大型综合体建筑疏散指示系统的引导作用*

周　建,　陈　胜

(1.西安建筑科技大学 信控学院, 陕西 西安　710055;

2.西安市建筑设计研究院, 陕西 西安　710054)



大型综合体建筑疏散指示系统的引导作用*

周建1,陈胜2

(1.西安建筑科技大学 信控学院, 陕西 西安710055;

2.西安市建筑设计研究院, 陕西 西安710054)

摘要：根据大型综合体建筑的特点,结合西安市某大型综合体建筑项目,对元胞自动机的模型加以改进,建立适用于综合体建筑的疏散模型。运用疏散模型对处于不同环境下的人员进行了疏散仿真。仿真结果表明,疏散指示灯的应用提高了综合体建筑在发生紧急情况下的疏散效率,可为相似综合体建筑的应急疏散设计提供理论依据。

关键词：综合体建筑; 消防; 元胞自动机; 疏散模型; 仿真

0引言

目前,我国处于城市的快速发展阶段,越来越多的人涌入城市,使得城市建筑不断向着空间化、多元化方向发展,故城市综合体建筑应运而生。综合体建筑空间大,人员较多,遇到紧急情况时人员疏散时间较长,极易造成巨大的经济损失和人员伤亡。因此,寻求一种合理的人员疏散模型是设计大型综合体时首先要考虑的问题。

本文结合西安市某大型综合体建筑项目,对元胞自动机的模型加以改进[1],建立了适用于综合体建筑的疏散模型,并进行了仿真。

1疏散模型的建立

在建立应急疏散模型时,需要综合考虑很多因素,如疏散空间具有虚拟性及怎样选择疏散路径等因素。本文主要说明疏散指示在大型综合体建筑中对人员疏散情况的影响[2]。

1.1模型虚拟化

对大型综合体建筑的环境进行虚拟化模拟,将该空间的规则用网格形式表示。具体的表示形式是:首先假设任意一个元胞个体在t时刻所在的位置为(i,j),则说明在该时刻单元格的位置是在空间的第i行第j列,其相应8个邻近元胞坐标分别为(i-1,j-1)、(i-1,j)、(i,j-1)、(i-1,j+1)、(i+1,j)、(i,j+1)、(i+1,j-1)、(i+1,j+1)。每个元胞个体都有一些自身的特点,如被某些特定的物体占据,可能是空的,而且其状态随着时间的改变而不断地变化。元胞机模型状态不断变化,而且在t-1时刻和t时刻的模型是相互紧密联系的。该模型的邻域有Von Neumann和Moore两种模式[3-4],如图1所示,其中黑色区域代表中心的元胞,而灰色部分表示邻域。

模型虚拟化的作用就是对综合体建筑的疏散区域进行相同面积的网格划分。在所有的网格中都有一个不同的元胞,则整体就形成了综合体建筑的元胞空间,表示在疏散区域中每个人占据一个元胞空间。在疏散模型中,精度的高低直接决定仿真模拟效果的好坏,且网格的边长也决定模型的精度大小。为了保证很高的分辨率,必须使网格边长尽可能得短,不仅满足该模型的要求,同时提高了模型的准确度。我国成年人身体的几何尺寸如表1所示。

图1　两种邻域方式

表1中国成年人身体的几何尺寸

百分位数/%最大肩宽/cm男女肩宽/cm男女胸厚/cm男女236.232.532.029.415.613.9838.735.133.231.117.515.11541.237.534.332.718.316.54544.840.238.236.920.319.88047.543.640.938.423.122.39046.942.738.236.321.220.59949.646.442.140.025.824.0

从表1可见,在平面空间中人员占据的一块区域类似于椭圆,根据测量的人员尺寸数据可以计算椭圆的面积为0.128 m2。将单元格划分成0.4 m×0.4 m的单元格,综合体建筑中每一个人员的所在面积表示为一个单元格。这样的划分不仅能减少在模拟仿真中的重复现象,更能准确地反映出综合体建筑中人员的位置。

在模拟环境中,人员的移动特点能很好地反映模型的真实性,这些特点既是重要的参数,也是模型中要解决的难点。一般,模型中人员的行进速度、方向都是固定不变的,在实际的疏散环境中这些都是不断变化的。考虑建筑体中人员疏散具有延迟性,且受其他因素的影响,本文选择利用W.Daamen & Hoogendoorn提出的人群移动速度和人群密度关系的表达式:

式中:v——人群移动速度,m/s;

D——人群密度,人/m2。

若D<5,人群不会出现迟滞和拥挤的情况。

1.2引入疏散指示灯

为了很好地表示在疏散照明中指示灯对疏散的影响,在模型中添加指示灯的设置模块[5]。

GB 50016—2014《建筑设计防火规范》中指出,疏散指示灯应包括楼梯道出口处的疏散指示和在建筑安全通道的指示灯。在建筑综合体中,疏散指示灯有两种不同的布设方式:附着式和地埋式。附着式是将灯布设在墙上,覆盖区域类似于一个扇形;地埋式将灯具全部埋在地面上,具有很宽的覆盖范围,类似于一个圆形。疏散指示灯覆盖范围示意如图2所示。

图2　疏散指示灯覆盖范围示意

在综合体建筑中,疏散指示灯主要为疏散的人员提供通道和出口的准确信息。在疏散模型中,要对疏散指示灯具进行如下设置:

(1) 选择指示灯的型号,在不同的位置选择不同的灯具,在建筑拐角过道选择方向指示灯,在出口选择出口指示灯。

(2) 设置指示灯影响的区域范围,是以灯所占的网格为中心,向四周扩散的网格。如果采用附着式,设影响半径为6个网格,张角为150°;选择地埋式,假设影响半径也为6个网格,而张角为360°。

(3) 把已经设置过的指示灯属性复制到特定的网格。出口指示灯和地埋式方向指示灯离散后的覆盖范围示意如图3所示。

图3　指示灯的覆盖范围示意

根据相关的规范要求,并结合综合体建筑的设计要求,在综合体建筑疏散模拟过程中应在虚拟化后的综合体建筑中布置疏散指示灯。在设计过程中,假定在引导范围内只有被疏散人员,且被引导,并从就近的距离出口开始疏散。

1.3人员疏散模型仿真流程

按照上述步骤对疏散模型进行虚拟化,并引入指示灯,建立了综合体建筑模型[6]。疏散模型流程如图4所示。

图4　疏散模型流程

2典型案例分析

2.1综合体建筑概述

西安某大型综合体建筑的总面积为42 126 m2,建筑高度为41.3 m。该综合体为地下2层,地上11层,集商业、住宅、办公、酒店、娱乐休闲为一体,-2F为车库、机房等,-1F为商业、超市、娱乐用房,地上部分为娱乐休闲、酒店、住宅用房等。综合体-1F共有三个疏散通道。

2.2综合体建筑疏散模拟

在没有布置疏散指示灯的情况下,对综合体建筑-1F进行疏散模拟。因为建筑火灾的特点是在5~8 min就很快出现轰燃,而综合体建筑内的人员想要安全逃生的合理时间为6.8~16.2 min。依据GB 50016—2014要求,在此次模拟中人的最大允许逃生时间选取6 min,如果人员超过这个时间还未逃离,则表示没有被安全疏散。不同情景下疏散人数与疏散时间的关系如图5所示。

图5　不同情景下疏散人数与疏散时间的关系

在保证灯源的位置和数量不变的情况下,以疏散300人为例,灯具影响的范围分别为1.0、1.5、2.0、2.5 m时,探讨灯影响范围的大小对疏散人群的影响,模拟结果取10次的平均值。灯影响范围不同时疏散人数与疏散时间的关系如图6所示。

图6　灯影响范围不同时疏散人数与疏散时间的关系

从图6可以看出,灯影响半径较小时,人员不能够完全得到指示,增加了疏散时间;若增大灯影响的半径,被影响的面积相应增加,大大缩短了疏散时间,人员疏散更加充分,提高了疏散效率。

3结语

结合西安某大型综合体项目,分析了元胞自动机原理,建立了大型综合体建筑疏散模型,并运用疏散模型模拟仿真了疏散指示灯在大型综合体建筑发生紧急情况下的引导作用。试验结果表明,疏散指示灯的应用大大提高了综合体建筑在发生紧急情况下的疏散效率。本文没有讨论灯具的布置位置,这会影响疏散指示的疏散效率。建议在以后的综合体建筑应急疏散设计研究中,可以对灯的位置进行优化布局,以提高综合体建筑的疏散效率。

[1]王延钊.基于改进元胞自动机地下空间人员疏散模拟研究[D].重庆:重庆大学,2008.

[2]黄希发.大型场馆人员疏散仿真研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2010.

[3]任小娟.基于元胞自动机的人员疏散模型设计与实验[J].计算机应用与软件,2013,30(7):309-312.

[4]孟俊仙,周淑秋,饶敏.基于元胞自动机的人员疏散仿真研究[J].计算机工程与设计,2009,30(1):241-243.

[5]王付明,刘贵坤,宋大鹏.人员紧急疏散系统动力学仿真模型研究[J].信息工程大学学报:自然科学版,2008,9(2):254-256.

[6]李强,崔喜红,陈晋.大型公共场所人员疏散策略模拟与应用[M].北京:气象出版社,2011.

Guidance Effect of Guiding Evacuation System in Large Complex Building

ZHOUJian1,CHENSheng2

(1.Information and Control Engineering Institute, Xi’an University of Architecture and Technology,Xi’an 710055, China; 2.Xi’an Institute of Architectural Design, Xi’an 710054, China)

Abstract：According to the characteristics of large-scale complex buildings and combining by a large complex construction project in Xi’an,the model of cellular automata was improved to establish the evacuation model which was suitable for the complex building.By using of the evacuation model,the simulation evacuations of personnel were carried out at the different environments.The simulation results show that the application of evacuation indicating lamps improve the evacuation efficiency of large complex building in case of an emergency,which can provide a theoretical basis for the design of emergency evacuation in complex building.

Key words:complex building; fire fighting; cellular automata model; evacuation model; simulation

收稿日期：2015-07-28

中图分类号：TU 855

文献标志码：A

文章编号：1674-8417(2016)02-0012-04

*基金项目:国家自然科学基金项目(51178313)

陈胜(1990—),男,硕士研究生,从事建筑能耗与监测工作。