| 某教学楼火灾中人员安全疏散时间的预测 |
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| 作者：陈智明,霍 然,王浩波,曾德云
2004-10-9 8:51:00 |
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摘要: 文章分析了大型建筑物内人员疏散的特点,结合某幢教学楼的设定火灾场景人员的安全疏散,对该建筑物火灾中人员疏散的设计方案做出了初步评价,得出了一种在人流密度较大的建筑物内,火灾中人员疏散时间的计算方法和疏散过程中瓶颈现象的处理方法,并提出采用距离控制疏散过程和瓶颈控制疏散过程来分析和计算建筑物的人员疏散。
关键词: 建筑火灾;教学楼;人员疏散;距离控制疏散;瓶颈控制疏散
0 前言
建筑物发生火灾后,保证其中的人员及时疏散到安全地带具有重要意义。火灾中的人员安全疏散指的是在火灾烟气尚未达到对人员构成危险的状态之前,将建筑物内的所有人员安全地疏散到安全区域的行动。这是一个涉及建筑物结构、火灾发展过程和人员行为三种基本因素的复杂问题。建筑物的几何条件限定了火灾发展与人员活动的空间;可燃物类型、数量及放置状况决定了火灾发展的特殊性;而在火灾条件下,不同人员的行为特点又有着很大差别。火灾中人员疏散问题的研究经历了几个不同的阶段,从二十世纪五十年代John Bryan 开始研究火灾中人员行为起,到1977 年NBS 出版的《建筑中紧急疏散评估的技术手册》止,通常认为是该问题研究的初期阶段;在八十年代,以Canter 为代表的用计算模拟的方式来研究火灾中人员疏散问题;接下来以Sime 、Bryan、Shields 和Proulx 等采用调查火灾后逃生人员的回忆录和模拟实际火灾中的人员疏散等方式来研究人员疏散问题;1998 年在爱尔兰Belfast 召开第一届国际火灾中人员疏散问题研讨会后,进一步加深了人员疏散问题的研究,同时开始向性能化防火设计方向发展[1,2,3,4,5,6] 。在此期间,也发展了一些模型和算法,如CRISP、EXIT89、EXITT 和EVAC2UNET + 等[7,8,9]。由于人员疏散的复杂性,该类模型和算法还有待完善。
学校的教学楼是一种人员非常集中的场所,而且具有较大的火灾荷载和较多的起火因素,一旦发生火灾,火灾及其烟气蔓延很快,容易造成严重的人员伤亡。对于不同类型的建筑物,人员疏散问题的处理办法有着较大的区别,为了评估某教学楼防火设计是否合理,本文在前人的研究基础上结合某校教学楼的结构形式,对教学楼的典型的火灾场景作了分析,分析该建筑物中人员疏散设计的现状,提出一种人员疏散分析模型的基础,并对改进该建筑的人员疏散设计提出了建议。
1 火灾中的人员反应三个阶段
一般说,在火灾中人员的反应基本上可分为察觉火灾迹象、确认火灾发生和采取逃生行动三个主要阶段。
在刚着火时,火灾初期迹象是模糊的,但随着火灾的持续,火焰的增大、热量和烟气的增多使火灾迹象不断增强。火灾迹象可以直接觉察到,也可间接得到,例如通过他人提醒,或听到火灾探测报警系统发出的报警,听到报警信号后,火灾安全知识较强的人,可以在几秒钟内意识到发生了什么事情,从而能够较快地采取疏散行动。青年学生可以归属为这类群体。
确认火灾发生包括证实火灾存在、确认火灾危险、评估火灾危险、决定是否疏散、或是否需要重新评估火灾的影响等。觉察到初步火灾迹象后,每个人都会企图证实该信息是否真实。当确定火灾存在之后,接着就会评估火灾是否对自己构成危险,也就是把火灾迹象与他本人所在区域的状况联系起来,确定火灾的危险程度有多大、自己是否需要行动。选择如何行动是这种自我评估过程的直接结果,而能否做出正确的选择将会影响他的最终逃生是否成功。当某个教室中起火后,该教室里的学生和老师能够比较清晰的判定是否会构成火灾,从而决定采取相应的措施,同时能够很好的传播火灾发生信号,这样便于其他受到火灾威胁的人员及时地组织起来进行火灾人员疏散。
在明确火灾可以对自己构成威胁之后,人们便会采取具体的行动。但不同人员采取的行动是多种多样的。在教学楼里,主要是青年学生,他们的行动较为便捷,利于组织统一行动。这是教学楼火灾中人员疏散的一个有利的因素。
该例中着重讨论教学楼发生火灾时人员疏散的时间,在此不考虑师生采取的灭火行动等其它方面。
2 教学的楼简化与计算假设
此处所讨论的教学楼为一幢四层建筑,每层的中央为公共活动大厅,其周围分别与四个分支连接,每个分支包括若干个教室。为了重点分析人员通过大厅时的疏散状况,现将每分支的若干个小教室简化成为一个大教室,这样二、三、四层的平面结构可以用图1 表示,而一层的平面结构可用图2 表示。每个大教室面积为100m2 ,每个教室的最大容量为180 人,中央大厅的面积为50m2 。教室与大厅之间的平均距离为35m ,走廊宽为1. 8m ,大厅内有两个楼梯连接着不同的楼层,每段楼梯有24 级,单级楼梯的宽度为0. 4m ,楼梯口的宽度为2. 0m ,一楼大厅的出口宽度为2. 4m。对于火灾场景做出如下假设:
①火灾发生在第二层的3 号教室内;
②发生火灾时,每个教室的人数为150 人,这样整个教学楼内的总人数为2250 人,且每个教室中的人数相等;
③教学楼内安装有集中火灾报警系统,但没有应急广播系统;
④从起火时刻起,在10min 内还没有通过起火楼层大厅的人员为逃生失败。
对于这种场景下的火灾发展与烟气蔓延过程可用一些模拟程序计算,并据此确定楼内危险状况到来的时间。但为了突出重点,这里不详细讨论计算细节。
人员的整个疏散时间可分为疏散前的滞后时间,疏散中通过某距离的时间及在某些重要出口的等待时间三部分,根据建筑物的结构特点,可将人们的疏散通道分成若干个小段。在某些小段的出口处,人群通过时可能需要一定的排队时间。于是第i 个人的疏散时间ti 可表示为:
式中, ti,delay为疏散前的滞后时间,包括觉察火灾和确认火灾所用的时间; di,n为第n 段的长度; vi,n 为该人在第n 段的平均行走速度;Δtm,queue 为第n 段出口处的排队等候时间。最后一个离开教学楼的人员所有用的时间就是教学楼人员疏散所需的疏散时间。
二层的3 号教室是起火房间,其中的人员直接获得火灾迹象进而马上疏散,设其反应滞后时间为60s ;教学楼内的人员大部分是学生,火灾信息将传播得很快,因而同楼层其它教室的人员会得到3 号教室人员的警告,开始决定疏散行动。设这种信息传送时间为120s ,即这批人的总的反应滞后时间为180 = 120 + 60 ( s) ;一、三、四层教室内的人员,将通过火灾报警系统的警告而开始进行疏散,他们得到火灾信息的时间又比二层内其它教室的人员晚60s。因此其总的反应延迟为240s。由于火灾发生在二楼,其对一层人员构成的危险相对较小,故下面重点讨论二、三、四楼的人员疏散。
为了实际了解教学楼内人员行走的状况,本组专门进行了几次现场观察,具体记录了学生通过一些典型路段的时间。参考一些其它资料[12,14,15] ,提出人员疏散的主要参数可用表1 表示。在开始疏散时算起,某人在教室内的逗留时间视为其排队时间。人的行走速度应根据不同的人流密度选取。当人流密度大于1 人/ m2时,采用0. 6m/ s 的疏散速度,通过走廊所需时间为60s ,通过大厅所需时间为12s ;当人流密度小于1 人/m2 时,疏散速度取为1. 2m/ s ,通过走廊所需时间为30s ,通过大厅所需时间为6s。
Pauls[5]提出,下楼梯的人员流量f 与楼梯的有效宽度w 和使用楼梯的人数p 有关,其计算公式为:
式中,流量f 的单位为人/ s , w 的单位为mm。此公式的应用范围为0. 1 < p/ w < 0. 55 。
这样便可以通过流量和室内人数来计算出疏散所用时间。出口的有效宽度是从通道的实际宽度里减去其两侧边界层而得到的净宽度,通常通道一侧的边界层被设定为150mm。
3 结果与讨论
在整个疏散过程中会出现如下几种情况:
(1) 起火教室的人员刚开始进行疏散时,人流密度比较小,疏散空间相对于正在进行疏散的人群来说是比较宽敞的,此时决定疏散的关键因素是疏散路径的长度。现将这种类型的疏散过程定义为是距离控制疏散过程;
(2) 起火楼层中其它教室的人员可较快获得火灾信息,并决定进行疏散,他们的整个疏散过程可能会分成两个阶段来进行计算: 当f进入2层大厅<f流出2层大厅时, 这时的疏散就属于距离控制疏散过程;当f进入2层大厅> f流出2层大厅时, 二楼楼梯间的宽度便成为疏散过程中控制因素。现将这种过程定义为瓶颈控制疏散过程;
(3) 三、四层人员开始疏散以后,可能会使三楼楼梯间和二楼楼梯间成为瓶颈控制疏散过程;
(4) 一楼教室人员开始疏散时,可能引起一楼大厅出口的瓶颈控制疏散过程;
(5) 在疏散后期,等待疏散的人员相对于疏散通道来说,将会满足距离控制疏散过程的条件,即又会出现距离控制疏散过程。
起火教室内的人员密度为150/ 100 = 1. 5 人/m2 。然而教室里还有很多的桌椅,因此人员行动不是十分方便,参考表1 给出的数据,将室内人员的行走速度为0. 7m/ s。设教室的门宽为1. 80m。而在疏散过程中,这个宽度不可能完全利用,它的等效宽度,等于此宽度上减去0. 30m。则从教室中出来的人员流量f0为:
f0=v0×s0×w0=0.7×1.5×1.5=1.6(人/ s) (3)
式中, v0 和s0 分别为人员在教室中行走速度和人员密度, w0 为教室出口的有效宽度。按此速度计算,起火教室里的人员要在94s 内才能完全疏散完毕。
设人员按照1. 6 人/ s 的流量进入走廊。由于走廊里的人流密度不到1 人/ m2 ,因此采用1. 2m/s的速度进行计算。可得人员到达二楼楼梯口的时间为36s。在此阶段, 将要使用二楼楼梯的人数为150人。此时p/ w < 0. 1 , 因而不能使用公式2 来计算楼梯的流量。采用Fruin[15]提出的人均占用楼梯面积来计算通过楼梯的流量。根据进入楼梯间的人数,取楼梯中单位宽度的人流量为0. 5 人/ (m. s) ,人的平均速度为0. 6m/ s ,则下一层楼的楼梯的时间为16s。该教学楼一层大厅的出口宽度为2. 4m ,其对应的有效宽度为2. 1m。这样从着火时刻算起,在第112s 时,有人疏散成功。以上这些数据都是在距离控制疏散过程范围之内得出的。
起火后120s ,起火楼层其它三个教室里的人员开始疏散。在进入当层楼梯间之前,疏散的主要参数和起火教室中的人员的情况基本一致。在156s他们中有人到达二层大厅的楼梯口,起火教室里的人员已经全部撤离二楼大厅。因此,即将使用二楼楼梯间的人数p1 为:
p1 = 150 ×3 = 450 (人) (4)
此时f进入2层大厅>f流出2层大厅,从该时刻起,疏散过程由距离控制疏散过渡到由二楼楼梯间瓶颈控制疏散阶段。由于p/ w = 0. 14 ,可以使用公式2 计算二楼大厅的疏散流量f1 , 即:
f1 = (3400/ 8040) 0. 73 ×4500. 27 = 2. 77 (人/ s) (5)
式中的3400 为两个楼梯口的总有效宽度,单位是mm。而三、四层的人员在起火后180s 时才开始疏散。三层人员在232s 时到达二层楼梯口,与此同时四层人员到达三层楼梯口。此时刻二层楼梯前尚等待疏散人员数p′1:
p′1 = 450 - (232 - 156) ×2. 77 = 240 (人) (6)
此后,需要使用二层楼梯间的人数p2 :
p2 = 240 + 150 ×4 + 150 ×4 = 1440 (人) (7)
相应此阶段通过二楼楼梯间的流量f 2 :
f2 = (3400/ 8040) 0. 73 ×14400. 27 = 3. 80 (人/ s) (8)
这些人通过二楼楼梯的疏散时间t1 :
t1 = 1440 ÷3. 80 = 379 ( s) (9)
因此,通过二楼楼梯的总体疏散时间T :
T = 232 + 379 = 611 ( s) (10)
二楼大厅楼梯口流量随时间的变化曲线如图3所示,没有通过二楼大厅楼梯口的人数随时间的变化曲线如图4 所示。由上可知,二层以上的所有人通过二楼楼梯所需的时间为611s ,这比前面设定的可用安全疏散时间要长,因而不能保证有关人员全部安全疏散出去。二楼楼梯显然是制约人员疏散的一个瓶颈。造成这种情况的基本原因是该教学楼的疏散通道安排不当。一方面是楼梯通道的宽度不够,对此可以适当增大楼梯的总宽度;另一方面将楼梯过于集中在中央大厅也是有影响。在这种安排下,人们只能由所在房间跑到大厅内才能下楼,这不仅延长了行动的时间,而且造成了人员拥挤。若在教学楼的每个分支上再修一个楼梯,则人员便不必通过相当长的走廊拥到大厅中来。
以上的分析是按一种很理想的条件进行的,并没有进行任何修正。实际上人在火灾中的行为是很复杂的,尤其是没有经过火灾安全训练的人,可能会出现盲目乱跑、逆向行走等现象,而这也会延长总的疏散时间。
该模型在现阶段是一个人员疏散分析模型的基础,目前属于理论上的模型,以上的计算结果都是通过手算得到的。模型中的人员行走速度是通过多次观察该教学楼内下课时人员的行走速度和参照Fru2in 给出的疏散时人员行走速度、NFPA 中给出的人员行走速度以及目前人员疏散模型中通用的计算速度等修正而得到的,具有较为广泛的通用性。而预测的疏散时间是根据建筑物的结构特点和人员行走速度而得到的,在计算疏散所用时间的时候在剔除疏散前人员的滞后时间(或称预移动时间) 外,所得到的时间是合理的。对于疏散前人员的滞后时间,参考T. J . Shields 等试验结论:75 %人员在听到火灾警报后的15～40s 才开始移动,而整个疏散所用的时间为165s。在该例中起火教室的反应滞后时间为60s ,这是从开始着火时刻算起的。预移动时间与不同类型的建筑物、建筑物中人员的自身特点和建筑物中的报警系统有着很大的关系,它是一个很不确定的数值。本文中所用的预移动时间不到整个疏散过程中所用的时间的10%。
3 结束语
以往在一些公用建筑的人员疏散分析中,经常把建筑物的出口处作为了疏散的瓶颈。进行重点计算,而实际上,在具有复杂内部通道的建筑中,瓶颈也有可能出现在通道的某些特殊部位上,例如楼梯口。因此应当对楼内疏散通道的实际情况进行全面的调查和分析,准确抓住真正的瓶颈部位。本文结合教学楼的结构特点,具体分析了人员安全疏散的要求,指出其人员疏散的瓶颈部位出现在起火楼层的楼梯口。这一结论适用于在起火楼层及其以上楼层的人员的流速大于起火楼层楼梯口所能承受的最大流出流速时的疏散情况,它对改进人员疏散方案有一定的参考意义。同时为分析具有复杂内部通道建筑中的人员疏散,本文提出了距离控制疏散和瓶颈控制疏散两个概念,并建立了分段处理不同路径上人员疏散时间的方法。
该模型中所提到预移动时间是一个不确定的参数,对于不同的建筑、不同的防火系统和不同的使用者,该参数变动较大。对于预移动时间问题,模型中没有作很多的研究,它也是人员疏散问题中亟待研究的问题。
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