2019消防工程師必背知識點四十二：人員疏散分析

第五篇 消防安全評估

第四章 建筑性能化防火設(shè)計評估

第四節(jié) 人員疏散分析

人員疏散分析是建筑性能化防火設(shè)計評估的重要組成部分。通過對建筑物的具體功能定位，確定建筑物內(nèi)部特定人員的狀態(tài)及分布特點，并結(jié)合火災(zāi)場景和具體位置設(shè)計，計算分析得到緊急情況下各種階段的人員疏散時間及疏散通行狀況預(yù)測。而火災(zāi)場景下人員疏散所需時間則是性能化防火設(shè)計評估的重要組成要件。因此，對建筑物做出符合其實際情況和特點的人員疏散性能評估成為決定建筑物性能化設(shè)計評估結(jié)果好壞的關(guān)鍵性因素之一。由于影響建筑物內(nèi)人員疏散安全性的因素眾多，性能化人員疏散分析的重點就是要綜合特定建筑條件下各方面影響因素，建立起或者合理選取符合實際的人員疏散量化分析模型，從而計算得到人員疏散時間，提出改進(jìn)疏散性能的方案和措施。

一、影響人員安全疏散的因素

與正常情況下人員在建筑物內(nèi)行走的狀態(tài)不同，人員在緊急情況下(如發(fā)生火災(zāi))的疏散過程中，內(nèi)在因素和外在環(huán)境因素都可能發(fā)生了變化，這些因素有可能對人員安全疏散造成影響。由于實際情況條件千差萬別，影響人員安全疏散的因素亦復(fù)雜眾多，總結(jié)起來可分為：人員內(nèi)在影響因素、外在環(huán)境影響因素、環(huán)境變化影響因素、救援和應(yīng)急組織影響因素四類。這些因素在緊急疏散情況下，有些不利于安全疏散，有些則有利于安全疏散，還有一些影響受到現(xiàn)場實際條件變化和人為因素的作用而不同。

(一)人員內(nèi)在影響因素

人員內(nèi)在因素主要包括：人員心理上的因素、生理上的因素、人員現(xiàn)場狀態(tài)因素、人員社會關(guān)系因素等。

1.人員心理因素

人員在緊急情況下的心理普遍會發(fā)生顯著的變化，如感知到火災(zāi)、煙氣時會出現(xiàn)恐慌，聽到警鈴或接收到火警信息時會出現(xiàn)緊張、眾多人員疏散時在出口處排隊等待的時間越長人群中緊張情緒越高等。這些心理變化因素一方面能夠激發(fā)人的避險本能，另一方面也會導(dǎo)致人員理性判斷能力降低、情緒失控。

2.人員生理因素

人員生理因素包括人員自身的身體條件影響因素，如幼兒、成年、老年、健康、疾病等條件差異。不同的身體條件會顯著影響人員的運動機(jī)能。此外，緊急情況下環(huán)境條件的變化也會對人員生理因素造成影響，如火災(zāi)時由于現(xiàn)場照明條件變暗、能見度降低使人的辨識能力受到影響;溫度升高、煙霧刺激、有毒氣體會影響人的運動能力等。

3.人員現(xiàn)場狀態(tài)因素

人員在現(xiàn)場狀態(tài)因素包括：清醒狀態(tài)、睡眠狀態(tài)、人員對周圍環(huán)境的熟悉程度等。對于處于清醒狀態(tài)并對周圍環(huán)境十分熟悉的人來說，疏散速度會大大快于處于睡眠狀態(tài)并對周圍環(huán)境陌生的人。如果人們在進(jìn)入一個陌生環(huán)境時首先有意識地查看安全出口位置及疏散路線則會大大改善人員的現(xiàn)場狀態(tài)因素。

4.人員社會關(guān)系因素

人是具有社會屬性的高等動物，即使是在緊急情況下人們的社會關(guān)系因素仍然會對疏散產(chǎn)生一定影響。如火災(zāi)時，人們往往會首先想到通知、尋找自己的親友;對于處在特殊崗位的人員，如核電站操作員，會首先想到自身的責(zé)任;一些人員在疏散前會首先收拾財物也是社會關(guān)系因素在起作用，這些因素總體上會影響人員開始疏散運動行動的時間。

(二)外在環(huán)境影響因素

外在環(huán)境因素主要是指建筑物的空間幾何形狀、建筑功能布局以及建筑內(nèi)具備的防火條件等因素。例如，地上建筑或是地下建筑、高大空間或是低矮空間、影劇院或是辦公建筑等;建筑物的耐火等級，建筑內(nèi)安全出口設(shè)計是否足夠合理，疏散通道是否保持暢通，消防設(shè)備是否處于良好運行狀態(tài)，是否存在重大火災(zāi)隱患等因素。

(三)環(huán)境變化影響因素

火災(zāi)時現(xiàn)場環(huán)境條件勢必要發(fā)生變化，從而對人員疏散造成影響，例如火災(zāi)時，正常照明電源將被切斷，人們需要依靠應(yīng)急照明和疏散指示尋找疏散出口;再如原有正常行走路線一旦被防火卷簾截斷，人員需要重新選擇疏散路線;又如自動噴水滅火系統(tǒng)啟動后在控制火災(zāi)的同時也會對人員疏散產(chǎn)生影響。

(四)救援和應(yīng)急組織影響因素

火災(zāi)時自救和外部救援和組織能力也會對安全疏散產(chǎn)生影響。通過建立完善的安全責(zé)任制，制定切實可行的疏散應(yīng)急預(yù)案并認(rèn)真落實消防應(yīng)急演練，能夠有效提高人的疏散能力;否則，容易引起人員擁擠和混亂。

在各種實際條件下，影響人員安全疏散的因素繁多，各種因素之間還存在相互聯(lián)系和制約，某些產(chǎn)生主導(dǎo)作用的成為主要影響因素，而一些因素的變化會顯著影響最終結(jié)果的成為關(guān)鍵性因素。上面只是簡要地介紹了影響人員安全疏散的因素。人員安全疏散作為消防安全工作的重中之重，其影響因素也是消防安全工作的重點，需要看到這些因素既可能是消防工作的問題所在，也可能成為提升消防安全水平的突破口。在實際工作中，應(yīng)通過不斷地經(jīng)驗積累，總結(jié)出切合工程項目實際的主要影響因素和關(guān)鍵性因素。

二、人員安全疏散分析的目的及性能判定標(biāo)準(zhǔn)

(一)人員安全疏散分析的目的

人員安全疏散分析的目的是通過計算可用疏散時間(ASET)和必需疏散時間(RSET)，從而判定人員在建筑物內(nèi)的疏散過程是否安全。

(二)人員安全疏散分析的性能判定標(biāo)準(zhǔn)

人員安全疏散分析的性能判定標(biāo)準(zhǔn)為：可用疏散時間(ASET)必須大于必需疏散時間(RSET)。

計算ASET時，應(yīng)重點考慮火災(zāi)時建筑物內(nèi)影響人員安全疏散的煙氣層高度、熱輻射、對流熱、煙氣毒性和能見度。這些參數(shù)可以通過對建筑內(nèi)特定的火災(zāi)場景進(jìn)行火災(zāi)與煙氣流動的模擬得到。

在計算RSET時，可按以下三種情況考慮：

①如果能夠?qū)⒒馂?zāi)和煙氣控制在著火房間內(nèi)，則可只計算著火房間內(nèi)人員的RSET;

②如果火災(zāi)及其產(chǎn)生的煙氣只在著火樓層蔓延，則可只計算著火樓層內(nèi)人員的RSET;

③如果火災(zāi)及其產(chǎn)生的煙氣可能在垂直方向蔓延至其他樓層(例如，建筑內(nèi)存在連通上下層的中庭)，則需計算整個建筑內(nèi)人員的RSET。當(dāng)建筑存在坍塌的危險時，也需要計算整個建筑內(nèi)人員的RSET。

三、人員疏散時間計算方法與分析參數(shù)

人員的疏散過程與火災(zāi)探測、警報措施、人員逃生行為特性和運動等因素有關(guān)。必需疏散時間按火災(zāi)報警時間、人員的疏散預(yù)動時間和人員從開始疏散至到達(dá)安全地點的行動時間之和計算：

RSET =Td + Tpre + k×Tt (式5-4-40)

其中：Td —火災(zāi)探測報警時間，指從火災(zāi)發(fā)生到觸發(fā)火災(zāi)探測與報警裝置而發(fā)出報警信號，使人們意識到有異常情況發(fā)生，或者人員通過本身的味覺、嗅覺及視覺系統(tǒng)察覺到火災(zāi)征兆的時間;

Tpre —疏散預(yù)動時間，指人員從接到火災(zāi)警報之后到疏散行動開始之前的這段時間，包括識別時間和反應(yīng)時間;

Tt —疏散行動時間, 指建筑內(nèi)的人員從疏散行動到疏散結(jié)束所需要的時間;

k—安全系數(shù)，考慮到場景預(yù)測中的不確定性，需要考慮足夠的安全余量，安全系數(shù)一般取1.5～2，采用水力模型計算時的安全系數(shù)取值，宜比采用人員行為模型計算時的安全系數(shù)取值要大。

(一)火災(zāi)探測報警時間

對于安裝了點式火災(zāi)探測報警裝置以及安裝了閉式自動噴水滅火系統(tǒng)的場所，火災(zāi)探測報警時間應(yīng)根據(jù)建筑內(nèi)所采用的火災(zāi)探測與報警裝置的類型及其布置、火災(zāi)的發(fā)展速度及其規(guī)模、著火空間的高度等條件，考慮設(shè)計火災(zāi)場景下火災(zāi)探測報警裝置或自動噴水裝置對火災(zāi)煙氣的反應(yīng)時間。可以通過相應(yīng)的計算機(jī)模擬計算軟件通過分析計算確定，也可采用其他計算工具，如美國標(biāo)準(zhǔn)預(yù)技術(shù)研究院(NIST)開發(fā)的軟件工具包中提供的DETACT-QS工具，預(yù)測特定火災(zāi)場景內(nèi)感溫元件的動作時間。

對于日常有人停留的房間并且人員處于清醒狀態(tài)，可以采用特定經(jīng)驗公式算法預(yù)測人員發(fā)覺火災(zāi)征兆的時間。

(二)疏散預(yù)動時間

疏散預(yù)動時間包括識別時間和反應(yīng)時間。人員在接收到火災(zāi)報警信號以后，有各種本能反應(yīng)的時間如確認(rèn)火災(zāi)警報，判別火情發(fā)展情況，通知親友，收拾物品，確定疏散路線等待，開始疏散行動時間往往因人而異。受到建筑類型、功能與用途、使用人員的性質(zhì)及建筑火災(zāi)報警廣播和物業(yè)管理系統(tǒng)等各種內(nèi)在及外在因素的影響，疏散預(yù)動時間的長短具有很大的不確定性。在管理相對完善的劇院、超市或辦公建筑(有定期火災(zāi)訓(xùn)練)中，識別時間較短。在平面布置復(fù)雜或面積巨大的建筑以及旅館、公寓、住宅和宿舍等建筑中，該時間可能較長。表5-4-3給出了各種不同類型的人員和報警系統(tǒng)的典型疏散開始延遲時間。

表5-4-3　疏散開始延遲時間(引自美國《SFPE防火工程手冊》)

表中的報警系統(tǒng)類型為：

W1-實況轉(zhuǎn)播指示，采用聲音廣播系統(tǒng)，例如從閉路電視設(shè)施的控制室;

W2-非直播(預(yù)錄)聲音系統(tǒng)、和/或視覺信息警告播放;

W3-采用警鈴、警笛或其他類似報警裝置的報警系統(tǒng)。

在應(yīng)用上表5-4-3時，還要考慮火災(zāi)場景的影響，建議將表5-4-3中的識別時間根據(jù)人員所處位置的火災(zāi)條件作如下調(diào)整：

1.人員處于較小著火房間/區(qū)域

人員可以清楚地發(fā)現(xiàn)煙氣及火焰或感受到灼熱，這種情況下可采用表5-4-3中給出的與W1報警系統(tǒng)相關(guān)的識別時間，即使安裝了W2或W3報警系統(tǒng)。

2.人員處于較大著火房間/區(qū)域

人員在一定距離外也可發(fā)現(xiàn)煙氣及火焰時，如果沒有安裝W1報警系統(tǒng)，則采用表5-4-3中給出的與W2報警系統(tǒng)相關(guān)的識別時間，即使安裝了W3報警系統(tǒng)。

3.識別報警與向出口疏散之間沒有延遲

例如辦公室，則可以假設(shè)表5-4-3給出的識別時間為0。

4.某些場所的識別時間很難確定

可對上述可能時間段進(jìn)行估計，如可以根據(jù)日常的觀測記錄提供某些文件證明所需要的時間。

在反應(yīng)時間階段，人們會停止日常活動開始處理火災(zāi)。在反應(yīng)時間內(nèi)會采取的行動有：

①確定火源、火警的實際情況或火警與其他警報的重要性;

②停止機(jī)器或生產(chǎn)過程，保護(hù)重要文件或貴重物品等;

③尋找和召集兒童及其他家庭成員;

④滅火;

⑤決定合適的出口路徑;

⑥警告其他人員;

⑦其他疏散行為。

(三)疏散行動時間

人員疏散行動時間指建筑內(nèi)的人員從疏散行動開始至疏散結(jié)束所需要的時間，包含行走時間和通過出口的時間兩部分組成：

1.行走時間

行走到疏散線路上安全出口的時間。行走時間與人的行走速度以及達(dá)到出口的距離有關(guān)。行走速度與行走時間和人員密度有關(guān)，當(dāng)人員密度較大會出現(xiàn)擁擠，導(dǎo)致行走速度下降;當(dāng)人員密度較低且人員行走不受阻時則代表最短的行走時間，用下式計算：

2.通過時間

人流通過出口或通道的時間。通過時間由出口的通行人數(shù)和出口的通行能力決定，出口的通行能力則與出口有效寬度和出口流量有關(guān)。用下式計算

人員疏散行動時間的計算可按照數(shù)學(xué)模擬計算進(jìn)行。數(shù)學(xué)模擬計算方法主要有水力模型和人員行為模型兩種方法。

(1)水力疏散計算模型。水力疏散計算模型將人在疏散通道內(nèi)的走動模擬為水在管道內(nèi)的流動狀態(tài)，可人群的疏散作為一種整體運動，完全忽略人的個體特性。該模型對人員疏散過程作如下假設(shè)：

①疏散人員具有相同的特征，且均具有足夠的身體條件疏散到安全地點;

②疏散人員是清醒的，在疏散開始的時刻同時井然有序地進(jìn)行疏散，且在疏散過程中不會中途返回選擇其它疏散路徑;

③在疏散過程中，人流的流量與疏散通道的寬度成正比分配，即從某一出口疏散的人數(shù)按其寬度占出口總寬度的比例進(jìn)行分配;

④人員從每個可用的疏散出口疏散且所有人的疏散速度一致并保持不變。

對于建筑的結(jié)構(gòu)簡單、布局規(guī)則、疏散路徑容易辨別、建筑功能較為單一且人員密度較大的場所，宜采用水力模型來進(jìn)行人員疏散的計算，其他情況則適于采用人員行為模型。

(2)人員行為疏散計算模型。人員行為疏散計算模型應(yīng)綜合考慮人與人、人與建筑物以及人與環(huán)境之間的相互作用，并能夠從一定程度上反映火災(zāi)時人員疏散運動規(guī)律和個體特性對人員疏散的影響。當(dāng)采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算時，應(yīng)注意結(jié)合有待解決的實際問題與模型的適用性來選擇相適用的模型，并應(yīng)首選經(jīng)過實際疏散實驗或演習(xí)驗證的模型。

(四)疏散分析參數(shù)

在對人員疏散時間預(yù)測計算中必須確定人員疏散時關(guān)于人數(shù)、行走速度、比流量、有效寬度等相關(guān)參數(shù)。

1.人員數(shù)目的確定

在確定起火建筑內(nèi)需要疏散的人數(shù)時，通常根據(jù)建筑的使用功能首先確定人員密度(單位：人/㎡)，其次確定該人員密度下的空間使用面積，由人員密度與使用面積的乘積得到需要計算的人員數(shù)目。在有固定座椅的區(qū)域，則可以按照座椅數(shù)來確定人數(shù)。在業(yè)主和設(shè)計師能夠確定未來建筑內(nèi)的最大人數(shù)時，則按照該值確定疏散人數(shù)。否則，需要參考相關(guān)的統(tǒng)計資料，由相關(guān)各方協(xié)商確定。

(1)人員密度。在計算疏散時間時，人員密度可采用單位面積上分布的人員數(shù)目表示(人/㎡)，也可采用其倒數(shù)表示或采用單位面積地板上人員的水平投影面積所占百分比表示(㎡/人)。

對于所設(shè)計建筑各個區(qū)域內(nèi)的人員密度，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)叵鄳?yīng)類型建筑內(nèi)人員密度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)或合理預(yù)測來確定。預(yù)測值應(yīng)取建筑使用時間內(nèi)該區(qū)域可預(yù)見的最大人員密度。當(dāng)缺乏此類數(shù)據(jù)時，可以依據(jù)建筑防火設(shè)計規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定確定各個樓層的人員密度。

國外對各種使用功能的建筑中其人員密度的規(guī)定較為詳細(xì)，如美國、英國、日本等。表5-4-4列舉出了國外一些對人員密度的規(guī)定。

(2)計算面積。人數(shù)的確定是通過各使用功能區(qū)的人員密度與計算面積的乘積得到，因此，計算面積的確定是除人員密度之外計算疏散人數(shù)的另一個重要參數(shù)。規(guī)范在規(guī)定人員密度時，有些同時規(guī)定了計算面積的確定方法。

國外的相關(guān)規(guī)定大部分采用計算房間(區(qū)域)的地板面積作為計算面積。對于計算面積的界定可以考慮建筑的使用功能，根據(jù)建筑的實際使用情況來確定。

(3)人流量法。在一些公共使用場所，人員流動較快，停留時間較短，例如機(jī)場安檢、候機(jī)大廳，科技館，展覽廳等，其人數(shù)的確定可以采用人流量法。

采用人流量法，即設(shè)定人員在某個區(qū)域的平均停留時間，并根據(jù)該區(qū)域人員流量情況按以下公式計算瞬間時刻的樓內(nèi)人員流量(稱為人流量法)：

人員數(shù)量 = 每小時人數(shù)×停留時間(s)(5-4-44)

2.人員的行走速度

人員自身的條件、人員密度和建筑的情況均對人員行走速度有一定的影響。

(1)人員自身條件的影響。下表5-4-5列出了若干人行走速度的參考值，這是根據(jù)大量統(tǒng)計資料得到的。但應(yīng)當(dāng)指出，對于某些特殊人群，其行走速度可能會慢很多，如老年人、病人等。如果某建筑中火災(zāi)煙氣的刺激性較大，或建筑物內(nèi)缺乏足夠的應(yīng)急照明，人的行走速度也會受到較大影響。

表5-4-5 不同人員不同狀態(tài)下的行走速度舉例(m/s)

人員行走速度在疏散模型中的設(shè)置需要了解不同模型的默認(rèn)值，如Simulex疏散模型中默認(rèn)的人員行進(jìn)速度分男人、女人、兒童和長者四種，其步行速度及類型比例如表5-4-6。

表5-4-6 Simulex疏散模型中人員步行速度及類型比例

(2)建筑情況的影響。不同的建筑中由于功能、構(gòu)造、布置不同，對人員行走速度的影響不同，人員在不同建筑中步行速度的典型數(shù)值與建筑物使用功能的關(guān)系可參考表5-4-7。

表5-4-7 不同使用功能建筑中人員的步行速度

(3)人員密度的影響。人員在自由行走時受到自身條件及建筑情況等因素的影響而速度各有差異，當(dāng)為疏散人群時，其步行速度將受到人員密度的影響。人員的行走速度將在很大程度上取決于人員密度。

通常情況下，人員的疏散速度隨人員密度的增加而減小，人流密度越大，人與人之間的距離越小，人員移動越緩慢;反之密度越小，人員移動越快。國外研究資料表明：-般人員密度小于0.54人/㎡時，人群在水平地面上的行進(jìn)速度可達(dá)70m/min并且不會發(fā)生擁擠，下樓梯的速度可達(dá)48～63m/min。相反，當(dāng)人員密度超過3.8人/㎡時，人群將非常擁擠基本上無法移動。一般認(rèn)為，在0.5～3.5人/㎡的范圍內(nèi)可以將人員密度和移動速度的關(guān)系描述成直線關(guān)系。

Fruin 、Pauls 、Predtechenskii、Milinskii等人根據(jù)觀測結(jié)果，整理出了一組分別在出口、水平通道、樓梯間內(nèi)人員密度與人員行走速度的關(guān)系，并被美國《SFPE防火工程手冊》采用，如下圖5-4-13所示。

同時，根據(jù)研究結(jié)果得到了人員行走速度與人員密度之間的關(guān)系式，不同密度下人員在平面的步行速度可根據(jù)下式計算得出

表5-4-8 人員在樓梯中的行走速度(引自美國《SFPE防火工程手冊》)

3.出口處人流的比流量

建筑物的出口在人員疏散中占有至關(guān)重要的地位，對出口寬度的合理設(shè)計能避免疏散時發(fā)生堵塞，有利于疏散順利進(jìn)行。我國目前的建筑規(guī)范中主要是通過控制建筑物的出口、樓梯、門等寬度來進(jìn)行疏散設(shè)計，同時，性能化防火設(shè)計中對建筑物安全性的評估同樣需要考慮出口寬度的問題，以衡量火災(zāi)時能否保證人員通過這些出口順利逃生。無論是規(guī)范的規(guī)定還是性能化設(shè)計的方式，一般都是根據(jù)總?cè)藬?shù)按單位寬度的人流通行能力及建筑物容許的疏散時間來控制建筑物的出口總寬度。因此，人員疏散參數(shù)確定中必須考慮出口處人流的比流量。

比流量是指建筑物出口在單位時間內(nèi)通過單位寬度的人流數(shù)量(單位：人/(m·s))，比流量反映了單位寬度的通行能力。根據(jù)對多種建筑的觀測結(jié)果，比流量在水平出口、通道處和在樓梯處不同，而不同的人員密度也將影響比流量。

圖5-4-14顯示了不同的疏散走道上流出系數(shù)(比流量)與人員密度的關(guān)系，由圖可以看出，首先，隨著人員密度的增大，單位面積內(nèi)的人員數(shù)目增大，從而單位時間內(nèi)通過單位寬度疏散走道的人員數(shù)目也增大，當(dāng)人員密度增大到一定程度，疏散走道內(nèi)的人員過分擁擠，限制了人員行走速度，從而導(dǎo)致流出系數(shù)的減少。

4.通道的有效寬度

大量的火災(zāi)演練實驗表明人群的流動依賴于通道的有效寬度而不是通道實際寬度，也就是說在人群和側(cè)墻之間存在一個“邊界層”。對于一條通道來說，每側(cè)的邊界層大約是0.15m，如果墻壁表面是粗糙的，那么這個距離可能會再大一些。而如果在通道的側(cè)面有數(shù)排座位，例如在劇院或體育館，這個邊界層是可以忽略的。在工程計算中應(yīng)從實際通道寬度中減去邊界層的厚度，采用得到的有效寬度進(jìn)行計算。表5-4-9給出了典型通道的邊界層厚度。