大型购物中心疏散时间预测方法的对比研究

陈文涛，谢 妉，齐 茁

(沈阳航空航天大学民航与安全工程学院 辽宁 沈阳 110136)

近几年来随着社会经济的不断发展，随着我国经济建设和城市化的日新月异，大型、复杂的现代高大建筑物越来越多地涌现。由于这些建筑与传统建筑在使用功能、建筑材料、结构形式、空间大小、配套设施等方面存在很大的不同，给防火安全带来很大的挑战，给人员在火灾条件下的逃生带来了很大的威胁。对高大建筑物进行性能化防火设计时，需主要以人员安全疏散为目标，即对人员造成伤害的危险来临之前，所有人员都疏散到相对于火场安全的区域。

1 大型商业购物中心的火灾特点

作为人员密集场所，在发生火灾的时候人员安全疏散的问题较为复杂。根据对以往火灾历史资料的收集和研究可知，国内外各类大型商业购物中心的火灾普遍具有以下特点:

第一，可燃物多，火灾荷载密度大。现在的购物中心集购物、餐饮、娱乐为一身，功能齐全，品种繁多，各种商品琳琅满目，大部分均为可燃物，餐饮区摊位密集，发生火灾的可能性极大。为了满足消费者的审美要求，大型购物中心往往在装饰装潢上大做文章，吸引人的眼球，但是大多数所使用的装饰材料均为易燃可燃物，一旦着火，不仅极易蔓延，还会产生大量有毒气体，威胁人的生命。

第二，货物的布置形式更易燃烧和使火焰蔓延，发生火灾后火灾发展相当迅猛。商家为了展示所有的商品，大都立体布置，并且摆放距离很近，四周墙壁和货架上都会挂满了衣服、窗帘、纤维和纸制品等可燃物。再加上通风状况良好，一旦起火，就会导致燃烧剧烈，火灾蔓延相当快。

第三，人员密度大，发生火灾后疏散困难，易造成群死群伤，形成恶性火灾事故。大型购物中心作为现代一种集中性的服务和消费场所，客流量十分大，特别是在节假日及促销期间，人流量会远大于平时，一旦发生火灾，由于对疏散条件不了解，再加上逃生急迫，受到火灾产生的烟气、毒气的影响，就会使人失去理智，慌不择路，引发踩踏，甚至跳楼。

2 人员安全疏散的评价标准

安全疏散是指当建筑物内发生火灾时，在危险来临之前，建筑内的所有人员都安全地转移到安全区域的行为。而危险来临指的是火灾产生的烟气、毒气、高温等环境的变化已经威胁到了人员的生命安全，将危险来临的时间定义为可用安全疏散时间(ASET，Availiable Safety Egress Time火灾发展到危险状态的时间)。通常还可用以下数学表达式表达 ASET:ASET=min{t1，t2，t3，t4，t5}。其中t1表示CO达到危险状态的浓度的来临时间;t2表示CO2体积达到危害人员呼吸程度的来临时间;t3表示烟气中有害气体浓度达到威胁人员安全的来临时间;t4表示能见度影响到人员步行速度的来临时间;t5表示建筑材料破损飞落的物件危及人员安全来临时间。

相对地，将人员实际疏散所需的时间定义为必需疏散时间(RSET，Required Safety Egress Time起火时刻人员到达安全区域的时间)，通常情况下，RSET取为以下5个时间的和:火灾探测时间、报警时间、人的火灾确认时间、响应时间以及疏散行动时间。很明显，要达到人员的安全疏散，就是所有人员疏散完毕所需的时间小于火灾发展到危险状态的时间，即保证人员安全疏散的基本准则是:ASET＞RSET。其中RSET通常使用手算法或者疏散软件模拟得出。

图1 某大型购物中心建筑平面图

3 某大型购物中心人员安全疏散数据确定

图1为某大型购物中心建筑平面图。该中心东西长309.5 m，宽103.65 m，地上共3层，整个建筑呈U字型，由于各外铺都有自己的疏散楼梯，因此本算例不考虑其疏散，只考虑U型内侧商业街的疏散情况。

商铺内的人数按《建筑设计防火规范》5.3.17计算，地上商业营业厅建筑面积折算值为0.5～0.7，笔者取值0.5;商业营业厅地上一、二层人员换算系数为0.5人/m2，地上第三层商业区取值0.3人/m2(根据现场人流实测、统计与分析等资料)，地上第三层餐饮区取值0.77人/m2;疏散宽度换算系数按地上一、二层0.65，地上第三层0.75进行取值。

4 日本的疏散时间计算方法

其实每一种疏散时间的计算方法都是基于一些假设，原因在于疏散时间受到很多因素的限制，如建筑情况、火场情况、人自身的素质、人与周围环境的互动等，都在很大程度上影响了疏散的时间，然而如果要完全综合这些因素，那么将会远远超出人的能力极限，可以说是基本不可能的。日本手算方法也是如此，尤其是在楼层的疏散时间计算上，采用了与其它国家完全不同的假设，这些假设不仅具有代表性，也有它一定的道理。

疏散时间的计算由两部分组成，一是疏散开始时间，二是疏散行动时间。由于疏散开始时间存在着比较多的不确定性因素，因此，本文将主要探讨疏散行动时间的计算。其基本的计算方法是由步行时间和滞留时间算出。疏散时间的计算通常考虑最不利的情况，也就是说，在计算行动时间时，考虑最远的人员跑到出口的时间，即疏散人员利用步行距离最大L(m)的疏散路线进行疏散，步行速度为v(m/s)，那么所需的步行时间tL(s)为:tL=L/v。

关于步行速度取值及建筑物内人员特征和运动特征与建筑物使用功能的关系可查相关数据获取。当某一区域的疏散人数P在出口宽度为B的出口前，由停留状态到全体人员通过出口所需的时间，也就是滞留时间tB(s):tB=P/(NB)，此处N为人员流动系数，是单位时间内单位宽度所通过的人数。起火房间的疏散行动时间:troom=Lmax/v+P/(NB)，显然，如果，最远处的人跑到出口之前，已经有一部分人已经从出口出去了，那么所计算的时间会比实际所需的时间要大。

由于火灾楼层每个房间的人经过走廊到达楼梯间的时间不一样，那么势必会产生时间差，会使为计算疏散行动时间而进行的疏散预测比较繁琐，所以日本算法在进行楼层疏散时间计算时，采取了大胆的假设，对计算的过程进行了适当的简化，用到达楼梯间的最大步行时间和疏散路线上的最大滞留疏通时间之和来进行计算，那么楼层疏散场所的最大步行时间为:tf=Lmax，f/v+Pf/(NBmin)，N为流动系数，当房间有直通室外的出口时N取1.5人/米.秒，其他场合取值计算如下:

A co为通道的面积，m2;aN为疏散通道上必要的滞留面积，m2/人;P为人员密度，人/m2，Bneck为疏散通道上所有出口的最小宽度，在此出口处产生瓶颈效果，m;Broom为房间的出口宽度，m;∑PAload为通道里通过的疏散人员的数量。

日本公式手算法虽然将计算过程进行了简化，但是其并没有使计算的结果有太大的偏差，虽说准确度不够理想，但是在进行疏散时间预测时也不失为一种较好的办法。具体计算过程如下:

(1)房间内的疏散时间:t1=Lmax/v+P/(NB)=17.5/1+3129/113.25*1.5=35.57 s

(2)走廊的疏散时间:所有走廊面积之和为4150 m2，疏散走道的滞留面积为0.3 m2/人。通过计算比较，N取为1.5人/米·秒。t2=L/v+P/(NB)=30+3129/(9+10.8)*1.5=135.35 s

(3)楼梯疏散时间:N取为1人/米·秒。t3=Lmax/v+P/(NB)=27.77/0.6+3129/19.8=204.3 s

(4)楼梯出口到安全出口的疏散时间:所有走廊面积之和为279 m2，疏散走道的滞留面积为0.3 m2/人。根据公式计算，N取为1.5人/米·秒。t4=Lmax/v+P/(NB)=18+3129/1.33*1.5=174.84s

(5)通过日本手算法计算的人员疏散的总时间为T=t1+t2+t3+t4=550 s。

5 SIMULEX软件模拟

Simulex是用来模拟大量人员在多层建筑物中的疏散的软件。Simulex软件为二维平面软件，显示效果直观，所有的内部参数，例如步速快慢、网格大小，都有系统设置，用户只需要设置人员的类型，例如职员、顾客、学生等，系统会自动分配男人、女人和儿童的比例、速度。Simulex采用的是等距图的行走算法，可以准确描绘出单个个体的运动轨迹和个体对环境刺激的反应以及个人特征等，可以表现接近真实的疏散行为和运动。Simulex的应用特点在于:看重个体空间、碰撞角度及避难时间等生理行为，同时考虑个人在其他避难者、环境影响下的心里反应。

Simulex制定关于疏散的几何学和独立的运动的方法，所做的原理假设如下:个体被设定了一种正常的，没有阻碍的行走速度;当群体拥挤在一起，变得较紧密时，行走的速度将降低;个体都按着一定路线走向出口，路线是由距离地图上显示的建筑结构所决定的;设计了个体的赶超，转身，捷径行走和小程度回转的情况。这些原理假设都符合实际火灾发生时候人员的实际运动状况，保证了模型的准确性。Simulex把一个多层建筑物定义为一系列二维楼层平面图，这些楼层平面通过楼梯相连接。从每一个楼层进入楼梯的出口要在楼层平面窗口和楼梯窗口都指定。楼梯和楼层平面由“Link”连接，在模型中将其放置在出口的位置。模型中的人员可以通过连接从楼层进入楼梯，反之亦然。通过Simulex进行模拟的具体步骤如下:用AUTOCAD将建筑图纸保存为2004DXF格式，将各层图纸导入Simulex软件中，每层的楼梯用“Link”进行连接，出口用“EXIT”进行设定，然后设定房间人数，这时可以显示出疏散用到的等距图，最后进行疏散模拟，计算出所需的疏散时间。

场景描述:本场景考虑在不受火灾烟气影响下的一、二、三层人员整体疏散。安全出口数量:所有对外出口均可被用做疏散。模拟结果:从模拟结果中可以看出，在有组织人员进行疏散诱导的情况下，人员将通过各楼梯和疏散出口进行疏散，在523 s时人员全部疏散至安全走道。

模型疏散截图，如图2，图3所示:

图2 人员均匀分布在各楼层0s截图

图3 整体疏散完毕523s截图

6 结论

通过日本算法与Simulex软件的比较发现，两者计算的疏散时间相差不大，虽说两者在计算时都做了特定的假设，并且都具有各自的理论根据，但两者都是在大量实验统计数据的基础上进行的总结并加以延伸，所以两者在疏散时间的预测上都会有一定的可信度。在使用每种方法之前，都先要了解相关的假设和限制，并结合建筑自身和人员的特点，找到最优的方法，这样才能为设计提供更为合理可靠的依据。

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