基于數值模擬的人員疏散設計優(yōu)化：理論、方法與實踐一、引言1.1研究背景與意義在現代社會，各類公共場所和建筑內人員密集程度不斷增加，人員疏散安全問題愈發(fā)凸顯。無論是商業(yè)中心、交通樞紐，還是學校、醫(yī)院等人員活動頻繁的場所，一旦發(fā)生火災、地震、爆炸等緊急情況，人員能否迅速、安全地疏散，直接關系到生命安全和社會穩(wěn)定。近年來，國內外發(fā)生了多起因人員疏散不暢而導致嚴重傷亡的事故，如2003年美國羅德島州一家夜總會火災，造成100人死亡、200多人受傷，原因之一便是疏散通道狹窄且標識不明，人群在慌亂中無法及時找到安全出口；2010年俄羅斯“瘸腿馬”劇院大火，由于舞臺幕布著火后迅速蔓延，而劇院疏散路線復雜，觀眾疏散困難，最終導致150多人死亡。這些慘痛的教訓警示我們，人員疏散設計優(yōu)化至關重要。合理的人員疏散設計能夠在緊急狀況下，為人員提供清晰、便捷的疏散路徑，縮短疏散時間，減少人員傷亡和財產損失。它是保障建筑安全性能的核心要素，對于維護社會秩序穩(wěn)定、促進經濟健康發(fā)展意義深遠。例如，在大型商場的設計中，科學規(guī)劃疏散通道的數量、寬度和布局，設置明顯的疏散指示標志，能夠確保顧客和員工在火災發(fā)生時迅速有序地撤離，避免因恐慌和疏散無序導致的踩踏等次生災害。傳統(tǒng)的人員疏散設計主要依據規(guī)范和經驗進行，雖能滿足基本安全要求，但難以全面考慮復雜多變的實際情況。例如在不同的建筑布局、人員密度、人員行為模式以及緊急事件場景下，規(guī)范和經驗設計可能存在局限性，無法精準預測疏散過程中的各種問題，如人員擁堵、疏散路徑不合理等。而數值模擬技術的興起，為人員疏散設計優(yōu)化帶來了新的契機。數值模擬通過建立數學模型和計算機算法，能夠對人員疏散過程進行精確的模擬和分析。它可以考慮多種因素的相互作用，如人員的個體差異（年齡、性別、身體狀況等）、建筑結構的復雜性、火災煙氣的蔓延等，直觀呈現疏散過程中人員的流動狀態(tài)、疏散時間、擁堵位置等關鍵信息。通過數值模擬，設計師能夠提前發(fā)現疏散設計中存在的潛在問題，并針對性地進行優(yōu)化改進，從而提高疏散設計的科學性和有效性。比如，利用數值模擬軟件對機場候機大廳的人員疏散進行模擬，可分析不同登機口布局和通道設置下的疏散效率，為機場的設計和改造提供科學依據。因此，開展基于數值模擬的人員疏散設計優(yōu)化研究，具有重要的現實意義和應用價值，有助于提升建筑和公共場所的安全水平，為人們的生命安全提供更加可靠的保障。1.2國內外研究現狀在人員疏散設計優(yōu)化和數值模擬技術的研究領域，國內外學者已取得了豐碩的成果。國外在該領域的研究起步較早。20世紀70年代，日本學者KikujiTogawa提出了著名的疏散時間經驗公式，為后續(xù)研究奠定了理論基礎。此后，隨著計算機技術的飛速發(fā)展，數值模擬技術逐漸應用于人員疏散研究。美國學者Paul將疏散行為分為四個階段，并提出“有效寬度”模型，用于評估疏散出口通道寬度對疏散能力的影響。JohnFruin提出了一種宏觀的行人仿真模型，從宏觀角度描述人員的疏散行為。同時，歐洲的一些研究團隊通過大量的試驗觀察分析，總結得出了人群疏散的速度流量密度關系等規(guī)律，為人員疏散的量化研究提供了依據。近年來，國外研究更加注重多學科交叉，將心理學、社會學等學科的理論融入人員疏散研究中，以更真實地模擬人員在疏散過程中的行為和心理變化。例如，有研究通過分析人員的恐慌心理對疏散行為的影響，改進了疏散模型，提高了模擬的準確性。國內對疏散理論的研究雖較歐洲發(fā)達國家晚了將近50年，但自上世紀90年代至今，也取得了許多重要成果。閻衛(wèi)東采取逐步篩選策略多元回歸分析方法，建立了應急疏散時間對應各種影響因素的回歸模型，為疏散時間的預測提供了新的方法。田冬梅深入分析了火災對人的危害以及人在火災中的行為，詳細討論人員在安全出口的群集流動特性，研究了火災中煙氣和輻射熱的危險臨界條件，以及火災時期人員疏散初始時間的不確定因素和行動能力的主要影響因素，建立起火災時期人員疏散數學模型。隨著BIM（建筑信息模型）技術的興起，國內學者也開始將其應用于人員疏散研究。王鉀采用BIM技術建立建筑三維信息模型作為火災模擬場景，利用優(yōu)化的蟻群算法進行疏散最優(yōu)路徑的計算，最后通過Revit二次開發(fā)技術和WebGL技術實現疏散路徑的可視化顯示，為人員疏散路徑規(guī)劃提供了新的思路和方法。盡管國內外在人員疏散設計優(yōu)化和數值模擬技術方面取得了顯著進展，但當前研究仍存在一些不足。一方面，現有的數值模擬模型在考慮人員行為的復雜性方面還存在欠缺。實際疏散過程中，人員的行為受到多種因素的影響，如個體的心理狀態(tài)、文化背景、對環(huán)境的熟悉程度等，而目前的模型往往難以全面準確地模擬這些因素的綜合作用。例如，在面對突發(fā)緊急情況時，人員可能會出現恐慌、從眾等行為，這些行為會導致疏散過程中的混亂和擁堵，但現有的模型對這些行為的模擬還不夠真實和準確。另一方面，不同類型建筑和場景下的人員疏散研究還不夠深入和全面。不同建筑的結構、功能和人員分布特點差異較大，需要針對性地進行研究和分析。然而，目前的研究在一些特殊建筑，如大空間場館、地下建筑等，以及復雜場景，如多災種耦合場景下的人員疏散方面，還存在研究空白或不足。此外，數值模擬結果與實際疏散情況的驗證和對比研究也相對較少，導致模擬結果的可靠性和實用性有待進一步提高。在未來的研究中，需要進一步完善數值模擬模型，加強對人員行為復雜性的研究，拓展不同建筑和場景下的人員疏散研究，提高模擬結果的準確性和可靠性，以更好地指導人員疏散設計優(yōu)化工作。1.3研究目標與內容本研究旨在借助先進的數值模擬技術，深入剖析人員疏散過程中的復雜機制，進而實現對人員疏散設計的全面優(yōu)化，提升各類場所的人員疏散安全性和效率。具體研究內容如下：數值模擬技術在人員疏散研究中的應用：系統(tǒng)梳理和深入研究適用于人員疏散模擬的各類數值模擬技術，包括但不限于計算流體力學（CFD）方法、社會力模型、元胞自動機模型等。詳細分析這些技術的原理、特點、優(yōu)勢以及局限性，明確它們在不同場景和條件下的適用性。通過對比研究，選擇最適合本研究場景的數值模擬技術，并對其進行必要的改進和優(yōu)化，以提高模擬結果的準確性和可靠性。例如，在模擬大型商場的人員疏散時，根據商場的復雜布局和人員流動特點，選擇能夠較好處理復雜邊界條件和人員行為的社會力模型，并結合實際數據對模型參數進行校準和優(yōu)化。影響人員疏散的因素分析：全面探討影響人員疏散的眾多因素，涵蓋人員特性、建筑環(huán)境以及突發(fā)事件等多個方面。在人員特性方面，研究年齡、性別、身體狀況、心理狀態(tài)、對環(huán)境的熟悉程度等因素對人員疏散行為和速度的影響。例如，通過實驗和模擬分析，了解老年人和兒童在疏散過程中的行動能力和反應速度，以及恐慌心理對人員疏散決策的影響。在建筑環(huán)境方面，分析建筑布局、疏散通道的數量、寬度和長度、安全出口的位置和標識、障礙物的分布等因素對疏散效率的作用。例如，研究不同的疏散通道寬度和轉彎半徑對人員疏散速度的影響，以及安全出口標識的清晰度和可見性對人員疏散路徑選擇的影響。在突發(fā)事件方面，考慮火災、地震、爆炸等不同類型災害的特點和發(fā)展過程，以及它們對人員疏散造成的影響。例如，分析火災中煙氣的蔓延速度和范圍對人員疏散的阻礙，以及地震時建筑物結構的破壞對疏散通道的影響。通過對這些因素的深入分析，建立全面的人員疏散影響因素體系，為后續(xù)的數值模擬和疏散設計優(yōu)化提供堅實的理論基礎?；跀抵的M的人員疏散案例分析：選取具有代表性的建筑或場所，如學校、醫(yī)院、商場、地鐵站等，運用選定的數值模擬技術對其人員疏散過程進行詳細的模擬分析。根據實際建筑圖紙和相關數據，建立準確的三維模型，真實再現建筑的結構和布局。設定不同的疏散場景，包括正常情況和各種緊急情況，考慮不同的人員密度、疏散初始時間、火災發(fā)展程度等因素，模擬人員在不同場景下的疏散行為和過程。通過模擬結果，分析疏散過程中人員的流動狀態(tài)、疏散時間、擁堵位置等關鍵信息，找出疏散設計中存在的潛在問題和不足之處。例如，在對地鐵站的人員疏散模擬中，發(fā)現某個換乘通道在高峰時段容易出現人員擁堵，導致疏散時間延長。針對這些問題，提出針對性的改進建議和優(yōu)化措施，為實際的人員疏散設計提供科學依據。人員疏散設計優(yōu)化策略研究：依據數值模擬和案例分析的結果，深入研究人員疏散設計的優(yōu)化策略和方法。從建筑設計、疏散指示系統(tǒng)、應急管理等多個層面提出具體的優(yōu)化建議。在建筑設計方面，優(yōu)化疏散通道和安全出口的布局，合理確定疏散通道的寬度和長度，確保疏散路徑的暢通和便捷。例如，增加疏散通道的數量，縮短疏散距離，避免疏散路徑的曲折和狹窄。在疏散指示系統(tǒng)方面，設計清晰、明確、易于識別的疏散指示標志和應急照明系統(tǒng)，提高人員對疏散路徑的認知和判斷能力。例如，采用智能疏散指示系統(tǒng)，根據實時的人員流動情況和火災發(fā)展態(tài)勢，動態(tài)調整疏散指示方向。在應急管理方面，制定完善的應急預案和疏散演練計劃，加強對人員的安全教育和培訓，提高人員的應急意識和疏散技能。例如，定期組織疏散演練，讓人員熟悉疏散流程和自己的職責，提高應對突發(fā)事件的能力。通過綜合運用這些優(yōu)化策略，提高人員疏散設計的科學性和有效性，最大限度地保障人員在緊急情況下的生命安全。1.4研究方法與技術路線1.4.1研究方法文獻研究法：廣泛查閱國內外關于人員疏散設計優(yōu)化和數值模擬技術的相關文獻資料，包括學術期刊論文、學位論文、研究報告、標準規(guī)范等。全面了解該領域的研究現狀、發(fā)展趨勢、已有成果以及存在的問題，為本研究提供堅實的理論基礎和研究思路。通過對文獻的梳理和分析，總結出不同數值模擬技術的特點和應用范圍，以及影響人員疏散的關鍵因素，為后續(xù)的研究提供參考依據。案例分析法：選取具有代表性的建筑或場所作為案例，如學校、醫(yī)院、商場、地鐵站等。深入分析這些案例的建筑結構、人員分布、疏散設施等實際情況，收集相關數據和信息。運用數值模擬技術對案例進行模擬分析，結合實際情況，找出案例中人員疏散設計存在的問題和不足之處，并提出針對性的改進建議和優(yōu)化措施。例如，通過對某商場的案例分析，發(fā)現其疏散通道存在狹窄和標識不清晰的問題，導致疏散時間過長，針對這些問題提出拓寬疏散通道和優(yōu)化標識的建議。數值模擬法：運用專業(yè)的數值模擬軟件，如FDS（火災動力學模擬軟件）、Pathfinder（人員疏散模擬軟件）等，對人員疏散過程進行模擬。根據實際建筑圖紙和相關數據，建立準確的三維模型，設定不同的疏散場景和參數，模擬人員在不同情況下的疏散行為和過程。通過模擬結果，分析疏散時間、人員流動狀態(tài)、擁堵位置等關鍵信息，評估疏散設計的合理性和有效性。例如，利用Pathfinder軟件對某學校教學樓的人員疏散進行模擬，分析不同樓層和教室的人員疏散時間，找出疏散過程中的瓶頸和擁堵點。對比分析法：對不同數值模擬技術的模擬結果進行對比分析，評估它們在模擬人員疏散過程中的準確性和可靠性。對比不同建筑或場所的人員疏散案例，總結出不同類型建筑和場景下人員疏散的特點和規(guī)律。對比優(yōu)化前后的人員疏散設計方案，評估優(yōu)化措施的效果，驗證優(yōu)化策略的可行性和有效性。例如，對比采用社會力模型和元胞自動機模型對某地鐵站人員疏散的模擬結果，分析兩種模型的優(yōu)缺點，選擇更適合的模型進行后續(xù)研究。1.4.2技術路線本研究的技術路線如圖1-1所示，首先通過文獻研究法，廣泛收集和整理國內外關于人員疏散設計優(yōu)化和數值模擬技術的相關資料，深入了解該領域的研究現狀、發(fā)展趨勢以及存在的問題，明確研究目標和內容。在此基礎上，選取具有代表性的建筑或場所作為案例，運用案例分析法對其進行詳細的實地調研，收集建筑結構、人員分布、疏散設施等相關數據和信息。同時，對影響人員疏散的人員特性、建筑環(huán)境、突發(fā)事件等因素進行全面分析，建立人員疏散影響因素體系。然后，根據研究目標和案例特點，選擇合適的數值模擬技術和軟件，如FDS、Pathfinder等，運用數值模擬法對案例進行模擬分析。根據實際數據建立準確的三維模型，設定不同的疏散場景和參數，模擬人員在不同情況下的疏散行為和過程。通過模擬結果，分析疏散時間、人員流動狀態(tài)、擁堵位置等關鍵信息，找出疏散設計中存在的問題和不足之處。接著，運用對比分析法，對不同數值模擬技術的模擬結果進行對比評估，選擇最準確、可靠的模擬結果。同時，對比不同案例的模擬結果，總結不同類型建筑和場景下人員疏散的特點和規(guī)律。根據模擬結果和分析結論，從建筑設計、疏散指示系統(tǒng)、應急管理等多個層面提出人員疏散設計的優(yōu)化策略和方法。最后，對優(yōu)化后的人員疏散設計方案進行再次模擬驗證，評估優(yōu)化措施的效果，確保優(yōu)化后的方案能夠有效提高人員疏散的安全性和效率。將研究成果進行總結和歸納，形成具有理論價值和實踐指導意義的研究報告，為實際的人員疏散設計優(yōu)化工作提供科學依據和參考。\begin{figure}[H]\centering\includegraphics[width=0.8\textwidth]{技術路線圖.png}\caption{技術路線圖}\label{fig:技術路線圖}\end{figure}二、數值模擬技術基礎2.1數值模擬的基本原理數值模擬技術是一種通過數學模型和計算機算法對現實世界中的物理現象進行模擬和分析的方法。在人員疏散研究中，數值模擬技術能夠對人員在疏散過程中的行為和流動特性進行精確的模擬和預測，為人員疏散設計優(yōu)化提供科學依據。其基本原理主要包括數學建模、離散化方法和數值求解算法三個關鍵部分。2.1.1數學建模數學建模是數值模擬的首要步驟，它旨在通過建立數學方程和模型來準確描述人員疏散過程中的各種物理現象和規(guī)律。在構建人員疏散的數學模型時，需要綜合考慮多個關鍵因素，這些因素涵蓋了人員自身的特性、建筑環(huán)境的特點以及疏散過程中的動態(tài)變化等多個方面。從人員自身特性角度來看，人員的運動方程是描述其在疏散過程中位置和速度變化的核心方程。例如，基于牛頓第二定律，人員的運動方程可以表示為F=ma，其中F表示人員所受到的合力，m為人員的質量，a是加速度。在實際疏散場景中，人員所受合力包括自身的驅動力，如為了盡快到達安全區(qū)域而產生的向前的力；以及周圍人員和環(huán)境產生的相互作用力，比如在擁擠人群中，人員之間的推擠力、摩擦力等。此外，人員的個體差異，如年齡、性別、身體狀況等，也會影響其運動能力和行為模式，進而反映在運動方程的參數設置上。例如，老年人和兒童的行動速度相對較慢，在模型中可以通過調整速度參數來體現這一特點。建筑環(huán)境因素對人員疏散有著至關重要的影響。邊界條件是描述人員與建筑環(huán)境相互作用的重要條件。對于疏散通道和安全出口，其寬度、長度、形狀等幾何特征會直接影響人員的疏散速度和流量。在數學模型中，通常會將疏散通道和安全出口視為具有一定寬度和長度的幾何區(qū)域，并設置相應的邊界條件。例如，假設疏散通道的寬度為w，長度為l，則可以在模型中定義通道邊界，限制人員只能在該區(qū)域內移動。同時，通道內可能存在的障礙物，如柱子、設備等，也需要在模型中進行準確描述，通過設置障礙物的位置和形狀，來模擬其對人員疏散路徑和速度的阻礙作用。初始條件則是確定疏散過程開始時人員的狀態(tài)。在實際疏散中，人員在建筑物內的初始分布情況是多樣的。例如，在商場中，人員可能分散在各個樓層的不同區(qū)域，包括購物區(qū)、休息區(qū)、餐廳等。在數學模型中，需要根據實際情況準確設定人員的初始位置、速度和方向等初始條件。例如，可以通過統(tǒng)計商場不同區(qū)域的人員密度，將人員按照一定的概率分布在各個初始位置上，并賦予初始速度和方向，以真實反映疏散開始時人員的狀態(tài)。除了上述因素，數學模型還可能考慮其他因素，如人員之間的社會力、心理因素對人員行為的影響等。社會力模型中，人員之間存在吸引力和排斥力，這種社會力會影響人員的運動軌跡和速度。而心理因素，如恐慌心理會導致人員行為的改變，可能使人員選擇不合理的疏散路徑或盲目跟隨他人，這些都可以通過建立相應的數學關系納入到數學模型中。通過綜合考慮這些因素，建立全面、準確的數學模型，能夠為后續(xù)的數值模擬提供堅實的基礎。2.1.2離散化方法離散化方法是將連續(xù)的物理問題轉化為離散的數值問題，以便于計算機進行求解。在人員疏散模擬中，主要涉及空間和時間的離散化?？臻g離散化是將連續(xù)的建筑空間劃分成有限個小的單元或網格，每個單元具有特定的屬性和參數。常用的空間離散化方法包括有限差分法、有限元法和有限體積法。有限差分法是一種較為簡單直觀的離散化方法，它以Taylor級數展開等方法，把控制方程中的導數用網格節(jié)點上的函數值的差商代替進行離散，從而建立以網格節(jié)點上的值為未知數的代數方程組。在人員疏散模擬中，假設人員的運動速度v是關于空間坐標x和時間t的函數v(x,t)，對于v關于x的一階導數\frac{\partialv}{\partialx}，在有限差分法中，可以采用向前差分、向后差分或中心差分等方式進行近似。例如，向前差分的表達式為\frac{\partialv}{\partialx}\approx\frac{v_{i+1,j}-v_{i,j}}{\Deltax}，其中v_{i,j}表示在x=i\Deltax，t=j\Deltat處的速度值，\Deltax是空間步長。有限差分法數學概念直觀，表達簡單，適用于規(guī)則幾何形狀的計算區(qū)域，但對于復雜的建筑結構，其網格劃分可能較為困難。有限元法的基礎是變分原理和加權余量法，其基本求解思想是把計算域劃分為有限個互不重疊的單元，在每個單元內，選擇一些合適的節(jié)點作為求解函數的插值點，將微分方程中的變量改寫成由各變量或其導數的節(jié)點值與所選用的插值函數組成的線性表達式，借助于變分原理或加權余量法，將微分方程離散求解。在人員疏散模擬中，對于復雜的建筑結構，如具有不規(guī)則形狀的大空間場館，可以將其劃分為三角形、四邊形等不同形狀的有限元單元。然后，在每個單元內定義插值函數，通過插值函數將單元內各點的物理量（如人員密度、速度等）用節(jié)點值表示出來。有限元法對復雜幾何形狀的適應性強，能夠準確處理各種邊界條件，但計算過程相對復雜，計算量較大。有限體積法又稱為控制體積法，其基本思路是將計算區(qū)域劃分為一系列不重復的控制體積，并使每個網格點周圍有一個控制體積；將待解的微分方程對每一個控制體積積分，便得出一組離散方程。在人員疏散模擬中，有限體積法將建筑空間劃分為一個個控制體積，每個控制體積內的人員流動滿足一定的守恒定律。例如，在質量守恒方程中，流入控制體積的人員質量與流出控制體積的人員質量之差等于控制體積內人員質量的變化。通過對每個控制體積應用守恒定律，并結合合適的插值方法來近似控制體積界面上的物理量，從而建立離散方程。有限體積法的物理意義明確，能夠保證守恒性，在處理復雜流動問題時具有優(yōu)勢。時間離散化是將連續(xù)的時間過程劃分為一系列離散的時間步長。常用的時間離散化方法有顯式方法和隱式方法。顯式方法是指在當前時間步長下，通過已知的前一時刻的物理量來直接計算當前時刻的物理量。例如，在人員疏散模擬中，對于人員位置的更新，可以采用顯式歐拉方法，即x_{n+1}=x_n+v_n\Deltat，其中x_n表示第n時刻人員的位置，v_n是第n時刻人員的速度，\Deltat是時間步長。顯式方法計算簡單，但時間步長受到穩(wěn)定性條件的限制，通常較小。隱式方法則是在計算當前時刻的物理量時，需要同時考慮當前時刻和下一時刻的物理量，通過求解一個方程組來得到結果。例如，隱式歐拉方法中，人員位置的更新公式為x_{n+1}=x_n+v_{n+1}\Deltat，其中v_{n+1}是未知的，需要通過求解方程組來確定。隱式方法穩(wěn)定性好，允許較大的時間步長，但計算過程相對復雜，需要求解方程組。2.1.3數值求解算法數值求解算法是用于求解離散化后的代數方程組的方法。在人員疏散模擬中，常用的數值求解算法包括迭代法、線性代數方法等。迭代法是一種通過不斷迭代逼近精確解的方法。例如，雅可比迭代法和高斯-賽德爾迭代法是常見的迭代算法。以雅可比迭代法為例，對于線性方程組Ax=b，其中A是系數矩陣，x是未知向量，b是已知向量。將系數矩陣A分解為A=D+L+U，其中D是對角矩陣，L是下三角矩陣，U是上三角矩陣。雅可比迭代公式為x^{(k+1)}=D^{-1}(b-(L+U)x^{(k)})，其中x^{(k)}表示第k次迭代的解向量。通過不斷迭代，當相鄰兩次迭代解向量的差值滿足一定的收斂條件時，即可認為得到了方程組的近似解。在人員疏散模擬中，迭代法常用于求解人員的速度、位置等物理量，通過不斷迭代更新，逐步逼近真實的疏散情況。線性代數方法則是直接利用線性代數的理論和方法來求解方程組。例如，LU分解法、QR分解法等。LU分解法是將系數矩陣A分解為一個下三角矩陣L和一個上三角矩陣U的乘積，即A=LU。然后，通過求解兩個三角方程組Ly=b和Ux=y來得到方程組Ax=b的解。線性代數方法計算效率高，對于大規(guī)模的線性方程組求解具有優(yōu)勢。在人員疏散模擬中，當離散化后的方程組規(guī)模較大時，采用線性代數方法可以快速求解，提高模擬的效率。此外，在實際應用中，還可能根據具體情況采用其他數值求解算法，如共軛梯度法、多重網格法等。共軛梯度法是一種用于求解對稱正定線性方程組的迭代算法，它具有收斂速度快、存儲需求小的優(yōu)點。多重網格法是一種高效的數值求解算法，它通過在不同尺度的網格上進行迭代計算，加速收斂速度，特別適用于求解復雜的偏微分方程。這些算法在人員疏散模擬中都有各自的應用場景和優(yōu)勢，能夠根據不同的問題特點和計算需求選擇合適的算法，對于提高模擬的準確性和效率具有重要意義。2.2用于人員疏散模擬的常見軟件與工具2.2.1軟件介紹在人員疏散模擬領域，眾多專業(yè)軟件憑借其獨特的功能和特點，為研究人員和工程師提供了強大的分析工具。以下詳細介紹幾款常用的人員疏散模擬軟件：FDS+Evac：由芬蘭VTT技術研究中心研發(fā)，該軟件創(chuàng)新性地將火災模擬軟件FDS（FireDynamicsSimulator）與人員疏散模擬軟件Evac相結合。其運動計算模型采用Helbing的社會力模型，將人員等價為具有自驅動能力且有幾何特性的粒子。在模擬過程中，建筑內會生成一個符合流體力學規(guī)律的虛擬流場，這個流場就如同在出口設置了一臺抽風機，引導人員從建筑中“流”出來。例如，在模擬大型商場火災場景下的人員疏散時，FDS+Evac能夠精確計算火災發(fā)展過程中產生的熱量、煙氣擴散情況，以及這些因素如何影響人員的疏散行為和路徑選擇。通過模擬可以直觀地看到，隨著火災的蔓延，高溫和濃煙區(qū)域逐漸擴大，人員在虛擬流場的引導下，朝著遠離危險區(qū)域的安全出口疏散。但該軟件也存在一定局限性，它不考慮人員的“再進入行”、“羊群行為”、“回避行為”，在模擬復雜人員行為場景時可能存在不足。BuildingEXODUS：由英國格林威治大學研發(fā)，是一款能夠深入模擬個人、行為和封閉區(qū)間細節(jié)的計算機疏散模型。它全面考慮了人與人之間、人與建筑之間和人與環(huán)境之間的相互作用，可模擬大型建筑物中上千人規(guī)模的疏散，并能納入火災煙氣影響因素。在EXODUS中，空間和時間分別用二維空間網格和仿真時鐘表示。空間網格能夠精準反映建筑物的幾何形狀、出口位置、內部分區(qū)、障礙物等信息。多層幾何形狀可通過由樓梯連接的多個網格組成，每一層放在獨立的窗口中展示。例如，在模擬醫(yī)院的人員疏散時，該軟件可以根據醫(yī)院的復雜布局，包括病房區(qū)、門診區(qū)、走廊、樓梯等不同功能區(qū)域，以及內部的醫(yī)療設備、病床等障礙物分布情況，準確模擬人員的疏散路徑和時間。軟件由人員、移動、行為、毒性和危險五個互相關聯的子模型組成。行為子模型在兩個層次發(fā)揮作用，全局行為假設人員采用最近的可用疏散出口或者最熟悉的出口來逃生；局部行為可以模擬人員對疏散警報的初始響應、沖突的解決、超越以及選擇可能的繞行路徑等行為，這些行為決策都取決于人員的個體屬性。毒性子模型則通過采用毒性比例效果劑量模型（FED），綜合考慮毒性和物理危險，如升高的溫度、熱輻射、CO、CO?以及O?含量等因素對人員生理的影響，并估計人員失去行動能力的時間。EXODUS建模既可以采用實驗數據，也可以從其他模型獲取數值數據，還允許將CFAST計算數據導入，模擬完畢后，提供了數據分析工具和基于虛擬現實的后處理圖形環(huán)境，用于處理數據輸出文件和提供疏散的三維動畫演示，方便用戶直觀地觀察疏散過程。Pathfinder：由美國Thunderheadengineering公司研發(fā)，包含SFPE和steering兩種人員運動模式。在SFPE模式中，人員運動速度由空間密度確定，人員會尋找最近的出口且相互之間不影響；steering模式則根據路徑規(guī)劃、指導機制、碰撞處理相結合的方式來控制人員運動，如果人員之間的距離和最近點的路徑超過閥值，軟件會自動再生新的路徑，以適應不斷變化的形勢。例如，在模擬體育館舉辦大型演唱會時的人員疏散，Pathfinder能夠根據場館內不同區(qū)域的座位布局和人員分布密度，利用steering模式為每個人員規(guī)劃合理的疏散路徑，避免人員之間的碰撞和擁堵。該軟件具有強大的建模和可視化功能，支持內部快速建模與DXF、FDS等格式的圖形文件導入建模相結合，能夠對多個群體中的每個個體運動進行圖形化的虛擬演練。通過三維動畫視覺效果展示災難發(fā)生時的場景，利用透明化功能更好地顯示密集人群在樓層中的疏散情況。除了3D模擬視圖，還提供2D時間關系曲線圖的CSV文件和記錄樓層疏散時間和出入口流通率的文本文件，為用戶提供多維度的分析數據。Simulex：最初由英國Edinburgh大學設計，后由蘇格蘭的PeterThompson博士繼續(xù)發(fā)展。該軟件可用于模擬大量人員在多層建筑物中的疏散過程，能夠處理大型、復雜幾何形狀且?guī)в卸鄠€樓層和樓梯的建筑物，可接受CAD生成的定義單個樓層的文件。例如，在模擬大型寫字樓的人員疏散時，Simulex可以根據CAD文件精確構建寫字樓的三維模型，包括不同樓層的辦公區(qū)域、電梯間、樓梯間等結構。它能容納上千人同時進行疏散模擬，用戶可以清晰看到在疏散過程中，每個人在建筑中的任意一點、任意時刻的移動情況。模擬結束后，會生成一個包含疏散過程詳細信息的文本文件。SIMULEX把一個多層建筑定義為一系列二維樓層平面圖，通過樓梯連接，用三個圓代表每一個人的平面形狀，精確地模擬實際人員。其移動特性基于對每一個人穿過建筑物空間時的精確模擬，涵蓋正常不受阻礙的行走、由于與其他人接近造成的速度降低、行走超越、身體的旋轉和障礙避讓等多種移動類型。此外，SIMULEX還模擬了最近路徑出口選擇機制，不過心理影響因素和煙氣影響因素是該模型未來進一步發(fā)展的方向。由于其易用性以及能夠較為真實地反映疏散過程中可能出現的各種情況，已被越來越多地應用于實際工程中。STEPS：由英國MottMacDonald公司研發(fā)，是一款基于元胞自動機的疏散軟件。該模型假定人員總是沿著最短路徑的單元格行走，并為人員設置了許多屬性參數，如耐心等級、適應性、個體特征、對環(huán)境的熟悉程度、從眾程度等。例如，在模擬地鐵站的人員疏散時，STEPS可以根據不同乘客的屬性參數，如經常乘坐地鐵的乘客對環(huán)境熟悉，可能會更快地找到疏散路徑；而初次乘坐的乘客可能會因為不熟悉環(huán)境而行動稍顯遲緩。軟件還應用動態(tài)決策系統(tǒng)，在疏散過程中可根據實際情況改變條件，如出口的可用性和人員的出口選擇等。它可以模擬辦公區(qū)、體育場館、購物中心和地鐵車站等多種場所，這些場所既要求確保在正常情況下的交通流暢，又要在緊急情況下實現快速疏散。2.2.2工具選擇依據在進行人員疏散模擬時，選擇合適的軟件和工具至關重要，需要綜合考慮多方面因素，以確保模擬結果的準確性和有效性，滿足不同疏散場景和研究需求。疏散場景特點：不同的建筑類型和疏散場景具有各自獨特的特征，這是選擇模擬工具的重要依據之一。對于大型體育場館、商場等大空間、人員密集的場所，需要軟件能夠處理大規(guī)模人群的疏散模擬，并且能夠準確模擬復雜的空間結構和人員流動特性。例如，FDS+Evac和Pathfinder在處理這類場景時具有優(yōu)勢，FDS+Evac可以結合火災模擬，考慮火災對人員疏散的影響；Pathfinder則通過其強大的建模和可視化功能，能夠清晰展示大規(guī)模人群的疏散過程。而對于結構復雜的多層建筑物，如寫字樓、酒店等，Simulex和BuildingEXODUS可能更為適用。Simulex能夠精確模擬人員在多層建筑中的各種移動行為和出口選擇機制；BuildingEXODUS則全面考慮了人員、建筑和環(huán)境之間的相互作用，以及火災煙氣等因素對疏散的影響。對于地鐵站、機場等交通樞紐，由于人員流動規(guī)律和疏散要求具有特殊性，STEPS這種能夠考慮人員屬性參數和動態(tài)決策系統(tǒng)的軟件可能更能準確模擬其疏散過程。研究需求側重點：研究目的和需求的不同也決定了模擬工具的選擇。如果研究重點在于火災等緊急情況下人員的疏散行為和路徑選擇，那么FDS+Evac和BuildingEXODUS是較好的選擇。FDS+Evac能夠精確模擬火災發(fā)展與人員疏散的耦合過程，分析火災因素對人員行為的影響；BuildingEXODUS通過其毒性子模型和行為子模型，能夠綜合考慮火災煙氣的毒性、人員對火災的反應以及疏散過程中的行為決策。若研究關注人員的個體行為和群體行為特性，如人員之間的相互作用、從眾行為等，Pathfinder和STEPS更具優(yōu)勢。Pathfinder的steering模式可以模擬人員之間的碰撞和避讓行為，以及根據環(huán)境變化調整路徑的能力；STEPS通過設置人員的多種屬性參數，能夠研究不同個體特征和行為模式對疏散的影響。當研究需要對疏散結果進行多維度分析和可視化展示時，Pathfinder提供的3D模擬視圖、2D時間關系曲線圖和文本文件等多種輸出形式，能夠滿足對疏散時間、人員流動狀態(tài)、擁堵位置等信息的全面分析需求。數據可用性和兼容性：模擬軟件對數據的要求和兼容性也是選擇時需要考慮的因素。一些軟件需要詳細的建筑結構數據、人員分布數據等，如Simulex可以接受CAD生成的建筑數據文件，便于根據實際建筑圖紙構建精確的模型。而對于已有的數據資源，需要選擇能夠兼容這些數據格式的軟件。例如，Pathfinder支持DXF、FDS等格式的圖形文件導入建模，方便利用已有的建筑設計文件和火災模擬數據進行人員疏散模擬。此外，如果研究需要與其他相關領域的模型或軟件進行耦合分析，如與火災模擬軟件、結構力學軟件等，就需要選擇具有良好兼容性和數據交互能力的模擬工具。例如，FDS+Evac本身就是火災模擬與人員疏散模擬的結合，能夠實現兩者之間的數據共享和協同模擬。軟件的易用性和成本：軟件的操作難度和使用成本也是不可忽視的因素。對于一些非專業(yè)的研究人員或工程師來說，易用性是選擇軟件的重要考量。例如，Simulex由于其操作相對簡單，界面友好，被越來越多地應用于實際工程中。而一些功能強大但操作復雜的軟件，可能需要花費大量時間進行學習和培訓。此外，軟件的使用成本，包括購買軟件的費用、維護成本以及對計算機硬件的要求等，也會影響軟件的選擇。一些商業(yè)軟件功能齊全，但價格昂貴；而一些開源軟件或免費軟件雖然功能可能相對有限，但對于預算有限的研究項目來說，也是一種可行的選擇。在選擇時，需要根據研究團隊的技術水平和預算情況，綜合評估軟件的易用性和成本效益。三、人員疏散設計的影響因素分析3.1人員內在因素3.1.1心理因素在人員疏散過程中，心理因素起著至關重要的作用，尤其是恐慌和緊張情緒，對人員的決策和行動速度產生顯著影響。當面臨火災、地震等緊急情況時，恐慌心理往往會迅速蔓延。例如，在火災發(fā)生時，人們一旦感知到火災的危險，如看到火焰、聞到刺鼻的煙霧，恐慌情緒便會瞬間被激發(fā)。這種恐慌心理會導致人員的理性判斷能力大幅下降，使得他們在疏散決策時更容易出現失誤。研究表明，在恐慌狀態(tài)下，人員可能會忽略原本熟悉的疏散路線和安全出口，盲目地跟隨他人行動，或者在沒有充分思考的情況下選擇錯誤的逃生路徑。例如，在一些火災事故案例中，部分人員因為恐慌，沒有選擇距離最近的安全出口，而是跟隨人群向相反方向擁擠，最終導致疏散時間延長，自身陷入更危險的境地。緊張情緒同樣會對人員的行動速度產生負面影響。當人員聽到警報聲或接收到火警信息時，緊張情緒會不自覺地產生。在緊張狀態(tài)下，人體會出現一系列生理反應，如心跳加速、呼吸急促、肌肉緊張等，這些生理反應會影響人員的行動協調性和敏捷性。例如，在緊張情緒的影響下，人員可能會出現腳步慌亂、摔倒等情況，從而降低疏散速度。此外，在出口處排隊等待疏散的過程中，隨著等待時間的延長，人群中的緊張情緒會不斷加劇。這種緊張情緒的傳播會導致人群的整體疏散效率下降，容易引發(fā)擁擠和踩踏事故。除了恐慌和緊張，其他心理因素也會對人員疏散產生作用。例如，從眾心理使得人員在疏散時往往傾向于跟隨大多數人的行動。如果大多數人選擇了錯誤的疏散方向，從眾心理會導致更多的人跟隨錯誤，從而影響整個疏散過程。再如，僥幸心理會使一些人員在初期對危險的認識不足，不愿意立即采取疏散行動，而是抱有危險不會降臨到自己身上的想法，繼續(xù)在危險區(qū)域停留，錯失最佳疏散時機。為了降低心理因素對人員疏散的負面影響，需要采取有效的措施。一方面，加強對人員的安全教育和培訓，提高人員在緊急情況下的心理素質和應對能力。通過開展消防安全培訓、應急演練等活動，讓人員熟悉疏散流程和注意事項，增強他們的自信心和安全感，從而在面對緊急情況時能夠保持冷靜，做出正確的決策。另一方面，在建筑設計和疏散指示系統(tǒng)的設置上，應充分考慮人員的心理特點。例如，設置清晰、明確的疏散指示標志，采用醒目的顏色和簡潔的圖案，以吸引人員的注意力，引導他們快速找到安全出口。同時，合理規(guī)劃疏散通道和安全出口的布局，避免疏散路徑過于復雜，減少人員在疏散過程中的焦慮和恐慌情緒。3.1.2生理因素人員的生理條件是影響疏散能力和速度的重要內在因素，其中年齡和身體狀況起著關鍵作用。不同年齡段的人員在身體機能和行動能力上存在顯著差異，這直接影響著他們的疏散表現。兒童由于身體發(fā)育尚未成熟，行動能力相對較弱，在疏散過程中可能會出現行走速度慢、體力不足等問題。例如，幼兒的步幅較小，行走速度通常只有成年人的一半左右，且他們在面對緊急情況時可能會因為恐懼而哭鬧，導致行動更加遲緩。同時，兒童對危險的認知和判斷能力有限，可能無法準確理解疏散指示和遵循成人的引導。老年人則由于身體機能衰退，如肌肉力量減弱、反應速度變慢、視力和聽力下降等，疏散能力也受到較大限制。研究表明，老年人的步行速度比成年人平均慢20%-30%，在上下樓梯等行動中，他們需要花費更多的時間和精力。而且，老年人可能患有各種慢性疾病，如心臟病、高血壓等，這些疾病會進一步削弱他們的身體耐力和應急能力，在疏散過程中容易出現身體不適甚至暈倒的情況。身體狀況也是影響疏散能力的重要因素。身體健康、行動自如的人員在疏散時能夠保持相對較快的速度和較高的靈活性。然而，對于身體有殘疾的人員，如肢體殘疾、視力殘疾或聽力殘疾等，疏散過程面臨著諸多困難。肢體殘疾人員可能需要借助輪椅、拐杖等輔助器具進行疏散，這不僅會降低他們的行動速度，還可能在疏散通道狹窄或有障礙物時受到阻礙。視力殘疾人員無法依靠視覺來判斷疏散路徑和周圍環(huán)境的危險，需要他人的引導或特殊的輔助設施，如盲道、語音提示裝置等。聽力殘疾人員則可能無法及時聽到警報聲和疏散指令，容易錯過最佳疏散時機。此外，患有疾病的人員，如感冒、發(fā)燒、哮喘等，身體狀態(tài)不佳，體力和耐力下降，在疏散過程中也難以保持正常的行動速度，可能需要更多的休息和幫助。為了保障不同生理條件人員的安全疏散，在人員疏散設計中需要充分考慮這些因素。在建筑設計方面，應設置無障礙疏散通道和設施，確保輪椅、擔架等能夠順利通行。例如，疏散通道的寬度應滿足輪椅通行的要求，樓梯應設置扶手，且踏步高度和寬度要符合人體工程學原理，方便老年人和行動不便者使用。同時，應配備多種形式的疏散指示和警報系統(tǒng)，如視覺指示標志、語音警報、閃光警報等，以滿足不同感官殘疾人員的需求。在應急管理方面，應制定針對不同生理條件人員的疏散預案，并組織相關人員進行培訓和演練。例如，在疏散演練中，安排專人負責幫助兒童、老年人和殘疾人疏散，確保他們能夠在緊急情況下安全撤離。此外，還可以在建筑物內設置臨時避難場所，為身體不適或無法快速疏散的人員提供暫時的安全庇護。3.1.3社會關系因素人員在疏散過程中的行為，很大程度上受到社會關系因素的影響，這種影響主要體現在對親友的關注以及崗位責任等方面。當緊急情況發(fā)生時，人們往往會首先關注自己親友的安危。在火災場景下，父母會急切地尋找自己的孩子，子女會牽掛年邁的父母，夫妻之間也會相互尋找。這種對親友的牽掛會導致人員在疏散初期花費一定時間去確認親友的位置和安全狀況。例如，在一些家庭居住的建筑物發(fā)生火災時，部分人員會在發(fā)現火災后，第一時間在各個房間呼喊和尋找家人，而不是立即朝著安全出口疏散。這不僅會延誤自己的疏散時間，還可能阻礙其他人員的疏散路徑，導致疏散效率降低。據相關調查研究顯示，在家庭火災疏散案例中，約有30%的人員因為尋找親友而導致疏散時間延長了5-10分鐘。崗位責任也是影響人員疏散行為的重要社會關系因素。對于處在特殊崗位的人員，如核電站操作員、醫(yī)院醫(yī)護人員、學校教師等，他們在緊急情況下會將自身的崗位責任放在首位。核電站操作員在發(fā)生事故時，需要首先確保核反應堆的安全關停，采取一系列緊急操作措施，以防止事故進一步惡化。醫(yī)院醫(yī)護人員在火災發(fā)生時，會考慮到病床上無法自主行動的患者，盡力將他們轉移到安全地帶。學校教師則會負責組織和引導學生疏散，確保學生的安全。這些人員因為履行崗位責任，往往會延遲自己的疏散時間。例如，在醫(yī)院火災事故中，醫(yī)護人員為了轉移患者，可能會多次往返于病房和安全出口之間，導致自己最后撤離。雖然這種行為體現了他們的職業(yè)責任感，但也增加了自身面臨危險的時間。此外，人員之間的社會關系還可能表現為群體行為。在疏散過程中，人們往往會形成一定的群體，如家庭成員、同事、朋友等。群體成員之間會相互影響和協作，共同尋找疏散路徑。然而，這種群體行為也可能帶來一些問題。例如，當群體中的某個成員做出錯誤的決策時，其他成員可能會盲目跟隨，導致整個群體選擇錯誤的疏散方向。而且，群體之間可能會因為爭搶疏散通道或安全出口而發(fā)生沖突，影響疏散秩序。為了應對社會關系因素對人員疏散的影響，在人員疏散設計和應急管理中需要采取相應措施。在疏散預案的制定中，應充分考慮到人員對親友的關注，鼓勵在平時就做好家庭成員之間的應急約定，如在緊急情況下確定集合地點，以便快速團聚。對于特殊崗位人員，應提供專門的培訓和裝備，確保他們在履行崗位責任的同時，也能保障自身安全。例如，為核電站操作員配備緊急防護裝備和逃生路線指引，使其在處理事故后能夠迅速撤離。在應急演練中，加強對群體疏散行為的引導和訓練，提高群體之間的協作能力和秩序意識，避免因群體沖突而影響疏散效率。3.2外在環(huán)境因素3.2.1建筑結構與布局建筑結構與布局作為人員疏散的物理基礎，對疏散效率和安全性有著深遠的影響。建筑的空間形狀是影響人員疏散的重要因素之一。不規(guī)則的空間形狀會增加人員疏散的難度。例如，一些具有異形結構的展覽館或藝術場館，其內部空間復雜，存在大量的轉角、凹凸區(qū)域。這些不規(guī)則的空間結構使得人員在疏散時難以快速找到最短的疏散路徑，容易迷失方向。在火災發(fā)生時，濃煙會迅速填充這些復雜的空間，進一步阻礙人員的視線，使得疏散更加困難。相比之下，規(guī)則的矩形或正方形空間布局能夠為人員提供更為清晰的疏散方向，有利于快速疏散。在矩形的教學樓教室中，人員可以很容易地判斷出安全出口的大致方向，沿著直線或簡單的折線即可到達出口。通道布局在人員疏散中起著關鍵作用。疏散通道的寬度直接關系到人員疏散的流量和速度。狹窄的通道容易導致人員擁堵，降低疏散效率。當通道寬度不足時，大量人員同時涌入，會形成瓶頸效應，人員之間相互擁擠、推搡，不僅減緩了疏散速度，還容易引發(fā)踩踏事故。根據相關研究和規(guī)范，不同類型的建筑對疏散通道寬度有明確的要求。例如，學校教學樓的疏散通道寬度一般不應小于1.1米，以確保在緊急情況下，人員能夠順暢地通過。通道的長度也不容忽視，過長的疏散通道會增加人員疏散的時間，特別是對于行動不便的人員來說，可能會在疏散過程中體力不支。同時，通道的轉彎半徑和連續(xù)性也會影響疏散效果。過小的轉彎半徑會限制人員的通行速度，而通道的中斷或不連續(xù)則會迫使人員改變疏散路線，增加疏散的復雜性。安全出口的數量和位置是保障人員安全疏散的關鍵要素。足夠數量的安全出口能夠分散人流，避免人員過度集中在少數出口，從而提高疏散效率。在大型商場中，如果安全出口數量不足，在火災發(fā)生時，大量顧客和員工會涌向有限的出口，容易造成出口處的嚴重擁堵，延長疏散時間。安全出口的位置應合理分布，確保建筑內各個區(qū)域的人員都能在最短時間內到達。如果安全出口位置設置不合理，例如集中在建筑的一側，那么遠離該側的人員在疏散時就需要經過較長的距離，增加了疏散的風險。安全出口的標識應清晰、醒目，易于識別。在實際情況中，一些建筑的安全出口標識被遮擋、損壞或不夠明顯，導致人員在緊急情況下無法及時找到出口，這是非常危險的。為了優(yōu)化建筑結構與布局以促進人員疏散，在建筑設計階段，應充分考慮疏散需求。采用簡潔、規(guī)整的空間形狀，合理規(guī)劃通道布局，確保通道寬度、長度和轉彎半徑符合規(guī)范要求。增加安全出口的數量，并根據建筑的功能分區(qū)和人員分布情況，科學合理地確定安全出口的位置。同時，加強對安全出口標識的設置和維護，確保其清晰可見。例如，在新的商業(yè)綜合體設計中，可以通過數值模擬分析不同布局方案下的人員疏散情況，選擇最優(yōu)的建筑結構和布局方案，為人員疏散提供良好的物理條件。3.2.2疏散設施配備疏散設施作為人員疏散的重要保障，其配備的合理性和有效性直接關系到人員在緊急情況下能否順利疏散。疏散指示標志是引導人員疏散的關鍵設施。清晰、明確的疏散指示標志能夠幫助人員在緊急情況下快速找到安全出口。指示標志的位置應設置在明顯且易于看到的地方，如疏散通道的墻壁、地面、天花板等。在疏散通道的轉彎處、交叉口以及靠近安全出口的位置，都應設置指示標志。其圖形和文字應簡潔易懂，符合相關標準規(guī)范。國際通用的疏散指示標志采用綠色背景和白色箭頭，箭頭指向安全出口方向，這種簡潔明了的設計能夠讓不同文化背景的人員都能迅速理解其含義。指示標志的亮度和可見性也至關重要。在火災等緊急情況下，可能會出現煙霧彌漫、光線昏暗的情況，此時疏散指示標志必須具備足夠的亮度，才能在煙霧中清晰可見。采用自發(fā)光或蓄光型的指示標志，可以在斷電或煙霧環(huán)境下持續(xù)發(fā)光，為人員提供可靠的疏散指引。應急照明是保障人員疏散安全的重要設施之一。在火災發(fā)生時，正常照明系統(tǒng)可能會因斷電或損壞而失效，此時應急照明就成為人員疏散的主要光源。應急照明應具備足夠的照度，以確保人員能夠看清疏散路徑。根據相關標準，疏散通道的應急照明照度不應低于1lx，人員密集場所的應急照明照度不應低于3lx。應急照明的持續(xù)時間也應滿足人員疏散的需求。一般情況下，應急照明的持續(xù)工作時間不應少于30分鐘，對于一些特殊場所，如大型商場、醫(yī)院等，應急照明的持續(xù)時間應更長。應急照明的布局應合理，確保疏散通道、安全出口以及人員密集區(qū)域都能得到充分的照明。在樓梯間、電梯前室等關鍵位置，應重點設置應急照明，避免出現照明死角。消防設備在人員疏散中也起著重要作用。滅火器、消火栓等消防設備能夠在火災初期控制火勢，為人員疏散爭取時間。在火災發(fā)生時，如果現場人員能夠及時使用滅火器或消火栓進行滅火，就可以延緩火勢的蔓延，降低火災對人員的威脅，使人員有更多的時間安全疏散。自動噴水滅火系統(tǒng)、防排煙系統(tǒng)等消防設施能夠有效控制火災的發(fā)展和煙氣的蔓延。自動噴水滅火系統(tǒng)可以在火災發(fā)生時自動噴水滅火，降低火場溫度；防排煙系統(tǒng)則可以及時排出煙霧，保持疏散通道的暢通，提高人員疏散的安全性。例如，在一些高層建筑中，防排煙系統(tǒng)能夠將火災產生的煙霧迅速排出室外，避免煙霧在建筑內積聚，為人員疏散創(chuàng)造良好的環(huán)境。為了確保疏散設施的有效運行，需要加強對疏散設施的維護和管理。定期對疏散指示標志、應急照明和消防設備進行檢查和維護，確保其性能完好。及時更換損壞或失效的疏散指示標志和應急照明燈具，保證消防設備的正常使用。同時，加強對人員的培訓，使他們熟悉疏散設施的位置和使用方法。例如，在學校、企業(yè)等單位，定期組織消防安全培訓，讓員工和學生了解疏散指示標志的含義、應急照明的作用以及消防設備的使用方法，提高他們在緊急情況下的應對能力。3.3環(huán)境變化因素3.3.1火災煙氣影響在火災發(fā)生時，火災煙氣作為一種極具危害性的環(huán)境變化因素，對人員疏散構成了多方面的嚴重阻礙?；馂臒煔獾臄U散特性是影響人員疏散的重要因素之一。火災發(fā)生后，煙氣會迅速在建筑空間內蔓延擴散。其擴散速度與火災的規(guī)模、通風條件以及建筑結構等密切相關。在通風良好的大空間建筑中，煙氣可能會迅速擴散到整個空間；而在通風不暢的狹小空間內，煙氣則可能積聚，導致局部濃度過高。例如，在高層建筑中，由于煙囪效應的作用，煙氣會沿著樓梯間、電梯井等豎向通道快速上升，速度可達3-5m/s，這使得高層區(qū)域的人員面臨更大的危險。而且，煙氣的擴散方向往往是不確定的，它可能會繞過障礙物，填充到各個角落，使得人員難以找到安全的疏散路徑。火災煙氣的溫度和毒性對人員的生命安全構成直接威脅。高溫煙氣會對人員造成灼傷，當人體暴露在高溫煙氣中時，皮膚和呼吸道會受到嚴重損傷。研究表明，當煙氣溫度達到65℃時，人在短時間內就會感到難以忍受；當溫度達到100℃時，會對呼吸道造成嚴重傷害。此外，火災煙氣中含有大量的有毒氣體，如一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO?）、氰化氫（HCN）等。一氧化碳是火災中致人死亡的主要燃燒產物之一，它與人體血紅蛋白的結合能力比氧氣快210倍，會阻礙血紅蛋白的輸氧功能，導致人體缺氧窒息。當空氣中一氧化碳濃度達到0.1%時，人在1-2小時內就會出現頭痛、嘔吐等癥狀；當濃度達到1%時，人在1-2分鐘內就會昏迷死亡。二氧化碳本身雖無毒，但當濃度過高時，會使空氣中氧氣含量降低，導致人員呼吸困難、意識模糊。氰化氫等其他有毒氣體也會對人體的神經系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)等造成嚴重損害，影響人員的行動能力和判斷能力。火災煙氣的能見度降低是阻礙人員疏散的關鍵因素。煙氣中的煙粒子對可見光具有遮蔽作用，當煙氣彌漫時，可見光受到煙粒子的散射和吸收，導致能見度大幅下降。研究表明，當煙氣濃度達到一定程度時，能見度可能會降低到1m以下。在低能見度環(huán)境下，人員難以看清疏散指示標志和安全出口，容易迷失方向。例如，在某商場火災中，由于煙氣迅速擴散，能見度急劇下降，許多人員在疏散過程中迷失了方向，無法找到正確的疏散路徑，最終導致疏散時間延長，造成了嚴重的人員傷亡。而且，低能見度還會增加人員的恐慌心理，進一步影響疏散效率。為了降低火災煙氣對人員疏散的影響，在建筑設計和消防設施配備上需要采取一系列措施。在建筑設計中，應合理設置防煙分區(qū)和排煙系統(tǒng)，利用擋煙垂壁、防火卷簾等設施將煙氣控制在一定區(qū)域內，并通過機械排煙或自然排煙的方式及時排出煙氣。同時，應加強疏散通道的防煙設計，確保疏散通道內的煙氣濃度和溫度在人員可承受的范圍內。在消防設施方面，應配備有效的火災探測和報警系統(tǒng)，及時發(fā)現火災并通知人員疏散。此外，還可以采用智能疏散指示系統(tǒng)，根據煙氣的擴散情況動態(tài)調整疏散指示方向，引導人員避開煙氣區(qū)域，選擇安全的疏散路徑。3.3.2其他突發(fā)情況除了火災煙氣，地震、爆炸等其他突發(fā)事件同樣會對人員疏散環(huán)境和行為產生重大影響，給人員疏散帶來極大的困難和挑戰(zhàn)。地震發(fā)生時，建筑物會發(fā)生劇烈搖晃和震動，這對人員疏散環(huán)境造成了嚴重破壞。建筑物結構可能會出現裂縫、坍塌等情況，導致疏散通道被堵塞、安全出口被掩埋。例如，在2011年日本東日本大地震中，許多建筑物在地震中嚴重受損，疏散通道被倒塌的墻體、天花板等障礙物堵塞，使得人員無法正常疏散。而且，地震還可能引發(fā)次生災害，如火災、漏電等，進一步加劇了疏散的危險性。在地震的強烈震動下，人員的行動能力受到極大限制。人們會因為站立不穩(wěn)而摔倒，難以保持正常的行走速度和方向。研究表明，在地震發(fā)生時，人員的行走速度可能會降低50%-70%。同時，地震帶來的恐慌心理會使人員的決策能力下降，難以迅速做出正確的疏散判斷。例如，在一些地震事故中，部分人員因為恐慌而盲目奔跑，選擇了錯誤的疏散方向，增加了自身的危險。爆炸事故具有突發(fā)性和強烈的破壞力，對人員疏散的影響更為嚴重。爆炸產生的沖擊波會瞬間摧毀建筑物的結構，破壞疏散設施。如2015年天津港爆炸事故，爆炸產生的強大沖擊波導致周邊建筑物嚴重受損，許多安全出口和疏散通道被炸毀，無法正常使用。爆炸還會引發(fā)火災和產生大量有毒氣體，進一步惡化疏散環(huán)境。爆炸產生的高溫和火焰會阻礙人員的疏散路徑，有毒氣體則會對人員的生命安全造成威脅。在爆炸發(fā)生時，人員往往會受到巨大的驚嚇，陷入極度恐慌的狀態(tài)。這種恐慌情緒會導致人員行為失控，出現混亂和擁擠的局面。例如，在擁擠的人群中，人們可能會相互推搡、踩踏，導致疏散通道堵塞，疏散效率急劇下降，甚至引發(fā)嚴重的傷亡事故。為了應對地震、爆炸等突發(fā)事件對人員疏散的影響，需要采取一系列針對性的措施。在建筑設計階段，應提高建筑物的抗震和抗爆性能，采用堅固的結構設計和材料，確保在突發(fā)事件發(fā)生時建筑物能夠保持相對穩(wěn)定。合理規(guī)劃疏散通道和安全出口，使其具有足夠的強度和穩(wěn)定性，避免在事故中被破壞。同時，加強對建筑物的日常維護和檢查，及時發(fā)現并修復潛在的安全隱患。在應急管理方面，制定完善的應急預案，明確在突發(fā)事件發(fā)生時的疏散流程和責任分工。定期組織人員進行應急演練，讓人員熟悉疏散路線和應急措施，提高應對突發(fā)事件的能力。此外，還可以利用先進的技術手段，如地震預警系統(tǒng)、爆炸監(jiān)測系統(tǒng)等，提前發(fā)出警報，為人員疏散爭取更多的時間。3.4救援和應急組織因素3.4.1應急預案有效性應急預案作為應急管理的重要組成部分，其合理性和可行性對人員疏散效率有著至關重要的影響。一個合理的應急預案應全面涵蓋火災、地震、爆炸等各類可能發(fā)生的緊急情況，針對不同的災害類型制定詳細且針對性強的疏散策略。以火災應急預案為例，需要明確火災發(fā)生時不同區(qū)域人員的疏散順序。通常，火災發(fā)生層及相鄰上下層的人員應優(yōu)先疏散，因為他們面臨的危險最為直接。對于高層建筑，還應考慮不同樓層的疏散方式，如低樓層人員可通過樓梯迅速疏散，而高樓層人員在火勢較小時也可通過樓梯疏散，但在火勢較大、樓梯被煙霧封鎖時，可能需要利用避難層進行暫時躲避，等待救援或選擇其他安全的疏散路徑。應急預案還應合理規(guī)劃疏散路線，根據建筑的布局和安全出口的位置，設計多條疏散路線，以分散人流，避免人員過度集中在某一條路線上。同時，疏散路線應盡量簡潔明了，避免復雜的轉彎和迂回，確保人員能夠快速、順暢地撤離。可行性是應急預案的關鍵。在制定應急預案時，必須充分考慮建筑的實際情況和人員的特點。對于大型商場，由于其內部布局復雜，商品陳列繁多，在規(guī)劃疏散路線時，要確保疏散通道不被商品或貨架堵塞。同時，要考慮到商場內不同人員的行動能力，如老年人、兒童、殘疾人等，為他們提供特殊的疏散安排，如設置無障礙疏散通道、安排專人協助疏散等。應急預案中的措施應具有可操作性，明確各部門和人員的職責分工。在火災發(fā)生時，消防部門負責滅火和救援工作，物業(yè)部門負責疏散引導和維持秩序，醫(yī)療部門負責現場急救等。各部門之間應密切配合，協同作戰(zhàn)，確保疏散工作的順利進行。為了驗證應急預案的有效性，需要定期進行演練。通過演練，可以檢驗應急預案中各項措施的可行性和合理性，發(fā)現存在的問題并及時進行改進。在演練過程中，模擬真實的緊急情況，觀察人員的疏散行為和反應，評估疏散時間、疏散效率等指標。例如，在某學校的火災應急演練中，發(fā)現部分學生對疏散路線不熟悉，導致疏散時間過長。針對這一問題，學校加強了對學生的安全教育，組織學生熟悉疏散路線，并在后續(xù)的演練中取得了較好的效果。演練還可以提高人員的應急意識和應對能力，使他們在實際緊急情況發(fā)生時能夠迅速、準確地做出反應，按照預案要求進行疏散。3.4.2救援行動及時性救援行動的及時性在人員疏散過程中起著關鍵作用，直接關系到人員的生命安全和疏散的最終效果。救援人員的響應速度是影響救援行動及時性的重要因素。當緊急情況發(fā)生后，救援人員能夠在最短時間內到達現場，對于控制事故發(fā)展、保障人員安全至關重要。例如，在火災事故中，消防部門接到報警后，應迅速出動消防車和消防人員。根據相關規(guī)定，城市市區(qū)內的消防救援力量應在5分鐘內到達火災現場?？焖俚捻憫俣瓤梢誀幦氋F的救援時間，在火災初期及時控制火勢，為人員疏散創(chuàng)造有利條件。如果救援人員響應遲緩，火勢可能會迅速蔓延，導致更多的人員被困，增加疏散的難度和危險性。救援方式的選擇也對人員疏散有著重要影響。在火災救援中，消防人員可以采用多種救援方式，如滅火、排煙、破拆等。滅火是控制火災蔓延的關鍵措施，通過使用滅火器、消火栓、消防車等設備，迅速撲滅火災，減少火災對人員的威脅。排煙可以排出火災產生的煙霧，提高疏散通道的能見度，為人員疏散提供良好的環(huán)境。破拆則可以開辟新的疏散通道，或解救被困人員。在地震救援中，救援人員需要根據建筑物的倒塌情況，采用合適的救援工具和方法，如生命探測儀、液壓破拆工具等，尋找和營救被困人員。選擇合適的救援方式能夠有效地提高救援效率，加快人員疏散的進程。此外，救援行動還需要與人員疏散密切配合。救援人員在到達現場后，應迅速與現場的疏散指揮人員進行溝通，了解人員疏散的進展情況和存在的問題。根據人員疏散的需要，調整救援策略和行動。例如，在疏散過程中，如果發(fā)現某個區(qū)域的人員被困，救援人員應立即采取行動，開辟救援通道，解救被困人員。同時，救援人員還應協助疏散人員，引導他們安全撤離。在大型商場火災疏散中，消防人員可以在疏散通道上設置水槍陣地，防止火勢蔓延，為人員疏散提供掩護。為了提高救援行動的及時性，需要加強救援隊伍的建設和管理。增加救援人員的數量，提高救援人員的專業(yè)素質和應急能力，定期進行培訓和演練，使其熟悉各種救援設備的使用和救援方法。建立完善的應急響應機制，確保在緊急情況發(fā)生時，能夠迅速、準確地傳達信息，調動救援力量。加強與其他相關部門和單位的協作，形成救援合力，共同保障人員疏散的安全和順利。四、數值模擬在人員疏散設計中的應用案例分析4.1案例一：大型商場人員疏散模擬4.1.1商場概況與模型建立本案例選取的大型商場位于市中心繁華地段，是一座集購物、餐飲、娛樂為一體的綜合性商業(yè)建筑。商場共地上五層，地下一層，總建筑面積達80,000平方米。地上各層主要為各類品牌店鋪、超市、餐廳等商業(yè)區(qū)域，地下一層為停車場和設備用房。商場內部布局復雜，設有多個中庭，各樓層之間通過自動扶梯、樓梯和電梯相連。正常營業(yè)期間，商場內人員密度較大，平均日客流量可達20,000人次以上，節(jié)假日或促銷活動期間，客流量更是大幅增加。為了準確模擬該商場的人員疏散情況，我們采用專業(yè)的人員疏散模擬軟件Pathfinder進行模型建立。首先，根據商場的建筑圖紙，利用Pathfinder軟件的內部建模功能，精確構建商場的三維幾何模型。在建模過程中，詳細定義商場的各個區(qū)域，包括店鋪、通道、中庭、樓梯、自動扶梯、電梯等。對于每個區(qū)域，設置其準確的幾何尺寸、位置和屬性。例如，商場內的疏散通道寬度根據實際測量，設置為2-3米不等；自動扶梯的運行速度設置為0.5米/秒；樓梯的踏步高度和寬度按照相關建筑規(guī)范進行設置。同時，考慮到商場內可能存在的障礙物，如貨架、展示臺等，在模型中進行了合理的布置。在人員分布方面，根據商場的營業(yè)數據和實際觀察，對不同區(qū)域的人員初始分布進行了設定。將商場劃分為若干個人員分布區(qū)域，如購物區(qū)、餐飲區(qū)、休息區(qū)等，并根據各區(qū)域的功能和人員活動特點，確定每個區(qū)域的人員初始密度。例如，購物區(qū)在營業(yè)高峰期人員密度較大，平均每平方米可達3-5人；餐飲區(qū)在就餐時間人員較為集中，人員密度約為每平方米2-3人；休息區(qū)人員密度相對較小，每平方米約為1-2人。通過這種方式，盡可能真實地反映商場內人員的實際分布情況。4.1.2模擬場景設置為了全面評估商場在不同緊急情況下的人員疏散性能，設置了多種模擬場景?；馂陌l(fā)生位置：考慮到商場內不同區(qū)域發(fā)生火災的可能性，設置了三個火災發(fā)生位置。場景一：火災發(fā)生在商場三層中庭的某一角落，該區(qū)域周圍有多家店鋪和餐飲場所，人員較為密集；場景二：火災發(fā)生在地下一層停車場的一端，由于停車場內車輛較多，火災可能引發(fā)車輛燃燒和爆炸，對人員疏散造成更大威脅；場景三：火災發(fā)生在商場五層的電影院內，電影院在放映期間人員集中，且空間相對封閉，疏散難度較大?；饎萋樱豪没馂膭恿W模擬軟件FDS與Pathfinder軟件進行耦合，模擬火災的發(fā)展和火勢蔓延過程。根據商場內的可燃物分布、通風條件等因素，確定火災的增長速率和蔓延方向。在FDS模擬中，設置火災的熱釋放速率、煙氣生成量等參數，模擬火災在不同階段的發(fā)展情況。例如，在場景一中，假設火災初期熱釋放速率為1MW，隨著時間的推移，火勢逐漸增大，熱釋放速率在10分鐘內達到5MW。將FDS模擬得到的火災發(fā)展數據，如溫度分布、煙氣濃度分布等，導入Pathfinder軟件中，作為人員疏散模擬的環(huán)境條件，以真實反映火災對人員疏散的影響。人員初始狀態(tài)：考慮到人員在不同情況下的反應和行為差異，設置了兩種人員初始狀態(tài)。狀態(tài)一：人員處于正?；顒訝顟B(tài)，對火災的發(fā)生沒有預先感知，當火災警報響起后，開始進行疏散；狀態(tài)二：部分人員對商場環(huán)境較為熟悉，在火災發(fā)生初期，通過自身觀察或他人提醒，提前察覺到火災的跡象，開始主動疏散。在模擬中，通過設置不同的人員屬性參數，如反應時間、行動速度等，來體現人員初始狀態(tài)的差異。例如，對于狀態(tài)一中的人員，設置其反應時間為30-60秒，行動速度根據年齡、性別等因素進行隨機設定；對于狀態(tài)二中的人員，反應時間縮短為10-30秒，行動速度相對較快。4.1.3模擬結果與分析通過對不同模擬場景的運行，得到了豐富的模擬結果，主要包括疏散時間、人員流動路徑和擁堵區(qū)域等關鍵信息。疏散時間：在場景一下，當人員處于正?；顒訝顟B(tài)時，商場內全部人員疏散至安全區(qū)域所需的總時間為12分30秒；而當部分人員提前察覺火災并主動疏散時，總疏散時間縮短至10分15秒。在場景二，由于地下一層停車場火災的復雜性和危險性，人員疏散時間明顯增加。正常狀態(tài)下，疏散總時間達到15分45秒；即使有部分人員提前疏散，總疏散時間仍需13分20秒。場景三中，由于電影院空間封閉和人員集中，疏散時間較長。正常狀態(tài)下，疏散總時間為14分20秒；部分人員提前疏散時，總疏散時間為12分10秒。通過對不同場景疏散時間的對比分析，可以看出火災發(fā)生位置和人員初始狀態(tài)對疏散時間有顯著影響。火災發(fā)生在人員密集區(qū)域或危險區(qū)域，疏散時間會明顯增加；而部分人員提前疏散能夠有效縮短總疏散時間。人員流動路徑：模擬結果清晰地展示了人員在疏散過程中的流動路徑。在場景一中，大部分人員首先選擇距離自己最近的疏散通道和安全出口進行疏散。然而，由于三層中庭火災區(qū)域附近的通道受到火勢和煙霧的影響，部分人員不得不改變疏散路徑，選擇其他較遠的通道。在這個過程中，一些人員會因為對商場環(huán)境不熟悉，在尋找疏散路徑時花費較多時間。在場景二，地下一層停車場的人員主要通過樓梯和電梯向地面疏散。但由于電梯在火災發(fā)生時存在安全風險，部分人員選擇樓梯疏散。同時，由于停車場內車輛的阻擋，人員疏散路徑受到一定限制，導致疏散過程中出現人員聚集和擁堵的情況。在場景三中，電影院內的人員在疏散時，主要通過電影院內的疏散通道和安全出口向商場公共區(qū)域疏散。但由于電影院內通道狹窄，人員密度較大，疏散速度較慢。部分人員在疏散過程中，會受到其他人員的阻礙，導致疏散路徑發(fā)生改變。通過對人員流動路徑的分析，可以發(fā)現疏散路徑的選擇受到火災位置、人員對環(huán)境的熟悉程度以及疏散通道的暢通情況等多種因素的影響。擁堵區(qū)域：模擬結果顯示，在不同場景下，商場內均出現了不同程度的擁堵區(qū)域。在場景一中，三層中庭火災區(qū)域附近的疏散通道和自動扶梯入口處成為擁堵最為嚴重的區(qū)域。由于大量人員同時涌向這些區(qū)域，通道和入口處的人員密度急劇增加，導致人員疏散速度大幅下降。在場景二，地下一層停車場通往地面的樓梯口和電梯廳出現了擁堵現象。由于樓梯和電梯數量有限，無法滿足大量人員同時疏散的需求，人員在樓梯口和電梯廳排隊等待疏散，形成了較長的隊伍。在場景三中，電影院的疏散通道和出口處是擁堵的主要區(qū)域。電影院內人員集中，疏散通道狹窄，導致人員在疏散過程中相互擁擠，難以快速通過疏散通道和出口。通過對擁堵區(qū)域的分析，可以確定商場疏散設計中的薄弱環(huán)節(jié)，為后續(xù)的優(yōu)化改進提供依據。綜上所述，通過對大型商場人員疏散的數值模擬分析，全面了解了商場在不同緊急情況下的人員疏散性能。模擬結果揭示了疏散時間、人員流動路徑和擁堵區(qū)域等關鍵信息，為商場的人員疏散設計優(yōu)化提供了重要的數據支持和決策依據。針對模擬結果中發(fā)現的問題，后續(xù)將提出相應的優(yōu)化策略，以提高商場的人員疏散安全性和效率。4.2案例二：地鐵站人員疏散模擬4.2.1地鐵站特點與模型構建地鐵站作為城市軌道交通的關鍵節(jié)點，具有獨特的結構和人員流動特點，這些特點對人員疏散設計和模擬提出了特殊要求。地鐵站的結構通常較為復雜，包含多個功能區(qū)域。以典型的地下地鐵站為例，它一般由站廳層、站臺層、換乘通道、出入口等部分組成。站廳層是乘客進出站、購票、換乘的主要區(qū)域，人員活動頻繁，空間相對開闊但布局復雜，可能存在售票機、閘機、商店等設施，這些設施會影響人員的流動路徑和速度。站臺層是乘客候車和上下車的地方，與列車直接相連，人員密度在列車到站時會瞬間增大。換乘通道則用于連接不同線路的站臺或站廳，其長度、寬度和坡度各不相同，有些換乘通道還可能存在轉彎、上下樓梯等情況，增加了人員疏散的復雜性。例如，北京的西直門地鐵站，作為2號線、4號線和13號線的換乘站，其換乘通道錯綜復雜，長度較長，部分通道還需要多次上下樓梯，在高峰時段，換乘通道內人員擁堵現象較為嚴重。在模型構建方面，我們選用STEPS軟件來建立地鐵站的人員疏散模型。STEPS軟件基于元胞自動機理論，能夠較好地模擬人員在復雜環(huán)境中的疏散行為。首先，根據地鐵站的建筑圖紙和實地測量數據，在STEPS軟件中精確繪制地鐵站的三維模型。詳細定義站廳層、站臺層、換乘通道、出入口等各個區(qū)域的幾何形狀、尺寸和位置。例如，站廳層的面積、各個功能區(qū)域的劃分；站臺層的長度、寬度、站臺邊緣與軌道的距離；換乘通道的長度、寬度、坡度以及樓梯的踏步高度和寬度等。對于地鐵站內的設施，如售票機、閘機、座椅、柱子等，也在模型中進行準確的布置。這些設施不僅會占據空間，還可能成為人員疏散的障礙物，影響人員的流動。人員分布是模型構建的重要環(huán)節(jié)。根據地鐵站的運營數據和實際觀察，分析不同時間段、不同區(qū)域的人員分布規(guī)律。在高峰時段，站臺層和站廳層的人員密度較大，尤其是靠近列車車門和換乘通道入口的區(qū)域。而在非高峰時段，人員分布相對較為均勻。通過設置不同的人員分布場景，來模擬實際情況下的人員疏散。例如，假設高峰時段站臺層的人員密度為每平方米3-5人，站廳層的人員密度為每平方米2-3人；非高峰時段站臺層的人員密度為每平方米1-2人，站廳層的人員密度為每平方米0.5-1人。同時，考慮不同乘客的屬性，如乘客的年齡、性別、對地鐵站