建筑安全在設(shè)計(jì)的應(yīng)用

１疏散設(shè)計(jì)中的優(yōu)化模型

１．１確保安全疏散的條件火災(zāi)中能夠保證安全疏散的臨界條件是：ＡＳＥＴ＞ＲＳＥＴ。其中：ＡＳＥＴ是可利用的疏散時(shí)間，ＲＳＥＴ是疏散實(shí)際所需時(shí)間。ＲＳＥＴ＝ｔｄ＋ｔｍ＋ｔｐｍ，ｔｄ是探測(cè)火災(zāi)所需時(shí)間，ｔｍ是人員在疏散通道上的行走時(shí)間，ｔｐｍ是疏散前人員的延遲時(shí)間，包括反應(yīng)時(shí)間和準(zhǔn)備時(shí)間，ｔｄ＋ｔｍ基本為一定值ｃ，而ｔｐｍ則是呈正態(tài)分布的函數(shù)。ＡＳＥＴ是從起火至火災(zāi)發(fā)展到臨界條件（可能造成傷亡的不能忍受的狀態(tài)）的時(shí)間，ＡＳＥＴ∈［０，ｔｕｃ］。λ＝ＡＳＥＴ－ＲＳＥＴ，稱為安全裕度或者安全系數(shù)。λ＞０時(shí)人員能夠安全疏散。１．２其他優(yōu)化模型在滿足安全的前提下，還應(yīng)當(dāng)滿足以下條件，才是最優(yōu)的設(shè)計(jì)。（１）滯留時(shí)間最短。合理的設(shè)計(jì)可以調(diào)節(jié)人群到達(dá)出口處的時(shí)間，避免人群在出口處的滯留時(shí)間過長(zhǎng)，如圖１所示。通向走廊的門遠(yuǎn)離主要出口時(shí)，有利于人流的疏散；通向走廊的門離主要出口較近時(shí)，不利于人流的疏散。（２）疏散時(shí)間最短。根據(jù)人群的相互作用理論，建筑內(nèi)人群疏散時(shí)間的綜合計(jì)算公式，如式（１）所示。ｔｅｓｃａｐｅ＝ｔｄ＋ｔｐｍ＋（ｌｍａｘｖ＋∑ｐＡａｒｅａ∑ＮｅｆｆＢａｖａｉｌ）×Ｋ（１）式中：ｔｅｓｃａｐｅ為總的疏散時(shí)間，ｓ；ｔｐ為人員預(yù)行動(dòng)（延遲）時(shí)間；ｌｍａｘ為空間內(nèi)從任意點(diǎn)到出口的最長(zhǎng)距離，ｍ；ｖ為行走速度，ｍ／ｓ；ｐ為人流密度，人／ｍ２；Ａａｒｅａ為每個(gè)房間的面積，ｍ２；Ｎｅｆｆ為有效的通行能力，人／（ｍ·ｓ）；Ｂａｖａｉｌ為門的可利用寬度，ｍ。（３）人群相互作用力最小。合理的設(shè)計(jì)可以減少人與人之間的相互作用；相反，不合理的設(shè)計(jì)會(huì)增加人與人之間的相互作用，從而可能導(dǎo)致?lián)頂D的形成。如圖２所示，圖２（ｂ）中增加了一個(gè)流動(dòng)間隔物（欄桿），把人群分成兩部分，使人群之間相互作用明顯減小。

２ＢｕｉｌｄｉｎｇＥＸＯＤＵＳ軟件的原理

目前，可利用的疏散模擬軟件主要有２６種，主要分為運(yùn)動(dòng)模型、局部行為模型、行為模型三種。與其他模型相比，ＢｕｉｌｄｉｎｇＥＸＯＤＵＳ結(jié)合了社會(huì)因素的觀點(diǎn)，包括了每個(gè)人員的特性及社會(huì)學(xué)的特點(diǎn)，共２２項(xiàng)，如年齡、姓名、性別、步行速度、死亡等。該模型中的人員特征包括對(duì)建筑物的熟悉程度、自身的活力以及忍耐力等。該模型可以模擬大量人員在建筑物內(nèi)的疏散，且考慮了因毒氣或高溫而使人產(chǎn)生的停留或延遲。ＢｕｉｌｄｉｎｇＥＸＯＤＵＳ還有一些獨(dú)特之處，如考慮火災(zāi)產(chǎn)物的作用以及出口處可能發(fā)生的堵塞。ＢｕｉｌｄｉｎｇＥＸＯＤＵＳ已經(jīng)廣泛應(yīng)用于超市、醫(yī)院、車站、學(xué)校、機(jī)場(chǎng)等建筑人員疏散過程的模擬分析之中，可以用來(lái)評(píng)價(jià)建筑設(shè)計(jì)是否符合規(guī)范要求，分析人員疏散性能以及各種建筑結(jié)構(gòu)中的人群移動(dòng)效率。而且，通過研究疏散動(dòng)力學(xué)的性質(zhì)可以確定設(shè)計(jì)存在缺陷的區(qū)域，對(duì)改進(jìn)建筑設(shè)計(jì)和疏散程序提出建議。

３案例分析

３．１基本情況該建筑為某市的新建歌劇院，一層為有５００個(gè)座位的觀眾廳，樓上四層均為高檔包廂，座位數(shù)量分別為３５０、３４８、２８０、３５０，總?cè)萘繛椋保福玻競(jìng)�(gè)座位，具體情況見表１．通過對(duì)于ＲＳＥＴ的模擬以及ＣＦＡＳＴ對(duì)于ＡＳＥＴ的模擬計(jì)算可以得出：五層包廂中座位之間疏散通道只有０．５ｍ，存在人員擁擠的安全隱患；五層包廂中ＡＳＥＴ＜ＲＳＥＴ，火災(zāi)中存在安全隱患。３．２方案優(yōu)化（１）在五層包廂只有一個(gè)出口能正常使用并且疏散通道的寬度為０．５ｍ情況下，對(duì)人群在火災(zāi)中疏散的情況進(jìn)行模擬。設(shè)計(jì)中存在的缺陷主要是座位之間疏散通道的寬度不足，只有０．５ｍ。模擬結(jié)果顯示：在人群疏散中造成了嚴(yán)重的擁擠和堵塞。在該情況下進(jìn)行了１０次模擬，結(jié)果如表２所示。模擬結(jié)果分析如下：疏散開始初期，平均每人跳躍座位的次數(shù)較少；隨著溫度的增加，ＣＯ體積分?jǐn)?shù)的加大，平均每人跳躍座位的次數(shù)逐漸增加。死亡人員都是由于發(fā)生極端行為跳入某些座位的角落，由于受到高溫的作用，其可移動(dòng)性下降，在較長(zhǎng)時(shí)間的熱輻射作用下造成的。ＦＩＨ表示人員在火場(chǎng)中的遭受火災(zāi)影響的累積結(jié)果，它是由毒性子模型計(jì)算的動(dòng)力學(xué)特征。ＦＩＨ＝１表示人將由于熱而失去能力，ＦＩＨ上升時(shí)可移動(dòng)性下降；ＦＩＨ＝０表示人的行為不受火災(zāi)的影響。從模擬結(jié)果可以得出：雖然３４９人成功疏散，但是在疏散過程中都不同程度地受到了高溫和ＣＯ氣體的影響。只有１人因受火災(zāi)的影響而死亡。口能正常使用的情況下，對(duì)五層包廂的人群在火災(zāi)中疏散的情況進(jìn)行模擬。在增加了疏散通道的寬度之后進(jìn)行了１０次模擬，在這１０次模擬中，３５０人都成功疏散出來(lái)，但每次的具體情況也有差異，詳細(xì)結(jié)果如表３所示。將增加了疏散通道的寬度之后的模擬結(jié)果與增加之前的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比�？梢钥闯觯涸黾恿耸枭⑼ǖ赖膶挾戎�后，疏散時(shí)間的均值由３４４．２ｓ減少至３３０．６ｓ。增加了疏散通道的寬度之后，每個(gè)人跳躍座位次數(shù)由６．２次／人減少至５．８４次／人，減少了擁擠和堵塞。增加了疏散通道的寬度之后，死亡率降低為零。（３）五層包廂在兩個(gè)出口都能正常使用、疏散通道的寬度為１．２ｍ、發(fā)生火災(zāi)情況下的模擬結(jié)果如表４所示。從表４的模擬結(jié)果可以得出：在兩個(gè)出口都能正常使用的情況下，火災(zāi)對(duì)疏散者的影響很小，因?yàn)槠骄�每人跳躍座位的次數(shù)減少。（４）對(duì)五層包廂在增加到三個(gè)出口、疏散出口總寬度為４．５ｍ、疏散通道的寬度為１．２ｍ并且三個(gè)出口都能正常使用、發(fā)生火災(zāi)情況進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如表５所示。每次３５０人均能順利疏散；平均疏散時(shí)間為１２９．１ｓ；平均每人跳躍座位的次數(shù)為２．１次／人；每次的ＦＩＨ＝０。從表５還可以看出：該模擬疏散過程中各個(gè)出口人流的分配是合理的；另外，最佳出口性能指數(shù)平均為ＯＰＳ＝０．３７５，說(shuō)明疏散效率較高，達(dá)到了良好的疏散效果。（５）對(duì)五層包廂在增加到４個(gè)出口、疏散出口總寬度為６．０ｍ、疏散通道的寬度１．２ｍ并且４個(gè)都能正常使用、發(fā)生火災(zāi)的情況進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如表６所示。每次３５０人均能順利疏散；平均疏散時(shí)間為１１７．１ｓ；平均每人跳躍座位的次數(shù)為１．８次／人；每次的ＦＩＨ＝０。從表６可以看出：該模擬疏散過程中各個(gè)出口人流的分配是合理的；另外，最佳出口性能指數(shù)平均為ＯＰＳ＝０．５２５，說(shuō)明疏散效率較高，疏散效果良好。

４結(jié)論

（１）疏散通道寬度不合理會(huì)造成人群擁擠的堵塞現(xiàn)象，還會(huì)造成人員的死亡。增加疏散通道的寬度可以減少疏散時(shí)間、降低人員傷亡。（２）增加疏散出口的數(shù)量可以有效降低疏散時(shí)間和跳躍座位的次數(shù)，避免火災(zāi)對(duì)人群疏散的影響，確保人群疏散的安全。總之，從所有疏散模擬的結(jié)果可以得出：五層包廂增加１或２個(gè)出口的改進(jìn)設(shè)計(jì)是比較合理的。綜合考慮周圍情況，增加２個(gè)出口的設(shè)計(jì)為最優(yōu)設(shè)計(jì)。