 4分58秒 28 118 3分22秒 5分47秒 B 7分56秒 6分42秒 63 128 4分09秒 7分30秒 C 6分49秒 5分49秒 40 85 3分11秒 6分34秒 腳本A：此腳本模擬人們利用最熟悉的出口疏散的情境，此腳本中，東翼疏散285人需4分12秒，西翼疏散333人需3分57秒，行動(dòng)不便者總是在最后的1%疏散人群中。人群主要通過樓梯間B和陽臺(tái)疏散，故二者周圍易發(fā)生擁堵（見圖3）。人群最終通過以下幾個(gè)出口疏散：東翼樓梯間B首層底部的緊急出口；陽臺(tái)出口；西翼首層出口。此腳本中，盡管并不是所有的出口都能被有效利用，但其總疏散時(shí)間仍為最短，平均擁堵時(shí)間也為最短。 腳本B：模擬陽臺(tái)無法作為出口的情況。整個(gè)疏散過程中樓梯間A和B的擁堵嚴(yán)重（見圖4），盡管樓梯間A 比B窄，但通過樓梯A疏散的人數(shù)（506人）要比通過