硕士论文-基于火灾动力学和疏散理论耦合的人员疏散研究.doc

西安建筑科技大学硕士学位论文声 明本人郑重声明我所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。论文作者签名： 日期：关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存学位论文。（保密的论文在论文解密后应遵守此规定）论文作者签名： 导师签名： 日期：本人授权中国科学技术信息研究所、中国学术期刊（光盘版）杂志社等单位将本学位论文收录到有关“学位论文数据库”之中，并通过网络向社会公众提供信息服务。同意论文提交后滞后：半年；一年；二年发布。论文作者签名： 导师签名： 日期：第 III 页 基于火灾动力学和疏散理论耦合的人员疏散研究专 业：安全技术及工程硕 士 生：指导老师：摘 要建筑防火性能化设计中的核心目标就是保证人员可以在火灾中从建筑物中安全撤离，切实可行的性能化防火设计离不开科学的研究方法。现在我们已经能够在性能化设计中用计算机模拟研究人员的疏散，并且有多种的疏散模型。但是这些模型的可用性却值得商榷，首先它们普遍没有考虑到人员的决策过程以及火场环境的实时作用对人员行为的影响，而这是在火灾基础上建立疏散模型的关键部分。其次，人员疏散具有明显的随机性，然而当前的研究多采用确定性分析方法。有鉴于此，我们需要平台将疏散模拟和火灾模拟耦合起来，以体现火灾的对人员疏散的作用，从而使在火灾基础上的人员疏散模拟成为可能。本文在介绍人员疏散理论的基础上，应用FDS+Evac软件对建筑火灾中的人员疏散行为进行了研究。本文主要工作如下：(一) 对火灾场景首先应用了传统的性能化设计方法，使用FDS5软件进行了研究。分析了两种通风情况下的火灾场景危险到来时间，按照目前通用的比较所需安全疏散时间RSET与可用安全疏散时间ASET的相对大小，对比能见度等传统判据对所设置的人员密集场所的火灾场景进行了评估；(二) 针对传统性能化设计中的不足，模拟了火灾情况下的人员疏散，使用FDS+Evac软件，重点研究火灾对人员疏散造成的影响；对疏散过程中不同建筑结构形式对人员疏散的影响进行研究，从而分析这些不同的建筑结构形式对疏散造成的有利或有害因素；通过研究建筑物使用者的特点，研究了不同的人员特点对疏散效率的影响；(三) 提出了新的性能化设计的方法，应用累积毒性FED值为新的性能化判据，结合人员疏散部分的疏散条件，改进了传统的性能化设计。为建筑物防火设计和疏散演习方案的策划提供方法参考，并对国内性能化设计中人员安全性的判定方法有所改进。关键词：建筑火灾；人员疏散；FDS+Evac；社会力模型；疏散模拟；FDS5Study on Evacuation Simulation byCoupling Fire Dynamics and Evacuation TheorySpecialty：Safety Technology and Engineering Name： Bi WeiminInstructor：Guo JinpingAbstract The core objective of the performance-based fire-protection design for buildings is to insure that personnel can evacuate safely from buildings where are in fire. The practical performance-based fire-protection design cant be separated from scientific research methods. We have been able to use computer simulation to research personnel evacuation in performance-based design and many evacuation models have been already used. But the availability of these models needs discuss further. First, they generally dont take into account the decision-making process of personnel and the real time action of fire environment impacts on the behavior of personnel. Moreover, this is the key section to establish evacuation model on the base of fire. Then, the evacuation has obvious randomness, but current research mostly adopts qualitative analysis methods.In view of this, we need platform to couple evacuation simulation and fire simulation in order to reflect the function of evacuation. Thus, it is possible to establish evacuation on base of fire. First of all, the article introduces the theory of evacuation and on the base of that uses FDS+Evac software to study the personnel evacuation behavior in building fire. The main jobs of this text are as follows: (A) Traditional performance-based design method is used to set fire scene firstly and then uses FDS5 software to research. The text analyzes the danger coming time of fire scene under two conditions of ventilation. According to compare the traditional criterion which includes RSET、ASET and visibility esc, the text evaluates the fire scene which sets in personnel-intensive places. (B) Aiming at the deficiency of traditional performance-based design, the text simulates the personnel evacuation under fire and uses FDS+Evac software to mainly study the influence on personnel evacuation caused by fire. By studying the influence on personnel evacuation of vary building structure forms during the process of evacuation, the text analyzes the beneficial or harmful factors caused by them. The text studies the influence on evacuation efficiency about different persons by studying the characteristic of persons using the buildings. (C) The text brings forward the new performance-based design methods and adopts the cumulation toxicity FED value as new criterion of performance-based design and combines the evacuation condition to improve the traditional performance-based design. It brings up reference methods for plans of building fire-protection design and evacuation rehearse scheme. Keywords：building fire, evacuation simulation, FDS+EVAC ,social force model, numerical simulation,FDS5, 目 录摘 要IAbstractII目 录I第1章 绪论11.1 引言11.2 研究背景21.2.1 人员疏散基础模型21.2.2 存在的问题91.3 研究思路及目标91.4 章节安排10第2章 FDS+Evac理论基础112.1 软件简介112.2 疏散模型的理论基础112.2.1 人类运动模型112.2.2 火灾和人类的相互作用152.2.3 出口选择162.2.4 群组172.2.5 数值方法18第3章 火灾场景下的传统性能化分析193.1 引言193.2 火灾场景设定193.2.1 火灾场景物理模型193.2.2 火源位置的设定213.2.3 热释放速率曲线设定213.2.4 人员密度的设定243.3 模拟结果及分析243.3.1 火灾场景一263.3.2 火灾场景二293.4 传统火灾性能化设计中人员疏散判据313.5 现行人员疏散安全设计分析方法323.5.1 疏散时间预测方法323.5.2 基本假定及参数设置343.5.3 经验方程简介及计算353.6 结论37第4章 基于FDS+EVAC的火场下人员疏散研究394.1 引言394.2 疏散模型的建立394.3 火灾对人员疏散行为的影响424.3.1 人员行为特征434.3.2 火灾下的疏散模拟444.4 建筑结构对疏散行为的影响研究484.4.1 出口宽度的影响484.4.2 二层楼梯数量的影响504.4.3 层间通道形式的影响514.5 建筑使用者特点对疏散行为的影响研究534.5.1 疏散准备时间的影响534.5.2 出口熟悉程度的影响604.6 本章小结64第5章 基于火灾模型和疏散模型耦合的性能化设计665.1 引言665.2 现行性能化设计判据存在的问题665.3 基于火灾和疏散模型耦合的性能化设计方案685.3.1 性能判据685.3.2 疏散的初始设定685.3.3 工程应用695.4 本章小结71第6章 结论及展望726.1 结论726.2 主要创新点736.3 展望73致 谢76参考文献77作者在读期间研究成果. 85第 10 页 第1章 绪论1.1 引言随着城市化的进程不断加快，各种类型的大型公共建筑迅速增多。高层、地下、大型及复杂的公共建筑迅速发展，大大改变了城市的面貌并增强了建筑物的使用功能，但是由于许多大型公共建筑也是人员高度集中的场所，例如礼堂、剧场、影院、体育馆、候车(机)厅等经常可聚集成千上万的人，这种建筑一旦发生火灾，很容易造成严重的人员伤亡，如表1.1所示。表1-1国内外火灾时因疏散造成的伤亡一览Table1.1 Home and aboard casualty caused by evacuation during fire地点时间事件伤亡美国，纽约2001年9月11日WTC/911死2300人中国，河北唐山1993年2月14日林西百货大楼火灾死亡81人中国，克拉玛依1994年12月8日克拉玛依友谊馆火灾死亡323人中国，阜新1994年2月27日艺苑歌舞厅火灾死亡233人中国，洛阳2000年12月25日东都火灾死亡309人韩国，大邱2003年2月18日地铁纵火案死伤245人中国，吉林2004年2月15日中百商厦特大火灾死亡54人中国，吉林2005年12月15日辽源中心医院火灾死亡40人在很多情况下，沿用规范可以保证人员安全。但是在这些大型的人员聚集场所，即使符合规范，仍有可能达不到安全的结果。大规模的人群拥挤现象会导致灾难性的后果。在火灾事故中，由于疏散出口、疏散路线的设计和管理不合理造成拥挤或出口不正常关闭的现象十分普遍。人员不能顺利疏散进一步加剧了人们的恐慌，致使人群相互挤压，减缓了出口的人流速度，延长人员逃生疏散时间，造成人员因烟气窒息、中毒而伤亡。这些现代建筑与传统建筑在使用功能、建筑材料、结构形式、空间大小、配套设施等方面有很大的不同，给防火安全带来很多新的问题。在消防设计方面，现有的“处方式”建筑防火规范建筑防火设计规范、高层民用建筑防火设计规范已经不能涵盖现代建筑对火灾安全设计的要求 To K, Lai P Y, Pak H K. Jamming of Granular Flow in a Two-Dimensional Physical Review Letters, 2001, 86(1): 71-74.。从20世纪80年代以来，一些发达国家投入大量的人力物力，研究开发了以消防工程学的思想为指导，以火灾性能为基础的建筑防火设计方法，并逐步制定了相应的防火设计规范，一般称为性能化防火设计规范。性能化防火设计是一种新的防火设计思路，是建立在更加理性条件上的一种新的设计方法，其主要目的是保证建筑物内人员在发生火灾的情况下的人身安全。即在建筑防火性能化设计中最重要的事就是保证人员可以在火灾中从建筑物中安全撤离。1.2 研究背景在建筑物的疏散中，尤其要考虑疏散人流的运动 孔留安，周爱桃，景国勋等.人员疏散时间预测与分析J.中国安全科学学报，2005，15(11):16-18。许多年来，国内外学者在这方面进行了大量研究和探索，一直在进行人员运动和行为的定量化和模拟工作，并取得了一定的成果。但由于现实的数据缺乏，相关研究并不成熟。1.2.1 人员疏散基础模型国外对人群的运动及疏散动态的正式研究己经有大约40多年的历史 Helbing D, Illes J Farkas, P Molnar, et al. Simulation of Pedestrian Crowds in Normal and Evacuation Simulations. in Pedestrian and Evacuation Dynamics M, Schreckenberg and S.D.Sharma (eds), 2001, Helbing D.Traffrc and related self-driven many-particle systems J .Reviews of Modem Physics, 2001 (73):1067-1141，人员的疏散模型从本质上分两类：一类只考虑行人运动，另一类考虑个体行为。研究包含更多行为细节的模型已经成为现在的热门趋势 Toner J, Tu Y. Flocks, herds, and schools: a quatheory of flocking.Physical Review E, 1998, 58: 4828-4858,- Perez G J, Tapang Q Lim M, Saloma C. Streaming, disruptive interference and power-law behavior in the exit dynamics of confined pedestrians. Physica A,2002, 312: 649-618. Kadanoff L P. Built upon sand: Theoretical ideas inspired by granular flows，Reviews of Modern Physics,1999, 71(1): 435-444.。经过多年的研究，这方面的研究成果不断积累。近年来，己经举办了多次相关的国际学术会议并出版了会议论文集。其中较为著名的有1993年于伦敦举办的拥挤安全工程国际会议(International conference on engineering for crowds safety) Smith, Roderick A, Jim F Dickie(eds).Engineering for Crowd Safety M, Elsevier Science PublishersB.V The Netherlands, 1993。2001年4月于德国杜伊斯堡召开了第一届“行人及疏散动态学大会”Conference on Pedestrian and Evacuation Dynamics，简称PED)，并出版了会议论文集 Schreckenberg M, S D Sharma (eds).Pedestrian and Evacuation Dynamics M, Springer Verlag Publisher, 2001。第二届PED大会于2003年8月于伦敦召开，此后第三届PED大会于2005年9月在维也纳召开，2008年2月，第四届PED大会于德国乌帕塔尔大学召开。最早的疏散模型为基于单位出口宽度概念的模型，根据疏散实验或实际观测得到通过单位口的流量值，然后计算所有人通过出口所需的时间。之后Pauls Pauls, J.L., Development of Knowledge About Means of Egress, Fire Technology, 1984, vol.20, no. 2, May.提出了“有效宽度模型”，这一模型是基于对人流在楼梯内流动的经验研究以及人作为楼梯宽度的函数的平均疏散流量的数据。这当中他多次在高层办公楼内进行过疏散演习。模型描述了下列现象：（1）楼梯宽度的可利用部分，或称有效宽度。大约是从距离边界墙150mm处或离扶手中线88mm处算起(边缘效应)；（2）平均疏散流量与楼梯宽度是线性函数关系而不是阶梯函数关系，疏散流量直接与有效宽度成比例关系；（3）平均疏散流量与单位有效宽度人员之间的关系是非线性的。在上述基础上，Predtechenski和Milinskii Predtechenski, V.M. and Milinskii, Planning of Foot Traffic Flow in Buildings, Amerind Publishing Co., New Delhi, India, 1978.研究了人员密度对流量的影响，并考虑了疏散过程中的某些具体现象，比如人流的堵塞，人流的汇合及分流，至此疏散理论得到了进一步的完善。在1971年，J.Fruin在其具有开创性的著作“Pedestrian and Planning Design”中给出了由统计得出的人群的平均行进速度与人群密度的关系曲线 Fruin, J Pedestrian, Planning Design. Metropolitan Association of Urban Designers and Environmental Planners J.1971(246):5482，并且将公路交通理论中的“服务水平”(Levels of service)的概念引入到了人群运动的研究中，其研究的主要目标是给出建筑设计及管理的指导方针。在J.Fruin之后，还有大量的研究统计了不同地区，不同人员，以及在不同的空间中，人群行走速度与密度的关系，得出的曲线也不尽相同 G Keith Still. Crowd DynamicsD:PhD Thesis.University of Warwick, 2000。但是，各个研究都得出人群的前进速度随人群的密度的增大而逐渐变小这一结论。与之同时，Henderson也进行了这方面的研究。在他的两篇经典的文章中 Henderson L F The Statistics of Crowd FluidsJ.Nature, 1971(229):381-383, Henderson L F .Sexual differences in human crowd motion J.Nature, 1997 (240):353-355，Henderson运用了热力学中的Maxwell-Boltzmann分布给出了人群前进速度的概率分布方程，并用该方程研究了前进速度与各种不同的因素(性别，年龄，前进方式，所处地点等)之间的相互关系。这些早期的工作为后来的研究开辟了道路。近年来，越来越多的研究者认为理解和掌握行人流所遵循的基本规则对于探索其所显现的复杂现象(如堵塞)至关重要23。在此基础上，人们提出了“排队网络”这一建筑物疏散的仿真模型。因这种模型的结构简单，理论难度较小，需要的计算机能力也较少，在七八十年代成为了疏散仿真模型研究的重点，其中比较著名的模型有澳大利亚国家研究局(CSIRO)开发的WAYOUT模型 Fire Wind Fire Engineering Computer Software Fire Modeling & Computing. Australia EB/DL.http:/members.eptusnet.com.au/firecomp/。近期的则有EvacSIM模型 Lovas Gunnar G.Modeling and Simulation of Pedestrian Traffic Flow J. Transportation Research Part B, 1994(28):429-443。由于“排队网络仿真模型”有诸多不足之处，随着计算机技术的发展，计算能力这一制约因素己经被大大的放宽，在最近十余年来，微观仿真模型逐渐成为了疏散仿真研究的重点，有不少模型和系统开发了出来，包括“社会力”(Social Force) Helbing D A mathematical model for the behavior of pedestrians J.Behavioral Science, 1991(36):298-314- Helbing D. Models for pedestrian behaviorM, in: Natural Structures. Principles, Strategies, and Models in Architecture and Nature, Part (Sonderforschungsbereich 230, Stuttgart), 1992 Helbing DA mathematical model for the behavior of individuals in a social fieldJ.Journal of Mathematical Sociology, 1994, 19(3):189-219 Helbing DA mathematical model for behavior changes by pair interactions and its relation to game theoryJ, Angewandte Sonderforschungsbereich, 1994, 18(3):117-132 Helbing D, Farkas I, Vicsek T Simulating dynamical features of escape panicJ.Nature, 2000,407 (6803):487-490 Helbing D, Molnar P .Social force model for pedestrian dynamics J.Physical Review E, 1995, 51(5):4282-4286 Helbing D, P Molnar, I Farkas, et al. Self-organizing pedestrian movementJ.Environment and Planning B, 2001(28):361-383 Helbing D, P Molnar. Self-organization phenomena in pedestrian crowds M, in: F.Schweizer(ed). Self-Organization of Complex Structures: From Individual to Collective Dynamics (Gordon and Breach, London), 1569模型，SIMULEX Thompson F A, E W Marchant Computer and fluid modeling of evacuation J.Journal of Safety Science, 1995(18):277，BuildingExdous Galea EA General Approach to Validating Evacuation Models with an Application to EXODUS J.Journal of Re Sciences, 199$(16):414-436，EvacS Kopp, Nathan. An Evacuation Simulation ModelEE/OL. http:www.Nthan.ko.com/EvacSimlevacism.html，以及“网格模型” 方正，卢兆明.建筑物避难疏散的网格模型J.中国安全科学学报，2001，11(4):10-13, 方正，陈大宏，张铮等.建筑物火灾人员疏散的计算机仿真J.计算机仿真，2001，18(2):49-52等。元胞自动机模型是典型微观离散仿真模型，最早由Von Neumann Von Neumann J. Theory of self-rep reducing automata A . Publisher: University of Illinois Press, Urbana, Illinois, 1966.提出。该模型作为一个时间、空间、状态都离散的数学模型框架，通过单元间的相互作用来构造动态演化系统，具有较强模拟各种物理系统和自然现象的能力 Wolfram s. Theory and App lications of Cellular Automata M . World Scientific. Singapore, 1986.。目前，人们已将元胞自动机模型应用到许多领域，该模型再现了交通流中各种现象的发展规律过程 Burstedde C, Klauck K, SchadschneiderA, et al. Simulation of pedestrian dynamics using a two2dimensional cellular automaton J . Physical, 2001, 295 (324): 507-525. 葛红霞,祝会兵,戴世强. 智能交通系统的元胞自动机交通流模型 J . 物理学报, 54 (11) : 4621-4126. 吕晓阳,刘慕仁. 一维元胞自动机随机交通流模型的理论分析与计算机实验 J . 物理学报, 47 (11) : 1761-1768 。元胞自动机模型将所研究的火灾逃生区域按矩形方式进行均匀网格划分，每个网格为一个元胞，行人按照一定原则分布在网空间中。在仿真过程中，所有个体依照所处的环境、个体特征和自己的行为规则选择留在原单元或移动到相邻的8个单元中的一格，有的模型会考虑到相邻16个格子里人员的影响。每个个体具有根据自身和周围环境的判断分析能力，从而采取相应的措施。在对行人进行行为模拟中，元胞自动机模型显示了其独特的优越性，已被许多研究者所采用。匈牙利的Dirk Helbing用主动行人模型 Helbing D, Keltsch J, Molnar P Modeling the evolution of human trail systemsJ.Nature,1947(388):47, Helbing D, Schweitzer F, Keltsch J, et al Active walker model for the formation of human and animal trail systemsJ.Phys Rev E, 描述了行人的追随现象，用社会力模型22研究了疏散过程中人员堵塞现象，指出行人流动力学所表现出来的各种集群效应和自组织临界性是由行人个体之间非线性相互作用引起的。Dirk Helbing等系统地研究了恐慌状态下的人群撤离行为，建立了恐慌状态下人群撤离的运动仿真模型 Dirk Helbing, IIIes Farkas, Tamas Vicsek, Simulating dynamical features of escape panic. Letters to nature, 2000, July 487-490.。Dirk Helbing总结了恐慌状态下人群撤离的特征：1）人群以（或者试图以）比平时快得多的速度移动；2）个体间开始出现推挤和肢体的相互碰撞；3）人群的移动，特别是在通过一些狭小的过道时，变得无序；4）来自各个方向的人流涌入出口；5）堵塞开始形成；6）堵塞处，个体间的肢体碰撞加剧，个体受到的压力可能突破4，450N/m2警戒线；7）由于出现跌倒或受伤的个体，撤离的速度进一步减慢；8）个体行为出现从众倾向；9）撤离过程中，部分出口被人群忽略或没有很好地利用。Dirk Helbing建立的运动仿真模型，仅仅针对恐慌状态下的人群撤离行为，以粒子系统为基础，着重研究和分析个体的受力情况，根据个体的受力情况计算个体的移动速度，模拟恐慌状态下人群撤离的典型行为特征，计算人群通过狭隘通道和出口撤离的速度，并计算可能的受伤人数。个体受力情况和运动速度的关系可用方程（1-1）表示， （1-1）其中mi是个体i的质量，是个体i的初始速度，是个体初始运动方向，是个体期望的经过ti时刻后的运动速度，是周围人群施加给个体i的力，是周围建筑如墙壁、障碍物等施加给个体i的力。图1.1是恐慌状态下人群撤离的模拟结果。图1.1 人群通过一个狭窄出口疏散的模拟结果Fig1.1 The evacuation simulation result of crowd crossing a shallow outletDirk Helbing等建立的模型，虽然仅针对恐慌状态下的人群撤离这一特定的人群运动，但该模型具有较高的逼真性，能够模拟人群在恐慌状态下撤离的各种典型现象，并提供了人员损伤估计，对于建筑物内人员安全撤离方案的制定具有极高的参考价值。磁场力模型 OKAZAKI S. A Study Of Pedestrian Movement in Architectural Space, Part 1: Pedestrian Movement by the App location on of Magnetic Models J . Trans of AlJ, 1979 (283) : 1112119., MATSLSH ITA,OKAZAKI. A Study of simulation model far away finding behavior by experiments in mazes J . Journal of Architecture, Planning, Environment Engineering, 1991 (429) : 51259.作为微观模型的一种，其独特之处在于采用了库仑定理，把人员描述为磁场中的物体。假定行人和障碍物为正极，行人的目的地为负极，行人向他的目标前进时要避免与他人的冲突。每个行人身上都有两个力起作用。首先是由库仑定律决定的磁场力，它取决于磁场密度大小及行人之间的距离；另一个力来自于为了避免与其他人或障碍物碰撞而产生的加速度a。法国的Eric Bouvier以粒子系统为原型建立了人群运动模型 Bouvier, E.; Cohen E.; and Najman. L. "From crowd simulation to airbag deployment: particle systems, a new paradigm of simulation". J