高层住宅建筑火灾室内交互场景的构建

秦华，侯文昊，冉令华

（1.北京建筑大学机电与车辆工程学院工业工程系，北京100044；2.中国标准化研究院，北京100088）

0 引言

近年来，我国的火灾形势相当严峻，尤其是高层建筑的火灾已成为城市中最为严重的公共灾害之一。由于建筑防火中人的行为及其反应对人员疏散起到了关键的作用，所以建筑防火不能单纯从工程技术方面进行研究，还应该重视人在火灾中的行为研究，文章采用人因工程的研究方法，对在人员获悉火警信息后，决定逃生之前的各种行为反应的分布特征与其影响因素进行研究，旨在针对高层建筑火灾逃生前期的住户行为反应建立相应的理论模型。

建筑火灾中人的行为反应是建筑防火性能设计与评估的重要依据之一，而关于逃生行动开始前人的行为反应的研究，近年来已广泛引起了学者的重视［1－3］，但是，目前尚缺乏可实际应用的研究成果。文章通过对建筑物模型和室内场景的虚拟仿真，构建一旦火情出现后用户可与环境交互的三维室内场景，目的正是为了后续研究能够提取高层住宅建筑火灾的逃生前期中大量的行为数据，以便于分析影响人们逃生前期的行为反应的主要影响因素。通过研究建筑火灾中人的行为反应，这方面的研究成果不仅会为建筑防火设计中科学合理地考虑人的逃生问题提供理论依据，还将为建筑的防火性能设计和评估方法提供参考。

1 高层住宅建筑火灾与逃生前期行为

高层住宅建筑一旦发生火灾，人员疏散非常困难，这是因为高层住宅建筑火灾相对于非高层建筑的火灾有其自身的特殊性［4－5］：火灾蔓延途径多、速度快；建筑内人员较多，逃生途径少，疏散困难。

火灾发展过程一般可分为起火、火灾初期，旺盛期和衰减期。伴随着火灾发展过程，对于逃生中起关键作用的常常是在人们觉察火灾之后及达到危险状况之前这段时间，是逃离火灾现场的最佳时段，而这期间人员的行为反应起到了非常关键的作用，关系到其能否逃离火灾现场［1］。

研究表明，火灾发生时，第一次发出警报信号时，只有29%的人做出逃生的行为，其他都在犹豫验证火灾信息，甚至人们还象没有发生火灾一样，继续做自己的事情，等待其他人先做出行为反应后，才开始行动［6－7］，或者联系家人或朋友。在真实火灾场景中，这个前期时间持续 5～25 min不等［7－8］。通过对火灾信息的探索，人们将对周围情形的危险程度作出判断，并决定是否开始自己认为恰当的逃生行为。

人们逃生所需的时间主要由逃生行为前期时间和逃生过程所需时间组成。在实际的火灾发生现场，安全逃生时间有限。为了实现成功逃生，要求人们逃生所需要的时间应小于火灾过程中给予的疏散时间（如图1所示）［1］。图1中的ASET为可用安全疏散时间，RSET为必需安全疏散时间。由此可以发现，前期的人员行为反应非常重要，这是因为一方面这个阶段的时间占安全逃生时间的比重相当高，另一方面由于人员行为反应直接导致逃生过程的实施效率与效果，即能否快速而成功的逃生。因此，找出影响人们做出逃生决定的影响因素，减少前期时间，就是相对延长了可用安全疏散时间，这是研究高层建筑火灾中人员安全疏散的根本和关键。研究认为，主要有三类因素影响了人们的行为反应，分别是人员特征、建筑特征和火势特征［9－11］。

图1 人的行为反应与火灾发展关系图

研究火灾期间的逃生行为，目前采用的方法主要有火灾后的访谈或者问卷调查，这种方法可以获得人们火灾场景中的真实行为，但缺点是数据量有限，且易受到被访者主观偏差的影响。另外，随着仿真技术的发展，各国开发了许多用以描述建筑疏散特性的模型，目前己经完成的和正在开发的疏散模型有20多种，总体上，这些模型都可归结为网络节点模型。在我国，关于现代高层建筑防火疏散设计的研究也得到了越来越多人的关注，但研究关注的重点是建筑的疏散特性模型。因此，构建虚拟高层建筑火灾场景，让被调研者即使没有经历过火灾，也可有一定的身临其境感，从而可以增强调研数据的真实性和可靠性。

2 高层住宅建筑室内交互场景设计

由于人员行为反应具有模糊性、随机性和不确定性等特点，构建场景交互方式就是为了及时收集在这种应急状况下人员的行为特性，由此反应人员当时的心理决策模型。因此，在构建火灾场景中必须设计出人员与虚拟场景可能存在的交互方式，从而为后续探索人员逃生前期的应急行为影响因素及存在的特点和规律提供研究基础。

按照火灾行为的相关研究，在建筑物火灾前期中，人的行为主要有不采取任何与火灾相关的行为、自行灭火、提醒他人、寻找更多的火灾相关线索、搜寻财物或人员和逃生等6个方面的表现［12－13］。由于人的决策过程不是孤立的，而是受到各种内在与外在的因素影响，在建筑物火灾中人的行为方式取决于人的感知、认知和决策，影响建筑物火灾疏散中人的行为的因素既多而且复杂，在不同的条件下，做出的决策和做出决策的时间不同，因此，相关研究中将影响因素分为三类，分别是建筑特征、火情特征和人员特征等。建筑特征包括建筑物的楼层高度、结构布局等，火情特征包括起火位置、烟火强度及发展速度、火警方式等，人员特征包括生理特点（年龄、性别、身体状况等）、心理特点（火灾经验、培训和教育、性格等）、初始状态、信息获得途径、人员所处的初始位置等［14－18］。

由于上世纪末起，国内建造的住宅建筑层次较高、每层的布局较复杂而且内部没有报警系统等，在这样的高层建筑环境内发生火灾，人们在逃生前期会有哪些行为，这是设计室内交互场景过程中需要考虑的，基于上述研究，文章提出前期行为的影响因素有建筑内部特征、获取火情信息的影响因素以及人员特征。归纳的三类影响因素及考虑这些因素对场景设计的影响如表1所示。图2呈现的为所设计的局部三维场景。

图2 局部三维场景图

3 火灾仿真场景中的用户交互行为

一旦高层住宅建筑发生火灾，室内人员会不断地从周围环境中感知火灾及其相关信息，在没有采取逃生行为之前，会有以下几类行为：查询决策行为需要的信息、收集私人物品包括财物、搜救亲朋好友、救火等［17］。为了调研高层住宅建筑火灾前期人员的行为，文章将逃生前期的可能行为与可交互的虚拟场景中的道具之间建立对应关系（如图3所示）。

表1 逃生行为影响因素及对应的虚拟场景设计

要想在虚拟场景中提取出人们在真实火灾场景中的行为，还需要考虑到以下两个方面：（1）在未发生火灾前，人们是处于正常生活行为状态，只有这样，一旦出现火情，才会出现从正常行为状态至逃生行为状态之间的逃生前期行为状态；（2）除了理性决策，人们在紧急状态下还会受到情绪的影响，因此虚拟场景中还要考虑激发出参与者当下的情绪与心理，由此获得的行为才真实可靠。为此，文章通过设计室内场景、火灾发展过程中的用户任务来满足上述两方面的要求。

虚拟建筑室内是一套两居室，包括厨房、卫生间、卧室、客厅等，室内装修布置按照典型居室设计，用户在开始正式任务之前，先熟悉建筑室内场景，正式游戏之前有一个场景引导，让用户设想正坐在家中的电视机前，观看一场精彩的比赛，这些设计的目的是让用户的行为是正常的理性决策的结果。之后用户进入正式任务，用户在室内隐约闻到了楼道里传来的烟味，象是谁家在烧烤，又象谁家着火了，请用户根据这种情况确定您的下一步行动，正式任务设计了两种情况，一种是确实发生了火灾；另一种是没有火灾，如果发生火灾而用户没有进行逃生，表示游戏失败，但是如果不是火灾而进行逃生，也表示失败。用户只有在顺利完成游戏的情况下，才可以参加抽奖，目的是激发出参与者类似于火灾场景中的紧张、焦虑的情绪与心理。对于一位参与者，其实验任务实施过程如图4所示。文章只记录发出真实火警后，参与者决定逃生之前在居室内部的行为活动。

4 结语

图3 逃生前期的逃生行为与相对应的道具图

图4 虚拟场景中的用户任务图

通过对建筑物模型和室内场景的虚拟仿真，构建一旦火情出现后用户可与环境交互的三维室内场景，目的正是为了后续研究能够提取高层住宅建筑火灾的逃生前期中大量的行为数据，以便于分析影响人们逃生前期的行为反应的主要影响因素。研究根据国内住宅建筑的特点和火灾报警情况，室内交互场景设计过程中考虑的影响因素包括建筑内部特征、获取火情信息的影响因素以及人员特征等三类，利用构建的虚拟交互平台，后续研究以此进行大量逃生前期的行为数据收集，以便于量化分析影响人们逃生前期的行为反应的主要影响因素。

目前采用仿真疏散模型来研究火灾中的人员逃生行为的研究较多，总体上，这些模型都可归结为网络节点模型，研究关注的重点是建筑的疏散特性模型。但是，要想将仿真环境应用作为行为数据调研的平台，更重要的是该环境能否激发被试身灵其境，从而产生一定程度上的真实行为，从而使得调研数据具有一定的可靠性，本研究一方面通过限制任务完成时间使得被试产生紧迫感，另一方面除了三维视觉环境，还配有声音。除此之外，在后期，还会增加没有时间限制及无声环境的调研数据，通过差异性检验来验证此环境能否对被试产生一定程度的行为影响。

［1］张树平.建筑火灾中人的行为反应研究［D］.西安：西安建筑科技大学，2004.

［2］Sime J.D..Design Against Fire：An Introduction to Fire Safety Engineering Design［M］.London：E＆F.N.Spon，1994.

［3］肖国清，陈宝智，石社文.建筑物火灾疏散中人的失误研究［J］.中国安全科学学报，2003，13（9）：44－48.

［4］刘慧，周佳佳.高层建筑火灾的特点及防火对策研究［J］.河南科技，2013，7：145.

［5］邹志翀.基于建筑火灾安全的逃生互动影响分析［J］.土木工程学报，2012，45：321－326.

［6］Proulx G.，Reid I..Occupantbehavior and evacuation during the Chicago Cook County Administration Building fire［J］.Journal of Fire Protection Engineering，2006，16（4）：283－309.

［7］袁启萌，翁文国.基于幸存者调查的高层建筑火灾疏散行为研究［J］.中国安全科学学报，2012，22（10）：41－46.

［8］Kobes K.，Post J.，Helsloot I.，et al.Fire Risk of High-rise Buildings Based on Human Behavior in Fires［C］.In Conference Proceedings FSHB 2008，Bucharest：Elsevier Ltd.，2008.

［9］Johnson P.F.，Johnson C.E.，Sutherland C..Stay or go？Human behavior and decision making in bushfires and other emergencies［J］.Fire Technology，2012，48（1）：137－153.

［10］Liu M.，Lo S.M..The quantitative investigation on people's preevacuation behavior under fire［J］.Automation in Construction，2011，20（5）：620－628.

［11］Chen Z.M.，Zhang J.，Li D.P..Smoke control-discussion of switching elevator to evacuation elevator in highrise building［C］.The 5th Conference on Performance-based Fire and Fire Protection Engineering.Guangzhou：Elsevier Ltd.，2011.

［12］Sherman M.F.，Peyrot M.，Magda L.A.，et al.Modeling pre-evacuation delay by evacuees in world trade center towers 1 and 2 on September 11，2001：A revisit using regression analysis［J］.Fire Safety Journal，2011，46（7）：414－424.

［13］Kuligowski E.D.，Mileti D.S..Modeling pre-evacuation delay by occupants in world trade center towers1 and 2 on September11［J］.Fire Safety Journal，2009，44（4）：487－496.

［14］Kuligowski E..D.，Hoskins B.L..Occupantbehavior in a highrise office building fire［S］.NIST Technical Note 1664.Gaithersburg， MD： National Institute of Standards and Technology，2010.

［15］胡静，杜明星.建筑室内环境的数值模拟研究［J］.山东建筑大学学报，2006，21（4）：399－404.

［16］赵庆双，王超，刘晓通.高层办公建筑内部公共空间形态探析［J］.山东建筑大学学报，2010，25（4）：342－349.

［17］崔浩浩，陈伟，尹全军，等.建筑物火灾中的人群疏散研究［J］.计算机仿真，2012，29（2）：148－152.

［18］伍东.高层住宅建筑火灾情况下人员安全疏散研究［D］.天津：天津理工大学，2009.