摘要：高层建筑发生火灾以后，而现场情况比较复杂时，尽快地选择一条既安全，疏散时间又短的疏散路线，是室内人员快速、安全地撤离火场的重要保障。本文在基于高层建筑火灾全风网网络模拟软件HRBFS对火灾时建筑物内烟流浓度模拟的基础上，结合当时人员的分布情况，提出了最佳疏散路线的算法。

关键词：高层建筑火灾  疏散路线  人员疏散

中图分类号：TU7  文献标识码：A  文章编号：（2006）01-0012-03

 

高层建筑火灾最佳疏散路线的确定

 

谢旭阳

1. 引言

火灾安全的根本出发点就是尽量减少火灾造成的人员伤亡和财产损失。如何在安全疏散允许的时间内，使楼内人员和财产免遭高温火烟的危害，构成了高层建筑安全疏散设计的根本目的和重要内容。

火灾发生后，建筑物内的人员如何用最短的时间安全地疏散到安全地方，是人员疏散成功的重要环节。早在20世纪70年代，国外就已经开始了建筑物火灾时人员行为的研究^[1]。30多年来，国内外众多的研究人员开发了建筑物内人员逃生和疏散的模型，用来指导应急疏散设计和建筑物防灾设计。例如，FEgress 主要研究了地下商场人员的疏散，该模型考虑了火灾位置对人员疏散的影响，但没有考虑到烟流温度和浓度对人员疏散的影响，其主要用于预测区域内的人员疏散。EXITT-A为疏散人员确定了很多决定性的规则，但是该模型应用局限于小型家庭火灾。EXIT89克服了EXITT的缺点，但是该模型没有考虑到人的行为。EVASIM利用离散事件仿真方法模拟人的不同行为，但该模型没有与火灾模型结合，没有考虑燃烧产物对人的影响。

综上所述，国内外已有的各种模型，没有和火灾模型结合起来，没有考虑火灾中燃烧产物或者产生的热量对人的影响。特别是在远离火源的地点，没有考虑烟流温度和浓度对人的影响。此外，已有的模型中，在计算、分析所需疏散时间和建筑物内人员滞留的情况时，疏散路线要么按照设计者的意图进行，要么是选择距离最短的路线，然而在建筑火灾现场情况变化极为复杂的情况下，有时候这些路线会被烟流所阻止，无法被逃生人员选择为疏散路线。这时计算结果就不能准确地反映逃生的实际时间，不能有效地指导逃生人员进行疏散。同时，在火灾时，当某一通道人员比较密集时，这些模型不能指导逃生人员避开人员密集的通道进行逃生，快速地撤离至安全地方。

火灾发生时，根据起火情况和人员分布的情况，确定一条最佳的疏散路线来指导人员的疏散，使逃生人员快速、安全地逃生是很必要的。本文提出了一种计算最佳疏散路线的方法，该方法综合考虑了距离、烟流浓度和人员密集情况。在最佳疏散路线的基础上，计算、分析所需的疏散时间和建筑物内人员滞留的情况，可以为应急疏散和建筑物防灾设计提供依据。

2.网络模拟软件HRBFS简介

建筑火灾模拟主要有场模拟、区域模拟以及网络模拟。网络模拟把建筑物中的一个受限空间作为一个单元体，假设每个单元体内部的状态参数（如气体温度、组分浓度等）是均匀的，火灾过程的发展表现为构成整个建筑物的各单位内部参数的变化。

网络模型中每一个房间只需用一个均匀参数来表示，它适用于远离火源且混合已基本均匀的区域。高层建筑的全风网计算机动态模拟将整个高层建筑物视为一个系统，并将整个建筑简化为各个房间、厅室、走廊、竖井、管道等组成的一个通风网络系统，通过对火源燃烧行为、烟流蔓延规律的研究，建立相应的数学模型，利用计算机技术模拟火烟在整个建筑物内蔓延的规律（包括风流流量、风流温度、有害气体浓度、气体压力的动态分布等）。

目前，国内外对网络模型的研究越来越多，模拟软件HRBFS（High-Rise Building Fire Simulator）是在矿井火灾模拟软件MFIRE基础上发展的一种网络模型。模拟软件MFIRE与其它火灾模拟软件相比，在烟流跟踪和热传导等方面具有较大的优势。国外专家将MFIRE应用于高层建筑火灾模拟，并将其它模型与软件MFIRE进行了比较，从比较的结果可以看出，该模拟软件用于高层建筑火灾也具有一定的优势。HRBFS继承了MFIRE动态模拟技术，同其它模拟软件相比也具有同样的优势。同时，HRBFS在火源燃烧特性曲线、烟流温度动态计算等方面进行了修改和补充。HRBFS能够计算风流流量、风流温度、有害气体浓度、气体压力等随时间的变化，为最佳疏散路线的确定提供了基础数据。

3. 最佳疏散路线的确定

3.1通道当量长度的确定

一般来说，距离最短的疏散路线并不意味着疏散时间也最短，同时也并不一定是最安全的路线，这是由于通道受污染程度以及人员密度分布不同所造成的。例如，对于同样长度的路线，如果通道中烟雾浓度不一样，人员分布密度不一样，则人员通过通道的速度也不一样。

在火灾的发展过程中，通道中温度高低、烟雾浓度大小与有害气体浓度大小的发展趋势是一致的。由于人员伤亡主要是由有害气体造成的，所以以有害气体浓度为参考因素，引入惩罚系数 ，该系数乘以有害气体浓度得到浓度当量长度系数。由于通道中人员行走速度与人员分布密度有很大的关系，在模型中引入人群群集通行难易度系数 ，该系数乘以人员分布密度得到人群群集当量长度系数。将这些系数相加与通道的实际长度相乘后，得到的长度为通道的“当量长度”，即在路线中，各通道通行的难易度和速度是一致的。以下的最佳路线是指“当量长度”最短的路线，同时也是疏散安全的路线。第i条通道的当量长度可以用下式计算：

                          （1）

式中：l_i——第i条通道的当量长度值，m；

——烟流浓度惩罚系数；

C——有害气体浓度，一般以CO的浓度表示，%；

——群集密度，人/m²， ；

P——通道中的人数；

B——通道的宽度，m；

l_ri——第i条通道的实际长度，m。

——人群群集通行难易度系数。

由于群集步速V、群集密度 和群集流动系数N之间的关系为 。人群群集通行难易程度可以用群集步速的倒数来表示，故 ，由此可以得到 。而一般流动系数N取为1.5，所以可取 =1/1.5，该参数的取值还需要通过实验来进一步进行验证。

       C为逃生人员开始疏散至模拟结束时通道CO的平均浓度，C可以用下式计算：

                                                       （2）

式中：    t_s——人员开始疏散的时刻，s；

              t_e——模拟计算结束的时刻，s；

              C_t——t时刻，该通道的烟流浓度，%，该参数用HRBFS求出；

              M_t——t时刻，该通道的风流流量，Kg，该参数用HRBFS求出；

       一般，烟流中有害气体浓度越高，那么烟流浓度也越大。惩罚系数 包括有害气体对人体的伤害以及烟雾所造成的能见度对行走速度的影响。系数 可以根据CO对人员的影响来确定，如表1所示。惩罚系数可以通过大量的实验来确定，由于现在缺乏实验数据，表中的系数靠经验设定。

表1                   有害物惩罚系数

CO浓度(%)	惩罚系数
<0.005	0
0.005-0.01	1
0.01-0.04	2
0.04-0.05	50
0.05-0.07	100
0.07-0.15	200
0.15-0.2	500
0.2-0.3	1000
0.3-0.5	2000
0.5-1.0	5000
>1.0	50000

在式（1）中也可以考虑别的因素，如通道中是否有障碍物（如垃圾桶、灭火器、其它阻碍物）等。当考虑这些因素时，当量长度可以用下式进行计算：

             （3）

式中： ——考虑障碍物时的系数。

网络化的通道中包括各种类型的通道，如走廊、楼梯、消防电梯、人行电梯、排烟道以及HAVC系统管道等。由于一些通道不能作为疏散通道，在模型中需要对通道的行走类型进行设置。对于火灾时停运的电梯、排烟道以及HAVC系统管道等，把它们的当量长度设置为无穷大（在系统中设置为10¹⁰来表示无穷大）。

按上述方法可以计算出通道的当量长度，从而形成当量长度的新数组L[n]，式中的n为风网分支数。按照后面的最佳路线算法，即可求出最佳疏散路线。

3.2 最佳路线算法

设网络G=(V，E)，其中V，E分别为图G的节点和边的集合。已知图G的节点个数为n，即n=|V|，对于任意节点j和k，且 ；k，j=2，3，···，n，则有最短路方程^[11]：

             （4）

式中：d_k——节点1到节点k的最短路距离，m；

w_jk——节点j 到节点k的最短路径值，m。

当给出应撤退的节点号和应撤退到的节点号(即s和t )时，根据Dijkstra算法^[11]，只要反复使用下面的迭代公式即可求解最佳疏散路线：

  （5）

式中：j，k=1，2，···，n。

当k=t时，即可求出s至t的最佳路线。其中 ，j=1，2，···，n是原弧长长度，在这里指各通道的当量长度。

通过循环可以求出所有节点到出口处的最佳疏散路线，再将每个节点的疏散路线存入数据库，就为疏散时间以及人员伤亡的预测提供了数据。

在编程求解中，一般有关图论常用算法的书中给出的最短路算法及程序，大多采用矩阵存储方法。例如对图1所示的一个简单网络，其权矩阵为：

     （6）

图1是一个有向图，在进行解算时，应将建筑网络图作为无向图来处理，这样计算得到的最佳路线才是所需要的路线。同时，在通道参数设置时，需要将出风口的节点到进气口节点之间虚拟通道的距离设置为无穷大，或者将其通道类型设置为排烟道类型。

在模型中，用户只需输入安全到达的节点，单击“求解疏散路线”按钮，在文本框中会显示正常情况下各个节点到安全节点的长度以及疏散时需要经过的节点（如图2所示）。选择“选择节点”框中的节点，文本框中将显示在火灾情况下该节点到安全节点的当量长度以及疏散时需要经过的节点。

解算出最佳疏散路线后，可以通过查询来了解任意节点到出口的最佳疏散路线，从而可以在消防控制室通过广播通知人员疏散，使逃生人员避免通过烟流浓度高以及人员拥挤的通道，以最短的时间疏散出去，达到安全疏散目的。随着电子显示器在疏散中的应用，计算出的疏散路线可以直接显示在电子疏散显示器上，指导逃生人员疏散。

图2 疏散路线求解界面

4. 示例

我们对某综合楼进行了网络化。该建筑网络化后，整个网络共有271条分支，192个节点，6台风机（如图3所示）。正常情况下，节点142到节点1的最短距离为80.5m，最短距离路线为：1—>2—>3—>15—>163—>139—>19—>21—>23—>61—>59—>142。当通道40发生较大的火灾时，在较短的时间内通道34和32被烟流严重污染，逃生人员不能通过，在实际中不会被逃生人员选择为逃生路线。但是在其它的模型中，由于人员的疏散路线为最短距离的路线，通道34和32作为疏散路线的一部分。这时，基于最短路线所计算出的疏散时间是不准确的，不能指导人员安全地疏散。

在综合考虑烟流浓度和人员分布密度的基础上，通过最佳路线的算法可以计算出节点142最佳疏散路线为：1—>2—>4—>16—>18—>20—>50—>52—>68—>70—>92—>93—>94—>67—>57—>55—>169—>143—>59—>142。从计算结果可以看出，最佳疏散路线与最短的路线不一样，实际情况也是这样，逃生人员看到通道34和32不能通过时，会选择另外的通道通过。这样求解的最佳疏散路线虽然行走距离比最短的路线长，但安全性要更高，能指导逃生人员安全地疏散出去。

5. 结束语

本文提出的最佳疏散路线计算方法充分考虑了通道中烟流的浓度和人员分布密度，在火灾时可以指导逃生人员避开烟流浓度高以及人员密集的地方进行疏散，从而达到安全、快速疏散的目的。计算出的疏散路线可以通过广播告诉疏散人员，随着电子显示疏散路线在消防中的应用，计算出的疏散路线可以直接显示在电子疏散显示器上，指导逃生人员疏散。最佳疏散路线会随着烟流浓度和人员分布密度的动态变化而变化，这时如何求解在不同时刻的最佳疏散路线，是后面将进一步研究的内容。在确定最佳疏散路线的基础上，可以更准确地模拟人员的疏散时间以及人员伤亡情况，从而为指导应急疏散设计和建筑物防灾设计提供依据。

 参考文献

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